Princípios Teóricos da Estereoscopia

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1 Princípios Teóricos da Estereoscopia AIVITS Ambientes de Imersão Virtual de Tecnologia Simplificada LAGEAR Laboratório Gráfico para Ensino da Arquitetura EVA Estúdio Virtual de Arquitetura Escola de Arquitetura da UFMG Agosto de 2008 Coordenadora: Prof. Maria Lúcia Malard Colaboradores: José Cabral dos Santos Filho, Ana Paula Baltazar, Rodrigo Peronti, Wallace Lages Bolsistas: Marcus Braga Costa, Vanilson Cosme

2 APRESENTAÇÃO O presente trabalho expõe e sistematiza informações pertinentes à produção de imagens para visualizações estereoscópicas em meios digital (visualização em monitores de computador, sejam de cristal líquido ou de tubos de raios catódicos, além de projeções em grandes dimensões) e impresso (visualização em livros, revistas, mapas, etc), com o auxílio de óculos especiais. A seqüência de exposição das informações considera o nível de complexidade e de entrelaçamento das mesmas, partindo-se de informações básicas relativas aos efeitos físicos que sugerem noções de profundidade e chegando-se a informações complexas relativas à percepção ótica do espaço a nossa volta, a qual ocorre no cérebro. 2

3 1. Aspectos fundamentais de mecanismos para captação de imagens Considerando que mecanismos para captação de imagens, como máquinas fotográficas, câmeras filmadoras e cada um dos olhos de um animal, correspondem ao vértice cume de uma pirâmide, tem-se que: o o centro geométrico da base destes sólidos corresponde ao foco visual (alvo a ser visualizado) dos mecanismos para captação de imagens; o os ângulos de abrangência do campo visual destes mecanismos correspondem aos ângulos limitados pelo vértice cume e pelas faces inclinadas dos sólidos; o a orientação destes mecanismos é definida pela reta que liga o vértice cume da pirâmide (ponto de vista) ao centro geométrico de sua base (foco visual) e por uma reta (usualmente chamada vector up) normal ao plano que contem a reta suporte do ponto de vista e do foco visual. Figura 01: Representação geométrica esquemática de um mecanismo para captação de imagens. 3

4 Figura 02: Esquema mostrando em amarelo transparente o ângulo de abrangência visual horizontal e em azul o ângulo de abrangência visual vertical. Figura 03: Esquema mostrando em laranja o ângulo de abrangência visual horizontal e em vermelho o ângulo de abrangência visual vertical. 4

5 Figura 04: Esquema mostrando o ângulo de abrangência horizontal, contido no plano normal ao vector up. Figura 05: Esquema mostrando o ângulo de abrangência vertical de um mecanismo de captação de imagens. 5

6 2. Estereoscopia Justaposição dos termos gregos stereo, relativo a dois (duplo), e scopos, relativo a visão (observador), estereoscopia diz respeito a visualização de um mesmo foco por dois mecanismos de captação de imagens. Em linhas gerais, quando em seres humanos, diz-se que a imagem percebida pelo cérebro resulta da combinação de duas imagens captadas uma em cada olho. Este par de imagens recebe o nome de par estereoscópico (do inglês stereo image pair), podendo ser captado por meio de máquinas fotográficas e câmeras filmadoras para posterior reprodução ou ser produzido por meio de softwares para modelagem virtual, como SkechtUp e 3DStudio MAX. Figura 06: Mecanismos para captação de imagens com focos visuais coincidentes e com vectors up paralelos entre si. Esquema análogo aos olhos humanos. 6

7 Figura 07: Mecanismos para captação de imagens com focos visuais coincidentes. Segundo o dicionário on-line Babylon [1] e a enciclopédia on-line Wikipedia [2], a estereoscopia é a simulação de duas imagens de uma cena as quais são projetadas nos olhos em pontos de observação ligeiramente diferentes. O cérebro funde as duas imagens, e nesse processo, obtém informações quanto à profundidade, distância, posição e 7

8 tamanho dos objetos, gerando uma sensação de visão tridimensional. Por meio da Estereoscopia, é possível a confecção de Cartas Topográficas num processo chamado Restituição, no qual um operador é capaz, a partir de duas fotografias aéreas, ver a imagem de um terreno em três dimensões, sendo assim capaz de desenhar o que se vê num aparelho restituidor. Ressalta-se, no entanto, que a obtenção de informações relativas a distâncias, posições e tamanhos de objetos não se deve somente à fusão do chamado par estereoscópico. São efeitos inerentes à aparência do espaço e independentes de mecanismos para captação de imagens (olhos, a exemplo) a iluminação, a oclusão e as sombras [3], enquanto que a percepção perspectivada do espaço decorre de características próprias dos mecanismos (ângulo de abrangência do campo visual, a exemplo), não sendo condicionada significativamente pela fusão do par estereoscópico. A oclusão (no sentido de obstrução visual), a iluminação e as sombras (conseqüências diretas da iluminação) facilitam a identificação da posição relativa e do tamanho dos objetos.. Através da iluminação e das sombras, compreende-se, em especial, a forma e o tamanho dos volumes. Através da oclusão, sabe-se, em especial, qual objeto está mais próximo do ponto de vista [3]. Figura 08: Oclusão. Fonte: [3] 8

9 Figura 09: Situação sem iluminação. Fonte: [3] Figura 10: Situação com iluminação. Fonte: [3] Figura 11: Situação com iluminação e sombra. Fonte :[3] 3. Perspectiva Do latim perspectiva, que se relaciona ao termo ponto-de-vista [4], significa representação de um fenômeno tridimensional em uma superfície bidimensional ou aspecto da percepção visual do espaço e dos objetos nele contidos captados pelos olhos sejam de seres humanos sejam de animais[5]. 9

10 Segundo Leggitt [4], é possível representar bidimensionalmente informações de natureza tridimensional através de perspectivas com pontos-de-fuga, sendo estes os pontos para os quais retas espacialmente paralelas entre si convergem quando na representação bidimensional; e através de perspectivas sem pontos-de-fuga, também chamadas desenhos paralelos. Nestes, as retas espacialmente paralelas entre si são representadas, em relação aos três eixos estruturadores do espaço (eixos horizontais X e Y e o eixo vertical Z), paralelamente, sendo irreais conforme a percepção ótica humana. Figra12: Perspectiva paralela. Leggitt sistematiza, ainda, três categorias de perspectivas com pontos-de-fuga: perspectivas com um ponto-de-fuga, também chamadas perspectivas com ponto-de-fuga central, apresentando razoável semelhança à percepção ótica humana; perspectivas com dois pontos-de-fuga, representações bidimensionais bastante semelhantes à percepção ótica humana, havendo usualmente convergência de retas espacialmente paralelas aos eixos horizontais X e Y; e perspectivas com três pontos-de-fuga, irreais conforme a 10

11 percepção ótica humana devido a convergência de retas espacialmente pararlelas também ao eixo Z. Figura 13: Perspectiva com ponto-de-fuga central. Figura 14: Perspectiva com ponto-de-fuga central destacado. 11

12 Figura 15: Perspectiva com dois pontos de fuga. Figura 16: Perspectiva com três pontos de fuga 12

13 Vale completar que a variação do ângulo de abrangência do campo visual implica em variações de aspecto de objetos vistos, havendo acentuação ou atenuação da convergência de retas espacialmente paralelas entre si. Uma imagem visualizada por uma lente de 35mm de diâmetro pode ser classificada como perspectiva com dois pontos de fuga, sendo pequena a convergência em relação ao eixo Z. Essa mesma imagem visualizada por uma lente de 15mm pode ser classificada como perspectiva com três pontos-de-fuga. Figura 17: Conjunto urbano visualizado por uma lente com 35mm de diâmetro. Figura 18: Conjunto urbano visualizado por uma lente com 15mm de diâmetro. 13

14 4. Disparide e Paralaxe Considerando que existem diferenças entre as imagens formadas nas retinas de cada olho (uma vez que cada olho corresponde a um ponto de vista, como já explicitado), chama-se de disparidade o espaçamento entre o mesmo ponto, quando projetado nas duas retinas. No ponto onde coincidem os focos visuais de cada olho, a disparidade vale zero [3]. Figura 19: Esquema mostrando imagens captadas em cada olho. Devido à diferença de ponto de vista, as imagens então captadas são diferentes. Fonte: [3] 14

15 Figura 20: Esquema mostrando as imagens captadas em cada olho (par estereoscópico) e a imagem resultado da fusão deste par estereoscópico. Fonte: [3] Figura 21: Imagens mostrando uma mesma situação estando, na imagem a esquerda, o foco visual sobre o polegar e, na imagem a direita, sobre a bandeira. Fonte: [3] Paralaxe é a distância entre dois pontos projetados num anteparo para visualização, sendo cada ponto visto por um olho especificamente e ambos os pontos correspondendo a um mesmo ponto no espaço [3]. Há três classificações para a paralaxe: o Zero Paralax Setting (ZPS): o objeto é visto no plano da tela de projeção; 15

16 o Paralaxe positiva: o objeto é visto atrás do plano da tela; o Paralaxe negativa: o objeto é visto a frente do plano da tela. Figira 22: Imagens a esquerda: paralaxe negativa; Imagens ao centro: ZPS; Imagens a direita: paralaxe positiva. Fonte: [3] Quanto maior a distância em relação à tela de projeção, mais acentuado é o efeito estereoscópico, seja positivo ou negativo, valendo-se destacar que, quando na paralaxe negativa, as arestas da tela projetada podem cortar imagem de objetos, comprometendo a percepção de profundidade. Figura 23: Esquemas mostrando a diferença de posicionamento do objeto visto, a qual decorre da diferença de posicionamento dos observadores. Fonte: [3] 16

17 Figura 24: Imagem de um objeto cortada pelas arestas da área de visualização. Fonte: [3] Concluindo, a disparidade e a paralaxe são entidades similares as quais parametrizam quantitativamente diferenças entre as imagens pares estereoscópicos. A disparidade é medida na retina, tendo como unidades mm ou cm, e a paralaxe é medida no anteparo de projeção, tendo como unidades mm, cm ou quantidade de pixels [3]. 5. Considerações Finais Imagens pares estereoscópicos são imagens captadas por mecanismos semelhantes (olhos humanos, uma mesma máquina fotográfica, etc), os quais possuem focos visuais coincidentes, vectors up paralelos e ângulos de visão iguais. Diferenças pequenas nesses aspectos, as quais decorrem de imprecisão inerente ao método ou ao mecanismo de captação de imagens, podem não prejudicar o efeito estereoscópico significativamente. Efeitos inerentes ao espaço e independentes dos mecanismos para captação de imagens (iluminação, sombra, oclusão) auxiliam na percepção de profundidade, podendo ser explorados quando na geração de imagens pares estereoscópicos. Softwares, como o 3DStudio Max e o SketchUp, possuem recursos para geração de pares estereoscópicos a partir de uma determinada posição. Nestes softwares, o principal aspecto que influencia a sensação de profundidade é a distância retinal média [3] (distância entre os dois pontos de vista). Quanto maior a distância retinal média, mais acentuada é a sensação de profundidade, podendo-se, por parametrização, definir 17

18 distâncias maiores que a distância retinal média humana (64mm), obtendo-se imagens estereoscópicas impossíveis de serem captadas naturalmente pelo olhos humanos. 18

19 REFERÊNCIAS: [1] acessado em 30/09/2008. [2] acessado em 30/09/2008. [3] A. B. Raposo, Flávio Szenberg, Marcelo Gattas, Waldemar Celes, Visão Estereoscópica, Realidade Virtual, Realidade Aumentada e Colaboração, Tecgraf Grupo de Tecnologia em Computação Gráfica, Departamento de Informática, PUC-Rio, [4] Desenho de Arquitetura: técnicas e atalhos que usam tecnologia, Jim Leggitt, Porto Alegre: Bookman, [5] - acessado em 02/10/