Да повярваш на видяното: 3D илюзии Teach article

Превод Емилия Мурзова. За да накараме двуизмерните образи, които виждаме напечатани на хартия или на екран, да изглеждат по-истински, трябва да излъжем мозъка си…

С любезното съдействие на
stock photos for free.com

Огледайте се. Колко измерения виждате? Като триизмерно същество, обитаващо триизмерен свят, сигурни ли сте, че виждате три измерения: височина, ширина и перспектива? Не толкова. Всъщност виждате само две измерения. Това е така, защото онова, което виждаме са просто 2D изображения, дори на 3D обекти, проектирани върху задната част на очите ни. Онова, което възприемаме е съвсем различно: мозъците ни преработват 2D изображенията в нещо, което изглежда сякаш има не само височина и ширина, но и перспектива – три измерения. Така мозъкът използва 2D изображенията от очите за да създаде илюзия за 3D.

С любезното съдействие на
DTR; Източник: Wikimedia
Commons

Четирите упражнения в настоящата статия, подходящи за 11- до 19-годишни ученици по физика, изследват как да измамим работата на мозъка си, така че да накараме един 2D обект, като за начало рисунка, картина или филм, да изглежда като 3D.

Упражнения 1, 2 и 3 отнемат по около 20 минути, а упражнение 4 отнема около 30 минути. Необходимите материали не са скъпи, но трябва да бъдат набавени предварително. Въпреки, че тази статия се занимава предимно с материал от уроците по физика, тя може да бъде адаптирана за часовете по биология, защото касае зрението и мозъка.

Добавяне на още едно измерение

Първо как мозъкът ни ни позволява да възприемаме истинските 3D обекти в три измерения?

Използваме тази способност всеки път, когато правим нещо толкова просто, като да си сипем питие. Затворете едното си око, дръжте главата си изправена и погледа си на нивото на чашата, а след това се опитайте да налеете вода в нея. Трудно е. Сега отворете и давете си очи и опитайте отново. В този случай мозъкът ви получава две малко различни картини на едни и същи обекти, които използва за да възприеме дълбочината. В резултат на това можете точно да налеете водата в чашата.

С любезното съдействие на
stock photos for free.com

Можем да използваме тази способност на мозъка за да вдъхнем реалистичност в една 2D картина. Правим го като слагаме пред всяко от очите си една и съща картина със съвсем малки разлики, имитирайки, че гледаме 3D обект. Мозъкът комбинира тези две изображения, убеждавайки ни, че съществува перспектива в това, което всъщност е 2D картина.

За да се създаде 3D илюзия, се използват три начина. Първият начин (обект на упражнение 1) е пред всяко око да бъде представена различна картина, използвайки рефракция, докато при другите два начина (упражнения 2 и 3) се използват различни видове стъкла. В упражнение 4 учениците използват наученото от упражненията за да създадат свое 3D изображение.

Упражнение 1: лентикулярни 3D изображения

С любезното съдействие на
Stannered; Източник:
Wikimedia Commons

Учениците ви може би са виждали картички, обложки на DVD или лепенките в пакетите със зърнени закуски, които изглеждат така все едно притежават невероятна дълбочина. Ако са, значи вече са се сблъсквали с лентикулярни 3D картинки. В следващото упражнение ще разберем как са направени.

Необходими материали

На всеки един или двама ученици

  • Лентикулярна 3D картинка

Ход на работа

  1. Закрийте лявото си око и погледнете картинката. После закрийте дясното си око и пак погледнете картинката.
  2. Погледнете картинката с двете си очи. Какво забелязвате?

Какво се случва?

Когато гледате картинката с двете си очи, тя изглежда като 3D, но когато я гледате само с едно от двете си очи, тя изглежда като 2D.

Защо става така?

Най-простите лентикулярни 3D картинки се състоят от две различни изображения, които буквално са разместени едно спрямо друго. Да вземем за пример съставна картинка, състояща се от картинка A и картинка B. И двете картинки са разделени на вертикални ивици и подредени една след друга в т.нар. преплетено изображение (фиг. 1а) в следния ред: A-B-A-B-A…. Преплетеното изображение е принтирано на хартия и върху него е сложен пластмасов филм, чиято повърхност се състои от редуващи се дълги и тънки лещи (фиг. 1b). Тези лещи по такъв начин се напасват с намиращите се под тях ивици от картинките, че светлината, отразена от ивиците от картинка А, ще попадат в лявото око, а тази от картинка B – в дясното (фиг. 1c).

Фигура 1: Лентикулярни 3D изображения: как са направени и как работят
a) Две отделни изображения, А и В, са разделени на ивици и са комбинирани така, че са образуват преплетено изображение. Освен това двете изображения са разместени едно спрямо друго.
b) Преплетеното изображение е принтирано върху хартия и покрито с пластмасов филм, чиято повърхност се състои от пластмасови лещи.
c) Лещите насочват светлината от ивиците на част А към едното око и от ивиците на В – към другото. Мозъкът комбинира изображенията за да създаде илюзия за перспектива
Увеличи снимката

С любезното съдействие на Lenstar.org

При нашия опит мозъкът ви комбинира части A и B от лентикулярната картина за да създаде илюзия за перспектива. Илюзията е налице, защото двете картинки са леко разместени една спрямо друга и мозъкът комбинира две различни изображения – точно както докато гледате 3D обект с двете си очи. Не съществува илюзия за перспектива, когато погледнете само с едното си око: или само лявото ви око ще вижда картинка А, или само дясното – картинка В.

Упражнение 2: анаглифи

Докато лентикулярните 3D изображения създават илюзия, когато се погледнат под различен ъгъл, друг начин за дълбочинна илюзия изискват специални очила. В зората на 3D филмите се използвали цветовете за създаване на усещане за дълбочина. Зрителите носели очила с червен и зелен филтър докато гледали прожектираните кадри, състоящи се от две, леко разместени една спрямо друга картини. Наречени анаглифи или стереоскопични снимки, те са все още широко използвани при създаването на печатни материали. В следващото упражнение учениците ви ще разберат как действат анаглифите.

Повърхността на плодовете
на растението лепка е
покрита с малки кукички,
които се закачат по
козината на животните и
така семената се
разпространяват. Този
анаглиф е създаден от
изображения, направени с
електронен микроскоп.
Използвайте червено-
зелените си очила за да
го разгледате. Спорите на
гъбните патогенни (жълта
ръжда по пшеница),
излизащи от повърхността
на лист от пшеница.
Увеличи снимката

С любезното съдействие на
Syngenta

Необходими материали

За всяка двойка ученици:

  • Чифт очила с червен и зелен филтър

Ход на работа

  1. Сложете очилата с червения филтър на лявото си око и зеления филтър на дясното.
  2. Погледнете един от анаглифите по-долу.

Какво се случва?

Анаглифите като че ли имат перспектива: изглежда като 3D.

Защо става така?

Можем да филтрираме светлината според цвета й (дължината на вълната). Червеният филтър на очилата поглъща всички дължини на вълните освен червената, докато зеленият поглъща всички освен зелената.

За да се получи анаглиф, всяка от двете съставящи снимки е направена от малко по-различен ъгъл преди да бъде оцветена: едната в червено, другата в зелено.

Щом погледнете стереоскопичните снимки през червено-зелените очила, лявото ви око вижда изображение в червено, а дясното – изображение в зелено. Дълбочинната илюзия се създава тогава, когато мозъкът ви комбинира двете разминаващи се изображения.

С любезното съдействие на
D-Kuru; източник: Wikimedia
Commons

Упражнение 3: поляризиращи 3D очила

Повечето от съвременните 3D филми използват поляризирани очила за създаване на илюзията за перспектива. Следващото упражнение ще разкрие принципа на действие на очилата.

Необходими материали

За всяка двойка ученици:

  • Два чифта полароидни 3D очила, като тези на RealD™

Ход на работа

Фигура 2: Начинът, по който
светлината пътува под
формата на вълни, може да
бъде променен като се
използват поляризиращи
филтри
Top: Неполяризирана
светлина: Нормалното
вълнообразно отклонение
на светлинната частица в
произволна посока спрямо
оста на придвижване
долен: Кръгово
поляризирана светлина:
кръгово поляризиращите
филтри карат вълновите
трептенията да преминат
във въртеливо движение
спрямо оста на
придвижване в посока по
часовника или обратно на
часовника, в зависимост от
това какъв филтър се
използва. Тук е показана
поляризация по посока на
часовниковата стрелка.
Увеличи снимката

С любезното съдействие на
Bob Mellish (горе) и Dave3457
(долу); източник: Wikimedia
Commons

По двойки:

  1. Сложете очилата и погледнете съученика си, с който сте в група.
  2. Покрийте с ръка лявото си око и погледнете съученика си, който не е покрил нито едно от очите си. Какво забелязвате?
  3. Покрийте с ръка дясното си око и пак погледнете. Какво се е променило?

Какво се случва?

Когато погледнете съученика си без да сте покрили нито едно от очите си, очилата му изглеждат прозрачни. Щом покриете едно от двете си очи, едната леща на очилата на съученика ви сякаш потъмнява. Щом покриете с ръка другото си око – другата леща като че ли потъмнява.

Защо става така?

За да разберем наблюдаваното и какъв е принципа на действие на съвременните 3D филми, трябва да си спомним, че светлината представлява вълни. Можем да влияем върху посоката на трептенията на вълните като насочваме светлината през кръгов поляризиращ филтър, който променя трептенията във формата на спирала (фиг. 2).

Лещите на 3D очилата съдържат кръгови поляризиращи филтри w1: единият поляризира светлината в посока на часовниковата стрелка, а другият – в посока, обратна на часовниковата стрелка.

Да помислим какво се случва, когато погледнете съученика си с очилата без да сте закрили очи (фиг. 3А). Очилата му изглеждат прозрачни, защото можете да видите светлината, преминала през тях: полялизираната по часовника светлина от лещата на съученика ви, която поляризира по посока на часовника, достига едното ви око, докато поляризираната в посока, обратна на часовниковата стрелка светлина от лещата на съученика ви, която поляризира светлината обратно на часовниковата стрелка, достига другото ви око.

 

Фигура 3: Опитът с потъмняващите лещи. Сините линии означават светлината, преминаваща през лещата на съученика ви, която поляризира в посока на часовниковата стрелка (CW), червените линии означават светлината, преминаваща през лещата, поляризираща в посока, обратна на часовниковата стрелка (ACW).
A) Очилата на съученика ви изглеждат прозрачни, когато не сте покрили нито лещата, поляризираща по часовниковата стрелка (CW), нито лещата, поляризираща обратно на часовниковата стрелка (ACW). Поляризираната CW светлина (синята линия), идваща от очилата на съученика ви, достига едното ви око, а поляризираната ACW светлина (червената линия) достига другото ви око
B) Ако закриете окото с CW поляризиращата леща, то CW поляризиращата леща на съученика ви изглежда по-тъмна. Това се дължи на факта, че вие вече не виждате светлината, преминала през лещата на съученика ви, която поляризира CW.
C) Щом закриете окото си с ACW поляризиращата леща, то и поляризиращата ACW леща на съученика ви изглежда тъмна.

Увеличи снимката
С любезното съдействие на Nicola Graf (диаграма) и D-Kuru (очила). Източник на изображението на очилата: Wikimedia Commons

 

Сега помислете какво се случва, когато закриете окото си с лещата, поляризираща по посока на часовниковата стрелка (фиг. 3B). Лещата на съученика ви, която поляризира по посока на часовниковата стрелка, изглежда тъмна, защото вече не виждате светлината, която преминава през нея. Защо не? Защото поляризиращата обратно на часовниковата стрелка леща (тази, през която гледате) блокира поляризираната по посока на часовника светлина. Когото покриете другото си око (фиг. 3С), положението се обръща и другата леща на съученика ви изглежда тъмна.

С любезното съдействие на
libraryman; източник: Flickr

3D филмите, за които са предназначени тези очила, са заснети с помощта на две камери, монтирани на такова разстояние помежду им, каквото е средното разстояние между две човешки очи. По време на монтажа двата компонента на филма се поляризират кръгово в противоположни посоки, след което се прожектират върху един екран. 3D очилата ви гарантират, че до лявото ви око ще достигне единият образ, а до дясното – другият. Двата компонента на филма се прожектират независимо един от друг с неосезаемо висока скорост от 144 кадъра в секунда. Мозъкът комбинира образите, които получава от двете очи и създава илюзия за перспектива.

Упражнение 4: да си направим свое 3D изображение

Веднъж разбрали принципите на 3D изображенията, учениците ви могат да си направят свой собствен анаглиф с помощта на цифров фотоапарат и компютър (фиг. 4).

Необходими материали

  • Цифров фотоапарат
  • Триножник или друга стойка за фотоапарата (напр. наредени една върху друга книги)
  • Чифт червено-зелени очила
  • Софтуер за създаване на анаглифи, като например Anaglyph Workshopw2.
Правене на ананглиф:
снимка 2 трябва да бъде
направена от позиция,
малко по-вдясно от снимка
1. Двете снимки се
обединяват в едно
изображение с избраната
софтуерна програма.
Увеличи снимката

С любезното съдействие на
Nicola Graf

Ход на работа

  1. Изберете неподвижен обект.
  2. Направете снимка.
  3. Преместете фотоапарата на около 6 см вдясно (приблизителното разстояние между човешките очи) без да променяте нивото. Направете втора снимка.
  4. Спазвайте инструкциите на софтуерната програма при оцветяване и налагане на снимките една върху друга. Сега вече си имате анагриф.
  5. Разгледайте анаглифа си с червено-зелените си очила на екрана на компютъра и принтиран на хартия. Може да се наложи да повторите процедурата няколко пъти като променяте разстоянието на преместване на фотоапарата преди втората снимка, така че да подобрите 3D ефекта.

Забележка: ако разполагате със смартфон, можете да опростите процедурата като използвате приложение (напр. 3D Photo Maker) за да създадете своя анаглиф от снимки, направени с камерата на телефона.

Благодарности

Упражненията в настоящата статия са разработени от Alison Alexander, Cerian Angharard, Frances Green и Ruth Wiltsher, координатори в мрежата на учителите по физика към Британския институт по физика (IOP)w3. Тези и други упражнения са част от група упражнения, наречени „Светлини, камери, изображения”, използвани по време на работилницата, организирана за учителите от мрежата на IOP.

Материалите за всички упражнения от „Светлини, камери, изображения” w3 могат да бъдат свалени от сайта на Talk Physics.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Ейндрю Браун е завършил молекулярна и клетъчна биология в Университета на Бат, Великобритания. В настоящия момент той работи за Science in School, базиран в Европейската лаборатория по молекулярна биология в Хайделберг, Германия.


Review

Използването на 3D илюзии във визуалните медии набира популярност. Но как така виждаме 2D изображения като 3D? А как да си създадем сами 3D илюзия? На тези въпроси, а и на много други отговор дава настоящата статия. Положителното при нея е, че не само обяснява, а и предлага редица упражнения, които да помогнат на учениците да разберат как всичко това работи. Полезна е, тъй като предлага начин да свърже теорията с конкретни приложения от реалния живот.

Подходяща за учители по физика (оптика) и по обща наука, тази статия може да бъде и основа за урок по биология (посветен на човешкото зрение) или изобразително изкуство.


Paul Xuereb, Малта




License

CC-BY-NC-SA