چگونه سه بعدي مي بينيم؟

م. وحيد- 3D مخفف کلمه 3Dimensial به معناي يک شي سه بعدي است. چيزي که عرض ارتفاع و طول (عمق) داشته باشد. محيط فيزيکي اطراف ما، يک محيط سه بعدي است. در واقع ما هر روز در يک محيط سه بعدي در حرکت هستيم. اما مغز انسان چطور قادر به درک محيط سه بعدي اطراف خود مي باشد؟ همان طور که مي دانيم چشم هاي هر انسان در حدود 5.6 سانتيمتر از يکديگر فاصله دارند، بنابراين به محيط اطراف از دو زاويه افق کمي متفاوت نگاه مي کنند. همان طور که ما به اطراف نگاه مي کنيم، شبکيه هر چشم تصويري دو بعدي از محيط اطراف ضبط و براي مغز ارسال مي کند. مغز اين دو تصوير دو بعدي را طي فرآيندي ادغام و محيط اطراف را به شکل سه بعدي درک مي کند. بنابراين انسان داراي قابليت تشخيص عمق (depth perception) مي شود. قابليتي که به ما اجازه مي دهد اجسام دور را از اجسام نزديک تشخيص دهيم و به راحتي درباره فواصل اشيا قضاوت کنيم. انسان به دليل داشتن قابليت دوربين دو چشمي (binocular vision)، محيط اطراف خود را سه بعدي مي بيند. اما جالب است بدانيد که افراد monocular vision، يعني کساني که تنها از ناحيه يک چشم بينا هستند نيز مي توانند محيط اطراف را به شکل سه بعدي درک کنند!
همان طور که مي دانيم يک تصوير دو بعدي، تنها داراي عرض و ارتفاع مي باشد و از نظر فني عمق ندارد. بنابراين در اين تصوير همه چيز با يک فاصله، از نگاه بيننده به نظر مي رسد. اما بيننده به طور ناخودآگاه و با استفاده از تکنيک هاي سه بعدي مغز، تصوير را به شکل سه بعدي درک مي کند. مهم ترين تکنيک هايي که مغز انسان براي درک دنيا به شکل سه بعدي از آنها استفاده مي کند، عبارتند از:

چشم انداز برجسته (stereoscopic vision)
 

قابليتي است که به دو چشم اجازه مي دهد، تصاويري جداگانه با زواياي افق متفاوت تهيه کنند. در اين تصاوير، اشياي نزديک بسيار جدا و متمايز از اشياي دور مي باشند.

سازش با محيط (Accommodation)
 

همان طور که شما بر جسمي دور يا نزديک متمرکز مي شويد، چشم شما به شکل فيزيکي لنز خود را جابه جا کرده و آن را بر حسب فاصله اي که بر آن متمرکز شده ايد، تغيير مي دهد.

اختلاف منظر ( Parallax)
 

با توجه به اين قابليت چشم، هنگامي که انسان سر خود را از سمتي به سمت ديگر حرکت مي دهد، به نظر مي رسد که اشياي نزديک بيشتر از اشياي دور حرکت مي کنند و جابه جا مي شوند.

آشنايي با حجم اشيا ( size familiarity)
 

اگر شما اندازه تقريبي شيئي را بدانيد، از روي بزرگ به نظر رسيدن و کوچک به نظر رسيدن آن مي توانيد به طور تقريبي، فاصله آن شي را تا خودتان حدس بزنيد. به طور مثال اگر بين دو جسم که مي دانيد اندازه يکساني دارند، يکي بزرگ تر و ديگري کوچک تر به نظر بيايد، مي توانيد حدس بزنيد که شي بزرگ تر به شما نزديک تر است.

چشم انداز هوايي (Aerial perspective)
 

از آنجا که نور به طور اتفاقي توسط هوا پراکنده مي شود، اشياي دور، کنتراست کمتري نسبت به اشياي نزديک دارند. اشياي دور همچنين کمتر اشباع شده از رنگ به نظر مي آيند و داراي پس زمينه کم رنگي هستند، که معمولاً آبي مي باشد.
هنرمندان بسياري تلاش کردند با استفاده از اين قابليت هاي مغز « بعد» و برجستگي را وارد دنياي «تخت» هنر کنند. مجسمه سازي نمونه بارز اين تلاش است.
با اختراع عکاسي در اواسط قرن هجدهم، اين ايده به سرعت شکل گرفت که با تقليد از چشم انسان، اگر دو عکس از يک موضوع واحد، با دو زاويه افق متفاوت گرفته شود و به آنها به شکلي نگاه شود که چشم چپ تنها عکس سمت چپ و چشم راست تنها عکس سمت راست را ببيند، تصوير به دست آمده در مغز، برجسته خواهد شد! اين ايده به سرعت گسترش يافت و از آن در ساخت فيلم هاي سه بعدي استفاده شد.

فيلم سه بعدي
 

يک فيلم سه بعدي يا 3D stereoscopic) S3D) فيلم متحرکي است، که عمق تصوير به آن اضافه شده است. با اقتباس از عکاسي، در ساخت اين نوع فيلم از نوعي دوربين تصويربرداري متحرک استفاده مي شود که تصاوير را از دو ديدگاه ثبت مي کند. براي نمايش اين نوع فيلم، از نوعي سخت افزار و عينک هاي خاص استفاده مي شود که درک عمق تصوير را افزايش مي دهند. يک فيلم سه بعدي با روش هاي مختلفي توليد مي شود. در هر روش، از نوعي عينک خاص براي تماشاي فيلم استفاده مي شود. در سيستم هاي جديد توليد فيلم هاي سه بعدي، براي تماشاي فيلم، نيازي به استفاده از عينک نيست. رايج ترين شيوه هاي توليد و پخش يک فيلم سه بعدي عبارتند از:

فرآيند ( Anaglyph processing)
 

فرآيند استفاده از عينک هاي سبز، قرمز يا آبي. قرمز براي تماشاي فيلم. اين روش متداول ترين روش ارائه تصاوير سه بعدي سينمايي است که در آن از عينک برجسته نما براي ديدن تصاوير برجسته متحرک استفاده مي شود. در اين فرآيند، با اضافه کردن نور و از طريق فيلتر کردن رنگ ها، دو تصوير ضبط شده تنظيم مي شوند. سپس اين دو تصوير با رنگ هاي مکمل مشابه، بر کاغذ سفيد چاپ مي شوند. عينک هاي مجهز فيلتر رنگي، فيلتر شدن رنگ هاي تصاوير را لغو مي کنند و با اضافه کردن رنگ هاي مکمل به رنگ هاي موجود، تصاوير را عمق مي بخشند.

سيستم متمرکز کننده نور (polarization light system)
 

در اين روش براي ارائه يک تصوير متحرک برجسته، دو تصوير ضبط شده بر روي يک کاغذ ثبت مي شوند؛ اما از دو فيلتر مجزا که براي متمرکز کردن نور در نظر گرفته شده اند، عبور مي کنند. بيننده براي ديدن تصوير، از عينکي استفاده مي کند که مجهز به دو فيلتر متمرکز کننده نور به صورت مجزاست. در اين فرآيند، يک تصوير واحد از دو زاويه افق متفاوت به هر دو چشم نمايش داده مي شود؛ اما از آنجا که هر يک از فيلترهاي اين عينک، تنها نوري را که در قطب مشابه متمرکز شده است از خود عبور مي دهد، هر چشم يک تصوير متفاوت مي بيند.

روش گرفتگي (Eclipse method)
 

در Eclipse method يا روش گرفتگي، يک شاتر مکانيکي، نور يک چشم را در حالي که تصوير به چشم ديگر در حال پخش مي باشد، قطع مي کند. Projector بين تصاوير مربوط به چشم راست و چشم چپ در حرکت است و شاتر را با توجه به تصاوير موجود بر روي پرده باز و بسته مي کند. براي تماشاي فيلم هايي که با اين روش پخش مي شوند، بايد از عينک هاي LCD shutter استفاده کرد. شيشه هاي اين عينک حاوي نوعي کريستال مايع است که نور را از طريق هماهنگي با تصاوير روي صحنه، به صورت متوالي قطع و وصل مي کند.

فناوري تداخل فيلتر (interference filter technology)
 

در اين روش از عينک هايي استفاده مي شود که طول موج هاي خاصي از رنگ هاي قرمز، آبي و سبز را براي چشم راست، و طول موج هاي ديگري از همين رنگ ها را براي چشم چپ به طور مجزا، فيلتر مي کند. فيلتر اين طول موج هاي خاص براي هر چشم، به بيننده اجازه مي دهد که تصوير متحرک را به صورت برجسته ببيند.

اثر pulfrich effect) pulfrich)
 

چشم انسان در نور کم، پردازش کندتري دارد. اثر pulfrich با اقتباس از اين پديده انساني، تصاوير برجسته متحرک خلق مي کند.

تفکيک طيفي (spectral separation)
 

براي تماشاي فيلم هايي که به اين شيوه پخش مي شوند، از نوعي عينک استفاده مي شود که شيشه هاي مجهز به فيلم هولوگرافي دارد. وجود اين فيلم در اين شيشه ها، باعث ايجاد اثري مانند اثر يک منشور مي شود که نور را تفکيک مي کند. در تفکيک طيف هاي نور، اشيا با طيف نور قرمز، جلوتر و اشيا با طيف نور آبي، دورتر تلقي مي شوند و به اين شکل، تصاوير عمق پيدا مي کنند.

lenticular screen & Barrier screen
 

در اين روش ها نيازي به استفاده از عينک براي تماشاي فيلم نيست. در اين روش از صفحه نمايش راه راه که نور را در زواياي حاد منعکس مي کند، استفاده مي شود. براي ديدن تصاوير بيننده بايد در زاويه اي تنگ، تقريباً عمود بر صفحه بنشيند. بنابراين اين روش داراي محدوديت بسياري در تعداد مخاطبين و اندازه سالن نمايش مي باشد.

Autostereoscopic system
 

شيوه هاي جديد پخش فيلم هاي سه بعدي، Autostereoscopic ناميده مي شود. در اين روش نيازي به استفاده از عينک براي تماشاي فيلم نيست.
به دليل مشکلات فني زياد، از زمان ساخت اولين فيلم 3D در حدود 100 سال پيش تاکنون، هنوز هيچ سيستم فني کاملي براي پخش فيلم هاي سه بعدي شناخته نشده است. اما به دليل پيشرفت چشمگير 3D، اين فناوري تنها مخصوص نمايش هاي سينمايي در سالن هاي خاص نمي باشد و برنامه هاي تلويزيوني، فيلم هاي ويديويي و بازي هاي کامپيوتري هم مي توانند از اين فناوري در پخش استفاده کنند.
3D در علوم و رشته هاي گوناگون مورد استفاده قرار مي گيرد. ابزارها و وسايل بسياري با استفاده از اين فناوري ساخته شده اند تا قادر به ارائه خدمات بهتر با کيفيت بالاتر باشند. اسکنر سه بعدي، يکي از جديدترين ابزاري است که به اين منظور ساخته شده است و در رشته هاي مختلفي مثل طراحي صنعتي، اروتز و پروتز، مهندسي معکوس و نمونه سازي، کنترل کيفيت، بازرسي و جمع آوري مدارک مصنوعات فرهنگي مورد استفاده قرار مي گيرد.

اسکنر سه بعدي
 

اسکنر سه بعدي دستگاهي است که براي جمع آوري اطلاعات درباره يک شي و عوامل ظاهري آن به تجزيه و تحليل دنياي واقعي شي و محيط اطرافش مي پردازد. اين اطلاعات جمع آوري شده براي ساخت مدل هاي سه بعدي مفيدند و براي طيف گسترده اي از برنامه هاي کاربردي، قابل استفاده مي باشند. هدف يک اسکنر سه بعدي، معمولاً ايجاد يک ابر نقطه اي از نمونه هاي هندسي در سطح يک شي مي باشد. از اين نقاط مي توان براي پيش بيني شکل ظاهري شي مورد نظر استفاده کرد. اگر اطلاعات مربوط به رنگ در هر يک از نقطه ها، جمع آوري شده باشد، حتي رنگ شي مورد نظر نيز تعيين خواهد شد. اين نوع از اسکنرها شباهت بسياري به دوربين دارند. مانند دوربين حوزه ديد آنها مخروطي شکل است و درست مانند دوربين قادر به جمع آوري اطلاعات، از سطوح غير پنهان و قابل مشاهده، هستند.
اما بر خلاف دوربين، يک اسکنر سه بعدي از راه دور به جمع آوري اطلاعات درباره شي مورد نظر مي پردازد. « تصوير» توليد شده توسط يک اسکنر سه بعدي در هر نقطه از تصوير، فاصله اسکنر تا سطح شي را تعيين مي کند. در اکثر مواقع يک اسکن، به تنهايي مدل کاملي از شي ارائه نمي دهد. براي به دست آوردن اطلاعات کافي در مورد همه جوانب يک شي، به اسکن هاي چندگانه از جهات مختلف نياز است. اين اسکن ها به يک سيستم مرجع مشترک فرستاده و براي ايجاد يک مدل کامل با هم ادغام مي شوند.
اسکنرهاي سه بعدي به دو دسته در تماس (contact) و بدون تماس (non-contact) با شي، تقسيم مي شوند. اسکنرهايي که بدون تماس با شي مورد نظر، تهيه تصوير مي پردازند خود به دو دسته فعال (active) و غيرفعال (passive) تقسيم مي شوند.

اسکنرهاي سه بعدي در تماس با جسم
 

اين نوع اسکنر براي تهيه تصوير از شي مورد نظر بايد با شي در تماس فيزيکي باشد. CMM ((coordinate measuring machine)) دستگاه اندازه گيري مختصات، نمونه اي از اسکنرهاي سه بعدي تماسي است. از اين وسيله به طور عمده در توليدات صنعتي استفاده مي شود. CMM دستگاه بسيار دقيقي است اما از آنجايي که براي فرآيند اسکن کردن نيازمند تماس با شي مورد نظر مي باشد، مي تواند باعث تغيير يا آسيب رساندن به شي اسکن شده شود؛ و اين در مورد اشياي بسيار ظريف يا آثار تاريخي قديمي مي تواند بسيار خطرناک باشد. نقطه ضعف ديگر CMM عملکرد آرام آن در مقايسه با ساير اسکنرها است. سريع ترين CMM تنها مي تواند چند صد هرتز سرعت داشته باشد که در مقايسه با اسکنرهاي ليزري که با قدرت کيلوهرتز کار مي کنند، عملکرد بسيار ضعيفي است.

اسکنرهاي بدون تماس فعال (non-contact active)
 

اين نوع اسکنر از نوعي پرتوافکني يا تابش نور استفاده مي کند و از طريق بازتاب اين نوع پرتوها به شناسايي شي مورد نظر و محيط اطراف آن مي پردازد. اولتراسوند و اشعه ايکس، نمونه اي از اين نوع اسکنرها مي باشد.

اسکنرهاي بدون تماس غيرفعال (non-contact passive)
 

اين نوع از اسکنرها هيچ گونه اشعه اي از خود ساطع نمي کنند، بلکه براي تشخيص شي مورد نظر بر انعکاس تابش نور محيط تکيه مي کنند. اکثر اسکنرهاي اين دسته براي کار از نور مرئي استفاده مي کنند چرا که به راحتي در دسترس مي باشد. اما انواع اشعه هاي ديگر مانند اشعه مادون قرمز نيز مي توانند براي کارکرد اين اسکنرها مورد استفاده قرار گيرند. استفاده از اين نوع اسکنر بسيار ارزان است چرا که به هيچ سخت افزار خاصي جز يک دوربين ديجيتال احتياجي ندارد.
اسکنرهاي سه بعدي داراي قابليت بسياري به خصوص در شاخه طراحي هستند. اين اسکنرها در طراحي محصولات، کمک مي کنند و در فرآيندهاي طراحي، اثربخشي کار با قطعات پيچيده و مشکل را، افزايش مي دهند. همچنين مي توانند در ازاي مدل هاي اسکن شده قديمي، نسخه هاي به روز شده تحويل دهند. همچنين در يک طرح اسکن شده، مي توانند به طور خودکار قسمت هاي قديمي يا از دست رفته را بازسازي کنند.
استفاده از اسکنرهاي سه بعدي به دليل قابليت هاي بالايي که دارند، روز به روز در حال افزايش است. سرعت بالا، ارائه مختصات دقيق و انعطاف پذيري در عملکرد، باعث استفاده گسترده از اين ابزار در شاخه هاي مختلف علمي و هنري است.
منبع:نشريه دنياي کامپيوتر و اطلاعات، ش 90