Vedere è credere: le illusioni 3D Teach article

Tradotto da Daniela Caleppa. Per rendere più reali le immagini bidimensionali di giornali e TV, possiamo indirizzare il nostro cervello verso l’illusione di una terza dimensione, la profondità.  Queste attività raccontano la fisica che rende tutto ciò possibile.

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Guardatevi intorno. Quante dimensioni potete vedere? Come esseri tridimensionali che vivono in un mondo tridimensionale, potrete sicuramente rilevare tre dimensioni: altezza, lunghezza e profondità? Non proprio. In effetti si possono distinguere solo due dimensioni. Ciò che vediamo è bidimensionale, anche nel caso di oggetti tridimensionali proiettati sul fondo dei nostri occhi. Quello che percepiamo è completamente diverso:  i nostri cervelli trasformano le immagini bidimensionali in figure che sembrano avere, oltre all’altezza e alla lunghezza, anche la profondità –  tre dimensioni. In questo modo cervello elabora le immagini bidimensionali degli occhi per creare l’illusione di tridimensionalità.

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Le quattro attività di questo articolo, adatte a studenti di fisica dagli 11 ai 19 anni, esaminano i modi in cui possiamo controllare il lavoro del nostro cervello, per rendere tridimensionali oggetti bidimensionali, come disegni, quadri o film.

Le attività 1, 2 e 3 richiedono circa 20 minuti ciascuna, mentre per l’attività 4 servono circa 30 minuti. I materiali necessari non sono costosi, ma occorrerà prepararli prima di iniziare a svolgere tali attività.  Sebbene questo articolo tratti  principalmente di fisica, può anche essere utilizzato nelle lezioni di biologia, poiché si occupa anche di vista e cervello.

Se aggiungiamo una dimensione

Incominciamo a porci una domanda: come può il nostro cervello permetterci di percepire oggetti veramente 3D in tre dimensioni?

Utilizziamo questa abilità ogni volta che facciamo qualcosa di talmente semplice come versarci una bevanda. Coprite un occhio, tenendo la testa ferma e gli occhi a livello dell’estremità superiore del bicchiere. Provate quindi a versare dell’acqua nel bicchiere. E’ difficile. Ora aprite entrambi gli occhi e provate di nuovo. Questa volta il vostro cervello riceve due immagini leggermente diverse degli stessi oggetti, che esso utilizza per percepirne la profondità. Di conseguenza riuscirete senza problemi a versare l’acqua nel bicchiere.

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Possiamo sfruttare questa abilità del cervello per migliorare il realismo di una foto 2D: poniamo davanti ad ognuno dei nostri occhi un’immagine leggermente diversa ed imitiamo così quello che accade quando guardiamo un oggetto tridimensionale. Il cervello combina queste due immagini, convincendoci che c’è profondità in ciò che in realtà è soltanto una figura bidimensionale.

Si usano tre strategie per creare queste illusioni 3D. La prima strategia (esaminata nell’Attività 1) permetterà di indirizzare un’immagine differente in ciascuno dei nostri occhi, grazie alla rifrazione. Le altre due strategie (attività 2 e 3) faranno uso di due tipi diversi di occhiali speciali. Nell’attività 4 gli studenti si serviranno di ciò che hanno imparato per elaborare la propria immagine tridimensionale.

Attività 1: immagini lenticolari 3D

I vostri studenti potranno aver visto alcuni disegni su cartoline, copertine di DVD o tessere in regalo con le scatole di cereali, con un’incredibile senso di profondità. Se le hanno viste, vuol dire che essi hanno già incontrato le immagini lenticolari 3D. Nella prossima attività esamineremo come funzionano.

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Materiali

Per studente o coppia di studenti:

  • Un’immagine lenticolare 3D

Procedimento

  1. Coprite il vostro occhio sinistro e guardate l’immagine. Poi coprite il vostro occhio destro e guardate ancora.
  2. Guardate l’immagine con entrambi gli occhi. Cosa notate?

Che succede?

Quando guardate l’immagine con entrambi gli occhi, essa appare tridimensionale, mentre quando la guardate con un solo occhio appare bidimensionale.

Come funziona?

Le più semplici figure lenticolari 3D sono create da due immagini separate, che si compensano lateralmente l’un l’altra. Prendiamo come esempio una figura composta da un’immagine A ed un’immagine B. Entrambe le figure sono tagliate in striscioline verticali ed assemblate alternativamente in ciò che si denomina un’ immagine interlacciata (figura 1a), con ordine A-B-A-B-A … L’immagine interlacciata è stampata su carta e rivestita da un foglio di plastica lenticolare, costituito da una serie di lenti lunghe e strette (figura 1b). Le lenti sono allineate con le striscioline posizionate sotto, in modo che la luce riflessa dalle striscioline della figura A sia mandata in una direzione, verso l’occhio sinistro, e la luce riflessa dalle striscioline della figura B nell’altra dimensione, verso l’occhio destro (figura 1c).

Figura 1: immagini lenticolari 3D: come sono fatte e come funzionano.
a) Due separate immagini, A e B, sono tagliate in striscioline ed assemblate alternativamente, in modo da formare un’immagine interlacciata. Le immagini si compensano l’un l’altra anche lateralmente.
b) L’immagine interlacciata è stampata su carta e poi ricoperta da un foglio di plastica lenticolare, costituito da lenti di plastica.
c) Le lenti orientano la luce riflessa dalle striscioline della figura A verso un occhio e quelle della figura B verso l’altro. Il cervello combina le immagini per creare l’illusione della profondità.
Cliccare sull’immagine per ingrandirla

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Durante l’esperimento il cervello combina le figure A e B dell’immagine lenticolare, per creare l’illusione di profondità. Essa funziona perché le due immagini si compensano l’un l’altra ed il cervello combina le due differenti figure, proprio come quando si guarda un oggetto tridimensionale con entrambi gli occhi. Non c’è quest’illusione di profondità quando guardate con un solo occhio, sia che l’occhio sinistro veda solo la figura A, sia che l’occhio destro veda solo la figura B.

La superficie dei frutti della
pianta conosciuta come
“attaccamani” (galium
aparine) è coperta da piccoli
peli simili ad uncini, che si
attaccano agli animali per
permettere la
disseminazione. Questi
anaglifi sono stati creati con
immagini prese grazie ad un
microscopio elettronico a
scansione. Per guardare le
immagini, utilizzate i vostri
occhiali con una lente verde
ed una rossa.
Spore di un fungo patogeno
(ruggine gialla del grano) che
emerge dalla superficie di
una foglia di grano. Clicca
sull’ immagine per
ingrandirla.

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concessa da Syngenta

Attività 2: anaglifo

Mentre le immagini lenticolari 3D possono essere guardate anche ad occhio nudo, altri modi di creare l’illusione di profondità richiedono l’uso di occhiali speciali. I primi filmati 3D utilizzavano il colore per creare l’illusione di tridimensionalità. Gli spettatori utilizzavano occhiali con una lente rossa ed una verde, per vedere l’immagine proiettata; essa era composta da due figure che si compensavano tra loro, una rossa ed una verde. Queste immagini, chiamate anaglifi, sono ancora oggi molto diffuse. Nell’attività che segue i vostri studenti apprenderanno come funziona un anaglifo.

Materiali

Per coppia di studenti:

  • Un paio di occhiali con una lente rossa ed una verde

Procedimento

  1. Indossate il paio di occhiali, con il filtro rosso sull’occhio sinistro ed il filtro verde sul destro.
  2. Guardate uno degli anaglifi qui sotto.

Cosa succede?

L’anaglifo sembra avere profondità; appare tridimensionale.

Come funziona?

La luce può essere filtrata a seconda del proprio colore (lunghezza d’onda). Il filtro rosso dei vostri occhiali assorbe tutte le lunghezze d’onda, a parte la rossa; il filtro verde le assorbe tutte tranne la verde.

Per creare l’anaglifo si scattano due foto da un’angolazione leggermente diversa ed in seguito le si colora una in rosso e l’altra in verde.

Quando guardate l’anaglifo indossando gli occhiali con una lente verde ed una rossa, il vostro occhio destro riceve l’immagine rossa ed il sinistro quella verde. L’illusione di profondità è creata quando il cervello combina le due immagini.

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concessa da D-Kuru; fonte
immagine: Wikimedia
Commons

Attività 3: occhiali polarizzati 3D

La maggior parte dei moderni film 3D si serve di occhiali polarizzati per creare l’illusione di profondità. L’attività seguente illustra il funzionamento di questi occhiali.

Materiali

Per coppia di studenti:

  • Due paia di occhiali polarizzati polaroid 3D, come quelli prodotti da RealD™

Procedimento

Figura 2: L’orientamento delle
onde di luce può essere
modificato da filtri
polarizzanti.
In alto: Luce non polarizzata:
normalmente le fluttuazioni
delle onde di luce hanno
orientamento vario attorno
all’asse del proprio
movimento.
In basso: luce polarizzata
circolarmente: filtri
polarizzanti circolari fanno
ruotare l’oscillazione delle
onde sul proprio asse di
movimento, sia in senso
orario che in senso
antiorario, a seconda del tipo
di filtro utilizzato. L’onda
mostrata qui è polarizzata in
senso orario. Clicca sull’
immagine per ingrandire

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concessa da Bob Mellish (in
alto) and Dave3457 (in basso);
fonte: Wikimedia Commons

In coppia:

  1. Indossate gli occhiali e guardate il vostro compagno.
  2. Coprite la lente sinistra e guardate il vostro compagno (che ha entrambe le lenti scoperte). Cosa vedete?
  3. Coprite la lente destra e guardate ancora. Cosa cambia?

Cosa succede?

Quando guardate il vostro compagno con entrambe le lenti scoperte, le lenti dei suoi occhiali appariranno trasparenti. Quando coprite una delle due lenti, una delle sue lenti si scurirà. Se coprite la vostra seconda lente, gli si scurirà l’altra.

Come funziona?

Per capire quello che avete osservato e come funzionano i moderni film 3D, dobbiamo ricordare che la luce viaggia in onde. Si può influenzare l’orientamento dell’oscillazione delle onde facendo passare la luce attraverso un filtro circolare polarizzato; esso porta le oscillazioni a muoversi a spirale (figura 2).

Le lenti dei vostri occhiali 3D contengono filtri polarizzanti circolariw1: uno polarizza la luce in senso orario e l’altro in senso antiorario.

Pensate a cosa accade quando guardate il vostro compagno senza coprire alcuna lente (Figura 3A). Le lenti del vostro compagno appaiono trasparenti, poiché riuscite a vedere la luce che passa attraverso di esse: la luce polarizzata in senso orario, che passa attraverso la sua lente polarizzante in senso orario, raggiunge uno dei vostri occhi, mentre la luce polarizzata in senso antiorario, che passa attraverso sua la lente polarizzante in senso antiorario, raggiunge l’altro.

 

Figura 3:Esperimento delle lenti che si scuriscono. La linea blu indica la luce che passa attraverso la lente del vostro compagno che polarizza in senso orario (CW, dall’inglese clockwise), mentre la linea rossa indica la luce che passa attraverso la sua lente che polarizza in senso antiorario(ACW, dall’inglese anticlockwise).
A) le lenti del vostro partner appaiono trasparenti quando sia le vostre lenti polarizzanti in senso orario, che quelle in senso antiorario sono scoperte. La luce polarizzata in senso orario (blu) che proviene dai suoi occhiali raggiunge uno dei vostri occhi, mentre la luce polarizzata in senso antiorario (rossa) raggiunge l’altro.
B) Quando la vostra lente polarizzante in senso orario è coperta, la stessa lente del vostro compagno appare più scura. Ciò avviene perché non potete più vedere la luce che passa attraverso la sua lente polarizzante in senso orario.
C) Quando la vostra lente polarizzante in senso antiorario è coperta, la stessa lente del vostro compagno appare più scura.

Clicca sull’immagine per ingrandire.
Immagine gentilmente concessa da Nicola Graf (diagramma) e D-Kuru (occhiali). Fonte: Wikimedia Commons

 

Ora pensate a cosa accade quando coprite la vostra lente polarizzante in senso orario (figura 3B). La lente polarizzante in senso orario del vostro compagno appare più scura, dato che voi non ricevete più la luce che vi passa attraverso. Ciò avviene perché la vostra lente polarizzante in senso antiorario (l’unica con cui ora vedete) blocca la luce polarizzata in senso orario. Quando coprite l’altra lente (figura 3C) la situazione si ribalta ed è l’altra lente del vostro compagno ad apparire più scura.

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concessa da libraryman; fonte:
Flickr

I film 3D per cui sono progettati i vostri occhiali sono girati utilizzando due camere; esse sono montate in modo che la distanza tra le loro lenti equivalga approssimativamente alla distanza media degli occhi di un essere umano. Durante il film le due immagini in movimento sono polarizzate circolarmente in direzioni opposte e proiettate su uno schermo. I vostri occhiali 3D assicurano che il vostro occhio destro riceva un’immagine ed il vostro occhio sinistro l’altra. Le due figure in movimento sono mostrate alternativamente ad un’impercettibile velocità di 144 volte a secondo. Il cervello combina le immagini che riceve da entrambi gli occhi, per creare l’illusione di profondità.

Attività 4: crea la tua immagine tridimensionale

Una volta compresi i principi dell’imaging 3D, gli studenti possono creare il proprio anaglifo utilizzando una macchina fotografica digitale ed un computer (figura 4).

Materiali

  • Una fotocamera digitale
  • Un treppiede o un altro tipo di supporto per la fotocamera (ad esempio una pila di libri)
  • Un paio di occhiali con una lente rossa ed una verde
  • Un software per creare anaglifi, come ad esempio Anaglyph Workshopw2.
Figura 4: Creare un anaglifo:
la foto 2 deve essere scattata
da una posizione
leggermente più a destra,
rispetto alla foto1. Le due
immagini diventano anaglifo
grazie al software scelto.
Clicca sull’immagine per
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concessa da Nicola Graf

Procedimento

  1. Scegliete un soggetto statico.
  2. Scattate una fotografia.
  3. Spostatevi a destra di circa 6 cm (la distanza approssimativa tra i vostri occhi), assicurandovi che la camera rimanga allo stesso livello. Scattate una seconda fotografia.
  4. Seguite le istruzioni del software scelto per colorare e sovrapporre le due fotografie. A questo punto avrete un anaglifo.
  5. Guardate l’anaglifo (a computer o in versione stampata) indossando gli occhiali rossi e verdi. Potreste dover ripetere la procedura diverse volte, modificando la distanza a cui scattare la seconda foto per migliorare l’effetto 3D.

Nota: se avete uno smart phone, potete semplificare la procedura, usando un’applicazione (ad esempio 3D Photo Maker) che crea direttamente il vostro anaglifo e servendovi di foto scattate con la vostra fotocamera.

Ringraziamenti

Le attività presentate in questo articolo sono state ideate da Alison Alexander, Cerian Angharard, Frances Green e Ruth Wiltsher, coordinatori della rete di insegnanti di fisica dell’Istituto di Fisica (IOP)w3. Questo ed altro materiale faceva originariamente parte di una serie di attività chiamate ‘Lights, cameras, images’, utilizzate in un seminario per gli insegnanti dell’Istituto di Fisica.

La serie completa di attività di ‘Lights, cameras, images’ w3 è disponibile sul sito internet di Talk Physics.

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Web References

Resources

Author(s)

Andrew Brown è biologo molecolare e cellulare, laureato all’Università di Bath, in Gran Bretagna. Al momento, egli lavora per Science in School, presso il Laboratorio Europeo di Biologia Molecolare di Heidelberg, in Germania.


Review

L’utilizzo delle illusioni 3D nei mezzi di comunicazione visiva sta diventando molto popolare. Ma come possiamo vedere un’immagine bidimensionale in 3D? E come possiamo creare le nostre illusioni 3D? Queste ed altre domande vengono esaminate con originalità nel presente articolo. Esso non solo spiega, ma offre anche una serie di attività che aiutano gli studenti a comprendere cosa avviene nel processo di creazione di immagini 3D. L’articolo è molto utile per collegare la teoria alle attività di ogni giorno.

Adatto ad insegnanti di fisica (ottica) e di scienze, questo articolo potrebbe rappresentare un’interessante lettura anche per professori di biologia (vista) e di arte.


Paul Xuereb, Malta




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