چگوه 3بعدی می بینیم

۳D مخفف کلمه ۳Dimensial، به معنای یک شی سه بعدی است.

چیزی که عرض ارتفاع و طول (عمق) داشته باشد. محیط فیزیکی اطراف ما، یک محیط سه بعدی است. در واقع ما هر روز در یک محیط سه بعدی در حرکت هستیم. اما مغز انسان چطور قادر به درک محیط سه بعدی اطراف خود می باشد؟ همان طور که می دانیم چشم های هر انسان در حدود ۶. ۵ سانتیمتر از یکدیگر فاصله دارند، بنابراین به محیط اطراف از دو زاویه افقِ کمی متفاوت نگاه می کنند.

همانطور که ما به اطراف نگاه می کنیم، شبکیه هر چشم تصویری دوبعدی از محیط اطراف ضبط و برای مغز ارسال می کند. مغز این دو تصویر دوبعدی را طی فرآیندی ادغام و محیط اطراف را به شکل سه بعدی درک می کند. بنابراین انسان دارای قابلیت تشخیص عمق (depth perception) می شود. قابلیتی که به ما اجازه می دهد 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 سه بعدی می بیند.

اما جالب است بدانید که افراد monocular vision، یعنی کسانی که تنها از ناحیه یک چشم بینا هستند نیز می توانند محیط اطراف را به شکل سه بعدی درک کنند! همان طور که می دانیم یک تصویر دوبعدی، تنها دارای عرض و ارتفاع می باشد و از نظر فنی عمق ندارد. بنابراین در این تصویر همه چیز با یک فاصله، از نگاه بیننده به نظر می رسد. اما بیننده به طور ناخودآگاه و با استفاده از تکنیک های سه بعدی مغز، تصویر را به شکل سه بعدی درک می کند. مهم ترین تکنیک هایی که مغز انسان برای درک دنیا به شکل سه بعدی از آنها استفاده می کند، عبارت است از:

● چشم انداز برجسته (stereoscopic vision)

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

● سازش با محیط (Accommodation)

همان طور که شما بر جسمی دور یا نزدیک متمرکز می شوید، چشم شما به شکل فیزیکی لنز خود را جابه جا کرده و آن را بر حسب فاصله ای که بر آن متمرکز شده اید، تغییر می دهد.

اختلاف منظر (Parallax) با توجه به این قابلیت چشم، هنگامی که انسان سر خود را از سمتی به سمت دیگر حرکت می دهد، به نظر می رسد که اشیای نزدیک بیشتر از اشیای دور حرکت می کنند و جابه جا می شوند.

● 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 می توانید به طور تقریبی، فاصله آن شی را تا خودتان حدس بزنید. به طور مثال اگر بین دو جسم که می دانید اندازه یکسانی دارند، یکی بزرگ تر و دیگری کوچک تر به نظر بیاید، می توانید حدس بزنید که شی بزرگ تر به شما نزدیک تر است.

● چشم انداز هوایی (Aerial perspective)

از آنجا که نور به طور اتفاقی توسط هوا پراکنده می شود، 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 کم رنگی هستند، که معمولاً آبی می باشد. هنرمندان بسیاری تلاش کردند با استفاده از این قابلیت های مغز «بعد» و برجستگی را وارد دنیای «تخت» هنر کنند. مجسمه سازی 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 فیلم های سه بعدی ا ستفاده شد.

● فیلم سه بعدی

یک فیلم سه بعدی یاS۳D (stereoscopic ۳D) 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 می شود که تصاویر را از دو دیدگاه ثبت می کند. برای نمایش این نوع فیلم، از نوعی سخت افزار و عینک های خاص استفاده می شود که درک عمق تصویر را افزایش می دهند. یک فیلم سه بعدی با روش های مختلفی تولید می شود. در هر روش، از نوعی عینک خاص برای تماشای فیلم استفاده می شود. در سیستم های جدید تولید فیلم های سه بعدی، برای تماشای فیلم، نیازی به استفاده از عینک نیست. رایج ترین شیوه های تولید و پخش یک فیلم سه بعدی عبارت است از:

● فرآیند Anaglyph (Anaglyph processing)

فرآیند استفاده از عینک های سبز.قرمز یا آبی.قرمز برای تماشای فیلم. این روش متداول ترین روش ارائه تصاویر سه بعدی سینمایی است که در آن از عینک برجسته نما برای دیدن تصاویر برجسته متحرک استفاده می شود. در این فرآیند، با اضافه کردن نور و از طریق فیلتر کردن رنگ ها، دو تصویر ضبط شده تنظیم می شوند. سپس این دو تصویر با رنگ های مکمل مشابه، بر کاغذ سفید چاپ می شوند. عینک های مجهز به فیلتر رنگی، فیلتر شدن رنگ های تصاویر را لغو می کنند و با اضافه کردن رنگ های مکمل به رنگ های موجود، تصاویر را عمق می بخشند.

● سیستم متمرکزکننده نور (polarization light system)

در این روش برای ارائه یک تصویر متحرک برجسته، دو تصویر ضبط شده بر روی یک کاغذ ثبت می شوند؛ اما از دو فیلتر مجزا که برای متمرکز کردن نور در نظر گرفته شده اند، عبور می کنند. بیننده برای دیدن تصویر، از عینکی استفاده می کند که مجهز به دو فیلتر متمرکز کننده نور به صورت مجزاست. در این فرآیند، یک تصویر واحد از دو زاویه افق متفاوت به هر دو چشم نمایش داده می شود؛ اما از آنجا که هر یک از فیلترهای این عینک، تنها نوری را که در قطب مشابه متمرکز شده است از خود عبور می دهد، هر چشم یک تصویر متفاوت می بیند.

● 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 می باشد، قطع می کند. 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 می کند. برای تماشای فیلم هایی که با این روش پخش می شوند، باید از عینک های LCD shutter استفاده کرد. شیشه های این عینک حاوی نوعی کریستال مایع است که نور را از طریق هماهنگی با تصاویر روی صحنه، به صورت متوالی قطع و وصل می کند.

● فناوری تداخل فیلتر (interference filter technology)

در این روش از عینک هایی استفاده می شود که طول موج های خاصی از رنگ های قرمز، آبی و سبز را برای چشم راست، و طول موج های دیگری از همین رنگ ها را برای چشم چپ به طور مجزا، فیلتر می کند. فیلتر این طول موج های خاص برای هر چشم، به بیننده اجازه می دهد که تصویر متحرک را به صورت برجسته ببیند.

● اثر pulfrich (یاpulfrich effect)

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

● تفکیک طیفی (spectral separation)

برای تماشای فیلم هایی که به این شیوه پخش می شوند، از نوعی عینک استفاده می شود که شیشه های مجهز به فیلم هولوگرافی دارد. وجود این فیلم در این شیشه ها، باعث ایجاد اثری مانند اثر یک منشور می شود که نور را تفکیک می کند. در تفکیک طیف های نور، اشیا با طیف نور قرمز، جلوتر و اشیا با طیف نور آبی، دورتر تلقی می شوند و به این شکل، تصاویر عمق پیدا می کنند.

● lenticular screen&Barrier screen

در این روش ها نیازی به استفاده از عینک برای تماشای فیلم نیست. در این روش از صفحه نمایشِ راه راه که نور را در زوایای حاد منعکس می کند، استفاده می شود. برای دیدن تصاویر بیننده باید در زاویه ای تنگ، تقریباً عمود بر صفحه بنشیند. بنابراین این روش دارای محدودیت بسیاری در تعداد مخاطبین و اندازه سالن نمایش می باشد.

● Autostereoscopic system

شیوه های جدید پخش فیلم های سه بعدی، Autostereoscopic نامیده می شود. در این روش نیازی به استفاده از عینک برای تماشای فیلم نیست. به دلیل مشکلات فنی زیاد، از زمان ساخت اولین فیلم ۳D در حدود ۱۰۰ سال پیش تاکنون، هنوز هیچ سیستم فنی کاملی برای پخش فیلم های سه بعدی شناخته نشده است. اما به دلیل پیشرفت چشمگیر ۳D، این فناوری تنها مخصوص نمایش های سینمایی در سالن های خاص نمی باشد و برنامه های تلویزیونی، فیلم های ویدیویی و بازی های کامپیوتری هم می توانند از این فناوری در پخش استفاده کنند.

۳D در علوم و رشته های گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد. ابزارها و وسایل بسیاری با استفاده از این فناوری ساخته شده اند تا قادر به ارائه خدمات بهتر با کیفیت بالاتر باشند. اسکنر سه بعدی، یکی از جدیدترین ابزاری است که به این منظور ساخته شده است و در رشته های مختلفی مثل طراحی صنعتی، اروتز و پروتز، مهندسی معکوس و نمونه سازی، کنترل کیفیت، بازرسی و جمع آوری مدارک مصنوعات فرهنگی مورد استفاده قرار می گیرد.

● اسکنر سه بعدی

اسکنر سه بعدی دستگاهی است که برای جمع آوری اطلاعات درباره یک شی و عوامل ظاهری آن به تجزیه و تحلیل دنیای واقعی شی و محیط اطرافش می پردازد. این اطلاعات جمع آوری شده برای ساخت مدل های سه بعدی مفیدند و برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی، قابل استفاده می باشند. هدف یک اسکنر سه بعدی، معمولاً ایجاد یک ابر نقطه ای از نمونه های هندسی در سطح یک شی می باشد. از این نقاط می توان برای پیش بینی شکل ظاهری شی مورد نظر استفاده کرد. اگر اطلاعات مربوط به رنگ در هر یک از نقطه ها، جمع آوری شده باشد، حتی رنگ شی مورد نظر نیز تعیین خواهد شد. این نوع از اسکنر ها شباهت بسیاری به دوربین دارند.

مانند دوربین حوزه دید آنها مخروطی شکل است و درست مانند دوربین قادر به جمع آوری اطلاعات، از سطوح غیر پنهان و قابل مشاهده، هستند. اما بر خلاف دوربین، یک اسکنر سه بعدی از راه دور به جمع آوری اطلاعات درباره شی مورد نظر می پردازد. «تصویر» تولید شده توسط یک اسکنر سه بعدی در هر نقطه از تصویر، فاصله اسکنر تا سطح شی را تعیین می کند. در اکثر مواقع یک اسکن، به تنهایی مدل کاملی از شی ارائه نمی دهد. برای به دست آوردن اطلاعات کافی در مورد همه جوانب یک شی، به اسکن های چندگانه از جهات مختلف نیاز است. این اسکن ها به یک سیستم مرجع مشترک فرستاده و برای ایجاد یک مدل کامل با هم ادغام می شوند. اسکنر های سه بعدی به دو دسته در تماس (contact) و بدون تماس (non-contact) با شی، تقسیم می شوند. اسکنرهایی که بدون تماس با شی مورد نظر، به تهیه تصویر می پردازند خود به دو دسته فعال (active) و غیر فعال (passive) تقسیم می شوند.

● اسکنرهای سه بعدی 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 اندازه گیری مختصات، نمونه ای از اسکنرهای سه بعدی تماسی است. از این وسیله به طور عمده در تولیدات صنعتی استفاده می شود. CMM دستگاه بسیار دقیقی است اما از آنجایی که برای فرآیند اسکن کردن نیازمند تماس با شی مورد نظر می باشد، می تواند باعث تغییر یا آسیب رساندن به شی اسکن شده شود؛ و این در مورد اشیای بسیار ظریف یا آثار تاریخی قدیمی می تواند بسیار خطرناک باشد. نقطه ضعف دیگر CMM عملکرد آرام آن در مقایسه با سایر اسکنرها است. سریع ترین CMM تنها می تواند چند صد هرتز سرعت داشته باشد که در مقایسه با اسکنرهای لیزری که با قدرت کیلوهرتز کار می کنند، عملکرد بسیار ضعیفی است.

● اسکنرهای بدون تماس فعال (non-contact active)

این نوع اسکنر از نوعی پرتوافکنی یا تابش نور استفاده می کند و از طریق بازتاب این نوع پرتوها به شناسایی شی مورد نظر و محیط اطراف آن می پردازد. اولتراسوند و اشعه ایکس، نمونه ای از این نوع اسکنرها می باشد.

● اسکنرهای بدون تماس غیر فعال (non-contact passive)

این نوع از اسکنرها هیچ گونه اشعه ای از خود ساطع نمی کنند، بلکه برای تشخیص شی مورد نظر بر انعکاس تابش نور محیط تکیه می کنند. اکثر اسکنرهای این دسته برای کار از نور مرئی استفاده می کنند چرا که به راحتی در دسترس می باشد. اما انواع اشعه های دیگر مانند اشعه مادون قرمز نیز می توانند برای کارکرد این اسکنرها مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از این نوع اسکنر بسیار ارزان است چرا که به هیچ سخت افزار خاصی جز یک دوربین دیجیتال احتیاجی ندارد.

اسکنرهای سه بعدی دارای قابلیت بسیاری به خصوص در شاخه طراحی هستند. این اسکنرها در طراحی محصولات، کمک می کنند و در فرآیندهای طراحی، اثربخشی کار با قطعات پیچیده و مشکل را، افزایش می دهند. همچنین می توانند در ازای مدل های اسکن شده قدیمی، نسخه های به روز شده تحویل دهند. همچنین در یک طرح اسکن شده، می توانند به طور خودکار قسمت های قدیمی یا از دست رفته را بازسازی کنند. استفاده از اسکنرهای سه بعدی به دلیل قابلیت های بالایی که دارند، روز به روز در حال افزایش است. سرعت بالا، ارائه مختصات دقیق و انعطاف پذیری در عملکرد، باعث استفاده گسترده از این ابزار در شاخه های مختلف علمی و هنری است.