چگونه سه‌بعدي می‌بینیم؟

[ملیساا 5015]

3D مخفف کلمه 3Dimensial، به معنای یک شی سه‌بعدی است. چیزی که عرض ارتفاع و طول (عمق) داشته باشد. محیط فیزیکی اطراف ما، یک محیط سه‌بعدی است. در واقع ما هر روز در یک محیط سه‌بعدی در حرکت هستیم. اما مغز انسان چطور قادر به درک محیط سه‌بعدی اطراف خود می‌باشد؟ همان طور که می‌دانیم چشم‌های هر انسان در حدود 6. 5 سانتیمتر از یکدیگر فاصله دارند، بنابراین به محیط اطراف از دو زاویه افقِ کمی متفاوت نگاه می‌کنند.

 

همانطور که ما به اطراف نگاه می‌کنیم، شبکیه هر چشم تصویری دوبعدی از محیط اطراف ضبط و برای مغز ارسال می‌کند. مغز این دو تصویر دوبعدی را طی فرآیندی ادغام و محیط اطراف را به شکل سه‌بعدی درک می‌کند. بنابراین انسان دارای قابلیت تشخیص عمق (depth perception) می‌شود. قابلیتی که به ما اجازه می‌دهد اجسام دور را از اجسام نزدیک تشخیص دهیم و به راحتی درباره فواصل اشیا قضاوت کنیم. انسان به دلیل داشتن قابلیت دوربین دو چشمی (binocular vision)، محیط اطراف خود را سه‌بعدی می‌بیند.

 

اما جالب است بدانید که افراد monocular vision، یعنی کسانی که تنها از ناحیه یک چشم بینا هستند نیز می‌توانند محیط اطراف را به شکل سه‌بعدی درک کنند! همان طور که می‌دانیم یک تصویر دوبعدی، تنها دارای عرض و ارتفاع می‌باشد و از نظر فنی عمق ندارد. بنابراین در این تصویر همه چیز با یک فاصله، از نگاه بیننده به نظر می‌رسد. اما بیننده به طور ناخودآگاه و با استفاده از تکنیک‌های سه‌بعدی مغز، تصویر را به شکل سه‌بعدی درک می‌کند. مهم‌ترین تکنیک‌هایی که مغز انسان برای درک دنیا به شکل سه‌بعدی از آنها استفاده می‌کند، عبارت است از:

 

چشم‌انداز برجسته (stereoscopic vision)

قابلیتی است که به دو چشم اجازه می‌دهد، تصاویری جداگانه با زوایای افق متفاوت تهیه کنند. در این تصاویر، اشیای نزدیک بسیار جدا و متمایز از اشیای دور می‌باشند.

 

سازش با محیط (Accommodation)

همان طور که شما بر جسمی دور یا نزدیک متمرکز می‌شوید، چشم شما به شکل فیزیکی لنز خود را جابه‌جا کرده و آن را بر حسب فاصله‌ای که بر آن متمرکز شده‌اید، تغییر می‌دهد.

اختلاف منظر (Parallax) با توجه به این قابلیت چشم، هنگامی که انسان سر خود را از سمتی به سمت دیگر حرکت می‌دهد، به نظر می‌رسد که اشیای نزدیک بیشتر از اشیای دور حرکت می‌کنند و جابه‌جا می‌شوند.

 

آشنایی با حجم اشیا (size familiarity)

اگر شما اندازه تقریبی شیئی را بدانید، از روی بزرگ به نظر رسیدن و کوچک به نظر رسیدن آن می‌توانید به طور تقریبی، فاصله آن شی را تا خودتان حدس بزنید. به طور مثال اگر بین دو جسم که می‌دانید اندازه یکسانی دارند، یکی بزرگ‌تر و دیگری کوچک‌تر به نظر بیاید، می‌توانید حدس بزنید که شی بزرگ‌تر به شما نزدیک‌تر است.

 

چشم‌انداز هوایی (Aerial perspective)

از آنجا که نور به طور اتفاقی توسط هوا پراکنده می‌شود، اشیای دور، کنتراست کمتری نسبت به اشیای نزدیک دارند. اشیای دور همچنین کمتر اشباع شده از رنگ به نظر می آیند و دارای پس زمینه کم‌رنگی هستند، که معمولاً آبی می‌باشد. هنرمندان بسیاری تلاش کردند با استفاده از این قابلیت‌های مغز «بعد» و برجستگی را وارد دنیای «تخت» هنر كنند. مجسمه‌سازی نمونه بارز این تلاش است. با اختراع عکاسی در اواسط قرن هجدهم، این ایده به سرعت شکل گرفت که با تقلید از چشم انسان، اگر دو عکس از یک موضوع واحد، با دو زاویه افق متفاوت گرفته شود و به آنها به شکلی نگاه شود که چشم چپ تنها عکس سمت چپ و چشم راست تنها عکس سمت راست را ببیند، تصویر به دست آمده در مغز، برجسته خواهد شد! این ایده به سرعت گسترش یافت و از آن در ساخت فیلم‌های سه‌بعدی ا ستفاده شد. فيلم سه‌بعدي

یک فیلم سه‌بعدی یاS3D (stereoscopic 3D) فیلم متحرکی است، که عمق تصویر به آن اضافه شده است. با اقتباس از عکاسی، در ساخت این نوع فیلم از نوعی دوربین تصویربرداری متحرک استفاده می‌شود که تصاویر را از دو دیدگاه ثبت می‌کند. برای نمایش این نوع فیلم، از نوعی سخت‌افزار و عینک‌های خاص استفاده می‌شود که درک عمق تصویر را افزایش می‌دهند. یک فیلم سه‌بعدی با روش‌های مختلفی تولید می‌شود. در هر روش، از نوعی عینک خاص برای تماشای فیلم استفاده می‌شود. در سیستم‌های جدید تولید فیلم‌های سه‌بعدی، برای تماشای فیلم، نیازی به استفاده از عینک نیست. رایج‌ترین شیوه‌های تولید و پخش یک فیلم سه‌بعدی عبارت است از:

 

فرآیند Anaglyph (Anaglyph processing)

فرآیند استفاده از عینک‌های سبز.قرمز یا آبی.قرمز برای تماشای فیلم. این روش متداول‌ترین روش ارائه تصاویر سه‌بعدی سینمایی است که در آن از عینک برجسته‌نما برای دیدن تصاویر برجسته متحرک استفاده می‌شود. در این فرآیند، با اضافه کردن نور و از طریق ***** کردن رنگ‌ها، دو تصویر ضبط شده تنظیم می‌شوند. سپس این دو تصویر با رنگ‌های مکمل مشابه، بر کاغذ سفید چاپ می‌شوند. عینک‌های مجهز به ***** رنگی، ***** شدن رنگ‌های تصاویر را لغو می‌کنند و با اضافه کردن رنگ‌های مکمل به رنگ‌های موجود، تصاویر را عمق می‌بخشند.

 

سیستم متمرکزکننده نور (polarization light system)

در این روش برای ارائه یک تصویر متحرک برجسته، دو تصویر ضبط شده بر روی یک کاغذ ثبت می‌شوند؛ اما از دو ***** مجزا که برای متمرکز کردن نور در نظر گرفته شده‌اند، عبور می‌کنند. بیننده برای دیدن تصویر، از عینکی استفاده می‌کند که مجهز به دو ***** متمرکز کننده نور به صورت مجزاست. در این فرآیند، یک تصویر واحد از دو زاویه افق متفاوت به هر دو چشم نمایش داده می‌شود؛ اما از آنجا که هر یک از *****های این عینک، تنها نوری را که در قطب مشابه متمرکز شده است از خود عبور می‌دهد، هر چشم یک تصویر متفاوت می‌بیند.

 

روش گرفتگی (Eclipse method)

در Eclipse method یا روش گرفتگی، یک شاتر مکانیکی، نور یک چشم را در حالی که تصویر مربوط به چشم دیگر در حال پخش می‌باشد، قطع می‌کند. Projector بین تصاویر مربوط به چشم راست و چشم چپ در حرکت است و شاتر را با توجه به تصاویر موجود بر روی پرده باز و بسته می‌کند. برای تماشای فیلم‌هایی که با این روش پخش می‌شوند، باید از عینک‌های LCD shutter استفاده کرد. شیشه‌های این عینک حاوی نوعی کریستال مایع است که نور را از طریق هماهنگی با تصاویر روی صحنه، به صورت متوالی قطع و وصل می‌کند.

 

فناوری تداخل ***** (interference filter technology)

در این روش از عینک‌هایی استفاده می‌شود که طول موج‌های خاصی از رنگ‌های قرمز، آبی و سبز را برای چشم راست، و طول موج‌های دیگری از همین رنگ‌ها را برای چشم چپ به طور مجزا، ***** می‌کند. ***** این طول موج‌های خاص برای هر چشم، به بیننده اجازه می‌دهد که تصویر متحرک را به صورت برجسته ببیند.

 

اثر pulfrich (ياpulfrich effect)

چشم انسان در نور کم، پردازش کندتری دارد. اثر pulfrich با اقتباس از این پدیده انسانی، تصاویر برجسته متحرک خلق می‌کند.

 

تفکیک طیفی (spectral separation)

برای تماشای فیلم‌هایی که به این شیوه پخش می‌شوند، از نوعی عینک استفاده می‌شود که شیشه‌های مجهز به فیلم هولوگرافی دارد. وجود این فیلم در این شیشه‌ها، باعث ایجاد اثری مانند اثر یک منشور می‌شود که نور را تفکیک می‌کند. در تفکیک طیف‌های نور، اشیا با طیف نور قرمز، جلوتر و اشیا با طیف نور آبی، دورتر تلقی می‌شوند و به این شکل، تصاویر عمق پیدا می‌کنند.

 

lenticular screen&Barrier screen

در این روش‌ها نیازی به استفاده از عینک برای تماشای فیلم نیست. در این روش از صفحه نمایشِ راه راه که نور را در زوایای حاد منعکس می‌کند، استفاده می‌شود. برای دیدن تصاویر بیننده باید در زاویه‌ای تنگ، تقریباً عمود بر صفحه بنشیند. بنابراین این روش دارای محدودیت بسیاری در تعداد مخاطبین و اندازه سالن نمایش می‌باشد.

 

Autostereoscopic system

شیوه‌های جدید پخش فیلم‌های سه‌بعدی، Autostereoscopic نامیده می‌شود. در این روش نیازی به استفاده از عینک برای تماشای فیلم نیست. به دلیل مشکلات فنی زیاد، از زمان ساخت اولین فیلم 3D در حدود 100 سال پیش تاکنون، هنوز هیچ سیستم فنی کاملی برای پخش فیلم‌های سه‌بعدی شناخته نشده است. اما به دلیل پیشرفت چشمگیر 3D، این فناوری تنها مخصوص نمایش‌های سینمایی در سالن‌های خاص نمی‌باشد و برنامه‌های تلویزیونی، فیلم‌های ویدیویی و بازی‌های کامپیوتری هم می‌توانند از این فناوری در پخش استفاده کنند.

 

3D در علوم و رشته‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد. ابزارها و وسایل بسیاری با استفاده از این فناوری ساخته شده‌اند تا قادر به ارائه خدمات بهتر با کیفیت بالاتر باشند. اسکنر سه‌بعدی، یکی از جدیدترین ابزاری است که به این منظور ساخته شده است و در رشته‌های مختلفی مثل طراحی صنعتی، اروتز و پروتز، مهندسی معکوس و نمونه‌سازی، کنترل کیفیت، بازرسی و جمع‌آوری مدارک مصنوعات فرهنگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

اسكنر سه‌بعدي

اسکنر سه‌بعدی دستگاهی است که برای ‌جمع‌آوری اطلاعات درباره یک شی و عوامل ظاهری آن به تجزیه و تحلیل دنیای واقعی شی و محیط اطرافش می‌پردازد. این اطلاعات ‌جمع‌آوری شده برای ساخت مدل‌های سه‌بعدی مفیدند و برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی، قابل استفاده می‌باشند. هدف یک اسکنر سه‌بعدی، معمولاً ایجاد یک ابر نقطه‌ای از نمونه‌های هندسی در سطح یک شی می‌باشد. از این نقاط می‌توان برای پیش‌بینی شکل ظاهری شی مورد نظر استفاده کرد. اگر اطلاعات مربوط به رنگ در هر یک از نقطه‌ها، ‌جمع‌آوری شده باشد، حتی رنگ شی مورد نظر نیز تعیین خواهد شد. این نوع از اسکنر‌ها شباهت بسیاری به دوربین دارند.

 

مانند دوربین حوزه دید آنها مخروطی شکل است و درست مانند دوربین قادر به ‌جمع‌آوری اطلاعات، از سطوح غیر پنهان و قابل مشاهده، هستند. اما بر خلاف دوربین، یک اسکنر سه‌بعدی از راه دور به ‌جمع‌آوری اطلاعات درباره شی مورد نظر می‌پردازد. «تصویر» تولید شده توسط یک اسکنر سه‌بعدی در هر نقطه از تصویر، فاصله اسکنر تا سطح شی را تعیین می‌کند. در اکثر مواقع یک اسکن، به تنهایی مدل کاملی از شی ارائه نمی‌دهد. برای به دست آوردن اطلاعات کافی در مورد همه جوانب یک شی، به اسکن‌های چندگانه از جهات مختلف نیاز است. این اسکن‌ها به یک سیستم مرجع مشترک فرستاده و برای ایجاد یک مدل کامل با هم ادغام می‌شوند. اسکنر‌های سه‌بعدی به دو دسته در تماس (contact) و بدون تماس (non-contact) با شی، تقسیم می‌شوند. اسکنرهایی که بدون تماس با شی مورد نظر، به تهیه تصویر می‌پردازند خود به دو دسته فعال (active) و غیر فعال (passive) تقسیم می‌شوند.

 

اسکنرهای سه‌بعدی در تماس با جسم

این نوع اسکنر برای تهیه تصویر از شی مورد نظر باید با شی در تماس فیزیکی باشد. CMM (coordinate measuring machine) دستگاه اندازه‌گیری مختصات، نمونه‌ای از اسکنرهای سه‌بعدی تماسی است. از این وسیله به طور عمده در تولیدات صنعتی استفاده می‌شود. CMM دستگاه بسیار دقیقی است اما از آنجایی که برای فرآیند اسکن کردن نیازمند تماس با شی مورد نظر می‌باشد، می‌تواند باعث تغییر یا آسیب رساندن به شی اسکن شده شود؛ و‌ این در مورد اشیای بسیار ظریف یا آثار تاریخی قدیمی می‌تواند بسیار خطرناک باشد. نقطه ضعف دیگر CMM عملکرد آرام آن در مقایسه با سایر اسکنرها است. سریع‌ترین CMM تنها می‌تواند چند صد هرتز سرعت داشته باشد که در مقایسه با اسکنرهای لیزری که با قدرت کیلوهرتز کار می‌کنند، عملکرد بسیار ضعیفی است.

 

اسکنرهای بدون تماس فعال (non-contact active)

این نوع اسکنر از نوعی پرتوافکنی یا تابش نور استفاده می‌کند و از طریق بازتاب این نوع پرتوها به شناسایی شی مورد نظر و محیط اطراف آن می‌پردازد. اولتراسوند و اشعه ایکس، نمونه‌ای از‌ این نوع اسکنرها می‌باشد.

 

اسکنرهای بدون تماس غیر فعال (non-contact passive)

این نوع از اسکنرها هیچ گونه اشعه‌ای از خود ساطع نمی‌کنند، بلکه برای تشخیص شی مورد نظر بر انعکاس تابش نور محیط تکیه می‌کنند. اکثر اسکنرهای این دسته برای کار از نور مرئی استفاده می‌کنند چرا که به راحتی در دسترس می‌باشد. اما انواع اشعه‌های دیگر مانند اشعه مادون قرمز نیز می‌توانند برای کارکرد این اسکنرها مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از این نوع اسکنر بسیار ارزان است چرا که به هیچ سخت‌افزار خاصی جز یک دوربین دیجیتال احتیاجی ندارد.

 

اسکنرهای سه‌بعدی دارای قابلیت بسیاری به خصوص در شاخه طراحی هستند. این اسکنرها در طراحی محصولات، کمک می‌کنند و در فرآیندهای طراحی، اثربخشی کار با قطعات پیچیده و مشکل را، افزایش می‌دهند. همچنین می‌توانند در ازای مدل‌های اسکن شده قدیمی، نسخه‌های به‌روز شده تحویل دهند. همچنین در یک طرح اسکن شده، می‌توانند به طور خودکار قسمت‌های قدیمی یا از دست رفته را بازسازی کنند. استفاده از اسکنرهای سه‌بعدی به دلیل قابلیت‌های بالایی که دارند، روز به روز در حال افزایش است. سرعت بالا، ارائه مختصات دقیق و انعطاف‌پذیری در عملکرد، باعث استفاده گسترده از این ابزار در شاخه‌های مختلف علمی و هنری است.