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Los secretos de la estereoscopía
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR EN INGENIERÍA INFORMÁTICA (ETSII)
MASTER EN INFORMÁTICA GRÁFICA,
JUEGOS Y REALIDAD VIRTUAL
Marcos García marcos.garcí[email protected]
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Historia
• Siglo II: Claudius Galenus
• Siglo III: Euclides
• Siglo XV: Leonardo da Vinci
• Siglo XVII: François d'Aguilon -> Opticorum Libri Sex philosophis juxta ac mathematicis utiles
• 1833: Sir Charles Wheatstone primer estereoscopio
• 1849: Sir David Brewster crea un estereoscopio que funciona con fotografías
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Historia
• 1858: Joseph d’Almeida primer sistema anaglifo.
• 1885: Etienne Jules Marey aplica el estero a sus imágenes en movimiento
• 1903: L’Arrivée du train, primer corto en 3D de los hermanos Lumiere
• 1915: Primer corto comercial.
• 1922: Primera película 3D: The Power of Love.
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Historia
• 1922: Prizma Color y Teleview
• 1935: Propaganda Nazi
• 1936: Se aplican los filtros polares al mundo del 3D
• 1952-1955: Bwana Devil, Dial M for Murder …
• 1982: Se emite un programa de TV en 3D
• 1986: IMAX
• 2010: Se emite un evento deportivo. Se venden televisores 3D de forma masiva.
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RV
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¿Podemos confiar en nuestros
sentidos?
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¿Cómo percibimos la profundidad?
http://www.youtube.com/watch?v=bBQQEcfkHoE
http://www.youtube.com/watch?v=Jd3-eiid-Uw
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Fundamentos de la visión estéreo
• Nuestros ojos captan dos imágenes desde dos puntos de vista distintos – Depende de la separación intraocular (DIO)
• Entre 45-75mm (65mm es lo habitual)
– Disparidad o divergencia: entre las dos imágenes existen diferencias en la dirección horizontal
• Son interpretadas como una única imagen, información de la distancia (fusión y estereopsis)
• La sensación de profundidad depende de la disparidad y la disparidad de la DIO – A mayor DIO mayor disparidad, mejor captación de la profundidad en
objetos lejanos
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Pequeño experimento
Los ojos convergen en el pulgar.
El fondo se ve doble
Los ojos convergen en el fondo.
El pulgar se ve doble
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Fundamentos de la visión estéreo
• Convergencia: punto en el cual intersecan los ejes ópticos
– Punto de divergencia 0
– En puntos muy alejados los ejes ópticos son casi paralelos
– La divergencia nunca se produce
– A partir de ciertas distancias no se distingue la profundidad • Depende de las personas
• Entre los 60 y 100m
• Acomodación: enfoque óptico de un punto
• Fusión: proceso conjunto de acomodar un punto y hacer converger los ejes ópticos en él
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Imagen estéreo
• Llamaremos imagen estéreo a la fusión de la imagen del ojo derecho con la imagen del ojo izquierdo
• Cada una de los dos elementos que componen la imagen estéreo recibe el nombre de campo
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Parámetros estéreo
• Distancia intraocular (DIO)
• Distancia al centro de proyección (d)
• Paralaje (Paralax) – Depende de los
factores anteriores
• Traslación horizontal de la imagen HIT
DIO
d
Plano de proyección
Cámara Izquierda
Cámara Derecha
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Paralaje
• Paralax: distancia entre las dos proyecciones de un punto en el plano de proyección
• Disparidad: distancia entre las dos proyecciones de un punto en las retinas
• Paralax Disparidad Fusión Estéreopsis
• Depende de
– La distancia intraocular
• A más DIO más paralax
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Paralaje
• Tipos de paralaje
• Según el eje – paralaje horizontal
– paralaje vertical (no debe producirse)
• Según la distancia – Cero paralaje: El punto se encuentra sobre el plano de
proyección. (ZPS: Zero Parallax Setting)
– Paralaje positivo. El punto se encuentra detrás del plano de proyección.
• Divergente: no debe producirse
– Paralaje negativo
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Paralaje
paralaje Positivo Cero paralaje paralaje Negativo
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Horizontal Image Translation
• Traslación horizontal de los campos del par estéreo
• Parámetro de ajuste (tunning)
• HIT paralax
– HIT no depende de la distancia
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Problemas a tener en cuenta
• Relación acomodación/convergencia
• Imágenes congruentes
• Bordes
• Imágenes cruzadas
• Paralaje vertical y divergente
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Relación
acomodación/convergencia
• Punto de enfoque Punto de convergencia
• Acomodación en la pantalla
• Puede estar por delante o por detrás
• No hay problema para puntos con 0 paralax
• Produce – Dificultades en la fusión
– Incomodidad
Acomodación
Convergencia
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Relación
acomodación/convergencia
• El efecto depende de:
– La persona
• En niños y gente que trabaja con imágenes estéreo e problema es menor
– Depende de la escena que visualicemos
– Del tamaño de la pantalla (mejor cuanto más grande)
– De la distancia al plano de proyección (mejor cuanto mayor)
– Del tipo de paralaje (mejor el paralaje positivo)
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Relación
acomodación/convergencia
• Se intenta que el paralaje no exceda los 1’5º
1’5º d
Max paralax
Max paralax = 2*d*tan (1’5º/2)
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Imágenes congruentes
• Las dos imágenes deben tener
– Congruente brillo
– Igual intensidad
– Igual contraste
• Deben mostrar la misma escena
• Provoca
– Dificultades en la fusión
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Bordes
• Las imágenes que no están totalmente contenidas en la pantalla dan problemas
• Imágenes con paralaje negativo – El paralaje indica que el objeto está delante de la
pantalla
– El corte con el borde indica que está detrás
– Son más tolerantes al recorte horizontal que al vertical
• El paralaje positivo no es un problema
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Paralaje vertical o/y divergente
• Nunca debe de producirse
• Provoca
– Dificultades en la fusión
– Incomodidad (incluso malestar)
– Obliga al ojo a realizar un movimiento no natural
• Se produce por
– Movimientos del usuario
– Utilización de algoritmos equivocados
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Imágenes cruzadas
• Este efecto se produce cuando un ojo ve una imagen que no le corresponde
• Se produce el efecto de imagen fantasma o ghosting
• Se debe a problemas tecnológicos
– Problemas con los filtros (movimientos del espectador)
– Problemas de sincronización con los dispositivos
– Problemas de latencia de la pantalla o los proyectores
– …
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Ortoesterografía
• Buscar imágenes isomorfas con el mundo real
• Requiere conocer la posición del usuario
• Imposible si hay mas de un espectador
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Como mejorar las sensaciones del usuario
• No buscar la ortoesterografía
• Controlar el paralaje – Central el objeto principal en el plano de proyección
• Alejar al espectador de la pantalla – Situación respecto la pantalla
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Como mejorar las sensaciones del usuario
• Estresar la perspectiva
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Efecto ventana
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Efecto ventana
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Tipos de dispositivos
• Dispositivos activos – Muestran alternativamente los campos de una imagen
estéreo
– Requieren mecanismos de sincronización costosos
– Los proyectores son baratos
• Dispositivos pasivos – Las dos imágenes son mostradas a la vez
– No requieren mecanismos de sincronización
– Los proyectores son caros
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Tipos de dispositivos
• Anaglifo
• HMD
• Proyectores – Pasivos: 2 proyectores
• Filtros: – Polares
– Cromáticos
– Activos: más de 200Hz • Señal de sincronización infrarroja.
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Tipos de dispositivos
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Tipos de dispositivos
http://eu.trioviz.com/fr
red-green pure red pure green monochrome
red-blue pure red pure blue monochrome
red-cyan pure red pure cyan (green+blue)
color (poor reds, good greens)
anachrome dark red cyan (green+blue+some red)
color (poor reds)
mirachrome dark red+lens cyan (green+blue+some red)
color (poor reds)
Trioscopic pure green pure magenta (red+blue)
color (better reds, oranges and wider range of blues than red/cyan)
INFICOLOR complex magenta complex green
color (almost full and pleasant natural colors with excellent skin tones perception)
ColorCode 3D amber (red+green+neutral grey)
pure dark blue (+optional lens)
color (almost full-color perception)
magenta-cyan magenta (red+blue) cyan (green+blue) color (better than red-cyan)
Infitec white (Red 629 nm, Green 532 nm, Blue 446 nm)
white (Red 615 nm, Green 518 nm, Blue 432 nm)
color (full color)
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Tipos de dispositivos
• Televisiones actuales: – Pasivos: 2 leds por color y punto.
Cromáticos.
– Activos: frecuencias superiores a 200Hz
• Monitores auto estereoscópicos: – Sistema pasivo sin gafas
• Sistemas volumétricos [X,X]
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Formatos
• Líneas entrelazadas
• Above-below
• Syde-by-side
• Red-Cyan
• Quadbuffer
• Otros (White line code)
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Líneas entrelazadas
• Se utilizan la líneas pares para un campo y las líneas impares para el otro campo
• Problemas
– Reduce la definición vertical (menos puntos por columna)
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Above-below
• Se divide el área de renderizado verticalmente
• Debe introducirse como parámetro el tamaño de la línea de separación de campos
• Problema
– Pérdida de resolución horizontal
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Above-below (II)
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Syde-by-side
• Se divide le área de renderizado horizontalmente colocando un campo al lado del otro
• Debe introducirse como parámetro el tamaño de la línea de separación de campos
• Problema – Pérdida de resolución vertical
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Syde-by-side (II)
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Red-Cyan
• Un campo se pinta con tonalidades de rojo y el otro con tonalidades de cian
• Problemas
– Suele darse el fenómeno de ghosting
– Se pierde congruencia entre los campos de la imagen estéreo
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Quadbuffer
• Extensión del doblebuffer para estéreo
• Se utilizan dos buffers para cada campo
• Problemas
– Necesita sincronización hardware
– Necesita una tarjeta con velocidades de refresco altas
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Implementación
• Implementación para sistemas con dos planos de proyección (HMD)
• Implementaciones para sistemas con uno único
– Toe-in
– Off-axis
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Implementación para sistemas con
dos planos de proyección
DIO
Cámara Izquierda
Cámara Derecha
• Proyección sobre dos cámaras
– Separadas una distancia DIO
– Con la misma orientación
• Parámetros
– Distancia intraocular (DIO)
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Toe-in
• Proyección sobre dos cámaras – Separadas una distancia DIO – Orientadas hacia el centro del
plano de proyección
• Orientación
• Parámetros – Distancia intraocular (DIO) – Distancia al plano de
proyección (d)
• Este método introduce paralaje vertical
)2
arctan(º90DIO
d
DIO
Plano de proyección
α
β
d
DIO/2
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DIO
Plano de proyección
Toe-in
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Off-axis
• Centro de proyección estéreo (SCOP)
w
h
h
d
SCOP
w
d
SCOP
)2
arctan(2d
w
)2/tan(
)2/tan(
h
wa )
2arctan(2
d
h
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Off-axis
• Centro de proyección del campo izquierdo (LCOP)
w/2+DIO/2
d
LCOP
q
DIO
r
t
)2
)2/tan(arctan()2
arctan(
))2/tan('arctan(
)2
)2/tan(arctan()2
arctan(
2
)2/tan(
)2/tan('
d
DIOa
d
DIOw
a
d
DIOa
d
DIOw
h
DIOa
h
DIOwa
r
q
q
qt
t
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Off-axis
Off-axis
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Off-axis
• Proyección sobre dos cámaras
– Separadas una distancia DIO
– Con la misma orientación
• Parámetros
– Distancia intraocular (DIO)
– Distancia al plano de proyección (d)
– Ángulo de apertura vertical () o tamaño de la pantalla
– Relación altura (h) anchura (w), aspect-ratio (a=w/h)
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Off-axis
• Creación del frustrum en openGl
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Off-axis
• Creación del frustrum en openGl
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Dudas ???
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Bibliografía
• Virtual Reality Technology (Second Edition) Grigore C. Burdea, Philippe Coiffet Ed. Wiley-IEEE Press, 2003
• http://www.cs.unc.edu/Research/stc/FAQs/Stereo/stereo-handbook.pdf
• http://local.wasp.uwa.edu.au/~pbourke/projection/stereorender/ – Calculating Stereo Pairs
– 3D Stereo OpenGL example
– A portable rear projection stereoscopic display
• http://www.captain3d.com/stereo/html/tutorial.html