En verden i 3D fortid, nutid, fremtid Hanne Brande-Lavridsen Aalborg Universitet August 2004
Titel: Forfatter: En verden i 3D fortid, nutid, fremtid Hanne Brande-Lavridsen, lektor Forskningsgruppen GIM (GeoInformation og Medieteknologi) ved Aalborg Universitet Dato: August 2004 Anledning: Livslang Læring 2004 Udgiver: Institut for Samfundsudvikling og Planlægning Aalborg Universitet Fibigerstræde 11 9220 Aalborg Øst ISBN: 87-90893-78-6 Tilgængeligt på: http://www.land.aau.dk/~hbl/ Forside: 3D-laserskanning af Aalborg bymidte /COWI/
En verden i 3D fortid, nutid, fremtid Hanne Brande-Lavridsen Institut for Samfundsudvikling og Planlægning Aalborg Universitet e-mail: hbl@land.aau.dk Prolog De højere dimensioner og menneskets bevidsthed. Den 0-dimensionale verden Din bevidsthed er begrænset til det punkt du står i. Hvad der sker omkring dig er ubekendt. Oplevelsesverdenen er meget begrænset. Den 1-dimensionale verden Din bevidsthed bevæger sig nu ud af en linie. Det er dog kun muligt at se frem eller tilbage. Synsfeltet og oplevelsesverdenen har ikke mulighed for at erkende flader. Den 2-dimensionale verden Nu udvider du bevidstheden til også at kunne se til siden. Der er nu tale om en bevidsthed med to dimensioner og det er muligt at erkende frem/tilbage og højre/venstre - helt svarende til fladen af et objekt. Du har dog ikke mulighed for at erkende højden eller dybden af objektet. Den 3-dimensionale verden Nu udvider du bevidstheden til også at kunne se op og ned. Der er nu tale om en bevidsthed i tre dimensioner og det er muligt at erkende objekters rumlighed og masse. I den rumlige (tredimensionale) verden vil du føle dig mere tilpas. Bevægelse er dog ikke mulig. Den 4-dimensionale verden Prøv at forestille dig en verden, hvor du, udover at registrere de tre fysiske dimensioner længde, bredde og højde, også registrerer bevægelser og forandringer over tid. Først i det øjeblik, hvor du inddrager tiden (den fjerde dimension) som en faktor, udvider du bevidstheden til den virkelige verden, som du kender. Meget frit efter P.D. Ouspenski - Russisk filosof,1878 1947 3
Hvorfor 3D? I dag har anvendelsen af 3D 1 -grafik og interaktive 3D-modeller givet os ny måder at forme, analysere og præsentere komplekse projekter på. Projekterne kan spænde lige fra placering af infrastrukturer i landskabet (veje, broer, vindmøller, elmaster m.m.) over helhedsorienteret byfornyelse, design af udstillinger, industriel design og produktudvikling, militære aktiviteter til komplicerede operationer i menneskelige organer. Eksempler på 3D-modeller sakset fra Internettet Også overfor menigmand har 3D-værktøjerne haft en effekt. Vi kan tale om en demokratisk effekt, idet almindelige borgere gennem visualiseringer af alternative forslag til f.eks. en lokalplan eller et nybyggeri, kan få mulighed for at påvirke hhv. politikerne og bygherrerne. Men vi kan også tale om en underholdningsmæssig effekt i form af 3D-computerspil, virtuelle udstillinger og 3D-film og fjernsyn. Når vi snakker 3D kan der således både være tale om selve 3D-objektet (fra atom over landskab til rummet), hvordan 3D-objektet fremstilles eller opmåles samt hvordan det siden vises og opfattes i forskellige medier. Denne artikel handler primært om det sidste. 3D-teknologien har haft sine op- og nedture, siden de gamle grækere for første gang beskrev begrebet stereo 2 syn (binokulært 3 syn eller 3D-syn alt efter hvilken faggruppe eller tidsalder man befinder sig i), til i dag, hvor alt i princippet kan kortlægges og senere vises i 3D på autoskopiske 4 computerskærme, som ikke kræver eksternt udstyr i form af specialbriller m.m. Hvad er stereosyn? Vi lever, som de fleste af os har erfaret, i en rumlig (tredimensional) verden. Uden at kunne opfatte det rumlige er vi ikke i stand til at bevæge i rummet, opfatte størrelsesforhold og bedømme afstande. Vores perception (opfattelse) af det rummet og rumlige objekter afhænger næsten udelukkende af vores seende øjne. 1 3D tredimensional 3-dimensional betyder som fremtræder i eller giver indtryk af tre dimensioner (højde, længde, bredde eller højde, bredde, dybde) 3D refererer til det rumlige. 2 Stereo(s) er græsk og betyder rumlig eller legeme. Når vi i dag anvender ordet stereo, tænkes først og fremmest på lyd (stereofoni), men oprindelig var ordet synonymt med stereoskopiske billeder i form af enten tegninger eller fotografier. For at undgå misforståelser bruger vi i dag som oftest termen 3D (3D-billeder, 3D film etc.). 3 Binokulær betyder oprindeligt med to øjne I dag bruges ordet i betydningen som er udstyret til to øjne f.eks. en binokulær kikkert. 4 På autoskopiske skærme vises to let forskudte billeder, som sikrer at venstre og højre i kombination opfatter dybden i billedet. 4
Der er flere måder, hvormed man kan orientere sig i rummet, f.eks. ved hjælp af perspektivet, farver og graduering af farver samt kontraster. Vores syn og hermed vores billede af vores omgivelser er således også afhængig af det lys (den stråling), der rammer vores øjne. Lyset er for hovedpartens vedkommende refleksioner af sollys eller kunstigt lys fra objekter og genstande, som omgiver os. Alle som holder en finger lodret i kort afstand fra sit ansigt og skiftevis åbner og lukker hhv. venstre og højre øje vil se. at fingeren hopper i forhold til baggrunden. Årsagen er, at vi, ligesom mange andre levende væsener, har to øjne, som begge ser i samme retning fra deres forskellige positioner. Den lille forskel mellem de to billeder, som ses af hhv. det venstre og det højre øje bliver via nethinden (retina) overført til vores hjerne, som herefter transformerer de to simultane synsindtryk til én rumlig (stereoskopisk) repræsentation. Vi ser således ikke kun højder og bredder men også dybder (perspektiv). Dette fænomen kaldes stereosyn. Lukker vi det ene øje forsvinder noget af rumligheden og dermed vores evne til at bedømme afstande og gribe ting. Vores stereosyn er afhængigt af, om vi dels er raske og dels har to seende øjne. En del ellers raske toøjede folk kan dog have defekter i øjnene, som forhindrer et stereoskopisk syn. Ca. 5% af befolkningen har visuelle defekter, som gør et stereosyn ekstremt vanskeligt, yderligere 12 % har andre problemer med deres binokulare syn. En stor del af de sidstnævnte kan dog trænes op til at se stereo. I princippet skulle enøjede personer ikke kunne opfatte verden som rumlig, men alligevel kan de også træne sig op til at bevæge sig sikkert i rummet. Det skyldes blandt andet, at vi ikke fødes med et stereoskopisk syn, det er noget små børn lærer sammen med andre færdigheder som f.eks. at gå og at tale. Princippet for stereosyn. Tegningen til højre er udført af Alhazan (se efterfølgende). Vore rumlige syn er størst indtil en afstand på 50 60 meter. Herefter aftager vores rumlige syn betragteligt. Det skyldes, at forskellen mellem de billeder, som hhv. det venstre og højre øje ser, bliver mindre og mindre, jo større afstanden bliver. Stereobetragtning og Stereobetragtere Indtil det 19. århundrede var det tredimensionale syn et mysterium. Den første, som beskrev fænomenet stereosyn var den gamle græker Euclid, som i det 3. århundrede f. kr. fremførte, at det lys, der ramte øjet, dannede et fladt billede inde i øjet og derfor ikke var nok til at forklare stereosynet. Euclids teori var, at øjet udsendte nogle stråler, som blandet med det lys øjet modtog udefra, dannede stereosynet (kaldet emissionsteorien). Den arabiske videnskabsmand Alhazan (Ibn Al-Haytham), som levede i det 11. århundrede, tilbageviste imidlertid emissionsteorien og fremkom med en ny teori gående ud på, at det alene var 5
lyset, der kom ind i øjet, der dannede vores stereosyn (perceptionsteorien). Alhazan var den første, som beskrev forskellige binokulære fænomener, herunder den stereometriske optik. Hans arbejder blev imidlertid negligeret indtil 1800-tallet. I de mellemliggende år, nærmere betegnet i 13- og 1400-tallet begynder italienerne for alvor at udnytte stereoprincippet, dog i form af perspektivtegninger, som tilføjede kunstige dybder til almindelige flade billeder. Perspektivtegningerne blev fortrinsvis brugt i forbindelse med datidige malerier i kirker, men man har også eksempler på, at perspektivet har været anvendt tidlige bl.a. i forbindelse med vægtegninger fra Pompeji. Maleren Filipo Brunelleschi var den første, der anvendte det centrale, lineære perspektiv i sine malerier, inspireret af landsmanden Leon Battista Alberti, som beskrev den matematiske teori bag metoden i 1435. Eksempler på perspektivtegning Perspektivtegningerne skabte for første gang billeder med en realistisk gengivelse af virkelighedens perspektiv (en 3D-fornemmelse) og principperne for perspektivtegninger har siden hen været flittigt brugt af kunstens og arkitekturens verden. Af malere, der udnyttede Albertis teorier, kan nævnes Leonardo da Vinci og Albrecht Dürer, som begge havde deres virke i slutningen af 1400-tallet og begyndelsen af 1500-tallet. Leonardo da Vinci beskrev desuden den binokulære dybdeperception (3D-opfattelsen) i et af sine litterære værker. Andre forsøg med stereotegninger blev udført i de efterfølgende århundrede, men uden den store interesse Det blev den engelske fysiker Charles Wheatstone, der i 1838 fik æren af beskrivelsen af det binokulære eller stereoskopiske princip. Wheatstone var den første person, som gennem fysiske eksperimenter beviste, at vi, på grund af vores to øjne, kan opfatte dybder, dvs. at stereoperception er et resultat af et binokulært syn. Det skete gennem forsøg med kunstige verdener. Han lavede flere simple tegninger på pap af det samme objekt (blandt andet to lodrette, parallelle streger med forskellig afstand, sådan som de ville kunne ses på forskellig afstand 5 ). Disse tegninger blev placeret overfor hinanden i en specialdesignet kasse forsynet med to spejle. Resultater var, at stregerne i tegningen så ud til at ligge i forskellig afstand fra betragteren. 3D-illusionen fungerede således. Til ære for de gamle grækere, som første gang havde beskrevet fænomenet, kaldte han sin kasse et stereoskop 6 ( i visse litteraturkilder benævnt som en stereograf 7 ). I dag går Wheatstones opfindelse under betegnelsen spejlstereoskop. 5 Senere kaldet Wheatstones stereogram. Wheatstone beskriver selv fænomenet således "If two vertical lines near each other, but at different distances from the spectator be regarded first with one eye and then with the other...". "Now if the two lines be drawn on two pieces of card, at the respective distances at which they appear to the eye, and these cards be afterwards viewed by either free viewing with or with viewing aids the observer will no longer see two lines on a plane surface, as each card separately shows; but two lines will appear, one nearer to him than the other, precisely as the original vertical lines themselves." 6 Et stereoskop er et apparat, der får flade billeder til at fremtræde rumlige. 7 En stereograf (graphos = at tegne) er i dag benævnelsen på et ældre fotogrammetrisk instrument anvendt til udtegning af kort. Fotogrammetri er læren om kortlægning ud fra fotografier taget fra fly (flyfotogrammetri) eller fra jorden (terrestrisk fotogrammetri). 6
Figuren til venstre viser princippet for Wheatstones spejlstereoskop. Figuren til højre viser to af Wheatstones stereotegninger. Ved at anvende cross eye-metoden skulle det kunne lade sig gøre at se figurerne i stereo. Med nogen øvelse kan man dog lære at se stereobilleder uden brug af stereoskop Det letteste er at ombytte højreøjebillede og venstreøjebillede og betragte stereobillederne med krydsende øjenakser (cross-eye metoden). Man opnår dog aldrig den samme rumlige virkning, som ved brug af passende udstyr. Folk var begejstrede for den visuelle rumlighed, Wheatstones opfindelse afstedkom. Man kan så spørge sig selv, hvorfor teknikken ikke var beskrevet noget før, idet matematikken i princippet havde været tilgængelig siden Euclid. Man kan næsten drage paralleller til vore opfattelse af jorden gennem tiderne. De gamle grækere beskrev den runde jord, men kristendommen og den mørke middelalders opfattelse af jorden og universet var, at jorden var en flad skive og himlen verdens centrum. Der skulle en renæssance til, før antikkens naturvidenskab blev anerkendt og taget til nåde igen, dog tilføjet nye teorier og ideer. Blot et år efter at Wheatstone havde publiceret sin opdagelse, udviklede franskmændene Louis Daguerre og Joseph Niépce den fotografiske teknik, som siden tog verden med storm. De første fotografiske billeder kaldtes daguerreotypier. Wheatstone var hurtig til at udnytte fotografiets opdagelse og han tog initiativ til, at de første stereoskopiske fotografier blev taget. Imidlertid duede hans oprindelige stereoskop ikke til at gengive disse fotografiske billeder på grund af deres meget blanke overflade (tyndt sølvlag på en kobberplade). Billederne krævede lysindfald fra én bestemt retning for at kunne ses, og i Wheatstones stereoskop kom lysindfaldet fra mange sider. Et andet problem var, at alle daguerreotypierne for det meste var unikke, idet det var meget besværligt at fremstille kopier af dem. Dette problem blev først løst, da englænderen Henry Fox Talbot et par år senere begyndte at benytte lysfølsomme filmhinder på blandt andet glasplader (kaldet talbottypier eller calotypier), hvorfra der senere kunne fremstilles utallige kopier. Manden, der 10 år senere løste problemet med Wheatstones stereoskop, blev skotten David Brewster. Det ny design var baseret på tre forbedringer. For det første blev højre og venstre billede placeret ved siden af hinanden og forstørret ved hjælp af to linser. For det andet var udstyret mindre og lettere end Wheatstones og endelig blev de fotografiske billeder placeret i en mørk kasse, hvor de blev belyst optimalt ved hjælp af spejle. Brewster kaldte sin opfindelse et lentikulært stereoskop (linsestereoskop). Brewster tildeles også æren af at have beskrevet det første stereokamera. Brewsters linsestereoskop samt stereokamera 7
Ingen i England var dog interesseret i Brewsters opfindelse, men et fransk optikerfirma (Soleil & Dubosq) så heldigvis potentialet og startede en produktion. Stereoskopet blev vist på den franske stand på den store verdensudstilling i Crystal Palace i London i 1851, hvor Dronning Victoria blev dybt fascineret af de stereoskopiske billeder. Da dette blev kendt i den engelske befolkning, skulle alle familier med respekt for sig selv også have et stereoskop. Produktionen blev herefter taget op af flere engelske firmaer og det fortælles, at der i løbet af de næste tre måneder blev solgt 200.000 stereoskoper. Stereomanien var født! Senere bredte manien sig til resten af Europa og den ny verden, primært USA. Forskellige former for stereoskoper så i de kommende år dagens lys. Fælles for dem var, at de var ret store, primært i form af bordmodeller. Det blev den amerikanske læge Oliver Wendell Holmes, der i 1861 introducerede det både lettere og billigere håndholdte stereoskop, som efterfølgende og helt op til 1940 blev produceret af adskillige firmaer i såvel USA som Europa. Fra da af blev de fleste stereofotografier (se efterfølgende) fremstillet i Holmesformat som er 9x18 cm. Omtrent samtidig med Holmes stereoskop blev det sammenklappelige stereoskop introduceret. Eksempler på småstereoskoper til venstre Holmes håndholdte stereoskop til højre et sammenklappeligt stereoskop I dag kan kopier af Holmes lommestereoskop stadig købes som samlesæt. Den nutidige stereoskopiske tradition er dog mest udbredt i form af View Master stereoskoper (Viewers), Cyberhjælme, 3D billeder, 3D film, 3D computerspil m.m. (herom senere). Stereofotografier og -kameraer Men ingen stereobetragtere (stereoskoper) uden tilhørende stereotegninger eller stereofotografier, tilsammen ofte benævnt stereogrammer. Eksempler på stereogrammer/ www.geocities.com/stereoskopklubben/stereogrammer.htm/ 8
De første stereofotografier blev taget med et enkeltlinsekamera, som efter at det første billede var blevet taget, blev forskudt 63,5 mm sideværds, svarende til den gennemsnitlige afstand mellem et par øjne. Normalt foregik det ved, at man flyttede vægten fra den ene fod til den anden, men det var meget vigtigt, at den rigtige afstand blev holdt, da det stereoskopiske billede ellers ikke kom til at se realistisk ud. På grund af den lange eksponeringstid, som var nødvendig på dette tidspunkt, var det kun muligt at tage billeder af fænomener, der ikke bevægede sig, så som bygninger og statuer. Først da stereokameraet i 1860 erne kom på markedet og ny filmtyper 8, som blandt andet gjorde, at eksponeringstiden blev væsentlig kortere, kom til, kunne man også begynde at tage billeder af fænomener, der bevægede sig. Alle billeder var i sort/hvid, men man fandt hurtigt ud af at håndkolorere billederne, så de kom til at ligne virkeligheden lidt mere. Mange fotografer så potentialet i stereobilleder og rejste verden rundt og fotograferede fremmede landes kulturer og folk. Senere kom mere underholdende billeder til, såsom eventyr, letpåklædte damer samt komiske - og uhyggelige scener. Også alvorlige stereofotografier fandt vejen til de små hjem såsom optagelser af kriges rædsler og naturkatastrofer som oversvømmelser, jordskælv o. lign. Nævnte kan sammenlignes lidt med den måde, hvormed vi får nyhederne i fjernsynet i dag, dengang dog med nogen forsinkelse. Et enkelt firma Underwood & Underwood producerede ved indgangen til det 20.århundrede 25.000 stereogrammer om dagen. Havde man ikke selv et stereoskop, kunne man besøge et af de 3D-billedteatre (Diaramaer eller Panoramaer), som besøgte Europas storbyer mellem 1880 og 1920. 3D teater. Teatret kunne tage ca. 25 personer ad gangen, som hver kunne se sin egen forestilling. Fra 1920 erne blev der solgt lige så mange stereokameraer som almindelige kameraer og almindelige folk begyndte at producere deres egne stereobilleder. Takket være de ny teknikker blev sloganet No home without a stereoscope snart en realitet for mange mennesker. Man kan sige, at stereoskopet sammen med stereokameraet og egne stereobilleder kan sammenlignes med vore dages video 9 optagelser og videofremvisere. Sidstnævnte kan dog sjældent betragtes stereoskopisk endnu. Tre eksempler på stereokameraer: et fra 1920 erne og to fra i dag. 8 Filmtyper: kobberplader blev afløst af glasplader, som senere blev afløst af celluloid. Samtidig blev den kemiske sammensætning af filmemulsionerne forfinet. 9 Video betyder jeg ser 9
Også mange fagområder så tidligt potentialet i stereobilleder. Til brug for undervisningen i anatomi for kommende læger m.fl. blev der bl.a. fremstillet et anatomisk 3D-atlas. Og brugen af stereobilleder i forbindelse med topografiske kortlægninger startede allerede i 1920 erne (læs herom senere). I dag er det, så vidt jeg har kunnet få oplyst, kun en fabrik i Ukraine, som stadig producerer traditionelle stereokameraer til privat brug. De sidste skud på stammen dog er sammenbyggede spejlreflekskameraer eller digitale stereokameraer. Har man ingen af delene, kan man jo prøve at benytte sit sædvanlige enøjede kamera og ændre vægten på fødderne mellem de to optagelser. En anden mulighed er at montere kameraet på et stativ med en skinne, hvorpå det kan forskydes de nødvendige 63,5 m.m. I mange år var Holmes-formatet, som blev nævnt tidlige, standarden for stereogrammer. Med udviklingen af kameraer til 35 m.m. standardfilm fulgte imidlertid også en tilsvarende udvikling af stereoskoper (bl.a. Realist vieweren) til stereoslides (diapositiver monteret i rammer af karton eller plastik) i formatet 4,1x10,1 cm, det såkaldte Realist-format. På Internettet kan man finde adskillige sites, som beskriver, hvordan man kan producere egne tegninger og fotografier til stereobetragtning, blandt på computerskærme. View Master To ting blev årsag til en dalende interesse for stereoskopi, dels den levende films stigende popularitet, dels mulighederne for at gengive fotografier i trykte medier som aviser og magasiner. Men selvom produktionen af lommestereoskoper stoppede i 1940, fortsatte interessen for stereobilleder dog. Billigudgaven af stereoskopet View Master blev utrolig populær i selv de fjerneste egne på kloden. View Masteren blev opfundet sidst i 1930 erne af den tysk-amerikanske altmuligmand Willian Gruber og produceret og lanceret af postkortfirmaet Sawers i USA. Udstyret var simpelt og transparente stereobilleder blev placeret på en rund papskive (billedhjul), som kan rumme op til syv stereopar. View Masteren Under anden verdenskrig så det amerikanske militær potentialet i View Masteren til træning af soldater i at genkende fjendtlige skibe og fly. Også efter krigen, specielt i 60 erne og 70 erne, vedblev View Masteren at være populær, specielt blandt den brede befolkning. Ikke kun voksne havde fornøjelse af View Masteren, men også børn. Det husker jeg selv fra min egen barndom, hvor eventyr med dybe billeder var et hit. View Masteren markedsføres den dag i dag (af legetøjsfirmaet Fisher-Price) og det er stadig muligt at få stereobilledhjul. Især Disney- og Barbiebilleder er populære. 10
Sawersfirmaet begyndte i 1950 erne at fremstille bøger med stereoskopiske illustrationer. En af de mest kendte er 600-siders værket Mushrooms in their Natural Habitats, som det tog 10 år at fotografere og fremstille. Til bogen hører en View Master og 33 billedhjul. En speciel form for stereogrammer, kaldet auto- eller free viewing stereogrammer, idet der ikke kræves anvendelse af specialudstyr, er blevet populære de sidste 20 år. Stereogrammet er bygget op omkring et gennemgående mønster med form som en smal, lodret spalte. Dette mønster gentages et antal gange, så man får et billede opbygget af en masse lodrette spalter ved siden af hinanden. Eksempler på autostereogrammer sakset fra Internettet Mønstret gentages ikke helt bevidstløst, der indføres små ændringer, så hver spalte varierer en smule i forhold til naboen. Hvis man ser på stereogrammet, som man ser på et almindeligt billede, dvs. med øjnene rettet mod samme fysiske punkt - så ser man kun et fladt billede. Man er nødt til at udvikle en stirreteknik. Sagen er, at man skal have øjnene rettet mod "samme" punkt i hver sin spalte. Og hvordan man så får øjnene til at gøre det, ja det er svære. Der er to metoder. Man kan enten holde stereogrammet helt op til ansigtet, og derefter langsomt flytte det væk fra sig. Eller man kan forestille sig, at man stirrer mod uendeligt, men det er efter min erfaring svært. Projektioner i 3D Wheatstones beskrivelse af måden, hvormed man kunstigt kan genskabe den rumlige virkelighed, har haft stor betydning for både foto-, film- og computerindustrien. Et almindeligt billede på papir, film eller et andet medium er normalt kun et fladt billede. Ved at tegne eller fotografere et motiv forskudt kan vi imidlertid, som tidligere nævnt, teknisk skabe et rumligt billede gennem anvendelse af et stereoskop. Stereobetragtningen var imidlertid begrænset til normalt én person ad gangen. Stereo Stereoeffekt baseret på anaglyfmetoden Allerede i 1858 beskrev franskmanden Joseph d Almeida en metode 10, hvormed man på et lærred kunne projicere to transparente sort/hvide stereobilleder gennem to filtre med forskellig farve og 10 Ifølge visse tyske kilder udviklede tyskeren Wilhelm Rollmann princippet sideløbende med d Almeida. 11
efterfølgende opnå en stereoeffekt. Ved at bruge farverne cyan (blågrøn) og rød kom der to forskudte billeder i de to farver på lærredet og ved hjælp af briller med glas med matchende farver (som da de er komplementærfarver, blokerer for hinandens gennemstråling) modtog hvert øje kun billedet i sin egen farve. Hjernen sammensmeltede efterfølgende de to farvede billeder til et tredimensionalt sort/hvidt billede 11. 3D projektion ved anaglyfmetoden anno 1890 D Almeidas system, som blev kaldt anaglyf 12 metoden, fungerede i teorien, men det var straks meget sværere at føre systemet ud i praksis. Anaglyfmetoden blev dog efterfølgende forfinet og anvendt bl.a. i forbindelse med 3D-billeder på papir f.eks. i bøger, magasiner og aviser. 3D-film For at kunne skabe en tredimensional effekt i forbindelse med levende billeder (film) har man gennem tiderne benyttet sig af forskellige systemer. Alle involverer simultane projektioner på et lærred af hhv. et højreøjebillede og et venstreøjebillede og alle kræver anvendelse af specielle briller for at opfatte dybdevirkningen. Uden briller vil man se dobbelt på lærredet. Hvert glas i brillerne skal, alt efter hvilket system, der anvendes, enten have forskellige farver eller filtre, som blokerer for hhv. det ene og det andet af de to billeder. De første levende billeder 13 kunne ses i 1892, hvor franskmanden Emile Reynard introducerede begrebet biograf. Den første offentlige filmforevisning, som blev starten på en ny verdensomspændende industri, skete i Paris samme år. I 1895 udviklede brødrene Louis og Auguste Lumière Cinematografen, et apparat, der både kunne optage og vise film. De første filmforevisninger foregik ikke som i dag ved en projektion op på et lærred, men gennem en specialbygget betragter. Dette begrænsede publikums antal betydeligt. De første spæde forsøg med stereoskopiske film fandt sted allerede ved overgangen til 1900-tallet, bl.a. optog filmpioneren William Friese-Green den første stereoskopiske film i Hyde Park i London. I 1903 viste brødrene Lumiere filmen l arrive de Train, som varede 1 minut. Det siges, ar publikum var rædselsslagne over effekten med det frembrusende tog. Filmene (eller rettere to film) blev optaget med et kamera med to linser i en afstand fra hinanden svarende til øjenafstanden. 11 Ifølge farveteorien bliver billedet sort/hvid fordi cyan lys (= en blanding af blåt og grønt lys) + rødt lys = hvidt lys. Sort er fravær af lys. 12 Ved anaglyfmetoden bliver hver enkelt billede sammensat af to (venstre øje og højre øje) billeder, som farvekodes i hhv. en cyan (blågrøn) og rød farve. 13 For at film (levende billeder) skal se naturlige ud, skal der vises 60 billeder pr. sekund. Ved 60 billeder pr. sekund opfatter hjernen ikke, at der er tale om en række af enkeltbilleder. 12
Problemet for filmindustrien var imidlertid at finde et medium, som dels gjorde det muligt, at hvert øje kunne modtage hvert sit billede og dels gjorde det muligt at vise film for et større publikum ad gangen. Som en start blev anaglyfmetoden gravet frem, og den første korte 3D-film, visende scener fra New York, havde premiere i 1915. Flere fulgte efter de kommende år. Hvis man vil se 3D-film i farver dur anaglyfmetoden imidlertid ikke. I stedet kan man med fordel anvende polarisationmetoden 14. I midten af 1930 erne udviklede amerikaneren Edwin H. Land et filter, hvormed han kunne polarisere lys. Et polarisationsfilter har den evne, at det kan dirigere lys i en bestemt retning, hvilket er yderst anvendeligt i forbindelse med stereoprojektioner. To polarisationsfiltre placeres i en stereoprojektor på en sådan måde, at det filtrerede lys fra hhv. det venstre og det højre billede står vinkelret på hinanden. For at kunne se stereo skal man så have briller på, som har polarisationsfiltre i samme position som filtrene i projektoren. For at der ikke skal opstå interferens 15 mellem de to billeder, er man nødt til at bruge et specielt, sølvbelagt lærred. Land forfinede senere sin proces til brug ved farvefilm, hvilket kom både film- og militærindustrien til gode. Sidstnævnte bl.a. i forbindelse med anvendelse af flyfotografier under anden verdenskrig. I 1952 vistes den første 3D-farvefilm (Bwana Devil) for publikum. Selvom teknikken ikke var optimal, blev filmen en succes. I 1950 erne så det ud som om 3D-film (selvom de var væsentlig dyrere og besværligere at producere end traditionelle film) ville udkonkurrere de flade (2D) film, men det blev, som det kan konstateres i dag, ikke tilfældet. En anden grund til 3D-filmenes beherskede fremmarch var måske også fjernsynet, som efterhånden holdt folk væk fra biograferne. Til venstre IMAXprojektor, til højre et par eksempler på 3D film, som bl.a. kan fås som video eller DVD Gennem de senere år er der dog set en stigende interesse for 3D-film bl.a. fordi teknikken er blevet stærkt udviklet. Et af højdepunkterne for 3D-film kom i 1986 ved indførslen af IMAX (Image Maximum) 3D-formatet. Nutidens 3D-film benytter sig også i stigende grad af Computer Generated Imagery (CGI) for at maksimere 3D-illusionen. Dette inkluderer bl.a. kombinationer af naturlige filmoptagelser og animationer (special effects). Som nævnt benytter nutidens 3D-film sig i stigende grad af computerteknikken for at maksimere 3D-illusionerne (stereoeffekten) og de medier (film, fjernsyn, computer), hvorpå/hvormed man kan se levende billeder i stereo, smelter mere og mere sammen. Mange af biografernes 3D film kan i dag også fås som video eller DVD. Men rigtig succes får 3D-film nok først den dag, man ikke længere skal bruge specielle briller for at se stereo. 14 Ved polarisationsmetoden anvendes et filter, der har den evne, at det kan dirigere lys i en bestemt retning. Polarisation er ændring af en elektromagnetisk bølgebevægelse, således at svingningerne kun optræder i ét plan. 15 Interferens: her i betydningen et uønsket mønster, som forringer billedoplevelsen. 13
3D fjernsyn Stereoskopisk fjernsyn var allerede i tankerne hos fjernsynspionererne i 1920 erne. Dog fandt den første eksperimentelle 3D-udsendelse først sted i USA i 1953 og den første kommercielle 3Dudsendelse samme sted i 1980. Processen var svær, idet 3D-filmenes originalformat skulle konverteres til anaglyfformat. Det betød f.eks. at farverne i en farvefilm først skulle fjernes før en kodningen i rød/cyan kunne finde sted. For at opnå 3D-effekten på fjernsynet var det igen nødvendigt at anvende specialbriller. På trods af de manglende farver var folk begejstrede og flere film blev konverteret. I slutningen af 1987 udsendtes den første 3D-udsendelse produceret direkte for fjernsyn. Sideløbende med anaglyfmetoden har der været gjort forsøg med teknikker baseret på time parallax 16, som ikke er et ægte stereoskopisk princip, da filmen/videoen kun optages med ét kamera. Derfor kaldes metoden også syntetisk 3D. Shuttermetoden (eller flikkermetoden) er til en vis grad overlegen, sammenlignet med anaglyfmetoden og den tidligere nævnte polarisationsmetode, men dog stadig afhængig af briller. Det ene glas i brilleparret (f. eks. det venstre) laves opakt (uigennemsigtigt), således at betragteren kun kan se gennem det højre glas. På samme tid ses højreøjebilledet på skærmen. Så skifter situationen og det højre glas laves opakt samtidigt med, at venstreøjebilledet ses på skærmen. Hvis skiftene sker tilstrækkelig hurtigt (minimum 60 billeder per sekund, ligesom ved film) er resultatet at de to øjne modtager hvert sit billede samtidigt og hjernen efterfølgende danner en stereomodel. Glassene i brillerne består af flydende krystaller (Liquid Crystal Display (LCD)), som lynhurtigt kan skifte mellem transparent (gennemsigtig) og opak. Tidligere var brillerne forbundet til fjernsynet (eller computeren) med en ledning. I dag styres glassene via trådløs teknologi. Briller, briller, briller Det danske firma ColorCode 3-D har været med til at udvikle en prisbillig teknologi i form af specielle farvefilterbriller. Brillerne kan erstatte de ellers meget dyre 10.000 kroners shutterbriller og koster kun 10 kr. De samme briller kan anvendes hjemme i forbindelse med afspilning af f.eks. DVD-film med ColorCode-teknologi. Vi husker vel alle Pyrus-julekalenderen fra 2000. I hvert afsnit var indlagt korte sekvenser, som krævede anvendelse af briller med hhv. et mørkt og et klart glas. Sekvenserne var ikke ægte stereoskopi, men byggede på den tidligere nævnte time parallax (eller Pulfrich) effekt. Derfor blev sekvenserne også kald snyde 3D. 16 Ved time parallax betragtes et bevægeligt billede (film) gennem briller med hhv. et mørkt og et klart glas. Det mørke glas gør, at det ene øjet opfatter sit billede 1/50del sekund senere end øjet, som ser sit billede gennem det klare glas. Derved ser øjnene to forskudte billeder, som hjernen opfatter som et 3D-billede. Uden briller ligner filmen en ganske normal film. Metoden blev for første gang beskrevet i 1920 af tyskeren Carl Pulfrich. 14
Fra 1997 er man begyndt at bruge digital 3D teknologi i forbindelse med direkte fjernsynsudsendelser herunder anvendelse af 3D-videokameraer. I dag har man også mulighed for at konvertere almindelige videosignaler til digitale billeder. Herefter kan hvert billede deles i to forskudte, som efterfølgende kan ses i 3D på skærmen. 3D og computeren En af de afgørende træk ved overgangen fra analog til digital teknologi er ændringerne af den repræsentationsform tegninger eller billeder hidtil har været bundet til. Grafikken på papir eller film er til dels afløst af bits og bytes bundet til koder med regneregler og programtekster. Det er derfor en virkelig kompleks opgave at genskabe en 3D-verden i en computer, en opgave som kræver megen menneskelig træning og stor computerregnekraft. Som tidlige nævnt fremstilles mange film og computerspil i dag med 3D effekter ved hjælp af 3Dcomputergrafik, tænk blot på Ringenes Herre, Harry Potter og Star Wars-filmene. Den første computeranimation i 3D til brug i film blev præsenteret i 1982, men vi skal frem til 1993, hvor Jurassic Park rystede verden med sine realistiske dinosaurer. Af computerspil kender vi vist nok alle Sim City. I Sim City bevæger man sig i en 3D-verden, men man ser ikke stereo på skærmen. Eksempler fra SIM City spillet Hvis man vil se stereo på skærmen kan man stadig benytte sig af gammelkendte teorier og producere stereotegninger baseret på anaglyfmetoden eller man kan gå ud og tage stereobilleder af verden (fra jorden, fra luften eller fra rummet), som den ser ud taget med et kamera. På samme måde som ved 3D-film kan 3D-billederne betragtes ved brug af polarisationsmetoden. Shuttersystemet er efterhånden også meget anvendt i forbindelse med stereosyn (stereoskopi) på computerskærmen bl.a. i forbindelse med fotogrammetriske registreringer. En speciel type briller til stereosyn er Head Mounted Display (HMD) eller Cyber-hjælme. Disse briller er forsynet med to små skærme, som viser hvert sit stereobillede styret af en computer. Opløsningen i billedskærmene og det faktum at man ser farver i 3D, gør den stereoskopiske oplevelse meget virkelighedstro. Systemet anvendes ofte i forbindelse med Virtual Reality se herom senere. Head Mounted Display eller Cyber Hjælm 15
Da de fleste af os nok stadig sidder med vores flade skærme, har vi ikke det fulde udbytte af tilgængelige 3D-modeller. Men fortvivl ikke, der er håb forude. Dels kan man i dag købe flade TFT-skærme med en indbygget 3D-effekt (autoskopiske skærme), så vi ikke behøver at benytte specielle briller, dels er den rumlige skærm, som vi kan bevæge os rundt om, også på markedet dog stadig til en betragtelig pris. Moderne 3D betragtere - til venstre den flade 3D skærm (Sharp), - til højre den rumlige- krystalkuglen (actualitysystems) Holografi Holografi 17 er en teknik, hvorved man kan fremstille er tredimensionalt billede af et objekt på en lysfølsom film. Holografien er nok en af de mest revolutionerende opfindelser i nyere tid, idet metoden tillader stereobetragtning uden brug af briller. Et holografi kan også beskrives som et laserskabt 3D-billede eller en 3D- model baseret på interferens. 18 Metoden blev udviklet af den ungarske fysiker Denis Gabor i 1947 på baggrund af traditionelle lyskilder. Men det var først i 1962, da man begyndte at anvende laserstråler som lyskilde, at man kunne producere rigtig gode hologrammer. Til venstre princippet for holografiske optagelser. Til højre to hologrammer sakset fra Internettet. Man kan lave forskellige former for hologrammer. Det mest almindelige er et hvidlys hologram, som man kan betragte i almindeligt dagslys. De fleste kender typen fra blandt andet kreditkort, små 17 Holografi: holo betyder fuldstændig og grafi at skrive 18 Man kan forestille sig et objekt, der rammes af koherent (koherent vil sige, at lyset er monokromatisk (etfarvet) og i fase) lys fra en laser. Lyset kastes tilbage fra objektet til filmen. Dette er den såkaldte objekt stråle. En anden lysståle (referencestålen) rammer filmen, og der dannes så et interferensmønster. Optagelsen foregår, idet interferensmønsteret fastholdes af filmen, der senere fremkaldes. Når man senere vil betragte hologrammet, anvender man en lyskilde, der rammer hologrammet i samme vinkel, som referencestålen gjorde. Herved vil det gamle billede blive rekonstrueret via interferens mønsteret, som har lagret alle informationer. 16
billeder i morgenmadspakkerne eller i form af smykker. Mest interessante er dog de rigtige 3Dmodeller, man kan gå rundt om. Teknikken bag de rigtige 3D-modellen er, at hele objektet (indtil dato er det kun mindre objekter) overføres til en holografisk film ved hjælp af laserlys. Igen belyst i den rigtige vinkel gennem et sindrigt spejlsystem genskabes det fotograferede objekt i fuld 3D. Man nøjes ikke kun med at se objektet fra bestemte positioner. Hvis man bevæger hovedet kommer andre dele af objektet til syne ligesom man kan gå rundt om objektet (ligesom ved krystalkuglen) noget som ikke er muligt med et traditionelt stereofotografi. Normalt er holografier monokrome (etfarvede), men det er også muligt at fremstille farveholografier. Holografien bliver ikke hvermandseje lige med det samme, dertil er processen og det nødvendige udstyr alt for kompliceret og dyrt. Alle kan dog købe holografiske billeder af diverse objekter, som set under bestemte lysvinkler kan genskabe 3D-illusionen Visse kunstgallerier har specialiseret sig i holografisk kunst, som kan købes for rimelige penge. Virtual Reality/Artificial Reality Virtual Reality (VR) 19 er et miljø, man kan opleve uden rent fysisk at være til stede i det. I princippet kan man sige at stereoskopet, 3D-biografen og 3D-fjernsynet alle sammen er primitive forgængere til VR. Nogle miljøer er kopier eller modeller af den fysiske virkelighed (du ser næsten det samme som du ville se, hvis du var til stede ved begivenheden) andre er miljøer, der ikke har noget modstykke i den virkelige verden (f.eks. tegnefilm, design af produkter og planlagte byggerier). Sidstnævnte kaldes Artificial Reality (AR) 19. Både VR og AR er verdener i en computer. VR eksempler fra VR Media Lab, Aalborg Universitet I de senere år er VR blevet udvidet med Argumented Reality 19, som er en sammensmeltning af en virkelig verden og et elektronisk univers. Man kan populært sige, at man får lagt noget oveni det man ser, f.eks. at man, via glasset i ens 3D-briller, kan få oplysning om navnet på det menneske, man står overfor, eller en beskrivelse af den bygning, man ser. Historien bag VR og AR går tilbage til 1970, hvor amerikaneren Ivan Sutherland fandt ud af at spænde et sæt hovedtelefoner på ørerne og en computerskærm for øjnene. Sidstnævnte blev forgængeren til de tidligere omtalte HMD-briller. Ved f.eks. at iføre sig nogle datahandsker, som kan styre ens bevægelser i computerens 3D-model, kan man gå rundt i den kunstige model og gøre 19 Virtual Reality betyder virkelig eller faktisk virkelighed. Termen tilskrives ofte amerikaneren Jaron Lanier. Artificial Reality betyder kunstig virkelighed. Argumented Reality kan oversættes ved beriget virkelighed. 17
det, man ville gøre i den virkelige verden, såsom at røre og flytte ting. Og ved at tilføje stereofoni til brillerne kan man også høre, når man f.eks. taber ting på gulvet. Det er altså betragteren, som selv bestemmer, hvad der skal ske. Det eneste, der endnu mangler at blive aktiveret, er føle-, lugte- og smagssanserne, men det kommer nok. Computerforskeren og programudvikler Janet Murray har engang sagt, at det tager 15 sekunder samt en datahjelm og et par datahandsker at forvandle et fornuftigt, voksent menneske til et vildt og småfisende småbarn. De tidligste VR- og ARmodeller blev brugt til at træne piloter og militærfolk, men underholdningsbranchen så hurtigt et potentiale i teknologien. VR og AR er dog ikke kun til krig og underholdning. Svenske forskere har anvendt VR til at teste ældre menneskers neurologiske system. Testpersonerne blev forsynet med sensorer rundt om på kroppen samt HMD-briller. Personerne blev herefter udsat for forskellige uventede forhindringer som påvirkede deres balanceevne, samtidig med at de anbragte sensorer registrerede reaktionerne. Man regner med, at kunne anvende forsøgsresultaterne i forbindelse med faldforebyggelse. VR og AR kan som nævnt opleves gennem det nævnte udstyr. Men VR og AR kan også opleves i større laboratorier som råder over 3D-teatre eller 3D-caver. På Ålborg Universitet, som er i besiddelse af sidstnævnte udstyr, er AR bl.a. anvendt i forbindelse med præsentation for lokalpolitikere af en bebyggelsesplan. Også Frederik og Mary rider med på 3D bølgen - besøg i Cavi Centret i Århus, juli 2004 /Jyllandsposten/ 3D i videnskab og industri Ikke kun militæret og underholdningsindustrien har gennem årene haft glæde af 3D-teknologierne, 3D registreringer og 3D anvendelser (stereoskopi) finder i stigende grad anvendelse blandt andre professioner. Allerede i 1858 begyndte astronomer at tage teleskopiske stereobilleder af bl.a. månen og det fortsatte indtil den første månelanding i 1969, som vi alle kunne se i 3D. I dag anvendes den samme teknik for bl.a. kortlægning af Mars og andre planeter. Nu sker fotograferingerne blot fra robotter på stedet (Mars), satellitter eller rumskibe. 18
Stereobilleder af månen fra hhv. 1858 og i dag Uden 3D-teknik ville det næppe være muligt at producere moderne kort. En serie af fotografier tages med korte intervaller (få sekunder) med et kamera placeret i bunden af en flyvemaskine. Dette giver et længdeoverlap på ca. 60 % mellem to successive fotografier. Ved at betragte overlappet i et lomme- eller spejlstereoskop (moderne udgaver af de gamle stereoskoper) kan man genskabe højder i et terræn, ligesom man kan registrere objekter og detaljer i hhv. byer og åbne landskaber. Sidstnævnte sker dog professionelt i avancerede fotogrammetriske instrumenter. Den fotogrammetriske kortlægning baseret på hhv. udtegning eller registrering fra stereobilleder har fundet sted siden 1920 erne. I dag anvendes også laser 20 -skanninger i forbindelse med kortlægning. Allerede i slutningen af 1800-tallet begyndte man at fremstille stereoskopiske røntgenbilleder for bedre at kunne lokalisere metalfragmenter i menneskekroppen såsom kugler og splinter. Samtidig blev stereomikroskopet taget i brug. Det stereoskopiske princip anvendes også i dag i forbindelse med skanninger af organer. Ved at opsplitte og bøje de skannede stråler kan man producere hhv. et højreøje- og et venstreøjebillede. I dag er 3D-billeder, som tidligere nævnt, vigtige værktøjer i forbindelse med bl.a. operationer i små organer som øje og øre, men også i forbindelse med komplicerede operationer i hjertet og hjernen. Nævnte optagelser kan senere anvendes i forbindelse med undervisningen af lægestuderende. Realtidsoptagelser kan ligeledes, via Internettet, sendes til eksperter placeret uden for hospitalet, som så løbende kan kommentere operationerne. Med 3D-grafik kan man beregne og betragte forskellige projekter (f.eks. en ny vejs placering i et landskab), for at belyse forskellige aspekter inden projektet besluttes endeligt. Med realtids (real time) 3D kan alternativer beregnes og vises på skærmen, mens man ser på. Herved får betragteren (teknikeren, politikeren, borgeren) mulighed for, dels at bevæge sig rundt i modellen og se projektet fra forskellige synsvinkler, dels at kommentere eller ændre projektet her og nu (3D-interaktion) inden en endelig beslutning tages. Laserskabt 3D-model Med laserskanning og efterfølgende behandling i en computer kan man genskabe 3D-modeller af alle tænkelige objekter fra de største bygninger til de mindste genstande. 20 En laser er et instrument, der kan frembringe en meget koncentreret lysstråle. 19
TDC gav i år (2004) deltagerne i Roskilde-festivalen mulighed for at game online på de nye 3Dskærme, der ikke kræver specielle briller for at se stereo. En af reaktionerne var det føles lidt mærkeligt men rart det giver et anderledes form for kick. Fremtiden Med fremkomsten af de computerbaserede teknologier, Internettet, brugen af digitale kameraer m.m. er 3D visualiseringer gået ind i sin anden guldalder. De store producenter af bl.a. computerskærme forventer, at 3D skærmen, som gør det muligt at opnå overbevisende 3D-effekter uden brug af specielle briller, vil få et boom. Også producenter af biltelefoner forventer, at deres små 3D-farveskæme til mobiltelefoner vil blive et hit. Indtil dato har de dog kun været til salg i Japan. Som en følge heraf kan man også forvente, at efterspørgslen efter digitale 3D-kameraer vil stige. Næste udfordring er fjernsynsapparatet. Her er man stadig hæmmet af den analoge teknologi, som kræver brug af briller. Trods den begyndende anvendelse af digitalteknikken varer det nok en rum tid, inden 3D-fjernsynet bliver allemandseje. Ifølge en artikel i et tillæg til bladet Computerworld fra juni 2004 vil 3D-grafik komme til at ændre vores hverdag lige så markant, som Internettet har gjort det. Ny supercomputere med kraftige grafikprocessorer vil åbne et væld af muligheder, som ingen formentlig har tænkt på endnu, muligheder som vil påvirke såvel vores hverdag på arbejdet, såvel som i hjemmet. Lægeverdenen ser frem til computerskærme, som kan klare en opløsning på 8000x8000 pixler. Denne billedkvalitet vil betyde, at lægen vil kunne stå inde i en 3D model af patienten, når han opererer. Forbrugerne vil i stigende grad købe produkter via Internettet, produkter som kan betragtes i 3D inden købet. Tøj kan prøves på en 3D model, som er fremstillet efter personlige mål etc. Epilog Man kan blive en lille smule filosofisk efter at have beskrevet glimt af 3D ens og stereoskopiens historie. Hvornår er vi mon i stand til at skabe virtuelle verdener, der er lige så overbevisende som og ikke til at skelne fra den virkelige verden. Forhåbentlig aldrig. Alle 3D-billeder, hvad enten de betragtes i et stereoskop, i en biografsal, på fjernsynet, på computerskærmen eller HMD er illusioner. Og kan mennesker nøjes med at leve på en illusion? Udvalgte kilder Chase, Robert A. A Stereoscopic Atlas of Human Anatomy Darrak, Willian C. The World of Sterographs, Nashville, USA, 1997 Hansen, Nicolai Tejlgaard Fremtiden bliver vist i 3D, Tillæg til Computerworld, juni 2004 Hoffmann, Albrecht Das Stereoskop Geschichte der Stereoskopi, Deutches Museum, München, 1990 Keulen, Wim van 3-D Past and Present, Holland, 1986 Keulen, Wim van 3D Imagics Holland, 1986 Waldsmith, John Stereo Views an illustrated History and Price Guide, Canada, 2002 Walther, Bo Kampmann matrixen -henimod en digital æstetik (www.vinduet.no) Aagaard, Lars Ind I den tredie dimension, Berlingske tidende 7. februar 2004 20
www.geocities.com/stereoklubben www.stereocopy.com Der findes mange flere Internetsider omhandlende stereokopi, 3D og beslægtede emner. Brug Google til at finde dem. 21