stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 13

Stereoscopic روشی برای فیلم برداری و نمایش تصاویر است. در این روش با استفاده از یک شیوه خاص، تصاویر به گونه ای ذخیره می شود که که در زمان نمایش، به صورت سه بعدی و عمق دار دیده خواهد شد. این ساده ترین توضیحی است که میتوانم در مورد Stereoscopic بیان کنم. برای تولید تصاویر Stereoscopic سه بعدی، نیاز به دانش اولیه در خصوص روش کار و تجهیزات فیلم برداری خواهید داشت. در مبحث رندرینگ سه بعدی، خوشبختانه نیازی به تجهیزات ویژه فیزیکی ندارید و میتوانید انیمیشن ها و تصاویر خود را به صورت Stereoscopic ایجاد نمایید. پس اجازه بدهید که یک راست به سراغ Stereoscopic برویم.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 12


Stereoscopic روش فیلم بردای و رندرینگ تصاویر به صورت سه بعدی و با عمق واقعی می باشد. در این روش در زمان تصویر برداری، عمق واقعی موضوعات درون صحنه بدست خواهد آمد. این عمق در حالت عادی قابل رویت نیست و می بایست برای دیدن درست تصاویر Stereoscopic از عینک های مخصوصی استفاده کرد. در این روش که فیلم برداری و تصویر برداری آن توسط دو دوربین به صورت همزمان انجام می شود، از یک صحنه دو تصویر با فاصله مشخصی بدست می آید. این فاصله به اندازه فاصله دو مردمک چشم انسان خواهد بود. بنابراین در روش Stereoscopic ما نیازمند دو دوربین با فاصله چشم های انسان خواهیم بود. این دو دوربین همزمان از یک صحنه، تصویر برداری خواهند کرد، تصاویر بر یکدیگر منطبق بوده اما اندکی با هم فاصله دارند ( به اندازه چندین سانتی متر )، که در این صورت تصاویر بدست آمده شبیه سازی چیزی خواهد بود که مغز انسان از طریق دو چشم ما بدست خواهد آورد.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 11


برای خود من هم عجیب بود وقتی متوجه شدم اولین تصاویر سه بعدی با تکنیک Stereoscopic در سال 1900 تولید شده است. البته در آن زمان روش دیدن این تصاویر که فقط به صورت تک فریم (still Image) بودند کاملا متفاوت بود. در آن زمان شخص بیننده صورت خود را در محل تعیین شده قرار می داد تا هر چشم او یک تصویر جداگانه را مشاهده نماید. هر تصویر هم توسط یک دوربین با فاصله چشم انسان عکسبرداری شده بود.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 01


اجازه بدهید ابتدا در مورد نحوه تصویر برداری و تنظیم دوربین در نرم افزار های سه بعدی آشنا شویم و سپس روشهای مشاهده آنها را بررسی کنیم. برای تولید این تصاویر و تنظیمات دوربینها، باید سه اصل مهم را در نظر بگیرید پیش زمینه، پس زمینه و نقطه صفر.
پیش زمینه، المانها و موضوعاتی هستند که بیننده آنها را قرار است جلوتر از موضوعات پس زمینه مشاهده کند. نقطه صفر یا منطقه پیش فرض، محلی است که موضوعات فاصله مناسب و عادی از چشم بیننده دارند. در نتیجه این شما هستید که تعیین میکنید کدام موضوع در منطقه پیش زمینه باشد، کدام در منطقه صفر و کدام در پس زمینه. زمانی که شما در حال تماشای یک فیلم معمولی هستید موضوعات در منطقه صفر قرار دارند. در یک فیلم سه بعدی، موضوعاتی مانند یک درخت که در فاصله دورتری از بینندگان قرار دارند در پس زمینه و موضوعاتی مانند شخصیت اصلی که به صورت سه بعدی مشاهده شده و کاملا از تصویر جدا شده است در پیش زمینه قرار دارد. این هنر کارگردان است که چگونه موضوعات فیلم را در این سه وضعیت قرار دهد تا جذابیت بیشتری داشته باشد.
برای اینکه کمی به این موضوع دقیقتر شویم بهتر است که علت اینک انسان تصاویر را به صورت سه بعدی می بیند را بررسی نماییم. ما تصاویر اطراف خود را به صورت سه بعدی می بیینم زیرا چشمان ما تصاویر را با اندکی اختلاف در عمق میدان مشاهده میکنند. در حقیقت هر چشم ما تصویری را مشاهده میکند که عمق دید پرسپکتیو آن با تصویری که چشم دیگر مشاهده میکند متفاوت است. برای آزمایش این موضوع میتوانید انگشت خود را در جلوی چشمان خود قرار دهید. ابتدا به انگشت خود نگاه کنید. متوجه می شوید که تصاویر پس زمینه کمی مات شده و انگشت شما از تصاویر پشت کاملا جدا شده است.
خوب تا به اینجای کار برای آشنایی کاربرانی که با مفهوم Stereoscopic غریبه بودند مطالبی را عرض کردم. اما اجازه بدهید وارد اصل موضوع شویم. دید استریوسکوپیک از مجموعه ای از الگوریتم ها جهت تطبیق چند تصویر از یک نمای مشخص و واحد ( دو یا چند تصویر ) و تبدیل آن به یک تصویر ویژه تشکیل شده است. بله درست متوجه شدید، در Stereoscopic میتوان بیش از دو تصویر در اختیار داشت. البته در اینجا ما فقط بروی مدل دو دوربین یا دو تصویر آن تمرکز خواهیم کرد زیرا در حال حاضر بیشترین مصرف این تکنولوژی در سینما و بازیهای رایانه ای ، بروی دوربین های دوگانه استوار شده است. موقعیت دوربین ها و میزان چرخش و زاویه دید هر کدام از آنها باعث تولید فضای سه بعدی تصاویر خواهد شد. پس اگر زاویه دوربین ها و فاصله آنها از یکدیگر را تغییر دهید، عمق میدان متفاوتی بدست خواهید آورد و مختصات فضای سه بعدی تغییر خواهد کرد. در حقیقت اختلاف زاویه دید دو دوربین باعث ایجاد مختصات سه بعدی صحنه می شود. دانستن اینکه چگونه زاویه بندی دوربین های را انجام دهیم به کاربران کمک خواهد کرد تا بتوانند مختصات دوربین ها و محل و زاویه چرخش آنها را کالیبره کنند تا عمق صحنه و مختصات فضای سه بعدی به درستی تولید شود.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 02


همانطور که در شکل بالا مشاهده می فرمایید محل قرار گرفتن دوربین ها بر اساس فرمول بالا بدست خواهد آمد. در این فرمول t معرف زمان، g(x,y,z) معرف شتاب زمین می باشد. خوشبختانه در نرم افزارهای متحرک سازی سه بعدی مانند max , maya , Houdini , lightwave , cinema 4d و ... نیازی به حل این فرمول نخواهید داشت. در این نرم افزارها پلاگین ها و ابزارهایی برای ایجاد دوربین های Stereoscopic وجود دارد. در فضای عملی، فاصله دو چشم انسان را در حدود 5 سانتی متر در نظر می گیرند. این فاصله باعث می شوند اختلاف کوچکی در زاویه دید دوربین های خواهد شد (parallax) . همانطور که عرض شد از همین اختلاف برای بدست آوردن عمق صحنه تصویر برداری شده استفاده می شود.
برای مشاهده تصاویر سه بعدی ایجاد شده، دو روش کلی وجود دارد. اول استفاده از عینک های Active و دوم عینک های Passive . هر کدام از روشها مزایا و معایبی دارد و قابلیت هایی را در اختیار بیننده تصاویر و تولید کننده تصاویر قرار می دهد.در روش Active عینک های استفاده شده تصاویر را جلوی چشم بیننده نمایش می دهند. در این روش شیشه های عینک به عنوان یک نمایشگر عمل کرده و تصاویر دریافت شده از دو دوربین Stereoscopic را جداگانه برای بیننده نمایش می دهند. در این حالت روش نمایش تصاویر در این عینک ها با توجه به برداشت مغز انسان از تصاویری که می بیند برنامه ریزی می شود. این عینک ها که معروفترین آنها به روش Active Shutter 3D System معروف است که در اختصار به آن روش عینک های Shutter می گویند، ابتدا یک تصویر را بروی چشم چپ نمایش می دهد و چشم راست تصویری را نمی بیند. سپس نمایش تصویر چشم چپ قطع شده و تصویر دوربین دوم بروی چشم راست دیده می شود و دوباره تصویر چشم راست غیر فعال شده و تصویر دوربین اول بروی چشم چپ نمایش داده می شود و ... . در این روش تصاویر دوربین های Stereoscopic به ترتیب بروی چشم چپ و راست پخش می شوند اما هیچ گاه هر دو تصویر به صورت همزمان نمایش داده نمی شود. حال هر چه این عینک ها و تصاویر پخش شده بروی آنها سریعتر واکنش دهند و نرخ نمایش تصاویر بالاتر رود، تصویری که در مغز از نمایش این تصاویر بدست می آید زیباتر و هموارتر و دقیقتر خواهد بود. در این نوع عینک ها، بجای شیشه عینک یک نمایشگر LCD و LED و ... وجود دارد که وظیفه نمایش تصاویر ذکر شده را به عهده خواهند گرفت.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 03


عینک های Shutter دارای تنوع زیادی هستند. امروزه برخی از شرکت های تولید کننده مانیتور و تلویزیون های سه بعدی، از روش Active یا همان Shutter Glasses برای نمایش تصاویر استفاده میکنند. این عینک ها با توجه به اینکه دو نمایشگر بروی خود دارند، می بایست یک منبع انرژی داشته باشند. این منبع می تواند به صورت باتری و هر نوع دیگری تامین شود. امروزه عینک های shutter از نوع بدون سیم و یا با سیم ارائه می شوند. برخی از طرفداران تصاویر سه بعدی، تاکید دارند که این نوع از نمایش تصاویر بهترین و واقعی ترین حالت پخش و نمایش می باشد. اما از دید فنی مهمترین مزیت استفاده از روش Active این است که هیچ تغییری در رنگ تصاویر ایجاد نخواهد شد و این تصاویر به صورت کامل و بدون تغییر رنگ و با طیف کامل رنگ نمایش داده خواهند شد. اما این روش معایبی هم دارد. اولین و مهمترین آنها این است که عینک های shutter گران قیمت هستند. بنابراین نمیتوانید به راحتی آنها را تهیه کنید. دومین عیب بزرگ آنها همانطور که ذکر شد نیاز به منبع انرژی برای نمایش تصاویر است. اگر در حال تماشای یک فیلم جذاب باشید و شارژ عینک شما تمام شود باید تا زمانی که مجددا شارژ شود منتظر بمانید. مدلهای قدیمی این عینک ها بسیار سنگین بودند.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 04

البته امروزه این مشکل کاملا مرتفع شده است اما بالاخره برای خرید یک عینک سبک وزن، باید هزینه بیشتری را نیز پرداخت نمایید. با توجه به روش پخش تصاویر توسط عینک های Shutter که در بالا به آن اشاره کردیم، متوجه شدید که هر چشم نیمی از تصاویر را در یک بازه زمانی مشخص دریافت خواهد کرد. برای مثال اگر شما برای نمایش تصاویر خود به ازای هر ثانیه 30 فریم در نظر گرفته باشید، هر چشم فقط 15 فریم را دریافت خواهد کرد. زیرا در حالی که چشم راست در حال تماشای تصاویر است، چشم چپ تصویری را نخواهد دید و بالعکس. در نتیجه ایجاد flicker و یا نویز تصویر در این عینک ها امری بدیهی است. به منظور رفع این مشکل باید زمان نمایش تصاویر یا frame rate آنها را بالا ببریم. عینک های جدید Shutter ، این قابلیت را دارند که تا 200 فریم در ثانیه به نمایش تصاویر بپردازند که شرکت سامسونگ یکی از بهترین عینک های shutter را بروی تلویزیون های سه بعدی خود ارائه کرده است. اما توجه داشته باشید که هر چه این عینک ها فریم بیشتری را نمایش دهند، قیمت بالاتری نیز خواهند داشت.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 05


اما در روش دوم یا Passive ، همانطور که از نامش پیداست، عینک ها کاری انجام نمی دهند و فعالیتی ندارند. این دسته از عینک ها شامل چندین روش شامل KMQ , Chroma Depth , Anaglyph , polarized بوده که امروزه بیشتر روش Anaglyph و Polarized مورد استفاده قرار میگیرند. عینک های Passive یک خصوصیت کلی دارند و آن ارزان قیمت بودن آنهاست. از خصوصیات دیگر آنها عدم نیاز به منبع انرژی بوده و به صورت دائمی مورد استفاده قرار میگیرند. این دسته از عینک ها سبک بوده و براحتی توسط کاربران قابل ساخت می باشد. شما میتوانید در منزلتان هر کدام از انواع این عینک های را به سادگی تولید نمایید. به همین منظور است که در زمانی که یک تلویزیون سه بعدی از نوع Passive خریداری میکنید ( مانند آنچه که شرکت ال جی تولید میکند)، فروشنده 10 عدد عینک رایگان به شما تقدیم میکند اما در زمان خرید تلویزیون های سه بعدی Active شما فقط 2 عینک تحویل میگیرید و برای خرید عینک اضافه مبلغ زیادی را می بایست پرداخت نمایید.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 06


قبل از اینکه به دیگر مزایا و معایب این دسته اشاره کنیم، اجازه دهید که انواع این عینک را بیشتر بررسی کنیم. نکته مهم اینجاست که در این نوع نمایش تصاویر سه بعدی، نمایشگر اصلی که تلویزیون ، مانیتور یا پرده سینما می باشد، یک تصویر را نمایش می دهد. بنابراین شما میتوانید بدون عینک نیز به آن نگاه کنید. اما چیزی که مشاهده میکنید یک تصویر درهم و با رنگهای به هم ریخته می باشد. در برخی انواع نمایشگرها، تصویری که بدون عینک ملاحظه میکنید مات و دارای خطوط اضافه و یک پرده رنگی خاکستری و یا ... است. نکته ای که در اینجا اهمیت دارد این است که برای نمایش تصاویر به این روش، بعد از فیلم برداری آنها، نمیتوان هر تصویر را به صورت جداگانه به مخاطب نمایش داد زیرا فقط یک نمایشگر در جلوی بینندگان وجود دارد. در نتیجه می بایست روشی اتخاذ شود که دو تصویر بدست آمده از دوربین های Stereoscopic به یکدیگر تلفیق شوند تا یک تصویر واحد از آنها ایجاد شود، سپس توسط عینک های موجود، این دو تصویر از یکدیگر تفکیک شده و هر چشم تصویری را ببینده که دوربین معادل آن ایجاد کرده است. در اینجا اولین مشکل در روش Passive خودنمایی می کند. زمانی که شما دو تصویر را به یک تصویر تبدیل میکنید و سپس آنها را تفکیک میکنید، بخش هایی از تصویر می بایست که از بین رفته یا تغییراتی در آنها به وجود آید. این بخش ها، رنگ تصاویر می باشد. در اکثر روشهای Passive ما نمیتوانیم طیف کاملی از رنگ های در اختیار داشته باشیم. هر چه این روشها پیشرفته تر می شوند، طیف کاملتری را در اختیار بیننده قرار می دهند اما هیچگاه همانند روش Active نخواهد شد. البته شاید مخاطبان متوجه نشوند که کدام طیف ها از بین خواهد رفت اما این اتفاق در عمل خواهد افتاد.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 07


عینک های polarized یا قطبی شده، یک روش ساده برای نمایش تصاویر سه بعدی در اختیار کاربران قرار میدهند. آنها با محدود کردن نوری که از تصویر به هریک از چشم ها می رسد، باعث می شوند که افکت Stereoscopic در مغز انسان ایجاد گردد. تصاویر بدست آمده از دوربین های Stereoscopic با روش ویژه ای به صورت قطب اضافه به یک تصویر تبدیل می شوند. هر کدام از شیشه های عینک Polarized دارای قابلیت Polarization می باشد که با یکدیگر متفاوت هستند. شیشه سمت چپ و راست هرکدام بخشی از پرتوهای نور را فیلتر میکنند. در نتیجه نوری که از تصویر به هر یک از چشم ها می رسد متفاوت است که در نهایت، دو تصویر مجزا بروی هر کدام از چشم ها تشکیل می گردد. این عینک ها دو نوع کلی Linear و Circular دارند. بسته به قابلیت های آن، هر کدام از شرکت های تولید کننده تلویزیون های سه بعدی از یکی از این روشها استفاده میکنند.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 08


همین اتفاق نیز در مورد عینک های Anaglyph stereo می افتد. این دسته از عینک های را که حتما بارها مشاهده کرده اید، به رنگ های آبی - قزمز و یا سبز –قرمز تولید می شوند. مشابه روشی که در عینک های Polarization استفاده می شود، ابتدا تصاویر بدست آمده دو دوربین Stereoscopic با تکنیک خاصی به یک تصویر تبدیل می شود. این کار را خودتان نیز به راحتی می توانید انجام دهید. فقط کافی است که با یک جستجو، روش تولید تصاویر Anaglyph را مورد بررسی قرار دهید. بعد از تولید این تصاویر که با تغییراتی در کانالهای رنگ آبی و قرمز ( یا سبز و قرمز ) به دست می آید، تصویری تولید می شود که در حقیقت دو تصویر بروی هم با کانال رنگی متفاوت است.

stereoscopic-3d-vision-camera-anaglyph-polorize-glasses 09


بعد از تولید این تصاویر، عینک های Anaglyph وظیفه دارند که کانالهای رنگی را برای هر چشم تفکیک کنند. در نتیجه چشم چپ تصویری را می بیند که یک کانال رنگی آن فیلتر شده و چشم راست تصویر دیگری که کانال رنگی دیگری از آن فیلتر شده است. در نتیجه تصویر Stereoscopic بروی مغز تشکیل خواهد شد. در روش Passive همانطور که ملاحظه فرمودید، عینک ها ارزان ، سبک و دائمی هستند اما متاسفانه بخشی از رنگ تصاویر و جزییات از بین خواهد رفت. در حال حاضر روش Polarization یکی از پرکاربرد ترین و بهترین روشها در نمایش تصاویر Stereoscopic می باشد. زیرا کمترین تغییر در تصاویر و رنگ آنها را باعث خواهد شد.از دیگر روشها نمایش تصاویر Stereoscopic می توان به روشهای بدون نیاز به عینک اشاره کرد. روش Autostereoscopy توسط شرکت Nintendo معرفی شد. در این روش نمایشگر وظیفه تفکیک تصاویر را به عهده می گیرد. روشهای دیگری مانند holography , volumetric displays , integral imaging و روشهای متنوع دیگری وجود دارد که میتوانید به با کمی جستجو این گونه روشها را نیز مورد بررسی قرار دهید.
در آموزش بعدی  و به امید خدا، روش درج دوربین و پیاده سازی stereoscopic را بررسی خواهیم کرد.