CC BY
282
УДК 528.952 В.Н. Никитин СГГ А, Новосибирск
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СТЕРЕОГРАФИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ЛЕНТИКУЛЯРНЫХ РАСТРОВ
Рассмотрена технология формирования стереоизображений с использованием лентикулярных растров. Предложена методика расчёта параметров положения камер при формировании лентикулярного стереоизображения по 3D модели объекта или местности. Созданы образцы стерео и варио изображений трехмерной модели местности, модели 3D-объекта, а также вариокарты с использованием комплексов программ 3DS Max, ArcGIS, MapInfo.
V.N. Nikitin
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
Novosibirsk, Russian Federation
DEVELOPMENT OF THE TECHNOLOGY FOR STEREOGRAPHIC REPRESENTATION OF MAPPING INFORMATION ON THE BASIS OF LENTICULAR RASTER
The technology of developing stereo images using lenticular rasters is considered. The author offers the techniques for calculating the chambers position parameters in the process of developing the lenticular stereo image by the 3D model of the object or the terrain. The designs of the stereo- and vario images of the 3D terrain and object models as well as vario maps have been developed using complex programs 3DS Max, ArcGIS and MapInfo.
Технология создания стереоизображений с помощью лентикулярных растров существует достаточно давно - идея получения объемной фотографии с помощью пластины, состоящей из набора мелких цилиндрических линз появилась еще в начале ХХ века и принадлежала Габриэлю Липпману (1845-1921).
Основная идея состояла в том, что каждая линза не должна формировать отдельного изображения предмета, линза формирует только небольшую часть изображения, и эти части складываются вместе в единое целое. Под каждой линзой находится только малая часть изображения, а не все изображение целиком.
Свою идею Липпман не смог воплотить в жизнь, но ею заинтересовался французский изобретатель Морис Бонне. Он довел схему создания подобных стереоизображений до своего логического завершения, и ею пользуются и в настоящее время по всему миру, изготовляя разнообразную стерео и вариопродукцию: значки, календарики, открытки, рекламные плакаты, коврики для мышей и многое другое [10].
Преломляющие элементы лентикулярного растра представляют собой маленькие линзы, покрывающие сплошь всю поверхность растра, причем
оптические оси каждой из этих линз нормальны к поверхности растра. В фокальной поверхности каждой элементарной линзы получается оптическое изображение предметного пространства, находящегося перед растром.
В общем случае преломляющие элементы лентикулярного растра могут иметь поверхность различной формы: сферической, цилиндрической,
конической, торической и т. п. Сами элементы растра могут быть как положительными, так и отрицательными. Наибольшее практическое значение получил плоский лентикулярный растр с положительными преломляющими элементами.
Принцип воспроизведения стереоизображения с помощью лентикулярных растров состоит в следующем: растр с вертикальной ориентацией линз накладывается на специально подготовленное (кодированное) изображение. Световой поток, отраженный от кодированного изображения, проходя через линзы, разделяется таким образом, что левый глаз наблюдателя видит левое изображение стереопары, правый глаз -правое. Кодирование изображений стереопары состоит в «нарезке» исходных изображений (ракурсов) на тонкие полоски и перемешивании их таким образом, чтобы под каждой линзой оказалась пара полос: одна от левого, другая от правого изображений. В настоящее время эта операция может быть выполнена с помощью компьютера, что значительно облегчает процесс изготовления и повышает качество растрового стереоизображения. К тому же, с помощью компьютера можно делать стереоснимки не только реальных объектов, но и объемных фигур, созданных с помощью программ трехмерного моделирования, таких, как 3D Studio Max, Corel Dream 3D и др.
С помощью лентикулярного растра можно также изготовить и различного рода «динамические» (варио) изображения. Если закодировать отличающиеся изображения, например, последовательность кадров мультфильма, то при просмотре такого изображения под различными углами лентикулярный растр с горизонтальной ориентацией линз будет выделять различные исходные изображения. Таким образом, плавно изменяя угол наблюдения изображения, можно воспроизводить последовательности изображений.
Так как в настоящее время лентикулярные растры используют в основном фотостудии, рекламные агенства и фотографы-любители, то для расчёта параметров стереоизображений используется несколько упрощённый подход, с сильным смещением в сторону натурного эксперимента. Задача данного исследования заключается в разработке научно-обоснованной методики расчёта параметров формируемого с помощью лентикулярных растров стереоизображения для дальнейшего использования при визуализации трёхмерных моделей местности и отдельных объектов.
Наиболее важными параметрами растра являются угол обзора у и линиатура S, обычно указываются производителем на упаковке и учитываются при создании стереоизображения. Для определения основных параметров формирования стереоизображения лентикулярным растром воспользуемся рис. 1.
В
I
Мнимое ^ереощображение
а)
^ ^ ^ \ ^ к а 1 '■ К АР шах м; е р н у/ /
1 3D мо объе дель кта АН
Ь
б)
Рис. 1. Принцип формирования стереоизображения лентикулярным растром:
а) стереоизображение, формируемое лентикулярным растром;
б) трёхмерная модель объекта, используемая для формирования стереоизображения
На рисунке:
Вгл - глазной базис наблюдателя (около 65 мм);
N - число ракурсов, используемых для формирования
стереоизображения;
к - расстояние наблюдения (от лентикулярного растра до глаз
наблюдателя);
Ак - глубина стереоизображения;
- размер объекта на стереоизображении;
- максимальный продольный параллакс стереоизображения;
- ширина зоны стереонаблюдения;
- расстояние от камеры до 3D сцены;
- глубина 3D сцены;
- размер 3D сцены;
- максимальный продольный параллакс 3D сцены;
- траектория перемещения камеры.
Расчёт параметров формирования стереоизображения начинается с вычисления максимального числа ракурсов, которое определяется отношением разрешения печати Т к разрешению растра 5:
NmaX = Т . (1)
I
АРш
а
н
АН
ь
АР
Ш<
В
Число ракурсов, которое будет использовано для формирования стереоизображения, очевидно, выбирается в интервале:
2 > N > Nm<x . (2)
Максимальная ширина зоны стереонаблюдения dmax определяется как: dтах = NB. (3)
Так как ширина зоны стереонаблюдения d определяется в соответствии с выражением
d = 2tg у h, (4)
то с учетом формул (3) и (4) можно вычислить минимальное и максимальное расстояние наблюдения стереоизображения:
D
h =—^, (5)
min ? V /
2tg 2
На основе вычисленного минимального и максимального расстояния наблюдения, с учётом размера объекта на стереоизображении I и поставленной задачи, определяется основное (проектное) расстояние
наблюдения стереоизображения:
h . > h > h . (7)
min max V /
При формировании стереоизображения глубина сцены ЛИ должна составлять примерно от расстояния наблюдения И. Если глубина сцены
превышает этот показатель, то возможно проявление негативных эффектов, выраженных в форме разрушения стереоэффекта, усталости глаз, головной боли. При уменьшении глубины сцены стереоэффект становится менее выраженным вплоть до его исчезновения.
В связи с этим возникает вопрос о «коррекции» 3D сцены для соответствия указанным критериям. В традиционной фотограмметрии такое решение под названием «преобразованная связка лучей» широко использовалось в конструкции универсальных приборов различных типов. Его сущность заключается в независимом определении горизонтального и вертикального масштаба фотограмметрических моделей местности, построенных по снимкам, полученным в соответствии с законами центральной проекции. Преобразование вертикального масштаба осуществляется путём изменения расстояния от центра фотографирования до объекта, причём сохранение горизонтального масштаба достигается пропорциональным изменением фокусного расстояния съёмочных камер.
В качестве примера необходимости увеличения вертикального масштаба можно привести ландшафтную модель местности, так как перепад высот
моделируемой территории, как правило, незначителен по сравнению с размерами рассматриваемого участка. Так, высота самой высокой точки
планеты - горы Эверест - составляет менее 9 км, тогда как окружность
планеты по экватору около 4О ООО км, что даёт относительную глубину сцены
менее ^qoo . То есть для достижения выразительного стереоэффекта
необходимо увеличить вертикальный масштаб такой модели в 400 раз.
Очевидно, что параметры h и H, Лh и ЛН , l и L , Лртах и ЛРтах, d и D соотносятся друг с другом с точностью до масштабного коэффициента:
m = D = — = ^pma^, (7)
d l Лр
max
к = Н =ЛН. (8)
h Ah
где m - знаменатель горизонтального масштаба;
к - знаменатель вертикального масштаба.
Для определения параметров положения камер в 3D модели сначала определяется знаменатель горизонтального масштаба m на основе выражения
(7):
m = —. (9)
l
Если преобразование связки лучей не выполняется, то знаменатель вертикального масштаба к берётся равным знаменателю горизонтального масштаба m. Иначе знаменатель вертикального масштаба к вычисляется в соответствии с выражением (8):
к = ЛН. (10)
Лh
Также на основе выражений (7) и (8) можно выразить длину траектории перемещения камеры D и расстояние от камеры до объекта H:
D = md , (11)
Н = kh. (12)
При формировании ракурсов 3D сцены должны выполняться следующие условия:
- Траектория перемещения камеры параллельна продольной оси объекта;
- Ось камеры перпендикулярна траектории перемещения камеры и не меняет свою ориентацию в пространстве;
- Фокусное расстояние камеры выбирается таким образом, чтобы объект полностью попадал в кадр при крайних положениях камеры на траектории перемещения.
Разработанная методика была апробирована в ходе выполнения дипломного проекта студентом группы ИП-51 ИДЗиП СГГА Васиным Е.Д.:
- При создании растрового стереоизображения земной поверхности, включающей части Западной и Восточной Сибири, Горный Алтай;
- При создании растрового стереоизображения трехмерной модели здания, разработанной студенткой группы Ф-51 ИДЗиП СГГА Сидякиной А.Е. Модель здания была создана в программе 3DS Мах;
- При создании вариокарты на основе трех цифровых исторических карт территории России 1914, 1922 и 1967 гг., предоставленных студентом группы Ф-51 ИДЗиП СГГА Морозовым С.А. Карты были созданы в ГИС Мар1пйэ, имели одинаковый масштаб и проекцию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стереоарт - История развития растровых стерео- и вариоизображений [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.stereoart.ru/pg.php?page=paperIp0022.html
© В.Н. Никитин, 2010
