Приложение I. Стереопроекция и рисование в трехмерном пространстве

Теневая проекция стереоизображений

Прием теневой проекции широко использовался и ранее. Например, Д. Д. Гибсон применял теневую проекцию, получаемую с помощью маленьких источников света, для того чтобы избавиться от фактуры фона, в частности при изучении восприятия глубины по параллаксу движения. Теневой проектор стереоизображений, используемый нами для изучения стереовосприятия проволочных моделей, а также для выполнения многих других опытов, был впервые описан автором в 1964 году [55]. Полное математическое описание данного устройства приводится в статье Д. Н. Ли [84].

Следующее простое устройство позволяет проецировать в форме стереоизображений трехмерные объекты типа проволочных моделей молекулярных или кристаллических структур. Маленькие модели могут быть увеличены в трехмерной проекции в десять и более раз. Оптическая часть состоит всего лишь из пары небольших ярких источников света, разделенных расстоянием в несколько сантиметров. Перед объективом каждого проектора расположен поляроидный фильтр; оба фильтра ориентированы под углом 90 градусов друг к другу. Проекторы дают пару теневых изображений объекта, который помещается между источниками света и посеребренным экраном. При желании можно проецировать на просвет, но тогда экран должен быть изготовлен из шлифованного стёкла, не деполяризующего свет. Тени, наблюдаемые сквозь "скрещенные" поляроидные очки, "сливаются" в мозгу и дают одиночный стереоскопический теневой образ, который лежит в пространстве.

Объяснение этого эффекта не составляет труда. Тени, отбрасываемые проекторами на экран, являются плоскими, слегка различающимися изображениями одного и того же объекта. Это различие соответствует диспаратности ретинальных изображений при наблюдении этого объекта из позиций, занимаемых проекторами. В мозгу наблюдателя оба диспаратных изображения сливаются в одну стереоскопическую "тень", невероятно похожую на подлинный предмет, но только угольно-черного цвета. Он виден в пространстве либо впереди, либо позади плоскости экрана в зависимости от того, как наблюдается изображение: когда правый глаз получает "правое" изображение, а левый - "левое", предмет виден ближе экрана; стоит перевернуть очки, и стереоизображение оказывается дальше экрана. В очках поляроидные фильтры ориентированы под углом 45 и 135 градусов к горизонтали.

В качестве источников света подходят миниатюрные лампы (12 вольт, 100 ватт) с вольфрамовой нитью и йодным наполнением баллона. Нить лампы следует ориентировать вертикально - тогда разрешение по горизонтали максимальное, а это важно для получения максимума информации о глубине, ощущаемой благодаря действию механизма диспаратности.

Увеличение по осям х и у задается отношением расстояния от проекторов до объекта и от объекта до экрана. Увеличение по оси урегулируется расстоянием между проекторами. Практически удобно давать десятикратное увеличение, но воспринимаемый размер объекта меньше ожидаемого из-за действия механизма перцептивной константности размера.

Объект, воспринимаемый впереди экрана, обычно кажется меньше, чем в случае, когда он виден позади экрана, хотя его физический размер отнюдь не меняется при смене положения поляроидных фильтров. Сильно выражен еще один перцептивный феномен: когда наблюдатель двигает головой, ему кажется, что стереоизображение перемещается в ту же сторону, скользя вдоль экрана и даже поворачиваясь вокруг своей оси, как будто оно всегда нацелено в глаза наблюдателя. Причина эффекта заключается в том, что наблюдатель видит трехмерный "объект", но параллакс движения отсутствует. Это возможно в нормальных условиях именно при вращении предмета - тогда он остается повернутым к наблюдателю все время одной и той же стороной.

Поэтому и в данном случае наблюдатель воспринимает движение, несмотря на то что ретинальные изображения объекта остаются неизменными. Когда наблюдатель удаляется от экрана, теневой объект не сжимается и не утрачивает трехмерности, как можно было ожидать; очевидно, уменьшение угла конвергенции глаз меняет калибровку механизма диспаратности, так что постоянная величина диспаратности соответствует большей стереоскопической глубине. Это чрезвычайно удачная особенность данного вида перцепции, так как теневой образ предмета почти не меняется в широком диапазоне расстояний до экрана, что позволяет демонстрировать его в больших залах для широкой аудитории. Лектор может трогать "объект", менять его положение в пространстве, чего не позволяют другие методики стереопроекции.

Способ полезен также для исследования восприятия глубины во время движения наблюдателя. На основе предлагаемой методики можно создавать имитаторы для экспериментального исследования самолетовождения и управления космическими летательными аппаратами.