Стереокамера

Стереокамера — это тип фотографической или видеокамеры, имеющей два или более объектива, расположенных на определённом расстоянии друг от друга, что позволяет получать два изображения одной и той же сцены с разных точек зрения. Такая конструкция имитирует бинокулярное зрение человека, благодаря чему стереокамера способна создавать изображения с эффектом объёма (стереоскопический эффект) или получать информацию о глубине сцены. Полученные стереопары могут быть использованы для создания трёхмерных (3D) фотографий и видео, а также для построения карт глубины в системах компьютерного зрения и робототехники.

Принцип работы

Основой работы стереокамеры является стереоскопический эффект, возникающий из-за параллакса — кажущегося смещения объекта при наблюдении с разных точек. Два объектива стереокамеры разнесены на расстояние, называемое стереобазой. Обычно стереобаза составляет от нескольких сантиметров (в портативных устройствах) до нескольких метров (в системах аэрофотосъёмки). Чем больше стереобаза, тем сильнее выражен эффект объёма для удалённых объектов, но при этом возрастает сложность совмещения изображений.

При съёмке оба объектива фиксируют сцену одновременно. Полученные два снимка (левый и правый) образуют стереопару. При просмотре такой пары через специальные устройства — стереоскоп, анаглифные очки, очки с активным затвором или поляризационные очки — каждый глаз видит своё изображение, и мозг синтезирует единое объёмное изображение.

В системах компьютерного зрения стереокамера используется для триангуляции: на основе смещения (диспаритета) соответствующих точек на левом и правом изображениях вычисляется расстояние до объекта. Этот процесс называется стереозрением.

История

Первые эксперименты по получению стереоскопических изображений относятся к середине XIX века. В 1838 году английский учёный Чарльз Уитстон изобрёл стереоскоп — устройство для просмотра объёмных изображений. В 1849 году Дэвид Брюстер создал первый портативный стереоскоп, а в 1850-х годах началось массовое производство стереофотографий. Однако первые стереокамеры появились несколько позже.

В 1860-х годах французский фотограф Антуан Клоде запатентовал одну из первых стереокамер с двумя объективами, установленными на одной панели. В конце XIX — начале XX века стереокамеры стали популярны среди фотографов-любителей. В 1920-х годах компания Kodak выпустила модель Stereo Kodak, а в 1950-х годах, в период бума 3D-кинематографа, появились стереокамеры для массового потребителя, такие как Stereo Realist.

В конце XX века с развитием цифровых технологий стереокамеры перешли в цифровой формат. В 2010-х годах, с ростом интереса к 3D-фильмам и виртуальной реальности, производители электроники начали встраивать стереокамеры в смартфоны (например, HTC EVO 3D, LG Optimus 3D) и игровые консоли (Nintendo 3DS). В 2020-х годах стереокамеры стали ключевым элементом систем автономного вождения и промышленной робототехники.

Классификация

Стереокамеры можно классифицировать по нескольким признакам.

По типу конструкции

• Двухобъективные стереокамеры — классический тип, имеющий два объектива и два матричных или плёночных блока. Обеспечивают высокое качество стереопары.
• Многообъективные стереокамеры — используются в научных и промышленных целях для повышения точности или захвата сцены с нескольких ракурсов одновременно.
• Камеры с одним объективом и стереоадаптером — используют специальную насадку, разделяющую поле зрения на два канала. Дают меньшую точность, но компактны.
• Виртуальные стереокамеры — программные реализации, используемые в компьютерной графике для рендеринга стереоизображений.

По способу получения изображения

• Аналоговые (плёночные) — используют фотоплёнку. Исторически были распространены до 2000-х годов.
• Цифровые — основаны на матрицах (CCD или CMOS). Позволяют обрабатывать изображения в реальном времени.

По назначению

• Потребительские — для любительской 3D-фотографии и видео (например, Fujifilm FinePix Real 3D).
• Профессиональные — для кинематографа и телевидения (например, камеры для съёмки 3D-фильмов).
• Научные и промышленные — для стереозрения в робототехнике, геодезии, медицине.
• Автомобильные — устанавливаются в системы помощи водителю (ADAS) и автономные автомобили (например, камеры компании Mobileye).
• Спутниковые и аэрофотосъёмочные — для построения цифровых моделей рельефа.

Устройство и характеристики

Типичная цифровая стереокамера состоит из следующих основных компонентов:

• Два объектива — могут быть с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объективами. Важным параметром является синхронизация фокусировки и диафрагмы между объективами.
• Два светочувствительных сенсора (матрицы) — обычно одинаковые по характеристикам (разрешение, чувствительность, динамический диапазон).
• Стереобаза — расстояние между оптическими осями объективов. Влияет на диапазон измеряемых глубин.
• Синхронизатор — электронный блок, обеспечивающий одновременную съёмку обоими объективами. В дешёвых моделях возможна задержка, приводящая к ошибкам стереозрения.
• Процессор — для обработки стереопары, вычисления карт глубины и сжатия данных.

Ключевые характеристики:

• Разрешение — обычно от 1 до 20 мегапикселей на каждый сенсор.
• Частота кадров — для видеосъёмки может достигать 60 кадров в секунду и выше.
• Угол обзора — определяется фокусным расстоянием объективов.
• Точность стереозрения — зависит от стереобазы, разрешения и алгоритмов калибровки.

Применение

Фотография и кинематограф

Стереокамеры используются для создания 3D-фильмов и стереофотографий. В 2010-х годах многие голливудские блокбастеры («Аватар», «Гравитация») снимались с использованием профессиональных стереокамер. В любительской сфере популярность 3D-съёмки снизилась к концу 2010-х годов из-за угасания интереса к 3D-телевизорам.

Робототехника и автономные системы

Стереокамеры являются основным сенсором для навигации мобильных роботов, беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и автономных автомобилей. Они позволяют строить карту глубины сцены, обнаруживать препятствия и определять их расстояние. Например, в системе автопилота Tesla (до перехода на радарно-камерную архитектуру) использовались стереокамеры.

Промышленность и контроль качества

В промышленности стереокамеры применяются для измерения размеров деталей, контроля сборки, инспекции поверхности. Они позволяют бесконтактно определять трёхмерные координаты объектов.

Медицина

В хирургии стереокамеры используются в эндоскопах для получения объёмного изображения внутренних органов, что повышает точность операций. В офтальмологии — для диагностики заболеваний сетчатки.

Геодезия и картография

Стереосъёмка с самолётов и спутников позволяет создавать цифровые модели рельефа и трёхмерные карты местности. Например, данные со спутников WorldView-1 и WorldView-2 используются для построения рельефа с точностью до нескольких метров.

Виртуальная и дополненная реальность

Стереокамеры используются для захвата реальной сцены и её отображения в шлемах виртуальной реальности (VR) или для трекинга движений пользователя в системах дополненной реальности (AR).

Ограничения и недостатки

• Сложность калибровки — для точной работы стереокамеры требуется точная юстировка объективов и сенсоров, а также калибровка на заводе-изготовителе.
• Чувствительность к освещению — при слабом освещении снижается точность стереозрения.
• Ограниченный диапазон глубин — для каждого значения стереобазы существует минимальное и максимальное расстояние, на котором возможно точное измерение.
• Высокая стоимость — профессиональные стереокамеры с большим разрешением и высокой частотой кадров стоят дорого.
• Синхронизация — при съёмке движущихся объектов требуется точная синхронизация затворов, иначе изображения будут различаться, что приведёт к ошибкам.

Интересные факты

• Первая в мире стереофотография была сделана в 1838 году самим Чарльзом Уитстоном с помощью камеры-обскуры.
• В 1950-х годах в США стереокамеры Stereo Realist продавались миллионными тиражами.
• В 2011 году компания Nintendo выпустила портативную игровую консоль Nintendo 3DS, оснащённую двумя камерами для создания 3D-фотографий.
• В 2021 году компания Apple представила смартфон iPhone 13 Pro, в котором стереокамера используется для улучшения портретного режима и AR-приложений.
• Стереокамеры используются в марсоходах NASA (например, Curiosity и Perseverance) для навигации по поверхности Марса.

Источники

• Уитстон, Ч. «On the Physiology of Vision» (1838).
• Брюстер, Д. «The Stereoscope» (1856).
• Hartley, R., Zisserman, A. «Multiple View Geometry in Computer Vision» (2003).
• Bradski, G., Kaehler, A. «Learning OpenCV» (2008).
• Техническая документация компаний Fujifilm, Intel (RealSense), Mobileye, NASA.