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                    Mecanismos da visão estereoscópica                             Como obter imagens estereoscópicas

                       Princípios básicos da fotografia estereoscópicas             Como visualizar imagens estereoscópicas

 

 

 

A evolução natural dos animais levou a que muitos deles, incluindo o Homem, perdessem o campo de visão de 360º (proporcionado por olhos laterais e opostos, como acontece, por exemplo com o camaleão) e adquirissem a visão binocular, ou estereoscopia. Assim, a noção de profundidade e a visão a três dimensões (3D) deve-se ao facto de cada um dos olhos visualizar uma cena de um ângulo ligeiramente diferente. O fenómeno que permite a avaliação das distâncias chama-se paralaxe e é o resultado da comparação das duas imagens obtidas por dois pontos de vista distintos; é graças à interpretação do cérebro das duas imagens bidimensionais (2D) de cada um dos olhos, que é possível a visão tridimensional do mundo.

 

Estereoscopia é o nome atribuído ao conjunto de técnicas desenvolvidas para simular o mecanismo biológico humano de visão.

 

É possível verificar a paralaxe realizando a simples experiência de colocar o dedo a cerca de 12 cm do nosso nariz. Se fecharmos o olho direito vemos o dedo numa determinada posição; se trocarmos fecharmos o olho esquerdo, verifica-se que o dedo dá um pequeno salto. Mas se aumentarmos a distância do dedo ao nariz, o “salto” é cada vez maior e, portanto, a paralaxe é menor. O cérebro tem a capacidade de reconhecer esta diferença entre as imagens e permite comparar as distâncias a que estão os objectos.

 

 

Os olhos distam cerca de 64 mm e podem convergir e divergir de modo a cruzarem os seus eixos em qualquer ponto, mais perto ou mais longe do nariz. A musculatura responsável pelos movimentos dos globos oculares transmite ao cérebro informação relativa ao grau de convergência dos eixos visuais, permitindo-lhe aferir a distância a que ambos se cruzaram naquele momento.

 

 

 

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Mecanismo da visão estereoscópica


Quando se observam objectos muito distantes, os eixos ópticos encontram-se paralelos. Por outro lado, quando os objectos observados são próximos, os olhos giram de forma a que os eixos ópticos estejam alinhados com ele (convergem), ou seja, dá-se o processo de fusão. Nem todos têm a mesma capacidade de fundir um par de imagens numa só, tridimensional. A agudeza estereoscópica é a capacidade de discernir detalhes situados em planos diferentes e a uma distância mínima. Existe uma distância limite a partir da qual não é possível diferenciar a separação de planos nem percepcionar a profundidade, e que varia de pessoa para pessoa. Essa distância pode variar entre 60 e varias centenas de metros.
Um factor que influencia directamente a sensação estereoscópica é a separação ocular. Quanto maior for essa separação, maior é a distância à qual se aprecia o efeito de relevo. O efeito obtido com uma separação interocular maior que o habitual é que os objectos parecem mais pequenos que o normal – hiperestereoscopia. O efeito contrário é a hipoestereoscopia: consegue-se tal resultado reduzindo a distância interocular e é imprescindível para obter imagens estereoscópicas de pequenos objectos.

   

 

Estereoscopia

   

 

   

Charles Wheatstone, em 1838, descreveu pela primeira vez o funcionamento da percepção da profundidade. Segundo ele, a visão estereoscópica é conseguida pela fusão de duas imagens planas do mesmo assunto obtidas de pontos ligeiramente distintos. É possível a partir de duas imagens 2D obter uma imagem 3D. No entanto, existem dificuldades para a sua observação: primeiro é preciso dispor de duas figuras do objecto correspondentes a duas imagens de perspectivas diferentes (com um ligeiro ângulo relacionado com a nossa distância ocular); e segundo, é necessário que cada olho veja apenas a imagem que lhe é destinada e não veja a outra.

 

 

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Princípios básicos da fotografia estereoscópica

 


A fotografia estereoscópica (ou 3D) tenta reproduzir a sensação de profundidade da visão estereoscópica natural. Ao contrário das fotografias convencionais, é possível recriar a sensação de profundidade se se obterem duas fotografias com uma separação adequada, correspondente à visão de cada olho e se se observarem com um visor adequado.
Existe uma diversidade de equipamentos, uns mais complexos do que outros, e que introduzem umas dificuldades adicionais aos sistemas de tradicionais. A forma mais simples de obter o par de fotos estéreo consiste em com uma única câmara obter as duas imagens, em dois tempos, deslocando a câmara uma distância similar à da separação ocular (em média 65 mm). Naturalmente, o objecto deve manter-se perfeitamente imóvel. Para obter fotografias 3D em movimento utiliza-se uma câmara especial, dotada de um acessório especial com espelhos, ou duas câmaras acopladas e que disparam sincronizadamente.

 

 
   

 

 

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Como obter imagens estereoscópicas

São vários os processos que nos permitem obter imagens estereoscópicas. O princípio de funcionamento de um estereograma consiste em fotografar ou desenhar duas cenas do mesmo objecto, com uma diferença de perspectiva entre si (uma cena a partir de um ponto de vista mais à direita e outra cena a partir de um ponto de vista mais à esquerda). O método anaglífico é o mais simples e conhecido, quando se trata de imprimir imagens estereoscópicas. O processo consiste em colorir cada uma das imagens com uma cor básica, sobrepô-las, e visualizá-las empregando óculos constituídos por filtros das mesmas cores (a utilização de artefactos possibilita a cada olho visualizar apenas a sua respectiva imagem primária, para imitar a observação directa do objecto com os dois olhos). Assim, cada olho é capaz de visualizar apenas a imagem tingida com a cor do respectivo filtro. Geralmente, os filtros usados são os de cores azul e vermelho e podem inclusivamente ser adaptados aos óculos de correcção visual. Em qualquer dos casos, a observação de imagens estereoscópicas deve ser feita em ambientes bem iluminados.

   

 

 
 

Tais figuras estereoscópicas podem ser obtidas por desenho (usando estratégias geométricas), através de máquinas fotográficas 3D (com duas objectivas estrategicamente colocadas de tal forma que funcionam em simultâneo), ou então usando software específico (ao programa são fornecidas duas imagens de diferentes ângulos, e o output é a imagem estereoscópica). É ainda possível utilizar duas câmaras simultaneamente: estas estão separadas por uma distância que é proporcional ao objecto fotografado e à distância pupilar normal (65 mm em média). É ainda possível utilizar um trilho para deslocar apenas uma das câmaras e adaptar espelhos divisores de imagem, colocados também à frente de uma das câmaras.

 

 

 

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        Visualização de imagens estereoscópicas
 

 

Para produzir uma imagem 3D é necessário obter duas perspectivas do mesmo objecto fotografado, simulando a visão humana, utilizando uma câmara vulgar ou uma do tipo estéreo capaz até de fotografar objectos em movimento. Apesar de se conseguirem imagens com boa qualidade existem, no entanto, algumas limitações:
- Ausência de movimento ou interactividade.
- Apenas um observador de cada vez.
- Divulgação pelos media através de métodos pouco cómodos

À disposição do observador, existem diversas técnicas e dispositivos que possibilitam a visualização de imagens estereoscópicas. Para o ensino da Química em particular pode interessar o método que utiliza óculos vermelho-azul (ou vermelho-verde). É um método simples e pouco dispendioso; projecta-se ou imprimem-se as vistas direita e esquerda de uma cena e sobrepõem-se como duas imagens azul e vermelha. Usando lentes de celofane, também azul e vermelha, obtém-se a sensação de profundidade. Este método traz a desvantagem da distorção da cor dos objectos mas é, ao mesmo tempo, mais simples e mais praticável em contexto escolar do que outros.

 

 

Hologramas - é uma técnica interessante mas a qualidade da imagem é demasiado pobre, pelo que se torna pouco usável.

Visão livre paralela
Cada olho observa a sua imagem correspondente, mantendo os eixos ópticos paralelos, como se se observasse o infinito. Este método só pode ser usado com imagens cujos centros não distem mais de 65 mm. Aplica-se na visualização de estereogramas de pontos aleatórios em livros.
 

Visão livre cruzada
As imagens observam-se cruzando os eixos ópticos. O par estéreo apresenta-se invertido, ou seja, a imagem da direita encontra-se à esquerda e vice-versa. Para ajudar a visualização, olha-se para um lápis situado entre os olhos e as imagens. Este método deve ser usado para imagens de dimensões superiores a 65 mm entre os seus centros, pelo que a imagem virtual parece mais pequena.
 


Anaglifo  
Utilizam-se filtros de cores complementares azul – vermelho, verde – vermelho ou âmbar – azul. A imagem apresentada em vermelho não é vista pelo olho que tem o filtro da mesma cor, mas sim vê a outra imagem em verde ou azul. É um sistema de baixo custo e é empregado em todo o tipo de publicações, assim como em ecrãs de computador ou em telas de cinema. A principal limitação é a alteração das cores, a perda de luminosidade e o cansaço visual após uso prolongado. Geralmente, aplica-se o filtro vermelho ao olho esquerdo e o azul ao olho direito. Um método simples e de baixo custo consiste em imprimir ou projectar as vistas direita e esquerda sobrepostas. Deste modo, e utilizando óculos com lentes de celofane azul e vermelha, cada olho selecciona da página ou do ecrã apenas a imagem que lhe é destinada. Contudo, esta técnica destrói a coloração inicial do objecto. Além disso, utilizando-a durante um largo período de tempo, torna-se incómodo e cansativo e pode causar dores de cabeça.

A técnica de anaglifo consiste em criar a sensação de três dimensões através de uma imagem 2D. Duas imagens do mesmo objecto tridimensional obtidas a partir de duas perspectivas ligeiramente diferentes (uma delas mais à direita e outra mais à esquerda), transporta informação espacial sobre posições relativas e diferentes porções desse objecto 3D. Quando essas duas imagens são combinadas está criada uma ilusão de tridimensionalidade.
A cor de cada pixel em cada imagem pode ser representada como uma combinação linear de três cores base. Nos computadores e nas televisões essas cores são o azul, o vermelho e o verde. Num computador, a “quantidade” de cada cor base esta normalmente escalonada entre 0 e 255, o que equivale a um total de 24 bits de informação por pixel. A paleta dos “cinzentos” corresponde a cores formadas pelas mesmas quantidades de azul, vermelho e verde. O anaglifo cria-se colorindo de vermelho a imagem correspondente à perspectiva esquerda do objecto, e de azul ou verde a imagem correspondente ao ponto de vista mais à direita. Se ela for vista através de uns óculos com uma lente vermelha obre o olho esquerdo e uma lente azul ou verde sobre o olho direito, o cérebro é capaz de combinar toda a informação e de a transformar em sensação 3D. Se as imagens que servem de ponto de partida a este trabalho forem monocromáticas, o resultado é de muito maior qualidade.

 

Polarização

A luz polarizada é aproveitada para separar as imagens direita e esquerda. O sistema de polarização não altera a coloração das representações, embora haja alguma perda de luminosidade. Usa-se quer na projecção de cinema 3D quer em monitores de computadores através de óculos de polarização. Presentemente, é a metodologia mais económica para uma qualidade de imagem aceitável.

É uma técnica mais sofisticada e que evita a distorção da cor é a que inclui o uso de lentes polarizadas. Embora óculos polarizados possam ser económicos, os projectores de imagens polarizadas já não o são. A polarização consiste na orientação dos raios luminosos; o que acontece é que os óculos e a cabeça têm que estar orientados com o projector, caso contrário obtêm-se imagens distorcidas. Outra limitação deste método está em preservar a polarização: a projecção faz-se em ecrãs tipo “espelhado” ou “prateado”.



Alternado

Com este sistema apresentam-se as imagens esquerda e direita de forma sequenciada, alternada e sincronizada com uns óculos dotados de obturadores de cristal líquido (LCS, Liquid Crystal Shutter ou LCD, Liquid Crystal Display); cada olho vê somente a sua imagem, pois a uma frequência elevada, o “salto” é imperceptível. O campo de emprego é vasto desde os computadores, televisão e cinema 3D de última geração.

 

Head Mounted Display (HMD)

É um dispositivo dois visores e os próprios sistemas ópticos geradores de imagem para cada olho. Até agora, o principal campo de utilização e a realidade virtual, em moldes experimentais e a preços proibitivos. Por vezes é considerado como um sucessor moderno do antigo Viewmaster, mas com animação. Com está técnica permanece ainda a limitação da visualização individual, mas é excelente em simulações imersivas. A resolução da imagem em aplicações realísticas é ainda baixa; apesar dos ecrãs LCD serem óptimos para computadores, eles tornam-se insuficientes para estarem apenas a poucos centímetros dos olhos. Deste modo, os HMD são mais usados para entretenimento (vídeo jogos), apesar do campo militar os requerer, quando o preço não é questão.
 


Monitores Auto – Stereo    

Trata-se de monitores que não necessitam de óculos especiais para a visualização. Todos incluem microlentes dispostas paralela e verticalmente sobre o visor do monitor e que geram um pequeno desvio a partir de duas ou mais imagens (normalmente de 2 a 8).

Liquid Crystral Shutter Glasses
Quase todos os relógios digitais usam na sua constituição cristais líquidos. A propriedade mais relevante é que um sinal electrónico é capaz de tornar um cristal transparente em opaco. Assim, é possível aproveitar esta faculdade para conceber óculos de observação de imagens estereoscópicas: uma das lentes (esquerda, por exemplo) é opaca e o observador vê apenas através da lente direita. Simultaneamente, a imagem do olho dierito fica disponível no monitor. Como o processo se inverte, ficando a lente direita opaca, e tal é feito rapidamente, o resultado é que cada olho percepciona imagens diferentes através do mesmo monitor.

Autostereo Displays
O que o próprio nome indica é que se trata de métodos que evitam o uso de óculos ou qualquer outro dispositivo na observação das imagens estereoscópicas. Uma destas técnicas consiste em usar ecrãs com uma série de fendas colocados num ângulo tal que o olho direito vê determinados pixeis num dispositivo atrás do ecrã, enquanto que o olho esquerdo está bloqueado, mas vê um outro conjunto de pixeis que lhe são expressamente destinados. O principal inconveniente é que cada olho tem que estar exactamente posicionado em relação ao mecanismo por detrás do ecrã. Mais uma vez, como as fendas estão exactamente posicionadas em relação aos olhos de cada utilizador, não é permitida uma larga audiência.

Técnicas LCD

Interlace
Nos primórdios tempos da televisão, em que os meios electrónicos eram muito limitados, a melhor técnica para aumentar o número de imagens exibidas por segundo, era transmitir primeiro as linhas impares (numeradas a partir do topo) e só depois as pares. Nos monitores actuais este método não é já utilizado: cada uma das linhas apenas é apresentada por ordem. Mas esta técnica continua a ser usada na visualização de imagens estereoscópicas em televisões. A única forma de sincronizar as figuras direita e esquerda com os óculos consiste em sincronizar os shutters (dispositivos que permitem e impedem a transmissão das imagens alternadamente) com as frames pares e ímpares. O que acontece, inevitavelmente, é que cada olho recebe as cenas com metade da velocidade de apresentação, do que resulta um “salto” desagradável. Além disso, como a vista de cada olho é feita por apenas as linhas pares ou ímpares, só metade do ecrã é aproveitado em cada imagem, perdendo-se 50% da luminosidade. Apesar de não ser uma técnica muito perfeita, como é bastante simples e pouco dispendiosa, foi a preferida para jogos de computador acompanhada por óculos LCD durante os anos 80.

Page Flipping
É uma técnica que consiste em alternar a imagem (perspectiva) esquerda completa com a imagem completa direita, do mesmo objecto. Contudo, para oferecer uma óptima qualidade de reprodução, o monitor deverá proporcionar grande velocidade de alternância, uma vez que cada olho apenas se apercebe de metade dessa velocidade. Além disso, o computador não poderá falhar na apresentação das vistas direita e esquerda do mesmo objecto. Neste método o único hardware necessário são os óculos.

Software e Processamento digital da Imagem

A maioria dos monitores dos computadores não estão preparados para apresentar imagens estereoscópicas, o que pode resultar em fantasmas: cada olho “vê” a persistência de uma imagem destinada ao outro olho. Este problema poderá ser resolvido retirando algumas colorações em áreas de grande contraste.

Efeito Pulfrich

Foi descoberto pelo médico Carl Pulfrich em 1922. O fenómeno consiste na percepção de um efeito estereoscópico quando se observa uma imagem em movimento horizontal sobre um plano e com um filtro escuro situado diante de um dos olhos. Devido a esta diminuição de luminosidade, percepcionada pelo olho, a imagem chega ao cérebro com um atraso de umas centésimas de segundo. É precisamente esta diferença de tempo que permite a sensação estereoscópica. Não é propriamente um sistema de visualização stereo, uma vez que não se parte de duas imagens distintas.


Chromadepth

Este sistema baseia-se no desvio produzido pelas próprias cores do espectro (refracção da luz). Através de um prisma, a luz desvia-se ligeiramente, dependendo do seu comprimento de onda (maior desvio para o vermelho e menor para o azul). A informação de profundidade codifica-se por cores. Os óculos concebidos para ver estas imagens contêm cristais transparentes com microprismas. A desvantagem deste método é a perda de informação cromática, sendo vantajoso perante o anaglífico, uma vez que se podem observar em 2D.

 

 

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