Стереотелевізійні системи

Основи теорії стереоскопічного зору людини.

Кінцевою ланкою стереотелевізійної системи відтворення зображень є очі спостерігача. Тому стереотелевізійні системи повинні будуватися таким чином, щоб по можливості найбільше повно виконувалися звичні для очей умови спостереження, що відповідають безпосередньому розгляданню тривимірних фізичних об’єктів.

Зорове сприйняття тривимірності фізичних об’єктів і їхнього просторового розташування здійснюється як при монокулярному зорі (одним оком), так і при бінокулярному зорі (двома очима). У першому випадку головну роль грають такі фактори, як зорова пам’ять, лінійна перспектива предметів, відчуття розходження в напрузі м’язів ока при зміні кривизни хрусталика для одержання на сітківці ока різкого зображення предметів, що знаходяться на різних відстанях від спостерігача. В другому випадку основну роль грає очний базис b0, тобто відстань між зоровими осями, що у різних людей коливається від 52 до 74 мм. Середнім чи нормальним стереоскопічним базисом вважається міжзрачкова відстань, рівна 65 мм. Очі людини дивляться на об’єкт із різних позицій, тому зображення того самого об’ємного об’єкта для кожного ока людини будуть трохи відрізнятися через просторове зрушення очей. Наприклад, відстань між одними і тими самими крапками об’єкта А1 і А2 у зображеннях на сітчатках очей буде різна, тобто а1’ а2’ а1” а2” (Рис. 1). Розходження лівого і правого зображень враховується у великих півкулях кори головного мозку людини, у результаті чого створюється відчуття об’ємності об’єктів спостереження [І].

Зсув якої-небудь крапки об’єкта спостереження (наприклад, А1 на Рис. 1) у зображенні на сітківці одного ока щодо відповідної крапки зображення на сітківці іншого ока зветься бінокулярним паралаксом, величину якого можна оцінити як у кутових, так і в лінійних одиницях виміру. Бінокулярний паралакс Δβ, вимірюваний у кутових одиницях, визначається різницею паралактичних кутів β1 і β2 утворених візирними лініями очей:

Δβ = β1 – β2 .

При цьому чим більше глибинні розміри об’єктів, що спостерігаються, тим більше величина бінокулярного паралакса. Різниця паралактичних кутів Δβ, що відповідає мінімально удаваному зсуву двох деталей об’єкта по глибині, називається порогом глибинного зору. Величина порога глибинного зору залежить від особливостей спостерігача, тривалості розглядання об’єктів, яскравості фону, контрасту об’єктів. Середнє значення цього порога, що оцінюється в кутовій мірі, складає 10—20″. При яскравості об’єктів від 0,4 до 38 кд/м² поріг глибинного зору людини практично постійний і відповідає середньому значенню. За межами зазначеної зони оптимальних для розглядання значень яскравостей величина порога глибинного зору буде різко зростати. Його величина також різко росте від середніх значень, якщо тривалість розглядання реального або об’єкта стереозображення складає менш 0,5 с. У той же час у спеціально тренованих людей середнє значення порога глибинного зору може знаходитися в межах 2—4″ [І].

Рис. 1 – Схема бінокулярного бачення об’єкта

Бінокулярний паралакс р, що оцінюється у лінійних одиницях, часто називається просто лінійним паралаксом і визначається різницею відстаней між проекціями одних і тих же самих крапок об’єкта, наприклад А1 і А2 , у зображеннях на сітчатках лівого і правого ока людини (Рис. 1):

р = а1’ а2’–а1” а2”.

Найважливішою характеристикою бінокулярного зору людини є радіус стереоскопічного бачення, що визначається як гранична відстань, починаючи з якої предмети, розташовані по глибині, вже не розрізняються по далекості один від одного при розгляданні їх двома очима. Радіус стереоскопічного бачення прямо пропорційний базису спостереження і назад пропорційний порогові глибинного зору.

Визначимо для приклада радіус стереоскопічного бачення r₀ у випадку нормального базису 65 мм і порогу глибинного зору 20″ (у радіанному численні даний поріг глибинного зору відповідає 0,000058 рад):

r₀=

Отже, усі предмети, вилучені від спостерігача на відстань більш 700 м, при бінокулярному розгляданні будуть здаватися розташованими на одній відстані з нескінченно віддаленими предметами. Для розширення стереоскопічної дальності спостереження в першу чергу потрібно збільшення базису стереоскопічного розглядання. На практиці дуже часто для цієї мети використовують біноклі і стереотруби.

Бінокулярний зір людини створює особливі можливості для одержання як чорно-білих, так і кольорових об’ємних зображень за рахунок ефекту бінокулярного змішання кольорів [І]. Ефект бінокулярного змішання кольорів полягає в наступному. Якщо на праве око людини впливає випромінювання одного кольору, виникає відчуття нового кольору, проміжного між тими, що впливають. Бінокулярне змішання підкоряється загальним законам оптичного змішання кольорів.

Око людини сприймає світло як електромагнітні коливання з довжиною хвилі λ в межах від 400 до 700 нм (1 нм = 10 м). Електромагнітні коливання різних довжин хвиль викликають відчуття різної кольоровості випромінювання.

Любий колір може бути отриманий змішанням трьох основних кольорів, узятих у визначених кількостях. При виборі основних кольорів існує обмеження, а саме: кольори, що беруться в якості основних, повинні бути лінійно незалежними, тобто, жоден з них не повинен виходити при змішанні двох інших. Основними можуть бути наступні кольори: червоний R(λ=700 нм), зелений G(λ = 550 нм), синій В(λ = 436 нм). У телебаченні для одержання кольорових зображень необхідно в загальному випадку відтворювати три одноколірні зображення одного і того ж самого об’єкта в основних кольорах і здійснювати їхнє змішання шляхом сполучення окремих одноколірних зображень.

При бінокулярному змішанні кольорів досить, щоб одне око спостерігача сприймало тільки одне одноколірне зображення, а інше око — два інших. При цьому стереозображення, що спостерігається, буде сприйматися кольоровим.