Zobaczyć znaczy uwierzyć: iluzje 3D Teach article

Tłumaczenie Paweł Trojak. By stworzyć dwuwymiarowe obrazy które widzimy w druku i na ekranie, tak by wydawały się bardziej realne, możemy przejąć kontrolę nad naszymi mózgami by stworzyć iluzję trzeciego wymiaru, głębi. Czynności te eksplorują fizykę, dzięki której to staje…

Zdjęcie dzięki uprzejmości
stock photos for free.com

Rozejrzyj się wokół siebie. Ile wymiarów jesteś w stanie dostrzec? Jako trójwymiarowa istota, żyjąca w trójwymiarowym świecie, z pewnością widzisz trzy wymiary: wysokość, szerokość i głębokość? Bynajmniej. W rzeczywistości widzisz tylko dwa wymiary. Dzieje się tak, ponieważ to co widzimy to zaledwie obrazy 2D, nawet obiekty 3D wyświetlane na dnie naszych oczu. To co postrzegamy jest całkowicie inne: nasze mózgi przetwarzają te obrazy 2D w coś co wydaje się mieć nie tylko wysokość i szerokość, ale również głębokość – trzy wymiary. Tak więc, mózg wykorzystuje obrazy 2D postrzegane przez nasze oczy, tworząc iluzję 3D.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
DTR; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Cztery czynności opisane w tym artykule są  stosowne dla uczniów w wieku od 11 do 19 lat, badających jak możemy przejąć funkcjonowanie mózgu, tak aby stworzyć obiekt, który jest pierwotnie obrazem 2D – takim jak rysunek, obraz lub film – do stanu w którym będzie wyglądał jak obraz 3D.

Każda jedna z czynności 1, 2 i 3 zajmuje około 20 minut, a czynność numer 4 ok. 30 minut. Potrzebne materiały nie są drogie ale wymagane jest zaopatrzenie się w nie zawczasu. Chociaż ten artykuł obejmuje głównie zagadnienie z fizyki, może być również dostosowany do lekcji biologii, ponieważ zajmuje się pojęciami takimi jak: funkcjonowanie wzroku i mózgu. 

Dodanie następnego wymiaru

Po pierwsze, w jaki sposób mózg pozwala nam na postrzeganie prawdziwie trójwymiarowych obiektów w trzech wymiarach ?

Wykorzystamy tą zdolność za każdym razem, gdy będziemy robić coś tak prostego jak nalewanie napoju. Zasłoń jedno oko, trzymaj głowę nieruchomo, a poziom oczu zrównaj z poziomem górnej części szklanki, następnie spróbuj nalać do niej wody. To trudne. Teraz otwórz oboje oczu i spróbuj ponownie. Tym razem, twój mózg otrzymuje dwa, nieco różne obrazy tych samych obiektów, które wykorzystuje by dostrzec głębię. W rezultacie, powinieneś być zdolny nalać wody dokładnie do szklanki.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
stock photos for free.com

Możemy wykorzystać tą zdolność naszego mózgu, aby poprawić realizm obrazu 2D. Uczynimy to poprzez zaprezentowanie każdemu naszych oczu, nieco odmiennego obrazu, naśladując co się dzieje gdy patrzymy na obiekt 3D. Mózg łączy te dwa obrazy, przekonując nas, że w tym co aktualnie jest obrazem 2D istnieje głębia.

By stworzyć te iluzje 3D, użyto trzech schematów. Pierwszy (opisany w czynności 1) doprowadza inny obraz do każdego z oczu używając refrakcji, podczas gdy pozostałe dwa schematy (czynność 2 i 3) używają różnych typów specjalnego szkła. W czynności 4, uczniowie stosują wiedzę którą nabyli, by stworzyć ich własne obiekty 3D.

Czynność 1: Soczewkowe  obrazy 3D

Twoi uczniowie mogli widzieć projekty na kartkach pocztowych, okładkach płyt DVD lub kartkach w paczkach z płatkami zbożowymi, które wydawały się mieć niesamowite poczucie głębi. Jeśli tak było, natknęli się już na soczewkowe obrazy 3D. Podczas kolejnej czynności zbadamy jak one działają.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Stannered; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Materiały

Na jednego studenta lub na parę:

  • Soczewkowy obraz 3D

Procedura

  1. Zasłoń lewe oko i spójrz na obrazek. Potem zasłoń prawe oko, odsłaniając lewe, i spójrz ponownie.
  2. Spójrz na obrazek obydwoma oczami. Co możesz zauważyć ?

Co się dzieje ?

Gdy patrzysz na obrazek obydwoma oczami, wygląda na trójwymiarowy, ale kiedy spojrzysz na niego tylko jednym okiem widzisz dwa wymiary.

Jak to działa ?

Najprostsze soczewkowe obrazy 3D są stworzone z dwóch oddzielnych obrazków, które są poprzecznie wyrównane względem siebie. Weźmy jako przykład kompozytowy obraz stworzony z obrazka A i B. Oba są podzielone na pionowe paski i ponownie złożone naprzemiennie, w coś, co nazywamy obrazem z przeplotem (obrazek 1a), w porządku: A-B-A-B-A…. Przepleciony obraz jest drukowany na papierze i nakrywany folią lentikularną, zawierającą serie długich, cienkich soczewek (rysunek 1b). Te soczewki są wyrównane z bazowymi paskami w taki sposób, że światło odbite od pasków A trafia do lewego oka, a światło odbite od pasków B do oka prawego (obrazek 1c).

Ryc. 1: soczewkowe zdjęcia 3D: jak są zrobione i jak działają
a) Dwa oddzielne obrazy, A i B, podzielone na paski a następnie złożone naprzemiennie, aby uformować obraz z przeplotem. Obrazy są również poprzecznie wyrównane względem siebie
b) Przepleciony obraz jest drukowany na papierze n a który nałożona jest folia lentikularna pokryta soczewkami z tworzywa sztucznego.
c) Soczewki wysyłają światło odbite od pasków A do jednego oka a to odbite od pasków B, do oka drugiego. Mózg łączy te obrazy, aby stworzyć iluzję głębi.
Kliknij na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości of Lenstar.org

W naszym eksperymencie, twój mózg łączy  obrazy A i B soczewkowego zdjęcia, by dać iluzję głębi. Iluzja działa, ponieważ dwa obrazy są wyrównane względem siebie, tak więc mózg łączy dwa różne zdjęcia – tak samo jak to robi gdy patrzysz na obiekt 3D obydwoma oczami. Nie ma takiego złudzenia głębi gdy patrzysz jednym okiem: albo twoje lewe oko widzi tylko obraz A, albo twoje prawe oko widzi tylko obraz B. 

Czynność 2: anaglify

Podczas gdy soczewkowe obrazy 3D możemy obserwować w działaniu gdy patrzymy na nie gołym okiem, inne sposoby tworzenia złudzenia głębi wymagają specjalnych okularów. Wczesne filmy 3D wykorzystywały kolor by stworzyć iluzję głębi. Widzowie nosili czerwono/zielone okulary by widzieć wyświetlany obraz złożony z dwóch wyrównanych obrazków: jednego czerwonego i jednego zielonego. Takie obrazki, zwane anaglifami, są wciąż szeroko używane dzisiaj w drukowanych materiałach. Podczas następnego zajęcia, twoi uczniowie nauczą się jak działają anaglify.

Powierzchnia kwiatu
przytulii czepnej jest pokryta
małymi, haczykowatymi
włoskami, którymi chwyta
się zwierząt by umożliwić
rozprzestrzenianie się
nasion. Te anaglify zostały
stworzone z obrazów
wykonanych skaningowym
mikroskopem elektronowym.
Użyj swoich czerwono/
zielonych okularów by je
zobaczyć.
Kliknij na obrazek
aby powiększyć
.
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Syngenta

Materiały

Na parę studentów:

  • Para czerwono/zielonych okularów

Procedura

  1. Załóż czerwono/zielone okulary z czerwonym filtrem nad twoim lewym okiem i zielonym nad prawym
  2. Popatrz na jeden z anaglifów poniżej.

Co się dzieje?

Anaglif wydaje się posiadać głębie: wygląda jakby miał trzy wymiary.

Jak to działa?

Możemy filtrować światło w oparciu o jego kolor (długości fali). Czerwony filtr w twoich okularach absorbuje wszystkie długości fal światła za wyjątkiem czerwonego, podczas gdy zielony pochłania wszystkie długości fal za wyjątkiem zielonego.

By stworzyć anaglif, każda z dwóch składowych obrazów była pobrana z lekko odmiennej pozycji zanim została zabarwiona: jedna na czerwono i jedna na zielono.

Gdy patrzysz na anaglif mając założone czerwono/zielone okulary, twoje lewe oko dostrzega obraz zabarwiony na czerwono, a twoje prawe oko widzi obraz zabarwiony na kolor zielony. Złudzenie głębi jest utworzone gdy twój mózg łączy dwa wyrównane obrazy.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
D-Kuru; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

Czynność 3: okulary polaryzacyjne 3D

Większość nowoczesnych filmów 3D używa okularów polaryzacyjnych by osiągnąć iluzję głębi. Następne działanie zbada w jaki sposób działają te okulary.

Materiały

Na parę studentów:

  • Dwie pary okularów polaryzacyjnych 3D, takich jak te stworzone przez RealD™

Procedura

Ryc. 2: Sposób w jaki światło
podróżuje w falach może być
wymuszony przez filtry
polaryzacyjne
Góra: światło
niespolaryzowane: zwykle,
wierzchołki i doliny fali
świetlnej wskazują w
losowych kierunkach wokół
osi jej ruchu
Dół: Światło spolaryzowane
kołowo: okrągłe filtry
polaryzacyjne sprawiają, że
drgania fali wirują wokół
własnej osi ruchu, w
kierunku zgodnym z ruchem
wskazówek zegara lub
odwrotnym, zależnie od
rodzaju filtra który użyliśmy.
Pokazana tu fala jest
spolaryzowana
prawoskrętnie. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości Bob
Mellish (góra) and Dave3457
(dół); źródło zdjęcia: Wikimedia
Commons

W parach:

  1. Załóż okulary i spójrz na partnera.
  2. Zasłoń lewe szkło i spójrz na partnera, który powinien mieć odsłonięte obie soczewki. Co widzisz?
  3. Zasłoń prawą soczewkę i spójrz ponownie. Co się zmieniło?

Co się dzieje?

Gdy patrzysz na partnera, mając odkryte obie soczewki, jego własne wydają się być przezroczyste. Gdy zasłonisz jedną z twoich soczewek, jedna z soczewek twojego partnera wydaje się ciemnieć. Gdy zasłonisz drugą soczewkę, ta sama soczewka wydaje się ciemnieć u twojego partnera.

Jak to działa?

By zrozumieć poczynione spostrzeżenia, i to jak funkcjonują nowoczesne filmy 3D, musimy pamiętać, że światło porusza się w falach. Możemy wpływać na kierunek drgań fal poprzez przepuszczanie światła przez okrągły filtr polaryzacyjny, który sprawia, że drgania przemieszczają się w spiralach (obrazek 2). Soczewki w twoich okularach 3D zawierają okrągłe filtry polaryzacyjnew1 : jeden polaryzuje światło w kierunku wskazówek zegara, drugi w stronę przeciwną.

Soczewki w twoich okularach 3D zawierają okrągłe filtry polaryzacyjnew1: jeden polaryzuje światło w kierunku wskazówek zegara, drugi w stronę przeciwną.

Zastanówmy się co się dzieje gdy patrzysz na partnera mając odsłonięte obie soczewki (obrazek 3A). Soczewki partnera wydają się przezroczyste, ponieważ jesteś w stanie widzieć światło które przez nie przeszło: światło spolaryzowane prawoskrętnie od prawoskrętnie spolaryzowanych soczewek partnera dosięga jedno z twoich oczu, podczas gdy lewoskrętnie spolaryzowane światło od lewoskrętnie spolaryzowanych soczewek partnera, dosięga twojego drugiego oka.

 

Ryc. 3: Eksperyment z ciemniejącą soczewką. Niebieskie linie wskazują światło przechodzące przez prawoskrętnie spolaryzowaną soczewkę twojego partnera (CW), podczas gdy czerwone linie wskazują światło przechodzące przez jego lewoskrętnie spolaryzowaną soczewkę (ACW).
A) Obie soczewki twojego partnera wydają się być przezroczyste, gdy twoja prawoskrętna (CW) i lewoskrętna (ACW) soczewka jest odsłonięta. Prawoskrętnie spolaryzowane światło (na niebiesko), idące ze szkieł twojego partnera, dosięga jedno z twoich oczu, podczas gdy lewoskrętnie spolaryzowane światło (na czerwono), pochodzące z soczewek partnera dosięga twojego drugiego oka.
B) Gdy twoja prawoskrętna soczewka (CW) jest zakryta, prawoskrętna soczewka (CW) twojego partnera wydaje się być ciemniejsza. Dzieje się tak dlatego, że nie jesteś w stanie zobaczyć światła które przeszło przez prawoskrętnie spolaryzowaną soczewkę (CW) partnera.
C) Gdy twoja lewoskrętna soczewka (ACW) jest zakryta, lewoskrętna soczewka (ACW) partnera wydaje się być ciemniejsza.

Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf (diagram) and D-Kuru (brýle). źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

 

Zastanów się teraz nad tym, co się dzieje gdy zasłonisz swoją prawoskrętnie spolaryzowaną soczewkę (obrazek 3B). Prawoskrętnie spolaryzowana soczewka twojego partnera wydaje się ciemniejsza, ponieważ już nie otrzymujesz światła które przez nią przeszło. Dlaczego? Dzieje się tak, gdyż lewoskrętnie spolaryzowana soczewka (ta, przez którą możesz teraz widzieć) blokuje prawoskrętnie spolaryzowane  światło. Gdy zakryjesz drugą soczewkę (obrazek 3C), sytuacja będzie odwrotna a druga soczewka twojego partnera będzie się wydawać ciemniejsza.

Zdjęcie dzięki
uprzejmościlibraryman; źródło
zdjęcia: Flickr

Filmy 3D dla których zaprojektowano twoje okulary są filmowane za pomocą dwóch zamontowanych kamer tak, że odległość pomiędzy ich obiektywami jest mniej więcej równa średniej odległości między ludzkimi oczami. Podczas filmu, dwa poruszające się obrazy są spolaryzowane kołowo w przeciwnych kierunkach i rzutowane na ekranie. Twoje okulary 3D zapewniają, że twoje lewe oko otrzymuje jeden obraz, a prawe drugi. Dwa poruszające się obrazy są wyświetlane naprzemiennie przy niepostrzeżenie szybkim tempie 144 razy na sekundę. Mózg łączy te obrazy, które otrzymuję z obu oczu by stworzyć złudzenie głębi.

Czynność 4: tworzenie twojego własnego obrazu 3D

Gdy twoi studenci zrozumieli zasady obrazowania 3D, mogą stworzyć ich własny anaglif używając aparatu cyfrowego i komputera (obrazek 4).

Materiały

  • Aparat cyfrowy
  • Statyw bądź inne wsparcie dla aparatu (np. stos książek)
  • Para czerwono/zielonych okularów
  • Oprogramowanie które może stworzyć anaglif, takie jak Anaglyph Workshopw2.
Tworzenie anaglifu:
fotografia 2 powinna być
zrobiona z pozycji nieco
przesuniętej w prawo
względem fotografii 1. Dwa
obrazy są scalane w jeden
anaglif z pomocą wybranego
oprogramowania. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Nicola Graf

Procedura

  1. Wybierz nieruchomy obiekt.
  2. Zrób zdjęcie
  3. Przesuń się w prawą stronę o około 6 cm (odległość między naszymi oczyma), upewniając się, że aparat pozostaje na tym samym poziomie. Zrób drugie zdjęcie.
  4. Postępuj zgodnie z instrukcją wybranego oprogramowania zabarwiając i nakładając dwie fotografie. Właśnie otrzymałeś anaglif.
  5. Spójrz na swój anaglif używając czerwono/zielonych okularów, na ekranie komputera lub na wydruku. Może trzeba będzie powtórzyć procedurę parę razy, dostosowując odległość o którą się przesuwasz, zanim zrobisz drugie zdjęcie, by dopracować efekt 3D.

Uwaga: jeśli posiadasz smartfon, możesz uprościć procedurę używając aplikacji (np. 3D Photo Maker) która pozwala ci na  bezpośrednie stworzenie własnego anaglifu, używając zdjęć zrobionych z pomocą twojego telefonu.

Poďakovanie

Czynności w tym artykule zostały wymyślone przez Alison Alexander, Cerian Angharard, Frances Green i Ruth Wiltsher, którzy są nauczycielami fizyki w sieci koordynatorów w Brytyjskim Instytucie Fizyki (IOP)w3. Te i inne czynności były pierwotnie częścią pakietu działań zwanych 'Światła, kamery, obrazy' które zostały użyte podczas warsztatu dla sieci nauczycieli IOP.

Arkusze robocze dla wszystkich czynności w pakiecie “Światła, kamery, obrazy”w3 można pobrać ze strony internetowej Talk Physics.

Download

Download this article as a PDF

Web References

Resources

Author(s)

Andrew Brown jest absolwentem biologii molekularnej i komórkowej Uniwersytetu Bath, w Anglii. Obecnie pracuje dla Science in School, z siedzibą w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelber, w Niemczech.


Review

Zastosowanie iluzji 3D w mediach wizualnych jest coraz bardziej popularne.     Lecz jak to jest możliwe, że widzimy obraz 2D w 3D? I jak możemy stworzyć nasze własne iluzje 3D? Odpowiedzi na te i wiele więcej pytań znajdziesz w tym nowym artykule. Wspaniałą rzeczą jest to, że nie tylko daje on nam wyjaśnienia, ale również dostarcza szeregu działań pomagając uczniom zrozumieć jak to wszystko działa. Jest to bardzo przydatne jako sposób łączenia teorii z zastosowaniem w prawdziwym życiu.

Odpowiedni dla nauczycieli fizyki (optyka) i ogólnej nauki, ten artykuł byłby również dobrym zapleczem dla biologii (funkcjonowanie wzroku) jak i dla nauczycieli sztuki.


Paul Xuereb, Malta




License

CC-BY-NC-SA