СуманееваА.И., Малов А.Н. Голограмма и 3D

ГОЛОГРАММА И 3D - ИЗОБРАЖЕНИЕ: ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ОЦЕНКИ
А.И. Суманеева, А.Н. Малов
МБОУ Лицей №1, Иркутск, 664043, ул. Воронежская, 2
е-mail: sumaneeva [email protected]
АННОТАЦИЯ
Выполнены оценки количества информации, содержащегося в 3D
(стерео) изображениях и в голографическом изображении.
1. ВВЕДЕНИЕ
95% информации об окружающем мире человек получает через
зрение, причем это восприятие трехмерное, позволяющее довольно точно
оценить расстояние до предметов. Поэтому и сохранение сведений об
окружающем мире всегда старались делать в объемном варианте с
помощью скульптур и макетов. Довольно давно было понято, что
объемное зрение связано с наличием двух глаз и были созданы системы
стереозрения, а сейчас большое распространение получили кинофильмы в
3D-формате, которые на самом деле есть стереофильмы с разделением
(сепарацией) на правое и левое изображения с помощью поляризующих
очков...
В конце 40-х годов ХХ века Д. Габором была изобретена голография –
наиболее совершенный способ записи трехмерной информации на
двумерный плоский носитель (фотопластинку). Хорошо известны
голографические объемные изображения, которые являются полной
оптической копией.
Цель настоящей работы состояла в количественном сравнении этих
двух различных способов получения объемных изображений с точки
зрения теории информации.
2. ЗРЕНИЕ
Зрение человека (зрительное восприятие) — это процесс
психофизиологической обработки изображения объектов окружающего
мира, осуществляемый зрительной системой, и позволяющий получать
представление о величине, форме (перспективе) и цвете предметов, их
взаимном расположении и расстоянии между ними. Человек 90%
информации получает через глаза. Зрение является основным фактором
восприятия окружающей среды.
Зрительный анализатор человека обеспечивает бинокулярное зрение,
то есть зрение двумя глазами с единым зрительным восприятием.
Основным рефлекторным механизмом бинокулярного зрения является
рефлекс слияния изображения — фузионный рефлекс (фузия),
возникающий при одновременном раздражении функционально
неодинаковых нервных элементов сетчатки обоих глаз.
Стереоизображение — эта картина, фильм или видеоряд,
использующий минимум два отдельных изображения одного объекта и тем
самым позволяющий достичь стереоэффекта за счёт одновременного
рассматривания обеими глазами отдельных изображений (рис. 1). При
этом мозг интерпретирует раздельные изображения, наблюдаемые с
параллаксом, как единую и цельную объёмную сцену. Параллакс —
величина взаимного смещения сопряженных точек на сетчатке глаз или в
изображениях стереопары.
Рис. 1. Схема стереоскопического восприятия объекта
Для начала посмотрим, как же вообще наш мозг может «обмануться»
и воспринять обычную плоскую картинку в качестве трехмерной.
Подобных способов несколько. Например, 3D-изображение можно создать
игрой света и тени или особым расположением элементов картинки. Но в
компьютерных устройствах обычно используется несколько иной
принцип. Дело в том, что у человека два глаза, каждый из которых смотрит
на мир под своим углом. Информация, получаемая обоими глазами,
обрабатывается мозгом и «сливается» в одну картинку. Оказывается,
достаточно просто показать каждому глазу свое, специальным образом
рассчитанное, изображение. Мозг анализирует полученную информацию и
«обманывается», создавая у человека впечатление трехмерности
увиденного.
Первый и самый очевидный способ для реализации «двуглазого»
принципа — это простое разделение картинок. Достаточно предоставить
каждому глазу свой собственный монитор, на котором и показывать
нужное изображение. Мозг при бинокулярном наблюдении объекта
(подсознательная фокусировка внимания, и мускульная фокусировка глаз)
объединяет частичные изображения в единый объёмный образ, в котором
цвет фона становится незначим. Этот способ был назван методом
пространственного разделение. На нем основывается множество устройств
различных компаний. Наибольшее распространение получили шлемы
виртуальной реальности, которые называются HMD — Helmet Mounted
Display. Главный плюс HMD — полное погружение в виртуальную
реальность, которое используется во многих областях, начиная с
компьютерных игр и заканчивая шлемами для пилотов боевых
истребителей.
Левое
Правое
Суммарное
Рис. 2. Пример стереопары, внизу совмещенное (наложенное)
изображение, которое дает объемный эффект при рассматривании через
очки с цветными стеклами (правое красное, левое зеленое).
Кстати, первые трехмерные картинки были созданы в 1858 году.
Именно тогда француз Джозеф д’Альмедиа изобрел первый метод
создания 3D-изображений — цветовое мультиплексирование. В основе
этого принципа лежит использование двуцветных картинок. Причем на
каждой картинке совмещены два изображения: одно для левого глаза,
другое для правого. Отличаются они друг от друга цветом, одно из них
синее, другое красное. Для того, чтобы человек увидел трехмерную
картинку, он должен надеть специальные очки. Вместо линз в них
установлены соответствующие светофильтры. В результате глаз,
смотрящий через синее стекло, видит зеленую картинку, но не замечает
красную. Точно так же второй глаз видит красную картинку, но не
замечает зеленую (рис. 2).
К сожалению, подобная технология практически не нашла
применения в компьютерных устройствах. Дело в том, что глаза каждого
человека по-своему воспринимают цвета, в результате чего некоторые
люди вообще не видят стереоэффекта, а другим приходится долго
всматриваться в изображение.
Известен еще один принцип трехмерного восприятия изображений,
который применяется в большинстве современных устройств - временное
мультиплексирование. В нем применяются специальные очки, только
используются не линзы, а оптические затворы. В 3D-устройствах
применяются жидкие кристаллы, которые при поляризации становятся
непрозрачными. На компьютер устанавливается специальная программа,
которая по очереди показывает изображение для правого и левого глаз. В
то время, когда показывается «правая» картинка, затвор на левом глазу
закрывается, а когда «левая» — закрыт правый глаз. Изображения
чередуются с большой частотой, и у человека создается впечатление, что
он смотрит обоими глазами одновременно. К плюсам временного
мультиплексирования можно отнести высокое качество полученного
объемного изображения. При использовании этого способа не возникает
абсолютно никаких геометрических или цветовых искажений.
3. ГОЛОГРАФИЯ
Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать
полноценное объемное изображение реальных предметов. Название
происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает
полную запись изображения.
Голография, представляющая собой фотографический процесс в
широком смысле этого слова, принципиально отличается от обычной
фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит
регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн,
рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной
структуре. Как средство отображения реальной действительности,
голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии,
создающей плоское изображение, голографическое изображение может
воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта.
Современные голограммы наблюдают при освещении обычными
источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой
точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект
присутствия. Голография основывается на двух физических явлениях дифракции и интерференции световых волн.
В 40-х годах в научно-исследовательском кинофотоинституте
(НИКФИ)
впервые
в
мире
была
осуществлена
безочковая
стереоскопическая кинопроекция на линзорастровый экран по методу,
изобретенному С.П. Ивановым. Разработанная в НИКФИ система
стереоскопического кинематографа "Стерео - 70" считается лучшей в мире
по качеству воспроизведения стереоскопического киноизображения и
применялась в стереокинотеатрах как в России, так и во многих странах за
рубежом. В 1991 г. за технические достижения в части стереоскопического
кинематографа НИКФИ был отмечен премией "Оскар" Американской
киноакадемии. Под руководством проф. В.Г.Комара в НИКФИ
проводилась разработка предложенной им системы голографического
кинематографа с объемным цветным изображением. Голографический
одноцветный
20-секундный
фильм
был
впервые
в
мире
продемонстрирован на специальном голографическом экране в конце
1976г. на конгрессе УНИАТЕК в Москве. Голографический экран
размером 0,6 х 0,8 кв.м. формировал четыре зрительские зоны, из которых
можно было наблюдать одноцветное объемное изображение движущегося
человека. В 1984 г. был продемонстрирован уже двухцветный
мультипликационный фильм на экране с пятью зрительскими зонами.
4. ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ
Мы
будем
рассчитывать
стереоизображении по формуле.
количество
информации
в
I=k(log2m)
I- общее количество информации в битах; k- количество пикселей; mчисло градаций серого, в современных дисплеях оно равно 1024.
log2(1024)= log2(210) = 10
Подсчитаем количество пикселей стереоизображений. Пусть каждое
изображение размером 8х10 см имеет разрешение 300 dpi (300 пикселей на
дюйм) или 12 пикселей на 1 мм. Тогда
k=a*b
Высота = 80 мм, ширина=100 мм, и
K= 8000х12 = 96.000 пикселей ~ 0,1 Мпикселя.
В двух изображениях стереопары будет содержаться 0,2 Мп, а общее
количество информации для стереопары составит
0,2х10 = 2 Мбит, или 2 миллиона бит
При расчете не учитывается то обстоятельство, что два изображения
стереопары содержат (с точки зрения наблюдателя) одну и ту же
информацию, а различие, обеспечивающее эффект объемности, не очень
велико (в битах).
Голографическое изображение отличается тем, что оно имеет
глубину вдоль направления зрения изображаемого пространства. Поэтому
его информационную емкость можно примерно оценить, считая, что
глубина изображения равна 10 см, а разрешение вдоль оси наблюдения
равно 1 мм. Заметим, что это отнюдь не рекордные цифры для реальной
голограммы. Тогда, полагая, что формат 2Д изображения тот же самый
(8х10 см), получим, что голограмма восстанавливает
100 мм :1 мм = 100 изображений.
Каждое изображение содержит 1 Мбит (см.выше), и общее количество
информации содержащееся в голограмме равно
100 Мбит.
5. Заключение
Из сравнения 3Д изображений и голографического изображения
можно сделать следующие выводы:
 Современные кинематографические 3Д технологии основаны на
синтезе объемных изображений мозгом человека из двух плоских 2Д
изображений, т.е. эффект объема субъективен (виртуален) и не может быть
воспроизведен, например, для трехглазого инопланетянина (и стрекоза
объема не увидит – у ней многозрачковые фасеточные глаза).
 Голографическое изображение есть объективно объемное и может
при восстановлении быть рассмотрено по разным сечениям, например с
помощью микроскопа, что и используется в медицине и биологии.
Записанное на микроголограмму изображение движущихся бактерий затем
рассматривается по сечением путем перефокусировки по расстоянию
вглубь предмета. И трехглазый его увидит как объемное, т.к. оно
объективно.
Поэтому 3Д изображение состоит из двух плоских изображений и
содержит соответствующее количество информации (например, 2 Мб), а
голографическое изображение содержит количество информации гораздо
больше (при, например, 100 сечениях по глубине - 100 Мб).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Мир, 1982.
3.
4.
5.
6.
Википедия.
.Оптическая голография. /Под ред. Г.Колфилда. В 2-х т.т. - М.:
http://www.holography.ru
http://www.cohol.org
http://www.media-security.ru
http://www.laser.spb.ru