Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Начальные классы / Научные работы / Исследовательская работа по теме: «Создание трехмерного изображения из плоской картинки»

Исследовательская работа по теме: «Создание трехмерного изображения из плоской картинки»


  • Начальные классы

Поделитесь материалом с коллегами:



МАОУ «Гимназия №24»

Городская научно-практическая конференция младших школьников

«Мы открываем мир»

Исследовательская работа по теме:

«Создание трехмерного изображение из плоской картинки»

(«Как увидеть объем в плоской картинке »)

hello_html_m22012fd4.png

Подготовила:

ученица 4 «В» класса

Воронина Василина

Руководитель:

Арефьева

Евгения Вячеславовна

г.Магадан

2016 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

  1. Теоретические основы объемного изображения

1.1 История изучения объемного изображения

1.2 Виды объемных изображений

  1. Экспериментальная работа: получение объемного изображения на основе плоской (двухмерной) картинки

Опыт №1. Получение объемного изображения на основе стереограмм (изображения "Волшебный взгляд").

Опыт №2. Получение объемного изображения методом анаглиф.

Опыт №3. Получение объемного изображения при помощи проектора виртуальной реальности Cardboard.

Опыт №4. Получение объемного изображения при помощи пирамидального голографического проектора.

Заключение

























Введение

С доисторических времен люди пытались зафиксировать в изображении окружающую реальность, передать цвета и краски всего того, что видит человек. Вначале это были примитивные наскальные рисунки, в которых с большим трудом можно увидеть изображения людей, животных, сцены охоты. Но шло время, человек развивался, развивались и усложнялись картины, создаваемые им. Изображения становились яркими, красочными, появились профессиональные художники. Их труд высоко ценился как в древности, так и в современном мире. Если раньше в качестве инструмента художника выступали кисти и краски, то теперь огромное количество визуальных произведений создается при помощи компьютерной техники.

Повышается уровень развития общества, растут культурные и эстетические запросы людей. Уже недостаточно рассматривать пусть красивые и яркие картины, и вот появляется кинематограф. Но запросы людей продолжают расти, и от изображения требуется максимальная достоверность. От плоской двухмерной картинки происходит переход к объемному трехмерному, максимально реальному изображению.

Человек видит окружающий мир объемным. Поэтому вполне естественным желанием является желание этот мир запечатлеть именно таким каков он есть - имеющим не только ширину и высоту, но и глубину.

В принципе, ничего сложного в этом нет. Предмет воспринимается объемным потому, что мы смотрим на него двумя глазами. Для того, чтобы получить стереоизображение достаточно снять его двумя близкорасположенными фотоаппаратами, или одним фотоаппаратом из двух положений, соответствующих положениям левого и правого глаза, или специальным аппаратом с двумя объективами.

Сложности возникают тогда, когда мы захотим увидеть снятое таким образом стереоизображение. Для этого необходимо, чтобы каждый глаз видел предназначенное для него изображение, и не видел изображение для другого глаза. Без специальной тренировки глаза у человека смотрят, как правило, так, как им предписано природой, нисколько не соизмеряясь с нашими намерениями. И вместо объемного изображения видят два плоских.

Как же нам быть? Как умудриться увидеть изображение мира таким, как и сам мир - трёхмерным? И как самому получить качественное объемное изображение из плоской картинки?

Актуальность данной научно-практической работы заключается в ознакомлении с оригинальными и перспективными способами получения объемного изображения и их практическому применению.

Цель исследования: научится получать объемное изображение на основе плоской двухмерной картинки .

Задачи исследования:

  1. Изучить основные понятия объемного трехмерного изображения и возможные способы его получения

  2. Изучить различные виды объемного изображения

  3. Провести практические опыты по созданию объемного изображения

  4. На основе теоретических знаний и проведенных опытов сделать вывод о возможности использования результатов в повседневной жизни.

Как человек видит окружающий мир? Какие виды изображений мы знаем? Какими способами можно увидеть объем в изображении? Как можно практически создать объемное голографическое изображение?

Об этом интересно узнать каждому.

Ответы на эти и многие другие вопросы даются в моей работе.










  1. Теоретические основы объемного изображения.

    1. История изучения объемного изображения.

В современном мире все чаще возрастает интерес к стереоизображениям – это 3D- картинки, игры, фотографии, фильмы. На сегодняшний день люди воспринимают стерео как нечто сверхъестественное, как технический прогресс в фото и киносъемках.

Стереоизображение – это объемное изображение, сделанное из двух картинок. Пример стереоизображения сегодня можно увидеть в 3D-фильмах или 3D-видеоиграх.

Однако стереоизображение было известно намного раньше создания обычного фотоаппарата.


hello_html_77a15465.png


Родоначальником стерео по праву является Эвклид, который в 280 году до н. э. заметил, что восприятие глубины пространства и рельефность, достигается из-за того, что каждый глаз видит немного разные картинки одного и того же изображенного объекта.


hello_html_m7186a1bb.png

Позже этот факт подтвердил в 1584 году Леонардо да Винчи и подробно изложил в своих сочинениях особенности зрительного восприятия.

hello_html_509d109b.png

В XVII веке немецкий оптик Иоганн Кеплер – раскрыл основы стереоскопического восприятия человека в своих научных работах.

hello_html_m1fd21f24.png

Чарльз Уитстон в 1833 году презентовал миру зеркальный стереоскоп. Он позволял увидеть картинку в объеме при использовании картинок с небольшим смещением. Спустя несколько лет Уинстон демонстрирует через стереоскоп фотографии – это происходит на Всемирной выставке в Лондоне.

Стереоизображение — картина или видеоряд, использующий два отдельных изображения, позволяющих достичь стереоэффекта. Первый стереофотоаппарат был сконструирован и запатентован российским изобретателем Иваном Фёдоровичем Александровским. В 1854 году мастеру живописного цеха И. Александровскому Департаментом торговли и мануфактур была выдана привилегия на «аппарат для снятия потребных для стереоскопа двух изображений в одно и то же время и одной и той же машиной». На фотографической выставке в Петербурге в 1889 году И. Ф. Александровский экспонировал первые в России стереоскопические снимки, которые он сделал своим аппаратом ещё в 1852 году.

hello_html_28090e0a.png

Всеобщая популярность к стереоскопии привела к тому, что уже в 1858 году француз Жозеф д’Альмейда открыл анаглифический метод создания объемных изображений. Один из слайдов проецировался сквозь красный светофильтр, другой - сквозь синий. Посетителям выдавались стереоочки, сделанные из светофильтров тех же цветов. Способ разделения стереоизображений с помощью светофильтров был окончательно доработан Луи Дюко дю Ороном в 1891 году.


hello_html_m15a0070f.png

Дюко дю Орон дал этому способу имя - анаглиф, что по-гречески означает "рельефный". Дю Орону мы обязаны появлением современного способа печати цветных изображений. В 1869 году он опубликовал труд "Цветная фотография", где писал о том, что сочетанием трех цветов - красного, желтого и синего - можно получить любой оттенок. И продемонстрировал это в 1870 году: он делал три одинаковых фотографии на черно-белую пленку сквозь три цветных фильтра. После этого трехцветной литографией получал цветную фотографию. Еще до появления цветной пленки и цветной фотобумаги! А с 1891 года начал печатать анаглифные изображения, используя два цвета - красный и зеленый. С этого времени анаглифная стереофотография получила широкое распространение. В России также получили популярность объемные анаглифические открытки: началась массовая печать разнообразной полиграфии от открыток и детских книг, до карт и атласов. В наши дни этот метод широко используется при презентации новых продуктов.

Для того, чтобы создать стереоизображение, нужно было сфотографировать, проявить и вставить полученное в стереоскоп.

hello_html_m4c87fbe9.jpg

В Москве в 1940 году появился первый в мире стереоэкран с проволочным светопоглощающим растром. В 1941 г. зрители могли видеть стереофильм «Концерт» без очков и каких-либо дополнительных приспособлений.

В наше время стерео применяется во многих областях: реклама, презентации, фильмы и компьютерные игры, детская и познавательная литература. Особенно пользуются спросом среди многих предприятий, банков и государственных структур объемные визитные карточки, открытки, дисконтные карточки, календари с объемными или сменными изображениями.

Офтальмологические клиники давно практикуют стереоизображения для предупреждения детского косоглазия, выравнивания у детей цвето – и световосприятия, а так же с их помощью успешно лечат глазные патологии как у взрослых, так и детей.

В современном мире открывается множество 3d-кинотеатров, снимается все больше 3d-фильмов. Рынок заполняют новые производители 3d продукции. Разрабатываются модели 3d-телевизоров, 3d-проекторов, 3d-фотокамер, 3d-видеокамер и 3d-ноутбуков. По праву 3d можно считать шагом в будущее в свете высоких информационных технологий.


1.2 Виды объемных 3D изображений


Стереоизображение — картина, фильм или видеоряд, использующий минимум два отдельных изображения одного объекта и тем позволяющий достичь стереоэффекта за счёт одновременного рассматривания обеими глазами отдельных изображений.

Стереоизображение – это двухмерное изображение, имитирующее наличие третьего измерения, или вызывающее у зрителя иллюзию глубины. В основе лежит феномен бинокулярного зрения человека.

Человек видит двумя глазами две плоские картинки, после чего мозг совмещает их и анализирует углы, под которыми сходятся линии наблюдения, идущие от каждого глаза к объекту. Эта информация позволяет мозгу делать выводы о пространственном расположении окружающих предметов и воспринимается нами как объём.

Для того, чтобы заставить наш мозг воспринимать плоское изображение как объемное, необходимо, чтобы каждый глаз видел только соответствующее ему изображение. Два таких изображения, каждое из которых предназначено для своего глаза, называются стереопарой.

Для производства и демонстрации стереоизображений, стереофильмов или 3D видео используется множество различных методик. Наиболее проработанные и популярные из них:

1. Стереоскоп


hello_html_m43707ea1.jpg

Стереоскоп, как устройство для просмотра стереоизображений был изобретен еще в начале 19 века. За долгие годы его конструкция изменялась и совершенствовалась. Внутри стереоскопа размещаются специальные линзы или зеркала, позволяющие зрителю увидеть объемное изображение. Принцип работы прибора основан на том, что если сфотографировать какую-либо сцену с двух точек, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (примерное расстояние между глазами человека), а затем расположить получившуюся стереопару так, чтобы один глаз видел только один снимок, а другой глаз—второй, то человек увидит «объёмное» изображение.

2. Анаглиф

hello_html_m714a36e1.jpg

Это технология основана на использовании специальных очков, одно стекло у которых окрашено в красный цвет, а другое – в синий. Картинка представляет собой два изображения стереопары, наложенные друг на друга, одно из которых окрашено в красный цвет, а другое – в сине-зеленый. В очках каждый глаз увидит только свою картинку, т.к. синий светофильтр не пропустит любые оттенки красного изображения, а красный – оттенки сине-зелёного. Мозг складывает два этих изображения, получая одну объёмную картинку. Такое искусственное разделение механизмов зрения дает неожиданный результат - стереоэффект воспринимается лучше, чем в реальной жизни и производит большее впечатление. Это происходит в результате того, что при наблюдении реального мира человеческий глаз "фокусируется" на том объекте, на котором сосредоточено внимание. При этом дальний план и ближний план воспринимаются расплывчато. При наблюдении же стереофотографии все планы сцены воспроизведены четко. Несомненным плюсом данного способа является его простота, а недостатками – частичная потеря цветовой информации и быстрая утомляемость глаз.

3. Затворный


hello_html_ea6e0e8.jpg


Технология заключается в попеременной демонстрации на экране изображений, предназначенных для левого и правого глаза, и также поочерёдном затемнении стёкол очков, так что каждый глаз поочерёдно видит предназначенное только ему изображение. Смена «левого» и «правого» изображения на экране и затемнение соответствующих стёкол жёстко синхронизированы и осуществляются с очень высокой частотой, так что за счёт эффекта инерции зрения у человека создаётся иллюзия, что он видит цельное трёхмерное изображение.

В настоящее время набирают популярность жидкокристаллические затворные очки, где вместо механических затворов используются ЖК-заслонки.

Основные недостатки затворного метода:

- увеличенное ослабление светового потока, что требует повышения яркости лампы проектора

- эффект раздвоения изображения быстро движущихся объектов

- повышенная утомляемость глаз

- повышенный вес очков, создающий нагрузку на переносицу

- очки с электроникой плохо поддаются санобработке


4. Линзовый растр

hello_html_1c54c61a.jpg


В основе этого способа лежит идея совмещения устройства для просмотра изображений стереопары с носителем стереоизображения. Это позволяет зрителю наблюдать стереоэффект без дополнительных приспособлений. Эффект достигается с помощью специальной пластины с линзами. Линзы преломляют свет таким образом, чтобы каждый глаз зрителя получал только одну колонку пикселей. К примеру, левый глаз будет видеть все чётные колонки, а правый - все нечётные. Изображение для такого просмотра строится таким образом, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна от левого, другая от правого изображений.

К сожалению, эта технология тоже имеет свои недостатки. Во-первых, вдвое уменьшается горизонтальное разрешение. Во-вторых, подобное устройство неспособно выводить обычную картинку, так как линзы всегда будут разлагать изображение на стереоскопическое. Третий недостаток связан с размерами стереозоны. Стереоизображение будет видно только в том случае, когда голова смотрящего будет находиться в пределах этой зоны.

Последний недостаток можно компенсировать с помощью специальных систем отслеживания зрачков, которые могут менять расположение линз в реальном времени, значительно расширяя таким образом границы стереозоны, но у них тоже есть недостаток – достаточно высокая цена.



5. Поляризация

hello_html_41efc42c.jpg

Этот способ основан на свойствах поляризованного света. Левое и правое изображения проецируют на экран через поляризаторы, плоскость поляризации которых повёрнута друг относительно друга на угол в 90 градусов. Зритель же надевает очки, каждое из стекол которых пропускает изображение с определенным углом поляризации, а другое блокирует. Таким образом каждый глаз видит свою картинку, а в итоге мы видим объем.


6. Очки виртуальной реальности Cardboard

hello_html_m5289470e.pnghello_html_74322fd8.jpg

Google Cardboard (рус. «Картон») — эксперимент компании Google в области виртуальной реальности, в основе которого лежит шлем, который, по замыслу разработчиков, можно собрать из подручных материалов. Проект был впервые представлен на конференции Google I/O 2014.

Проект представляет собой симуляцию виртуальной реальности при помощи шлема, собранного по специальной схеме из картона, оптических линз, магнита и застёжек-липучек, а также вставленного в него смартфона на операционной системе Android, iOS, или Windows Phone с заранее установленным приложением. Шлем можно собрать самостоятельно в домашних условиях либо купить уже готовый вариант непосредственно через сайт эксперимента. Смартфон со встроенным магнетометром может реагировать на изменения магнитного поля. Приложение, анализируя данные с камеры мобильного телефона, магнетометра и акселерометра, симулирует эффект виртуальной реальности.

7. Стереограммы hello_html_44060e95.png


Стереокартинки впервые появились больше нескольких десятков лет назад. Вначале их использовали исключительно для гимнастики глаз в медицинских центрах. Но позже стереокартинки получили широкое распространение из-за своих интересных свойств. При беглом обычном взгляде на подобное изображение ничего кроме хаоса красок как правило не видно. Для открытия объёма на изображение нужно смотреть особым способом.

Основных метода просмотра несколько:

1. Можно просто расфокусировать зрение и объём всплывет сам. Но этот метод хорош для людей, которые уже имеют опыт просмотра стереограмм.

2. Второй метод заключается в фокусировке зрения. Вы как бы смотрите не на картинку, а сквозь неё, на точку сантиметрах в двадцати за картинкой.

3. Третий способ очень похож на второй, с той лишь разницей, что вы сокращаете или увеличиваете расстояние между глазами и картинкой, смещая фокус за изображение. Просто приблизьтесь или отдалитесь от картинки не меняя расстояние фокуса взгляда.























  1. Экспериментальная работа: получение объемного (трехмерного) изображения на основе плоской (двухмерной) картинки.

Выше рассматривалась теория объемного изображения, его виды. Последующая серия опытов будет проведена с целью получения объемного трехмерного изображения на основе плоского двухмерного изображения.

Опыт №1. Получение объемного изображения на основе фактурного изображения "Волшебный взгляд".

Оборудование: Картинки-стереограммы

Ход опыта: фокусируя взгляд на воображаемом объекте, расположенном за картинкой, добиваемся наблюдения объемного изображения бабочек.

hello_html_528386e1.jpg



Опыт №2. Получение объемного изображения методом анаглиф.

Оборудование: очки с цветными светофильтрами для просмотра анаглифических изображении, анаглиф-картины.

Ход опыта: используя очки с цветными фильтрами с определенным расположением светофильтров производим просмотр объемных изображений.

hello_html_m3e9a60f6.png









Опыт №3. Получение объемного изображения при помощи проектора Cardboard.

Оборудование: проектор Cardboard, смартфон с установленными приложениями виртуальной реальности.

Ход опыта: запуская приложения виртуальной реальности проводим наблюдение объемного стереоскопического изображения.

Запуская просмотр 3D видеоклипов в формате side by side производим просмотр объемного изображения

hello_html_637d7035.png

(3Д приложение "Русские горки")

hello_html_m15ca11df.png

(стереоклип в формате side by side)



Опыт №4. Получение объемного изображения при помощи пирамидального голографического проектора.

Оборудование: оптическая пирамида, смартфон с подготовленными видеоклипами для просмотра пирамидальной голографической проекции.

Ход опыта: в центр экрана смартфона устанавливается оптическая пирамида и запускается соответствующий видеоклип. Производим просмотр объемного голографического изображения.

hello_html_58600b3b.png


hello_html_mb51f29d.png

В результате проведенных опытов мне удалось практически испытать основные способы получения объемного трехмерного изображения:

  1. Использование стереограмм.

  2. Применение анаглиф очков.

  3. Устройство виртуальной реальность Cardboard

  4. Создание голографического изображения методом оптической пирамиды.

Также удалось выявить некоторые особенности в получении объемного изображения из плоской двухмерной картинки:

1. При использовании стереограмм требуется некоторое время для адаптации зрения. Полученный объемный предмет окрашен в фоновые цвета, получение подробного качественного цветного изображения невозможно.

2. При использовании анаглиф-очков возможно получение качественного по детализации трехмерного изображения. Точная передача цветовых тонов в полученном изображении невозможна из-за применения цветных светофильтров.

3. Использование проектора Cardboard позволяет получить качественное цветное объемное изображение. При этом применение дополнительных программных и аппаратных интерфейсов (способов взаимодействия) позволяет усилить эффект виртуальной реальности. Из недостатков стоит указать невозможность коллективного просмотра 3Д изображений. Качество получаемого изображения зависит от используемого смартфона (планшета) и оптической системы виртуального шлема.









Заключение

В ходе написания данной исследовательской работы я узнала и поняла, что оптика – это целая наука, обширная и интересная. Применение законов оптики и анатомии совместно с другими изобретениями из полоской картинки позволяют получить настоящую трехмерную реальность. Несмотря на то, что теория процесса получения объемных изображений на основе плоской двухмерной картинки имеет давнюю историю, постоянно появляются новые технические и программные средства. Изображение становится все более качественным, максимально приближенным к реальному. Появляется возможность взаимодействия человека с получаемым изображением - виртуальная реальность.

Проделав серию экспериментов по получению объемного изображения я приобрела следующие знания:

  1. Узнала, как зрение и мозг человека обрабатывают визуальную информацию.

  2. Познакомилась с именами известных ученых, совершивших важные открытия в области получения и фиксации объемного изображения

3. Узнала способы получения объемного изображения из плоской двухмерной картинки.

4. Немаловажное значение имеет прикладной характер исследования.

Результатом моей научно-практической работы стал подтвержденный опытами факт о возможности получения качественного объемного изображения из плоской картинки. При этом изображение может быть как статичным, так и динамичным. Применение дополнительных программных и аппаратных интерфейсов (сред взаимодействия) значительно усиливают эффект реальности наблюдаемого изображения.

Полученные результаты при исследовании могут быть интересны школьникам начальных классов для расширения их кругозора и знакомства с удивительным миром трехмерных изображений и виртуальной реальности.






Автор
Дата добавления 30.10.2016
Раздел Начальные классы
Подраздел Научные работы
Просмотров321
Номер материала ДБ-300380
Получить свидетельство о публикации


Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх