Maa-57.300 Fotogrammetrian perusteet

Luento 2: Stereoskopia

AIHEITA

• Stereoskooppinen näkeminen
• Stereokuva
• Stereokuvaus
• Dokumentointi stereodiakuvin
• Stereokuvien tulkintavälineitä
• Stereokuvien tarkastelu ilman apuvälineitä
• Stereomallin kokonaisplastiikka
• Stereokuvien kaksoisprojektio
• Stereokuvaparin piirtäminen
• Sydänsäteet
• Satunnaispistestereogrammi
• Kirjallisuutta

Stereoskooppinen näkeminen

• Stereoskooppinen näkeminen perustuu binokulaariseen eli silmien yhteisnäköön, jolla tarkoitetaan ihmisen kykyä aistia näkemänsä yhtenä aistimuksena. Vaikka stereoskooppisessa näkemisessä kumpikin silmä näkee perspektiiviltään erilaisen kuvan, ne sulautuvat yhteen yhdeksi kolmiulotteiseksi stereokuvaksi.
• Pisteet, jotka ovat toisen silmän suhteen samalla suoralla ja näkyvät sille yhtenä pisteenä, näkyvät toiselle silmälle eri kulmissa. Silmien näköakselit muodostavat kulman, jonka terävyys vaihtelee esineen etäisyydestä riippuen. Tätä etäisyyshavaintoon vaikuttavaa kulman terävyyttä kutsutaan binokulaariseksi konvergenssiksi.
• Eri kulmat aiheuttavat kuvapisteen siirtymistä silmän verkkokalvolla. Vastinkuvapisteiden siirtyminen tapahtuu horisontaali- eli vaakatasossa, koska silmät toimivat yhteistyössä.
• Kuvapisteiden siirtymistä kuvataan termillä vaakaparallaksi. Vaakaparallaksin muutoksen suuruus verrattuna etäisyyden muutoksen suuruuteen on käänteisesti verrannollinen etäisyyden neliöön ja suoraan verrannollinen sydänakselin eli silmien välisen janan pituuteen.
• Pienin havaittavissa oleva etäisyysero on 25 cm:n etäisyydellä 0.07 mm. Vastaavasti voidaan laskea, että etäisyyserojen havitseminen loppuu, kun etäisyys on 600-800 metriä.
• Etäisyyksien havaitseminen on mahdollista myös monokulaarisesti. Merkittävin syvyysvihje saadaan tällöin ns. liikeparallaksista. Parallaksi syntyy joko pään liikkeestä kohteen suhteen tai päinvastoin. Etäisyyden havaitseminen voi perustua myös kokemukseen valoista, varjoista, liikkeen nopeudesta, kohteen koosta, jne.

Binokulaarinen konvergenssi. Katseen kohdistuessa silmät fokusoituvat tahdottomasti näköakselien leikkauspisteeseen, katselupisteeseen.  Näköakselien välistä leikkausta kutsutaan binokulaariseksi konvergenssiksi (horizontal binocular convergence) ja kulmaa ø parallaksikulmaksi (parallactic angle). Katselupisteen ympärillä oleva avaruus hahmottuu kolmiulotteisena parallaksikulman muutosten vaikutuksesta. Parallaksikulma pienenee, kun katseluetäisyys kasvaa. Samalla kohdepisteiden kuvat siirtyvät verkkokalvolla vaakasuunnassa lähemmäs toisiaan. Kun katselupiste lähenee, pisteiden kuvat siirtyvät etäämmäksi toisistaan. Liikettä kutsutaan  vaakaparallaksiksi (parallax disparity, retinal disparity).

• Viitteitä
• K. Murphy, 2000. Sensory Processeces, Part 7: 3D space perception, McMaster University, Ontario, Canada. http://www.science.mcmaster.ca/Psychology/psych2e03/lecture6/focal.gif

Stereokuva

• Stereokuvaksi kutsutaan kolmiulotteisesti tarkasteltavissa olevaa kuvaa kolmiulotteisesta kohteesta.
• Stereokuvapari muodostuu kahdesta osakuvasta, jotka kumpikin 'näkevät' tarkasteltavan kohteen hieman toisistaan poikkeavista perspektiiveistä.
• Kun stereokuvapari havaitaan - vasen kuva vasemmalla silmällä ja oikea kuva oikealla - kuvat sulautuvat mielessämme yhdeksi ja näemme kohteen stereokuvana.
• Stereokuvan näkeminen edellyttää sekä kuvaus- että tarkastelutekniikan hallitsemista eli sitä, että
• kuvat on otettu oikein ja ne muodostavat stereoparin, ja
• kuvat sovitetaan keskenään oikeaan asemaan tarkasteluhetkellä.
• Tarkasteltaessa kuvia oikein kummankin kuvan vastinpiirteet kohdistuvat tarkasti toisiinsa ja yhtyvät stereokuvaksi.
• Stereokuvien tarkastelu on ollut suosittu tapa jo valokuvauksen alkuajoista saakka, koska se antaa kohteesta huomattavan täydellisen kuvan yksittäiseen kuvaan verrattuna.
• Viitteitä
• Bob Mannle New Vision Technology (URL: http://www.3d-web.com/)
• IMAX 3-D (URL: http://www.3-d.com/imax3d/imax3d.htm)

Stereokamera, Verascope.

Stereoskooppeja 1800-luvulta. (The National Board of Antiquities Finland ja Chicago Historical Society)

View Master vuodelta 1939 ja Wheatstonen peilistereoskooppi. (The Touring Institute)

Stereokuvia voi katsella myös yksinkertaisin apuvälinein. (Tiedekeskus Heureka, 1996)

• Viitteitä
• Museovirasto. Kuva-arkisto - The Archives for Prints and Photographs. http://www.nba.fi/fi/kokoelmat
• Chicago Historical Society. Arresting images, in: The Web of Memory,  Media Event Galleries.    http://www.chicagohs.org/fire/media/arrest.html
• The Touring Institute (linkki ei toimi 13.1.2004)
• Tiedekeskus Heureka, 1996. Illuusiot, näyttely. http://www.heureka.fi/

Stereokuvaus

• Stereokuvaus on kuvan ottamista kahdesta eri perspektiivistä. Kuvien väliä kutsutaan kannaksi.
• Kuvauksen aikana tulee ottaa huomioon kaksi stereotarkastelun kannalta olellista ehtoa.
1. Kummankin kuvan kuvaussuuntien tulee olla likimain yhdensuuntaiset.
2. Kumpikin kuva tulee ottaa yhtä etäältä tarkasteltavasta kohteesta eli kuvaussuunnan tulee olla kohtisuorassa kantaa vastaan.
• Maisemakuvauksessa on tärkeää, että kuvaparia otettaessa siirrytään vaakasuoraan, jolloin kanta on horisontin suuntainen ja myös stereokuva nähdään vaakasuorassa.
• Kannan suuruus riippuu kuvausetäisyydestä ja stereokuvien käyttötarkoituksesta.
• Pelkkään stereotarkasteluun tarkoitetuilla kuvilla kanta voi vaihdella lähes olemattomasta, siis muutamasta sentistä, ehkä enimmillään yhteen metriin.
• Mittaus- ja kartoituskuvauksissa kuvakanta on pidempi, koska syvyysmittauksen tarkkuutta halutaan korostaa. Ilmakuvilla kanta voi olla jopa puolet kuvausetäisyydestä.

Stereokuvauksen normaalitapaus. Tässä kuvat on esitetty positiiviasennossa eli asennossa, jossa kuvia yleensä katsotaan. Kamerassa kuva on negatiiviasennossa eli ylösalaisin. Tarkastellaan mielivaltaista kohteen pistettä P ja sen kuvia P' ja P''. Stereokuvauksen normaalitapauksessa kuvausakselit ovat yhdensuuntaiset ja kohtisuorassa kuvakantaa vastaan. Oletetaan, että kumpikin kuva otetaan samalta tasolta ja kuvakanta on tämän tason suuntainen. Tällöin kuvan pisteiden P' ja P'' kautta kulkeva suora on myös kuvakannan suuntainen. Pisteitä P' ja P'' kutsutaan vastinpisteiksi (homologiset pisteet), suoraa  P'P'' sydänsuoraksi ja tasoa  O'O''P ja sydäntasoksi Normaalitapauksessa kaikki sydänsuorat ovat yhdensuuntaisia.
 
 

Stereokuvauksen normaalitapausta arvioidaan kuvaustilanteen mukaan. Vasemmalla esitetty kuvaustilanne täyttää normaalitapauksen ehdot eli kuvaussuunta on kohtisuorassa kuvatasoon nähden. Oikealla esitetty täyttää myös, mutta kuvien projektioetäisyydet ovat eripituiset. Tämä ero voidaan korjata joko pienentämällä  tai suurentamalla toista kuvaa tarkastelutilantessa. Keskimmäisessä kuvaparissa on kyse ns. käännetystä normaalitapauksesta. Jos tätä kuvaparia halutaan tarkastella stereokuvina, kuvat on ensin oikaistava kuvakannan suuntaisiksi.

Dokumentointi stereodiakuvin

• Perusohjeet stereokuvaparin ottamiseksi tavallisella kameralla
• Ota kuvat diafilmille.
• Kaikki polttovälit käyvät, laajakulmainen optiikka sopii erityisen hyvin.
• Siirrä kameraa vaakasuunnassa sivuun, mutta pidä tähtäyspiste kohteessa likimain paikallaan.
• Älä siirry kohteen suunnassa.

• Stereokuvaparin ottaminen etäällä kohteesta
• Ota askel sivuun kuvanoton välillä.
• Paras syvyysvaikutelma on kuvaparilla, jossa etuala ja tausta näkyvät samoina kummallakin kuvalla, joten älä siirry liian kauas.
• Stereokuvaparin ottaminen lähietäisyydeltä
• Siirry sivuun mahdollisimman vähän, esimerkiksi tasapainoa jalalta toiselle muuttamalla.

• Kuvien säilytys
• Kehystä kuvat ja aseta läpikuultaville säilytyslehdille.
• Järjestä kuvat pareittain, vasen kuva vasemmalle, oikea oikealle.
• Voit nyt tarkastella kuvia kolmiulotteisena stereomallina valoa vasten.
• Stereotarkastelu onnistuu ilman apuvälineitä, kun katsot vasemalla silmällä vasenta kuvaa ja oikealla oikeata yht'aikaa.
• Stereomallien tarkastelu stereoskoopilla
• Taskustereoskooppia käyttäen voit katsoa stereomallia valopöydällä.

• Stereomallien tarkastelu yksittäisten diojen katseluun valmistetuin apuvälinen
• Stereomalli näkyy ehkä parhaiten, kun tarkasteluun käytetään kahta diaskooppia.
• Diaskoopit voit ostaa valokuvausalan tarvikemyymälästä.
• Älä tee väkivaltaa silmillesi
• Diaskooppeja käyttäessäsi pidä huoli siitä, että ne eivät ole kooltaan suurempia kuin silmäväli.

Stereokuvien tulkintavälineitä

• Stereokuvien tulkintakäytössä yksinkertaisin apuväline on taskustereoskooppi. Tarkasteluoptiikka on suurentava (esim. 2X) ja okulaarien välinen etäisyys on säädettävissä (esim. 55 mm - 75 mm). Taskustereoskoopilla katseltavat kuvat eivät voi olla suurempia kuin silmäväli. Suurempia kuvia kastellessa niistä voidaan valmistaa ns. kolmikuvat.
• Ilmakuvien tulkinnassa käytetään yleisesti peilistereoskooppia. Peilien avulla kuvien välistä tarkasteluetäisyyttä on kasvatettu, mikä mahdollistaa kokonaisten ilmakuvien (23 cm x 23 cm) ja niiden suurennosten tarkastelun.
• Mikäli stereoskoopilla tehdään tulkintaa tukevia yksinkertaisia parallaksimittauksia, niissä käytetään vaihdettavia suurennusoptiikoita (esim. 4X).

Kokoontaitettavia taskustereoskooppeja. (Instrument Cataloque ja Ben Meadows Co.)

Peilistereoskoopit Geoscope  ja F-71. (Ben Meadows Co.)

Stereokuvien tarkastelu ilman apuvälineitä

• Stereokuvia tarkastellaan myös ilman apuvälinenitä - paljain silmin. Pieniä kuvia voi tarkastella yhdensuuntaisin silmäakselein (parallel eyes), vasemmalla silmällä vasenta ja oikealla oikeata kuvaa. Suuria kuvia voi tarkastella ristikkäisin silmäakselein (crossed eyes).

• Viitteitä
• Underwood & Underwood, 1902. L'ENSCP, Chimie-Paris, cense@ext.jussieu.fr (Jean-Michel CENSE). http://www.enscp.jussieu.fr/pub/stereo/yosemite.html
• FM-Kartta Oy, 1980. Kuvaus FIM8007, kuvat 2-3, osasuurennoksia. http://www.fm-kartta.fi/

Stereomallin kokonaisplastiikka

• Keinotekoinen stereoskooppisen näkemisen illuusio voidaan saada aikaan kuvilla, jotka esittävät samaa kohdetta, mutta on projisoitu mielivaltaisen stereoskooppisen kannan päätepisteiden kautta. Käytettävän kannan pituus voi olla eri kuin silmien luonnollinen etäisyys eli etäisyyshavainnon voimakkuutta voidaan säätää. Myös kuvia suurentamalla ja pienentämällä voidaan muuttaa mielikuvaa havaituista etäisyyseroista.
• Jos stereokuvaparin kuvanottovälin eli kannan pituus on n-kertainen kuvien tarkastelukannan pituuteen nähden ja kuvien suurennus on v-kertainen, niin voidaan laskea tarkastelun tai kojeen kokonaisplastiikan arvo:

• Kokonaisplastiikkaa muuttamalla voidaan vaikuttaa kohteen etäisyyserojen tuntuun ja muodon havaitsemisen tarkkuuteen. Jos kokonaisplastiikka saa arvon 1, kohteen muoto vastaa kohteen luonnollista muotoa eli ilmakuvilla rakennukset näyttävät oikean korkuisilta, kun korkeutta verrataan rakennuksen kokoon sen vaakasuunnassa. Jos kokonaisplastiikka on kasvaa, rakennukset venyvät.




Parallaksin suunta vastaa etäisyyden näkemisen suuntaa. Tässä vasemmat neliöt muodostavat vertaustason, johon nähden oikeanpuoleiset neliöt siirtyvät. Kun stereokuvaa katsotaan ristikkäin, ylemmässä neliöparissa oikeanpuoleinen neliö näyttää asettuvan etäämmäs kuin vasen neliö, alemmassa lähemmäs. Suunnat kääntyvät päinvastaisiksi, jos kuvaa katsotaan yhdensuuntaisin silmänakselein.



Etäisyyserot vaikuttavat sitä suuremmilta mitä enemmän vastinkuvioiden välillä on parallaksia. Tässä vasemmat neliöt muodostavat vertaustason ja alin neliöpari vertausetäisyyden. Ylempää neliösarjaa on jatkettu oikealle lisäämällä parallaksieroa ensin kaksinkertaiseksi ja lopuksi kolminkertaiseksi. Kun tätä kuvaparia katsotaan stereoskooppisesti, ylempien neliöiden etäisyyserot näyttävät myös kasvavan lineaarisesti, ensin kaksinkertaiseksi ja lopuksi kolminkertaiseksi. Kyse on stereomallin plastiikasta. Jos kuvakanta eli kuvanottopaikkojen välinen etäisyys kasvaa kaksinkertaiseksi, parallaksi kasvaa kaksinkertaiseksi. Koska tarkastelukanta eli silmäväli pysyy tässä esimerkissä samana, etäisyyserot korostuvat kaksinkertaisina.



Stereomallin plastiikkaa voidaan muuttaa myös kuvaa suurentamalla ja pienentämällä. Tässä pienempi neliöpari muodostaa vertausetäisyyden. Isommat neliöt on piirretty suurentamalla pienempi neliöpari kummallakin kuvalla kaksinkertaisiksi. Kun kuvaparia katsotaan stereoskooppisesti, neliöparin välinen etäisyys näyttää suurennoksen myötä kasvaneen kaksinkertaiseksi. Kuvan suurentaminen vaikuttaa parallakseihin. Koska tarkastelukanta pysyy samana, etäisyyserot korostuvat tässäkin kaksinkertaisina.

• Esimerkki
• Maanmittauslaitos kuvaa maastotietokannan kartoituskuvaukset mittakaavaan 1 : 31'000. Kuvauskorkeus on 6500 m ja yhden kuvan kattama alue maastossa 7130 m x 7130 m. Kuvaus tehdään stereokuvauksena siten, että kuvat peittävät toisensa 60 %, joten kuvanottoväli on 2850 m. Jos kuvia tarkastellaan paljain silmin stereoskooppisesti, stereovaikutelman kokonaisplastiikan arvoksi saadaan 1.4.
n = 2850 / 0.065 = 43850
v = 1 / 31000
p = n * v = 1.4
• Tarkasteltavassa mallissa korkeuserot korostuvat 1.4-kertaisina vaakasuoriin eroihin nähden.
• Ilman kuvakannan suurentamista stereovaikutelman kokonaisplastiikan arvoksi saataisiin 1 / 31000. Tämä vastaa suurin piirtein sitä vaikutelmaa, joka kohteen topografiasta näkyy, kun matkustaja tarkastelee sitä paljain silmin lentokoneesta 6500 metrin korkeudelta.
• Tehtävä
• Piirrä kuutio ja sen stereokuva.
• Piirrä sama kuutio, mutta muuta kokonaisplastiikkaa siten, että kuution korkeus on kaksinkertainen kuution vaakasivuun nähden.

Stereokuvien kaksoisprojektio

• Kaksoisprojektiossa kuvat projisioidaan tarkastelutasolla toistensa päälle. Kuvien erottelu toteutetaan stereolaseilla, jotka suodattavat kuvat ristiin. Vasemmalla silmällä havaitaan ainoastaan vasen ja oikealla silmällä ainoastaan oikea kuva. Ilman stereolaseja kuva näkyy kahtena, koska vaakaparallaksit näkyvät vastinpisteiden välisinä vaakasuuntaisina eroina. Stereolasien läpi katsottaessa parallaksierot muuttuvat korkeuseroiksi ja kuva näkyy kolmiulotteisena.
• Kaksoisprojektiossa kuvien erottelu voi perustua vastavärien käyttöön (anaglyfikuvat), valon polarisointiin tai kuvien vuorotteluun.
• Anaglyfi-kuvaparin kuvat projisioidaan vastavärein, oikea kuva punaisella ja vasen kuva vihreällä valolla . Kun kuvia tarkastellaan puna-viherlaseilla, punaista kuvaa vihreän ja vihreää kuvaa punaisen suotimen lävitse, kumpikin silmä näkee vain oman kuvansa. Kuvat mielletään yhdessä nähtynä kohteen kolmiulotteisena mallina, stereokuvana.
• Polarisoidut kuvaparit esitetään kahdella projektorilla. Toisen projektorin valo polarisoidaan pystysuuntaan, toisen vaakasuuntaan. Stereomallia tarkastellaan vastaavasti polarisoiduilla silmälaseilla
• Kolmantena vaihtoehtona on käytetty oikean ja vasemman kuvan vuorottaista, suurella taajuudella vuoroa vaihtavaa projisiointia. Kuvaparia tarkastellaa aktiivisin silmälasein, jonka okulaarien sulkimet  tahdistetaan valaistuksen mukaan. Projektiotaajuus on luokkaa 120 Hz.
• Kaksoisprojektio voidaan toteuttaa myös autostereoskooppisesti t.s. tarkastelutekniikalla, jossa ei näennäisesti tarvita apuvälineitä. Autostereoskopiassa kuvat lomitetaan kapeina suikaleina projektiotasolle, jonka päälle asetetaan stereotarkastelun mahdollistava diffraktiohila. Diffraktiohila kokoaa suikaleet osakuvittain yhteen ja projisioi ne katsojan silmille oikein, vasemman komposition vasemmalle ja oikean oikealle.
• Viitteet
• Anaglyfikuvia/Vision_Raum/Vision_Raum.htm
• Jacobus G. Ferwerda, 1982. The world of 3-D. Nederlandse Vereiniging voor Stereofotografie.

Tässä kuvassa kuvien erottelu perustuu vastavärien käyttöön.  Anaglyfikuvat ovat käytännössä muodostaneet ainoan varteenotettavan ja käyttökelpoisen keinon esitettäessä stereokuvia painotuotteissa, mutta sekin edellyttää anaglyfilaseja. Paljain silmin tarkasteltavia stereokuvapareja näkee painotuotteissa harvemmin, koska tarkastelu edellyttää tähän tekniikkaan harjaantunutta lukijaa.

Anaglyfikuva valmistetaan stereokuvaparista siten, että kuvat esitetään päällekkäin, vasen kuva punaisella ja oikea kuva vihreällä. Tässä tämä on toteutettu poistamalla ensin vasemmasta kuvasta sekä sininen että vihreä väri ja oikeasta kuvasta punainen väri, minkä jälkeen kuvista on muodostettu läpikuultava yhdistelmäkuva (screen composition). Kuvapari on ilmakuvauksesta ja kohteena vuoristomaisema. Alkuperäiset kuvat ovat ylinnä ja ne on esitetty ristiin, eli niitä voi tarkastella paljain silmin.

Kuva luennolta 25.1.2000. Kuvapari on valmistettu samoin kuin ylläoleva ilmakuvapari. Koska alkuperäiset kuvat ovat värikuvia, yhdistelmäkuvakin on värikuva, myös anaglyfilaseilla tarkasteltuna.

Autostereoskopia.  (Jacobus G. Ferwerda, 1982)

• Viitteitä

Stereokuvaparin piirtäminen

• Stereokuvia voidaan piirtää näkymistä, joiden 3-D muoto tunnetaan.
• Stereokuva saadaan aikaan piirtämällä kohteesta stereokuvapari kahtena yhdensuuntaisena perspektiivikuvana.

Sydänsuorat

| left | right |

| left | right |

Satunnaispistestereogrammi

• Satunnaispistestereogrammi tuotetaan pintakuvana. Kohteen pinta esitetään kannan suuntaan toistuvalla tekstuurilla. Tällaista kuvaa tarkastellessa kummankin silmän katse kohdistuu samassa vaiheessa näkyvään tekstuurijaksoon. Kaikki paikalliset muutokset jakson pituudessa näkyvät paikallisina muutoksina etäisyyseroissa.

Satunnaispistestereogrammi teksturoituna: "Puput". (Bob Mannle, 1995)

Satunnaispistestereogrammiin piirrettävän taustan 1. jakso.

Satunnaispistestereogrammin tausta.

Satunnaispistestereogrammin taustan näkyminen eri syvyyksillä.

Syvyysvaikutelman aikaansaaminen satunnaispistestereogrammiin.

"1998".

"1998" piirrettynä taustakuvan päälle.

• Viitteitä
• Bob Mannle, 1995.  Professional Stereoscopic Three Dimensional Services, New Vision Technology http://www.3d-web.com/index.html

Julkaisuja

• David Burder, 2003. 3-D IMAGES  a David Burder Company http://www.stereoscopy.com/3d-images/
• Alexander Klein, 2001. The World of 3-D Imaging! http://www.stereoscopy.com/
• Bob Mannle, 1995.  Professional Stereoscopic Three Dimensional Services, New Vision Technology http://www.3d-web.com/index.html
• Henrik Haggrén, 1992.  Easy documentation using stereo slides, Seminar on Building Surface Treatments, Report of Museovirasto no. 3, 1992, pp. 41-43. http://foto.hut.fi/publications/paperit/hhaggren/1992/museovirasto/text.html
• Jacobus G. Ferwerda, 1982. The world of 3-D. Nederlandse Vereiniging voor Stereofotografie.
• Britannica Online. Stereoscopy. http://www.eb.com/
• P. Mowforth The History of Stereo Photography
• Turing Institute 3-D Sites on the Web