Estereoscopia de dos colores, anaglifos Diego Diego Alejandro Alejandro Zottola-Pareja Zottola-Pareja Dirigido por: Adrian Hernández-Mendez y Rolando Serra-Toledo Resumen. Se presenta el es tudio tudio y aplicación aplicación de de una una técnica económica y fácil de desarrollar: la estereoscopia de dos colores o mejor dicho, los los anaglifos. Los anaglifos son imágenes que que permiten permiten apreciar las tres dimensiones del mundo mundo que nos rodea y así poder desarrollar un mejor sentido de la percepción espacial. En el documento se explica todo el proceso de investigación y aplicación de esta técnica. Se encontraron las principales deficiencias en la misma, así como también nuevos beneficios. Fueron analizadas algunas de las aplicaciones, haciendo hincapié sobre las de interés técnico, basado en su gran importancia dentro de un instituto politécnico. Durante la investigación se desarrolló un software capaz de confeccionar anaglifos. Este programa se caracteriza debido debido a que que es la la primera aplicación orientada a la estereoscopia en Cuba, así como también los anaglifos obtenidos a través de este. Palabras clave: anaglifo, estereógrafa, fusión.
estereopsis,
estereoscopia,
facilitaría su trabajo de enseñaza y el de los estudiantes a la hora de comprender, ahorrando así, una gran cantidad de tiempo y aumentando la calidad del aprendizaje. A. Estereoscopia, A. Estereoscopia, Un poco de Historia
Los primeros registros del conocimiento de este fenómeno datan del renacimiento, por parte de Leonardo da Vinci, quien en esa época ya empezó a experimentar y estudiar la visión binocular humana. Más adelante adelante Keppler Keppler siguió con los estudios de la estereopsis humana. humana. No fue hasta 183 1838, 8, que Sir Charles Wh Wheatstone, eatstone, pudo describir este fenómeno por completo e implantó el concepto de las tres dimensiones. A partir de esto, logró construir el primer dispositivo para observa o bservarr relieves, relieves, el estereoscopio. A través del tiempo el dispositivo fue optimizán o ptimizándose dose hasta llegar a uno portátil, y también una cámara fotográfica que obtenía, directamente, imágenes con relieve.
NTRODUCCIÓ CCIÓN N I NTRODU Grandes personajes de la historia usaron esta técnica, como Santiago Ramón Ramón y Cajal, microbiólogo microbiólogo Día a día se encuentran todo tipo de imágenes planas en las el premio Nóbel, Don Santiago que se pueden apreciar la altura y el ancho del, o los objetos aragonés, que a principios de siglo, presentaba sus trabajos que se encuentran en esta. Pero en algunos casos, estas científicos a través de imágenes estereoscópicas para dimensiones no entregan la suficiente información. En microscopios. En 1930, otro famoso que usó la técnica, fue el pintor ocasiones es necesario percibir la profundidad de un lugar, la Salvador Dalí, quien la aplicó en sus obras, que hasta la fecha, posición relativa entre objetos, la distancia distancia que los separa, es pueden ser apreciada apreciadass en algunos museos de de Europa. decir, la condición espacial total en la que se encuentran.
Existen diversas técnicas para poder solucionar estos problemas, problemas, como la polarización de imágenes, imágenes, realidad virtual, monitores estero, la estereoscopia, etc. Muchas de ellas de alto costo, tanto t anto en investigación investigación como el desarrollo. Existen por el contrario, otras técnicas económicas, pero más que eso, sencillas, con grandes resultados en su aplicación. Las dos más conocidas, debido a las características antes apuntadas, son la de proyección de luz polarizada y los anaglifos, que es la técnica en la cual se centra este artículo. Diariamente en la enseñanza técnica, en distintos tipos de carreras y materias, los materiales de estudio contienen imágenes cargadas cargadas de todo tipo de técnicas auxiliares auxiliar es para ayudar a comprender dimensiones, posiciones, etc. Para apoyar a este tipo de pedagogía, las técnicas tridimensionales son de gran ayuda, debido a la introducción de la profundidad en la imagen. [1] En una institución como la Cujae, donde las materias técnicas prevalecen en carreras como Arquitectura, Ingeniería Civil, Ingeniería Química, Ingeniería Biomédica etc. En materias, por ejemplo, dibujo técnico, química orgánica, anatomía, el uso de este tipo de técnicas, por parte del docente,
En los años 50, se intentó su explotación comercial a través de películas 3D, con escasa incidencia en el mercado cinematográfico. No pasaron de ser meras curiosidades para el público. Además, Además, algunas de las películas que se realizaron presentaban presentaban problemas problemas de visión, debido debido a la falta de los aspectos técnicos necesarios para la realización de una película estereoscópica. estereoscópica. Estas molestias visuales visuales y otros detalles, detalles, hicieron que buena parte del público rechazara este tipo de cine. Recién en los años 80 se conseguirían resultados más espectaculares, con los sistemas de gran formato de película, como el de IMAX, para conseguir imágenes de alta resolución en pantallas gigantescas, tras grandes inversiones en investigación y desarrollo de esta industria. En los años noventa, los avances de la informática permiten presentar presentar imágenes 3D en monitores de ordenador y utilizarlas para presentaciones presentaciones en CAD, CAD, medicina, medicina, cartografía y otras muchas aplicaciones. Los ordenadores permiten además generar espectaculares imágenes de síntesis en relieve, para aplicaciones científicas, industriales o de entretenimiento. Hoy en día, una de las aplicaciones más importantes de la estereoscopia, se está desarrollando en la zonda espacial 55
Pathfinder, enviada a Marte por la NASA. El cual envía fotografías estereoscópicas, de la superficie del planeta rojo, obtenidas a través de dos cámaras colocadas en el frente del vehículo. B. Estereopsis
Los humanos tienen por naturaleza visión tridimensional, es decir, pueden apreciar alto, ancho y además la profundidad. Esta percepción espacial se debe a muchos motivos, pero principalmente a la disposición binocular de los ojos, la cual permite a cada ojo observar campos levemente diferentes. Esta diferencia de campos visuales es llamada disparidad. Por esta disparidad es que los objetos son luego interpretados por el cerebro y así percibir el estado espacial en el que se encuentra el objeto. La actividad en conjunto de todos estos procesos y sentidos es llamada Estereopsis. Además con esta interactúan, a su vez, el paralelaje de los ejes ópticos de los ojos y la separación que existe entre estos, denominada separación ínterocular, la acomodación y enfoque. La acción de la estereopsis con los anteriores mecanismos, es llamado fusión. Un ejemplo claro de este fenómeno, es el comportamiento de los ojos y sus respectivos ejes al momento que una persona observa un objeto que se desplaza directamente hacia esta. Mientras el objeto esta alejado, los ejes ópticos se mantienen paralelos, hasta una distancia de aproximadamente 25 cm de la ubicación nariz. Una vez el objeto atraviesa esta barrera, los ejes ópticos tienden a cruzarse. Por esto la separación ínterocular es un factor importante ya que de esta depende la capacidad de interpretar las dimensiones en el cerebro. A mayor distancia entre los ojos, mayor es la capacidad de apreciar la profundidad. Es lo que se llama agudeza estereoscópica.
toma como referencia el eje óptico del lente de la cámara. Las imágenes tienen que ser levemente diferentes entre ellas, tomadas con separación una de otra (separación interaxial), aproximada a la distancia de los ejes ópticos, donde los ejes ópticos del lente de la cámara deben mantenerse paralelos. Con la variación de esta distancia interaxial, se pueden variar los resultados, obteniendo imágenes en distintos planos respecto al plano del papel o pantalla, según donde se proyecte el anaglifo. Es decir, la imagen puede aparecer hacia afuera o hacia adentro, o las dos. Esta posición es la distancia virtual, distancia a la que se percibirá el objeto a diferencia de la distancia real, a la que se encuentra el objeto. En la figura 1, se representan apreciar los pasos que se describen mas abajo. Una vez que se obtienen las imágenes, estas deben ser procesadas mediante un programa de computadora el cual filtrará las imágenes. Este filtro consiste en dividir la imagen en los tres planos del sistema RGB de colores para utilizar el rojo en la imagen de la derecha y los planos azul y verde en la imagen de la izquierda. [3, 4] Luego de filtradas las dos imágenes, en sus colores respectivos, son superpuestas entre sí, por el programa el cual las superpone sumando píxel a píxel. A partir de la suma de las imágenes, es necesario enfocar el anaglifo. Enfocar el anaglifo consiste en desplazar una imagen filtrada respecto de la otra, hasta encontrar el resultado que se busca. El enfoque de la imagen es crucial, tanto como la obtención de las fotografías, para el efecto del anáglifo, ya que según el desfasaje que halla entre las dos imágenes, la imagen final resultara por encima del plano de la pantalla, sobre este o por debajo, afectando también el trabajo que deben realizar los ojos
ESTEREOGRAMAS O ANAGLIFOS Un estereograma, básicamente, es una imagen tridimensional construida a partir de dos imágenes planas, las cuales pueden ser pinturas, dibujos, o simplemente dos fotografías. Esta técnica es una de las pocas técnicas que utilizan el fenómeno de la estereopsis, para poder apreciar la tercera dimensión en una imagen plana, ya sea en un papel, en la pantalla de una computadora o del televisor. Las imágenes planas, a través de las cuales se obtiene un anáglifo, son relativamente diferentes. Por ejemplo, en el caso de que las imágenes sean fotografías, deben ser obtenidas de manera que estén separadas entre si, una distancia muy parecida a la de la separación ínterocular, lo cual simula la disparidad que ocurre entre cada uno de los ojos. Para que el fenómeno sea posible de percibir cada ojo tiene que poder ver la imagen respectiva, según la secuencia al momento de la obtención de estas. Una vez se logra esto, el cerebro realiza el fenómeno de la fusión. [2] A. Construyendo Anaglifos
Los anáglifos, como ya se dijo, se construyen a través de dos imágenes planas. En este caso, en la investigación se usa la fotografía digital. Al momento de obtener las fotografías, se 56
Obtención de las fotografias
Figura 2. Anteojos usados para visualizar los anaglifos.
A NAGLIFOS EN LA CUJAE A. Aplicaciones
Filtrado Y suma de las imágen es ya filtradas.
L uego del enfoque Fin al, el Anaglifo esta terminado
Este proyecto está orientado, en principio, a demostrar que la técnica es una importante herramienta para el apoyo docente al momento de enseñar y aprender. [1] Dado que el proyecto esta siendo desarrollado por estudiantes de la carrera de Ingeniería Biomédica del Instituto, la principal aplicación a la cual se apunta, es la obtención de anaglifos en preparados anatómicos. Como bien se sabe, anatomía es una ciencia la cual puede convertirse en algo confuso al momento de impartir una clase, o de estudiar, debido a la cantidad de detalles que hay que tener en cuenta, donde las explicaciones no alcanzan. Un ejemplo clásico es la descripción del los huesos del cráneo. Una imagen plana no logra entregar la suficiente información al estudiante al momento de ser estudiado. Una sencilla y gran ayuda a esto sería un anaglifo. Debido a esta orientación, gracias a la colaboración de estudiantes del hospital Salvador Allende, se pudo acceder a la morgue de este y poder tomar fotografías a preparados anatómicos usados para la figura 3. Dichas fotografías fueron usadas para realizar anaglifos, con los cuales se demostró que existe una gran cantidad de detalles apreciados en este, a diferencia de las imágenes con los que se construyeron dichos anaglifos.
Figura 2. Esquema de los pasos necesarios para la construcción de anaglifos.
Tanto para poder enfocar las imágenes como para ver el resultado del anáglifo son necesarios anteojos especiales, como en la figura 2, los cuales constan de filtros de color rojo para el ojo izquierdo y azul o verde para el ojo derecho. La disposición de estos asegura que cada ojo pueda ver una imagen diferente y de esta manera, simulando el fenómeno de la estereopsis, el cerebro puede percibir las dimensiones de profundidad y distancia relativa entre los objetos.
Figura 3. Anaglifo de un preparado anatómico usado para la docencia. Realizado en la Cujae.
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Dado que el enfoque es un trabajo de exactitud, el programa Paralelo a las búsquedas de un consenso de normas para la consta de un selector del factor desplazamiento, entregando obtención de un anaglifo de alta calidad, durante la una gran precisión dependiendo de las necesidades del investigación se está desarrollando un software capaz de operador. Guardar: para terminar, se guarda el anaglifo, mediante un generarlo. Este programa, hecho en matlab, pretende buscar una combinación óptima de las prestaciones que tienen los botón el cual abre una ventana de exploración, para seleccionar programas que se encuentran en el mercado y además poder el destino del nuevo anaglifo. En la figura 4, se puede apreciar combinar esto con las prestaciones del procesamiento de la forma en que queda la aplicación, una vez seguidos los cinco pasos anteriormente descriptos. Al centro se puede ver uno de imágenes con que dispone el matlab. los primeros anaglifos obtenido por medio de esta aplicación. B. Software para construir Anaglifos en la C ujae
C. Motivos para desarrollar un programa
Programas para desarrollar anaglifos hay muchos, entre los se encuentran principalmente a las aplicaciones de diseño avanzadas, como pueden ser el gimp (Ubuntu) [5] o el fotoshop (Windows), luego, se hallan una gran cantidad de software específicos para la creación de anaglifos, como son el Plascolin (Linux), el Anagliphmaker (Windows). Motivos por los cuales desarrollar un nuevo programa son sencillamente, por que la mayoría de los programas que existen no son de código abierto. Este último punto deriva a la siguiente razón, la cual es que al tener un programa desarrollado dentro del Instituto, este tiene la capacidad de poder ser modificado según las necesidades de la práctica, es decir, podría ser adaptado según la materia en la que sea implementada la técnica. Como en microscopia, donde las imágenes necesitan ser masterizadas debido a la baja calidad de obtención de imágenes. Hacer una aplicación de software libre, se promueve su distribución y modificación, asegurando la continuidad de la que Cuba esta impulsando, la cual, también es una parte importante del proceso de migración de esta institución. D.Utilizando la aplicación
Figura 4. Interfase del Programa, una vez termino el proceso de las imágenes el anaglifo final aparece al c entro de la pantalla.
Como se dijo anteriormente Matlab dispone de otras funciones las cuales son capaces de optimizar el funcionamiento del programa en gran escala. En el diseño fueron consideradas muchas de estas funciones, y están siendo estudiadas para su posterior integración dentro del programa.
El programa fue concebido para ser lo más fácil posible de utilizar, ya que esta destinado de cualquier tipo de profesión y CONCLUSIONES rubro, que tengan conocimiento básico acerca del manejo de un computador. El desarrollo total de la investigación tiene lugar en la Cujae, La aplicación consta de cinco pasos básicos para la dejando así, los primeros registros de anaglifos realizados en el construcción del anaglifo: país. Dado el bajo costo en su implementación y la sencillez de Cargar imágenes: a través de un Push-Button, el cual aplicación de esta técnica, su capacidad para ser usada es de un deriva a una ventana donde se tiene que elegir las imágenes que gran espectro, y más aún en materias técnicas como las formarán parte del anaglifo. Ambas imágenes se ubican a la impartidas en todas las carreras de nuestro Instituto. izquierda de la ventana de la aplicación. Por otro lado, a pesar de ser una técnica con muchos años, se Filtrado: un segundo push-button es el encargado de filtrar conoce muy poco acerca de ella, lo cual deja un campo de las imágenes. Con un solo clic ambas imágenes son investigación con muchas posibilidades. descompuestas en sus respectivos colores. Las imágenes, ya Existen una gran cantidad de funciones que se pueden filtradas, son mostradas a la derecha de la pantalla. agregar al programa, las cuales entregarían anaglifos de mayor calidad que los obtenidos actualmente. Construcción del anaglifo: la suma de ambas imágenes A lo largo de la investigación fue necesario profundizar un píxel a píxel es realizada a través de un tercer push-button. El poco en fotografía y en cuanto a la iluminación de esta. anaglifo aparecerá en el centro de la ventana del programa. Durante esta investigación se demostró una vez más su Enfoque: el enfoque es controlado a través de cuatro teclas: arriba, abajo, derecha e izquierda, que desplazan las imágenes capacidad y lo importante que es para un ingeniero el manejar una herramienta como el Matlab. en dichos sentidos.
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R ECOMENDACIONES No usar los anteojos para anaglifos durante un período de tiempo extenso, ya que esto provoca cansancio en los ojos, afectando la visión, temporalmente. Una precisa obtención de las fotografías, optimiza el anaglifo, tanto en calidad de imagen, como en tiempo de desarrollo. Dado que no se llegó a un resultado altamente relevante en las fotografías de los preparados anatómicos humanos, se recomienda continuar las pruebas con otro tipo de preparados, para así buscar resultados notables R EFERENCIAS [1] MARTÍN GONZALEZ S., SUÁREZ QUIRÓS R. y RUBIO GARCÍA R. Estudio de la id oneid ad de lo s grá ficos este reos cópicos pa ra la didáctica de problemas esp eciales complejos. [2] GUYTON, Tratado de fisiología medica . 11va. Edición. [3] Tutorial Matlab 7, Image Procesing Toolbox .
[4] DONG J., Image Filtering, Serenade Laboratory [5] PAYNE D., How to Create an Anaglyph in the Gimp. Visitar www.about.com
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