3d модели в технике мадоннари

Одной из основных прикладных задач эргономики является создание и визуализация адекватных информационных моделей процессов и систем (в интересах организации операторской деятельности). Наступает эра виртуального моделирования. В последнее время на волне развития компьютерной техники наблюдается возросший интерес к технологиям многомерной визуализации зрительной информации в самых различных областях жизнедеятельности. Примером тому служит 3D кинематография. В связи с этим, не удивительно, что вопросы, связанные с исследованием структуры зрения, свойств зрительной системы, экологии зрения и многие другие, выходят за рамки профессиональных интересов нейрофизиологов.

Область обитания эргономики – это любая область жизнедеятельности, где необходимо учитывать особенности человека – психические, физические, психофизиологические и др. То есть, где присутствует человеческий фактор, там эргономика и является гарантом эффективности организуемой деятельности. Информационные модели внешней среды, операторская деятельность, визуализация информации – это неразрывные элементы единой системы. И зрение здесь является связующим звеном, что и объясняет к нему интерес эргономики.

О зрении надо знать все. Зрение не только орган, воспринимающий информацию, но и окно во внешний и внутренний мир человека, индикатор нашего физического здоровья и состояния психики. Но, к сожалению, наши знания о зрении далеки от совершенства. Объем исследований и число публикаций о зрении настолько велик, что может показаться – найти ответ на интересующий вопрос не проблема. Но это не так. Множество зрительных процессов изучено, но мы так и не знаем ответа на основной вопрос (и вероятнее всего в ближайшее время не будем знать) - каким образом в нашем сознании формируются зрительные образы, как они хранятся и как воспроизводятся в нашей памяти. Это не означает, что мы не можем решать отдельные прикладные задачи. Для их решения мы обладаем достаточным запасом правил обработки зрительной информации. Но надо отдавать себе отчет, что зрительная система настолько сложна, настолько множественны внутренние связи, что об адекватной модели в настоящее время говорить еще не приходится.

Для решения задач эргономики исключительный интерес представляют скрытые ресурсы зрительной системы по 3D восприятию, а так же разработка технологий виртуального моделирования. Есть ли пути создания объемных виртуальных моделей помимо технических возможностей? Положительный ответ, если его найти, приведет к революции в области не только кинематографии, но и во многих областях жизнеобеспечения человека.

Эволюция распорядилась так, что многие живые существа не обладают стереоскопическим зрением. Основной их ресурс – это параллакс движения, который является реликтовым средством всех систем зрения. Поскольку стереоскопическое зрение – это в основном достояние приматов, оно и эксплуатируется человеком, начиная со стереоскопа и заканчивая современными 3D системами. Но зрительная система человека обладает и другими механизмами оценки объема и глубины пространства. К ним можно отнести такие, как:

• 
  аккомодация глаз – изменение формы хрусталика при фокусировки взгляда на различных элементах зрительной сцены.
  
• 
  конвергенция - сведение осей глаз при переводе взгляда на близкий предмет; дивергенция – разведение осей глаз.
  
• 
  стереопсис – механизм стереопсиса основан на сравнении в высших центрах головного мозга изображений на сетчатках двух глаз, что и дает оценку его объема.
  

• 
  параллакс движения – уменьшение относительной скорости движения объектов при увеличении дальности. Самолет в небе воспринимается нами медленно летящим. Величина относительной скорости и дает нам оценку дальности.
  
• 
  перспективное изменение геометрии зрительного поля. Удаленные объекты уменьшаются в размере, параллельные линии сходятся в точку на горизонте и т.д.
  

• 
  эффекты светотени. Плоские предметы освещаются равномерно, а грани объемного предмета имеют разную освещенность. Форма тени так же содержит информацию о структуре объекта.
  
• 
  цветовые эффекты атмосферы – изменение цвета объектов при их удалении. Этими эффектами пользуются художники. Например, горы на горизонте кажутся голубоватыми.
  

Мы видим фотографию прекрасной объемной картины. В действительности – это плоское изображение земного шара на тротуаре. Техника такого рисунка имеет множество особенностей, обусловленных законами теории линейной перспективы и свойствами нашего зрения.

Традиционно в живописи изображения строятся в картинной плоскости, расположенной вертикально, как показано на Рис.2. Теория линейной перспективы предполагает единую и неподвижную точку зрения О и прозрачную плоскость картины К, через которую мы набдюдаем пространство, расположенное за картиной. Линейная перспектива обеспечивает художнику возможность создания изображений, близких к зрительному восприятию человека, возможность изображения объема предметов и глубины пространства на плоскости картины.

Фактически, это проекция всех предметов на эту плоскость (выполненная по правилам линейной перспективы) или фотография пространства за ней. Поскольку изображение является плоским, то стереоэффект отсутствует. Оба глаза видят одинаковую картинку и ни каких искажающих эффектов.

Изображение, выполненное в технике мадоннари, отличается по своим свойствам от обычной, классической живописи. Здесь изображение строится в предметной плоскости – Т, расположенной горизонтально. Особенность такой технологии заключается в том, что различные точки изображения предмета (например, А и В) в горизонтальной плоскости имеют различное удаление от точки зрения О. То есть, длина лучей зрения, проведенных к этим точкам различна, в то время как для картинной плоскости она практически неизменна. Фактически, изоброжение мадоннари имеет форму тени изображаемого предмета на предметной плоскости (если источник света расположен в точке зрения). Строго говоря, для техники мадоннари подходит не только предметная плоскость, но и

Рис.3 3D изображение декоративной коробки.

любая плоскость, перпендикулярная картинной. Это могут быть, например, потолок, пол или стены комнаты.

Рассмотрим эту технологию более подробно. В качестве примера на Рис.3 показана фотография с изображением коробки. То что это не телесный предмет можно понять по тени – отсутствует источник света, который позволил бы сформировать такую тень. Это всего лишь рисунок, выполненный в технике мадоннари (на полотне обоев).

Ниже показан реальный рисунок в горизонтальной плоскости, его длина 2 метра.

Работа в такой технике выполняется в несколько этапов. На первом этапе необходимо нарисовать предмет в картинной плоскости. Это предварительный рисунок, он выполняется карандашом. На него наносится точка схода Р, а так же по законам линейной перспективы наносится сетка, покрывающая всю горизонтальную плоскость. Ее линии номеруются, как показано на Рис.4.

Рис.4. Рисунок коробки в картинной плоскости построен по законам линейной перспективы.

Следующий этап – развертка изображения. Необходимо нанести сетку на горизонтальную плоскость, где мы будем изображать собственно предмет. В горизонтальной плоскости все ячейки сетки будут одинаковыми с размером 5х20 см (Рис. 5). Далее операция достаточно простая – перенести изображение с картинной плоскости на предметную плоскость по клеточкам. После чего необходимо стереть сетку и разукрасить рисунок.

Существует ряд особенностей техники мадоннари, которые отличают ее от знакомой нам живописи. Во первых, рисунки в этой технике обладают 3D эффектом. Во вторых, смотреть на такой рисунок следует с ранее выбранной точки зрения О, иначе изображение предмета будет деформировано. И в третьих, в процессе исполнения рисунка проявляются искажения, которые не согласуются с законами линейной перспективы.

Дело в том, что наше зрение формирует изображение окружающего нас пространства далеко не по правилам классической линейной перспективы. Это искусственный прием передачи объема и глубины пространства, хотя и достаточно близкий к реальному зрительному восприятию. Об этом писал еще Павел Флоренский в своем исследовании «Обратная перспектива»: «... перспективная картина мира не есть факт восприятия, а — лишь требование, во имя каких-то, может быть, и очень сильных, но решительно отвлеченных соображений. А если обратиться к данным психофизиологическим, то с необходимостью должно признать, что художники не только не имеют основания, но и не смеют изображать мир в схеме перспективной, коль скоро задачею их признается верность восприятию».

Академик Б.В.Раушенбах в своей работе «Пространство Сезанна» пишет: « Можно лишь поражаться тому, какую массу искажений естественного зрительного восприятия несет система линейной перспективы, которая столетиями считалась идеалом точного, научного способа передачи пространства на плоскости картины». Он вводит понятие перцептивной перспективы и показывает, что многие художники (такие, как Сезанн, Репин, Серов и др.) в своем творчестве нередко отходили от законов линейной перспективы с целью более точной передачи зримой действительности на полотне.

Линейная перспектива дает нам искаженное изображение предмета по отношению к зрительному образу. И эти искажения особенно проявляются в технике мадоннари. Художники в процессе исполнения 3D рисунка периодически его фотографируют и по фотографии вносят правки. Появление цифровых фотоаппаратов намного упростило их труд .

Поскольку рисунок мадоннари располагается в гиризонтальной плоскости, то в развертке он вытянут по вертикали, причем значительно. В этих условиях срабатывает механизм параллакса движения.

В нашем случае, точка А (Рис.2) намного удаленнее от наблюдателя, чем точка В. Это и дает нам эффект параллакса движения. Стоит сдвинуть точку зрения вправо или влево, тут же сместятся точки А и В, но величина их относительного смещения будет различна. Перспективное изображение строится при условии одной точки зрения. Реально же существует две точки – для правого и левого глаза. Эти точки сдвинуты по горизонтали от точки зрения на половину глазного расстояния. В результате чего два глаза формируют несколько отличные (смещенные) изображения на сетчатке, как показано на Рис. 6.

Изображение а) получено камерой сдвинутой влево от точки зрения на половину глазного расстояния; изображение в) – камерой, сдвинутой в право. Если бы мы рассматривали телесный предмет, а не рисунок, то направление сдвига изображения было бы противоположным – камера сдвигается влево, а изображение вправо, причем, все изображение, а не только его нижняя часть. Такого эффекта мы не получим, если изображение предмета находится в картинной плоскости, поскольку все его точки практически равноудалены от наблюдателя.

Рис 6. Изображение коробки формируемое левым и правым глазом.

Таким образом, благодаря эффекту параллакса движения зрительная система формирует два различных сетчаточных изображений нарисованного предмета, смещенных относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Мозг их сравнивает, а поскольку они различны, срабатывает эффект стереопсиса. И наш рисунок мы воспринимаем в формате 3D.

Следует отметить, что любое смещение наблюдателя относительно точки зрения О в значительной мере искажает изображение рисунка мадоннари. На рисунках Рис.7 и 8 приведен пример такого смещения. Искажение пропадает, если смотреть на рисунок (из точки О) одним глазом. Кроме того, искажение достаточно просто исключить, если сфотографировать рисунок.

Рис. 7. Сдвиг точки зрения по горизонтили (вперед)

Рис. 8) Сдвиг точки зрения вперед и влево

Несмотря на то, что фотография не сохранает 3D эффект (исчез параллакс движения и тут же пропадает 3D), восприятие объема все же остается. В этом участвует эффект окружения. Рисунок мадоннари представляет собой не картину, а изображение только одного предмета. Вся же зрительная сцена, в которую помещается рисунок, имеет реальный объем и глубину пространства. В связи с этим, изображаемый предмет так же воспринимается объемным. Это еще один фактор, влияющий на зрительную систему. Например, старшее поколение должно помнить, что в годы перестройки можно было на Старом Арбате «сфотографироваться с первым Президентом России». Из фанеры был вырезан контур и наклеена фотография в полный рост. Эффект присутствия Президента был потрясающим. Поскольку все окружение было 3D, то и фотография воспринималась, как живой человек. Этот эффект часто используется в кинематографии. Если необходимо, например, иметь на заднем плане горы, то ставятся фанерные щиты, меняющие ландшафт. Если такая бутафория вписывается по цвету и геометрии в общий интерьер, то зрение воспринимает картину целиком, как объемную. Различить подделку можно только с помощью параллакса движения. Меняя точку взгляда, можно уловить несоответствие относительных смещений отдельных деталей панорамы. Но если мы меняем полностью задний план, то не поможет и параллакс движения. Удаленные объекты имеют очень малое относительное смещение. Поэтому даже в динамичной сцене движение камеры не «выдаст» бутафорию на заднем плане сцены.

Изображение предмета, построенное в горизонтальной плоскости воспринимается наблюдателем с искажением. Причина в линейной перспективе. Перенос изображения с картинной в предметную плоскость не совпадает с нашим восприятием. Вот здесь и приходится исправлять развертку рисунка. Параллакс движения в этом процессе является помехой, которая устраняется простой фотографией. На фогографии получается плоское изображение, но уже в картинной плоскости. Сравнивая его с рисунком, можно выявить все искажения. Поэтому все художники, рисующие в технике мадоннари и пользуются фотоаппаратом для коррекции изображения.

Таким образом, мы имеем некоторую технологию преобразования изображения 2D в 3D. Причем эта технология не связана с очками (которые применяются в кинематографе), распределяющими изображение на два глаза и обеспечивающими стереоэффект. Здесь само зрение формирует две смещенных по горизонтали сетчаточные проекции за счет эффекта параллакса движения. А за счет стереопсиса мы воспринимаем изображение в 3D.

Есть ли аналоги в природе? Вероятно – да. Представим крону дерева. Листья ориентированы относительно наблюдателя случайным образом. Значительное их количество должно находиться в плоскостях, параллельных линии зрения. В этих плоскостях как раз и могут формироваться изображения 3D. Это означает, что множество отдельных листочков воспринимается зрением как отдельные объемные элементы. В целом же, эффект окружения делает свой вклад в объемное изображение кроны дерева.

Если мы рассматриваем плоский объект, то каждая его точка проецируется на корреспондирующие точки сетчаток обоих глаз. Это означает, что сетчаточные проекции отрезка АФ, лежащего в картинной плоскости имеют одинаковый размер А₁Ф₁ ≈ А₂Ф₂.

В случае объема, на корреспондирующие точки проецируется только точка фиксации взгляда – Ф. Все остальные точки, расположенные ближе или дальше точки фиксации, проецируются на диспаратные точки сетчаток (проецируются не симметрично). Тогда проекции отрезка АВ имеют разную длину В₁Ф₁> В₂Ф₂.

Вот эта асимметрия (диспаратность) и несет зрительной системе информацию об объеме. Архитектура зрительного пути такова, что сетчаточные проекции двух глаз совмещаются в зрительной коре головного мозга. Если они равны, то мы видим плоское изображение, в противном случае (при наличии диспаратности) – воспринимаем объем. В этом суть стереопсиса.

Но можно зрительную систему «обмануть», вызвав искусственную диспаратность, либо исключив одну из сетчаточных проекций. Упомянутый нами метод Я.И.Перельмана (собственный стереоскоп), как раз и основан на 3D восприятии плоских изображений одним глазом. Отсутствие одной из двух совпадающих сетчаточных проекций может (в определенных условиях) обмануть зрительную систему.

Диспаратность может иметь место при восприятии и плоских изображений. Рассмотрим схему на Рис.9в. Если сфокусировать взгляд на точке А (не поворачивая головы), то проекции А₁Ф₁ и А₂Ф₂ будут неравными (незначительно, но неравными). Таким образом, точка Ф становится диспаратной, хотя и осталась в картинной плоскости. При продолжительной фиксации взгляда появляется ее послеобраз (эффект зрительного восприятия, состоящий в том, что после продолжительной зрительной фиксации на каком-либо объекте человек продолжает видеть след изображения, даже если объект уже исчез из поля зрения). Это свойство и используется в разработанной методике восприятия рельефности плоских изображений. Испытуемого обучают рассматривать плоское изображение, перемещая взгляд по определенной траектории. При этом центральная часть изображения становится диспаратной и сохраняется зрительной системой в виде послеобраза. После возврата взгляда в центр изображения испытуемый начинает воспринимать его рельефность. Рассматривая, например, физическую карту мира, начинаешь воспринимать объем рельефа местности - видеть возвышающиеся горные массивы. Такое восприятие требует определенного навыка. И следует помнить, что существует небольшой процент людей, зрение которых вообще не обладает стереопсисом.
Метод блокирования цвета
Методология исследований в некотором смысле близка к анастомозу П.К. Анохина. Мы не осуществляем хирургического вмешательства в зрительную систему для исследования функциональной нагрузки отдельных ее элементов. В основе метода лежит простой и легко воспроизводимый механизм манипуляции внешним потоком зрительной информации с помощью которого в зрительную систему «вносится разлад». Одновременно с этим осуществляется регистрация (в режиме интроспекции) деформаций зрительного образа.

Идея метода достаточно проста. Сетчатка каждого глаза функционально разделена на две половины – височную и носовую. Они выполняют функцию датчиков светового потока зрительного поля. Можно сконструировать зрительную сцену (геометрию и цвет) таким образом, что бы каждый из четырех датчиков (половин сетчаток двух глаз) воспринимал и передавал только один цвет. Тогда применение цветных светофильтров позволит виртуально исключать (блокировать) каналы передачи информации, причем, в любом сочетании. Прием аналогичен тому, что используется в кинематографии (анаглиф – метод). Элементы зрительной сцены раскрашиваются в красный и синий цвета и используются очки с цветными светофильтрами. Через красный, например, светофильтр зрительная система не воспринимает элементы красного цвета, поскольку они сливаются с фоном. Осуществляется виртуальная блокировка потока информации. Такой механизм позволяет изучать процесс формирования зрительных образов в тестовом режиме, используя универсальный метод кибернетики (регистрации реакций системы на изменение входных управляющих сигналов).

Методика блокирования цвета позволила построить информационную модель формирования зрительного образа. Ее адекватность подтверждается совпадением воспринимаемых зрительных образов с логически построенными структурами. Результаты апробации методики во многом подтверждают уже известные свойства зрительной системы человека. И между тем, позволяют упорядочить некоторые особенности ее информационной модели.

Манипуляция входным информационным потоком осуществляется по двум направлениям - изменение геометрии сетчаточных проекций и изменение их семантики (цвета). Все это позволяет исследовать функциональную нагрузку отдельных элементов зрительной системы. Методика позволяет проводить экспериментальные исследования зрительной системы человека, без какого либо хирургического вмешательства. Цветовое блокирование потоков зрительной информации виртуально выполняет функцию усечения зрительных нервов. Мы можем блокировать поступление зрительной информации с любого участка зрительного поля. Это равносильно усечению аксонов нервных клеток, передающих информацию с заданного рецептивного поля сетчатки глаза. Например, в качестве рассматриваемого объекта можно использовать многогранную призму с цветными гранями. Ориентируя ее относительно оси зрения, и применяя соответствующие светофильтры, можно добиться виртуального усечения необходимых аксонов зрительного нерва. Таким образом, исключая из "работы" рецептивные поля сетчатки глаза, мы можем исследовать их влияние на формирование зрительного образа.

С помощью методики блокирования цвета удалось воспроизвести эффект борьбы полей зрения, в котором зрительная сцена для каждого глаза представляет собой равномерно окрашенное цветное поле.

Кратко напомним суть этого эффекта. Каждый, кто хоть раз пользовался микроскопом, должен помнить, что можно не закрывать «свободный» глаз – это не мешает наблюдению. В этом случае на сетчатки глаз проецируются изображения, значительно отличающиеся друг от друга. Наша зрительная система такова, что она не соединяет два изображения, семантика которых отлична.

В подтверждение этого проводится такой эксперимент. Поля зрения правого и левого глаза разделяются экраном. Изображения для обоих глаз отличаются ориентацией нарисованных полос (для одного глаза – вертикальные, для другого – горизонтальные). Можно ожидать, что сетчаточные проекции двух глаз соединятся и мы увидим решетку. Но это не так. Изображение вертикальных и горизонтальных линий будет чередоваться с частотой примерно 0,1 - 0,05 Гц. Происходит своего рода «борьба полей зрения» - изображение левого и правого глаза поочередно подавляют друг друга.

Используя методику блокирования цвета, мы убедились, что эффект борьбы полей зрения наблюдается и в случае сплошной окраски зрительных полей глаз. Из этого можно сделать вывод, что стимул такого свойства зрительной системы не в ориентации изображений. Эффект проявляется, когда различна семантика сетчаточных проекций, соединяемых в стриарной коре головного мозга. На основании проведенных исследований был сделан вывод, что эффект борьбы полей зрения является важным и неотъемлемым механизмом процесса восприятия зрительной информации. Если совмещаемые в стриарной коре сетчаточные изображения совпадают, то воспринимается плоскость, если отличается их геометрия, то проявляется стереопсис, а если же семантика, то проявляется эффект борьбы полей зрения. Это неустойчивое состояние зрительной системы, оно вызывает периодическую смену зрительного образа.

1. 
   Анохин П. К. Теория функциональной системы. — «Успехи физиол. наук», 1970, т. 1, № 1, с. 19-54.
   
2. 
   Барабанщиков В.А. Окуломоторные структуры восприятия. - М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 1997.-384 с.
   
3. 
   Лоточук Н.Н. Принципы объёмного видения. - Электронная библиотека, 2007.
   
4. 
   Найссер У. Познание и реальность. – Смысл и принципы когнитивной психологии. -М.: Прогресс, 1981, 230 с.
   
5. 
   Раушенбах Б.В. Системы перспективы в изобразительном искусстве. Общая теория перспективы. М., Наука, 1986.
   
6. 
   Флоренский П.А., священник. Обратная перспектива. Соч. в 4-х тт. — Т. 3 (1).— М.: Мысль, 1999. — С.46–98.
   
7. 
   Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение: Пер. с англ. – М.: Мир, 1990. – 239 с., ил.