Για να πειστούμε, πρέπει να δούμε: οφθαλμαπάτες 3 διαστάσεων Teach article

Μετάφραση από: Ελένη Ιωάννου (Ioannou Eleni) PhD candidate in Enzymology and in Silico Protein Design, Aberystwyth University) και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD,…

Κοιτάξτε τριγύρω σας. Πόσες διαστάσεις μπορείτε να δείτε; Όντας ένας οργανισμός τριών διαστάσεων που ζει σε ένα τρισδιάστατο κόσμο, σίγουρα μπορείτε να δείτε τρεις διαστάσεις: ύψος, πλάτος, και βάθος, σωστά; Μάλλον όχι. Για την ακρίβεια βλέπετε μόνο δύο διαστάσεις. Κι αυτό επειδή αυτά που βλέπουμε είναι απλώς δισδιάστατες εικόνες, ακόμη και τρισδιάστατων αντικειμένων καθρεπτισμένες στο πίσω μέρος των ματιών μας. Αυτά όμως που αντιλαμβανόμαστε είναι τελείως διαφορετικά: ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τις δισδιάστατες εικόνες σε κάτι που φαίνεται να έχει επίσης βάθος, εκτός από ύψος και πλάτος – δηλαδή τρεις διαστάσεις. Έτσι, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί δισδιάστατες εικόνες προερχόμενες από τα μάτια για να δημιουργήσει μια τρισδιάστατη ψευδαίσθηση.

Οι τέσσερις δραστηριότητες που περιγράφονται παρακάτω, κατάλληλες για μαθητές φυσικής 11-19 χρόνων, διερευνούν πως μπορούμε να “ξεγελάσουμε” τις λειτουργίες του εγκεφάλου για να κάνουμε ένα δισδιάστατο αντικείμενο όπως, μια ζωγραφιά, ένα πίνακα ή μια ταινία- να φαίνεται τρισδιάστατο.

Οι δραστηριότητες 1, 2, και 3 διαρκούν περίπου 20 λεπτά η καθεμία, και η δραστηριότητα 4 διαρκεί περίπου 30 λεπτά. Τα υλικά που χρειάζονται δεν είναι ακριβά αλλά θα χρειαστεί να τα προμηθευτείτε εκ των προτέρων. Παρόλο που αυτό το κείμενο καταπιάνεται κυρίως με θέματα φυσικής, θα μπορούσε να προσαρμοστεί κατάλληλα για χρήση σε μαθήματα βιολογίας επειδή σχετίζεται επίσης με την όραση και τον εγκέφαλο.

Προσθέτοντας μια άλλη διάσταση

Αρχικά, πώς ο εγκέφαλος μας επιτρέπει να αντιληφθούμε πραγματικά τρισδιάστατα αντικείμενα σε τρεις διαστάσεις;

WΧρησιμοποιούμε αυτή την ικανότητα κάθε φορά που κάνουμε κάτι τόσο απλό όσο το να βάλουμε ένα ποτήρι νερό. Καλύψτε το ένα σας μάτι, κρατήστε το κεφάλι σας σταθερό και τα μάτια σας στο ύψος της κορυφής του ποτηριού και μετά προσπαθήστε να βάλετε το νερό στο ποτήρι. Είναι δύσκολο. Τώρα ανοίξτε και τα δυο σας μάτια και προσπαθήστε ξανά. Αυτή τη φορά, ο εγκέφαλός σας λαμβάνει δύο ελαφρώς διαφορετικές εικόνες των ίδιων αντικειμένων, τις οποίες χρησιμοποιεί για να αντιληφθεί το βάθος.

Μπορούμε να εκμεταλλευτούμε αυτή την ικανότητα του εγκεφάλου με σκοπό να ενισχύσουμε τον ρεαλισμό ενός δισδιάστατου αντικειμένου. Αυτό γίνεται με το να παρουσιάζουμε σε κάθε ένα μάτι μας από μία ελαφρώς διαφορετική εικόνα, μιμούμενοι έτσι το τι συμβαίνει όταν κοιτάμε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο. Ο εγκέφαλος συνδυάζει αυτές τις δύο εικόνες, πείθοντάς μας ότι υπάρχει βάθος σε μια κατά τα άλλα δισδιάστατη εικόνα.

Τρεις μέθοδοι χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουμε αυτές τις τρισδιάστατε οφθαλμαπάτες. Η πρώτη μέθοδος (δραστηριότητα 1) κατευθύνει μια διαφορετική εικόνα σε κάθε μάτι χρησιμοποιώντας διάθλαση, ενώ οι 2 άλλες μέθοδοι (δραστηριότητες 2 και 3) χρησιμοποιούν διαφορετικά είδη ειδικών γυαλιών. Στην δραστηριότητα 4, οι μαθητές χρησιμοποιούν ότι έχουν μάθει για να δημιουργήσουν τις δικές τους τρισδιάστατε εικόνες.

Δραστηριότητα 1: τρισδιάστατες εικόνες με σχήμα φακού

Οι μαθητές μπορεί να έχουν δει σχέδια σε καρτ ποστάλ, εξώφυλλα DVD ή στις κάρτες που βρίσκουμε σε συσκευασίες δημητριακών, που φαίνεται να έχουν μια φοβερή αίσθηση βάθους. Αν ναι, τότε έχουν ήδη συναντήσει τρισδιάστατε εικόνες με σχήμα φακού. Στην επόμενη δραστηριότητα θα δούμε πώς λειτουργούν.

Υλικά

Ανά μαθητή ή ζευγάρι μαθητών:

• Μια τρισδιάστατη εικόνα σε σχήμα φακού

Διαδικασία

1. Καλύψτε το αριστερό σας μάτι και κοιτάξτε την εικόνα. Στη συνέχεια καλύψτε το δεξί μάτι και κοιτάξτε ξανά.
2. Κοιτάξτε την εικόνα και με τα δύο μάτια. Τι παρατηρείτε;

Τι συμβαίνει;

Όταν κοιτάτε την εικόνα και με τα δύο μάτια φαίνεται τρισδιάστατη, αλλά όταν την κοιτάτε με ένα μόνο μάτι φαίνεται δισδιάστατη.

Πως λειτουργεί;

Οι πιο απλές τρισδιάστατες εικόνες σε σχήμα φακού σχηματίζονται από 2 ξεχωριστές εικόνες, οι οποίες είναι μετατοπισμένες η μία από την άλλη πλάγια. Ας πάρουμε ως παράδειγμα μια σύνθετη εικόνα  που αποτελείται από την εικόνα Α και την εικόνα Β. Και οι δύο εικόνες κόβονται σε κάθετες λωρίδες και επανασυναρμολογούνται εναλλάξ σε αυτό που ονομάζεται αλληλεπικαλυπτόμενη εικόνα (εικόνα 1α), φτιάχνοντας μια σειρά λωρίδων: Α-Β-Α-Β-Α κ.ο.κ. Η αλληλεπικαλυπτόμενη εικόνα εκτυπώνεται σε χαρτί και επικαλύπτεται από ένα φύλλο πλαστικού σε σχήμα φακού, το οποίο αποτελείται από μια σειρά από μακριούς, λεπτούς φακούς (εικόνα 1β). Οι φακοί ευθυγραμμίζονται με τις υποκείμενες λωρίδες με τέτοιο τρόπο ώστε το φως που ανακλάται από τις λωρίδες Α στέλνεται προς μία κατεύθυνση, στο αριστερό μάτι, και το φως που ανακλάται από τις λωρίδες Β κατευθύνεται προς άλλη κατεύθυνση, στο δεξί μάτι (εικόνα 1γ).

Στο πείραμα μας, ο εγκέφαλος σας συνδυάζει τις εικόνες Α και Β της εικόνας σε σχήμα φακού για να δώσει την ψευδαίσθηση του βάθους. Η ψευδαίσθηση λειτουργεί διότι οι δύο εικόνες είναι μετατοπισμένες η μία από την άλλη και έτσι ο εγκέφαλος συνδυάζει δύο διαφορετικές εικόνες – όπως ακριβώς κάνει όταν κοιτάμε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο με δύο μάτια. Τέτοιου είδους ψευδαίσθηση βάθους δεν υπάρχει όταν κοιτάμε μέσα από ένα μόνο μάτι: είτε το αριστερό μας μάτι βλέπει μόνο την εικόνα Α ή το δεξί μας μάτι βλέπει μόνο την εικόνα Β.

Δραστηριότητα 2: ανάγλυφα

Ενώ οι τρισδιάστατες εικόνες σε σχήμα φακού λειτουργούν όταν τις βλέπουμε με γυμνό μάτι, άλλοι τρόποι για να δημιουργήσουμε την ψευδαίσθηση του βάθους απαιτούν ειδικά γυαλιά. Οι πρώτες τρισδιάστατες ταινίες εκμεταλλεύτηκαν το χρώμα για να δημιουργήσουν την τρισδιάστατη ψευδαίσθηση. Οι θεατές φορούσαν κόκκινα/πράσινα γυαλιά για να δουν μια προβαλλόμενη εικόνα που αποτελούνταν από δύο μετατοπισμένες εικόνες: μία κόκκινη και μία πράσινη. Τέτοιου είδους εικόνες, που αποκαλούνται ανάγλυφα, εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως και σήμερα σε έντυπα υλικά. Στην ακόλουθη δραστηριότητα, οι μαθητές θα μάθουν πως λειτουργούν τα ανάγλυφα.

Υλικά

Ανά ομάδα 2 μαθητών:

• Ένα ζευγάρι κόκκινα/πράσινα γυαλιά

Διαδικασία

1. Φορέστε τα κόκκινα/πράσινα γυαλιά με το κόκκινο φίλτρο στο αριστερό σας μάτι και το πράσινο φίλτρο στο δεξί.
2. Κοιτάξτε ένα από τα παρακάτω ανάγλυφα.

Τι συμβαίνει;

Το ανάγλυφο φαίνεται να έχει βάθος: μοιάζει τρισδιάστατο.

Πως λειτουργεί;

Το φως μπορεί να φιλτραριστεί με βάση το χρώμα του (το μήκος κύματός του). Το κόκκινο φίλτρο στα γυαλιά σας απορροφά όλα τα μήκη κύματος του φωτός εκτός του κόκκινου, ενώ το πράσινο φίλτρο απορροφά όλα τα μήκη κύματος εκτός του πράσινου.

Για να φτιάξουμε το ανάγλυφο, η κάθε μία από τις δύο συνιστώσες εικόνες λήφθηκε από μια ελαφρώς διαφορετική οπτική γωνία πριν χρωματιστεί: η μία με κόκκινο χρώμα και η άλλη με πράσινο.

Όταν κοιτάτε το ανάγλυφο φορώντας τα κόκκινα/πράσινα γυαλιά σας, το αριστερό σας μάτι λαμβάνει την κόκκινη εικόνα και το δεξί σας, την πράσινη εικόνα. Η ψευδαίσθηση του βάθους δημιουργείται όταν ο εγκέφαλός σας συνδυάζει τις δύο μετατοπισμένες εικόνες.

Δραστηριότητα 3: τρισδιάστατα πολωτικά γυαλιά

Οι περισσότερες σύγχρονες τρισδιάστατες ταινίες χρησιμοποιούν πολωτικά γυαλιά για να επιτύχουν την ψευδαίσθηση του βάθους. Η επόμενη δραστηριότητα εξετάζει πώς λειτουργούν αυτά τα γυαλιά.

Υλικά

Ανά ζευγάρι μαθητών:

• 2 ζευγάρια τρισδιάστατων πολωτικών γυαλιών, όπως αυτά της εταιρίας RealD™

Διαδικασία

Σε ζευγάρια:

1. Φορέστε τα γυαλιά σας και κοιτάξτε τον συμμαθητή σας.
2. Καλύψτε τον αριστερό φακό των γυαλιών και κοιτάξτε τον συμμαθητή σας, ο οποίος θα πρέπει να έχει ακάλυπτους και τους δύο φακούς. Τι βλέπετε;
3. Καλύψτε τον δεξί φακό των γυαλιών σας και κοιτάξτε ξανά. Τι άλλαξε;

Τι συμβαίνει;

Όταν κοιτάτε τον συμμαθητή σας και με τους δύο φακούς των γυαλιών σας ακάλυπτους, οι φακοί του συμμαθητή σας φαίνονται διάφανοι. Όταν καλύπτετε έναν από τους φακούς σας, ο ένας φακός των γυαλιών του συμμαθητή σας φαίνεται πιο σκούρος. Εάν καλύψετε τον άλλο φακό σας, ο άλλος φακός του συμμαθητή σας φαίνεται τώρα πιο σκούρος.

Πως λειτουργεί;

Για να κατανοήσετε τις παρατηρήσεις σας, και πως λειτουργούν οι σύγχρονες τρισδιάστατες ταινίες, πρέπει να θυμάστε ότι το φως ‘ταξιδεύει’ σε κύματα. Μπορούμε να επηρεάσουμε τον προσανατολισμό των ταλαντώσεων των κυμάτων περνώντας το φως από ένα κυκλικό πολωτικό φίλτρο, το οποίο εξαναγκάζει τις ταλαντώσεις να ‘ταξιδεύουν’ σε έλικες (εικόνα 2).

Οι φακοί στα τρισδιάστατα γυαλιά σας περιέχουν κυκλικά πολωτικά φίλτρα^w1: το ένα πολώνει το φως κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και το άλλο κατά μια φορά αντίθετη από τη φορά των δεικτών του ρολογιού.

Ας σκεφτούμε τι γίνεται όταν κοιτάτε το συμμαθητή σας και με τους δύο φακούς σας ακάλυπτους (εικόνα 3Α). Οι φακοί των γυαλιών του συμμαθητή σας φαίνονται διάφανοι, επειδή μπορείτε να δείτε το φως που έχει περάσει μέσα από αυτούς: φως πολωμένο κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού από τους πολωτικούς φακούς του συμμαθητή σας φτάνει σε ένα από τα μάτια σας, ενώ πολωμένο φως αντίθετα από τη φορά των δεικτών του ρολογιού από τους πολωτικούς φακούς του συμμαθητή σας φτάνει στο άλλο μάτι σας.

Ας σκεφτούμε τώρα τι γίνεται όταν καλύπτετε τον φακό σας που πολώνει το φως κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού (εικόνα 3Β). Ο φακός του συμμαθητή σας που πολώνει το φως κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού φαίνεται πιο σκοτεινός, επειδή το φως που έχει περάσει από μέσα του δεν φτάνει πια στα μάτια σας. Γιατί δεν φτάνει; Επειδή ο φακός σας που πολώνει το φως σε φορά αντίθετη από τη φορά των δεικτών του ρολογιού (ο μόνος φακός μέσα από τον οποίο μπορείτε τώρα να δείτε) μπλοκάρει το φως που είναι πολωμένο κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Όταν καλύπτετε τον άλλο φακό σας (εικόνα 3Γ), η κατάσταση αντιστρέφεται και ο άλλος φακός του συμμαθητή σας φαίνεται πιο σκούρος.

Οι τρισδιάστατες ταινίες για τις οποίες σχεδιάστηκαν τα γυαλιά σας γυρίζονται χρησιμοποιώντας δύο κάμερες τοποθετημένες έτσι ώστε η απόσταση μεταξύ των φακών των καμερών να είναι περίπου ίση με την απόσταση μεταξύ των δύο ανθρωπίνων ματιών. Κατά τη διάρκεια της ταινίας, οι δύο κινούμενες εικόνες πολώνονται κυκλικά σε αντίθετες κατευθύνσεις και προβάλλονται σε μία οθόνη. Τα τρισδιάστατα γυαλιά σας εξασφαλίζουν πως το αριστερό σας μάτι βλέπει μία εικόνα, και το δεξί την άλλη. Οι δύο κινούμενες εικόνες εμφανίζονται εναλλάξ σε έναν ανεπαίσθητα γρήγορο ρυθμό των 144 φορών το δευτερόλεπτο. Ο εγκέφαλος συνδυάζει τις εικόνες που λαμβάνει και από τα δύο μάτια για να δημιουργήσει την ψευδαίσθηση του βάθους.

Δραστηριότητα 4: φτιάχνοντας τη δική σου τρισδιάστατη εικόνα

Όταν οι μαθητές έχουν κατανοήσει τις αρχές της τρισδιάστατης απεικόνισης, μπορούν να φτιάξουν το δικό τους ανάγλυφο χρησιμοποιώντας μια ψηφιακή κάμερα και έναν υπολογιστή (εικόνα 4).

Υλικά

• Μια ψηφιακή κάμερα
• Ένας τρίποδας ή οτιδήποτε άλλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως στήριγμα για την κάμερα (π.χ. μια στοίβα από βιβλία)
• Ένα ζευγάρι κόκκινα/πράσινα γυαλιά
• Ένα πρόγραμμα υπολογιστή που μπορεί να δημιουργήσει ανάγλυφα, όπως το Anaglyph Workshop^w2.

Διαδικασία

1. Επιλέξτε ένα στατικό υποκείμενο.
2. Βγάλτε μια φωτογραφία
3. Μετακινηθείτε προς τα δεξιά περίπου 6 εκατοστά (απόσταση ίση περίπου όσο αυτή ανάμεσα από τα μάτια σας), βεβαιώνοντας πως η κάμερα παραμένει στο ίδιο επίπεδο. Βγάλτε δεύτερη φωτογραφία.
4. Ακολουθήστε τις οδηγίες του προγράμματος που επιλέξατε για να χρωματίσετε και να υπερθέσετε τις 2 φωτογραφίες. Τώρα έχετε ένα ανάγλυφο.
5. Κοιτάξτε το ανάγλυφό σας φορώντας τα κόκκινα/πράσινα γυαλιά σας, είτε στην οθόνη του υπολογιστή ή εκτυπωμένο. Μπορεί να χρειαστεί να επαναλάβετε τη διαδικασία μερικές φορές, προσαρμόζοντας την απόσταση που κινήστε πριν βγάλετε τη δεύτερη φωτογραφία, για να βελτιώσετε το τρισδιάστατο εφέ.

Σημείωση: εάν έχετε smart phone κινητό τηλέφωνο, μπορείτε να απλοποιήσετε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας μια εφαρμογή (π.χ. την 3D Photo Maker) για να φτιάξετε απευθείας το ανάγλυφό σας, βγάζοντας φωτογραφίες  από την κάμερα του κινητού σας.

Ευχαριστίες

Οι δραστηριότητες αυτού του άρθρου επινοήθηκαν από τους Alison Alexander, Cerian Angharard, Frances Green και Ruth Wiltsher, οι οποίοι είναι όλοι συντονιστές του δικτύου καθηγητών φυσικής  για το Ινστιτούτο Φυσικής του ΗΒUK’s Institute of Physics (IOP)^w3. Αυτές και άλλες δραστηριότητες ήταν αρχικά μέρος ενός πακέτου δραστηριοτήτων με ονομασία “Φωτισμοί, κάμερες, εικόνες” που χρησιμοποιήθηκε για σεμινάριο του δικτύου καθηγητών του Ινστιτούτου Φυσικής.

Τα φύλλα εργασίας όλων των δραστηριοτήτων του πακέτου “Φωτισμοί, κάμερες, εικόνες”^w3 μπορούν να ανακτηθούν από τον ιστότοπο Talk Physics.

Download

Download this article as a PDF