Autoestereograma

La estereopsis , o visión estereoscópica, es la fusión visual de dos imágenes similares pero no idénticas en una sola, lo que resulta en una percepción visual de solidez y profundidad . ^{[ 21 ] [ 22 ]} En el cerebro humano, la estereopsis resulta de mecanismos complejos que forman una impresión tridimensional al hacer coincidir cada punto (o conjunto de puntos) en la visión de un ojo con el punto (o conjunto de puntos) equivalente en la visión del otro ojo. Utilizando la disparidad binocular , el cerebro deduce las posiciones de los puntos en el eje z (profundidad), que de otro modo sería inescrutable.

Cuando al cerebro se le presenta un patrón repetitivo como el de un papel tapiz , le resulta difícil hacer coincidir con precisión las vistas de ambos ojos. Al observar un patrón que se repite horizontalmente , pero haciendo converger los ojos en un punto detrás del patrón, es posible engañar al cerebro para que haga coincidir un elemento del patrón, visto por el ojo izquierdo, con otro elemento (de aspecto similar), junto al primero, visto por el ojo derecho. Con la típica visión con los ojos desviados , esto crea la ilusión de un plano con el mismo patrón, pero ubicado detrás de la pared real. La distancia a la que se encuentra este plano detrás de la pared depende únicamente del espaciado entre elementos idénticos. ^{[ 23 ]}

Los autoestereogramas utilizan esta dependencia de la profundidad con respecto al espaciado para crear imágenes tridimensionales. Si, en una zona determinada de la imagen, el patrón se repite a distancias menores, esa zona aparecerá más cerca que el plano de fondo. Si la distancia de repetición es mayor en una zona determinada, entonces esa zona aparecerá más distante (como un agujero en el plano).

A las personas que nunca han podido percibir formas 3D ocultas en un autoestereograma les resulta difícil comprender afirmaciones como «la imagen 3D simplemente emergerá del fondo después de mirarla fijamente el tiempo suficiente» o «los objetos 3D simplemente aparecerán del fondo». Resulta útil ilustrar cómo las imágenes 3D «emergen» del fondo desde la perspectiva de un segundo observador. Si los objetos 3D virtuales reconstruidos por el cerebro del observador del autoestereograma fueran objetos reales, un segundo observador que observara la escena desde un lateral vería estos objetos flotando en el aire sobre la imagen de fondo.

Los efectos 3D del autoestereograma de ejemplo se crean repitiendo los iconos del jinete tigre cada 140 píxeles en el plano de fondo, los iconos del jinete tiburón cada 130 píxeles en el segundo plano y los iconos del tigre cada 120 píxeles en el plano superior. Cuanto más juntos estén los iconos horizontalmente, más se elevan del plano de fondo. Esta distancia de repetición se denomina profundidad o valor del eje Z de un patrón específico en el autoestereograma. El valor de profundidad también se conoce como valor del búfer Z.

El cerebro es capaz de relacionar casi instantáneamente cientos de patrones repetidos a intervalos diferentes para recrear la información de profundidad correcta para cada uno. Un autoestereograma puede contener unos 50 tigres de distintos tamaños, repetidos a intervalos diferentes sobre un fondo complejo y repetitivo. Sin embargo, a pesar de la aparente disposición caótica de los patrones, el cerebro es capaz de ubicar cada icono de tigre a la profundidad correcta.

Los autoestereogramas, donde los patrones de una fila se repiten horizontalmente con el mismo espaciado, pueden leerse con los ojos cruzados o bizcos. En estos autoestereogramas, ambos tipos de lectura producen una interpretación de profundidad similar, con la excepción de que la lectura con los ojos cruzados invierte la profundidad (las imágenes que antes sobresalían ahora se hunden).

Sin embargo, los iconos en una fila no necesitan estar dispuestos a intervalos idénticos. Un autoestereograma con intervalos variables entre iconos en una fila presenta estos iconos en diferentes planos de profundidad para el espectador. La profundidad de cada icono se calcula a partir de la distancia entre este y su vecino de la izquierda. Este tipo de autoestereogramas están diseñados para leerse de una sola manera: con los ojos cruzados o con los ojos bizcos. Todos los autoestereogramas de este artículo están codificados para la visualización con los ojos bizcos, a menos que se indique lo contrario. Un autoestereograma codificado para la visualización con los ojos bizcos producirá patrones inversos cuando se vea con los ojos cruzados, y viceversa. ^{[ b ]}

El autoestereograma de ejemplo de mapa de profundidad de ojos bizcos a la derecha codifica 3 planos a lo largo del eje x . El plano de fondo está en el lado izquierdo de la imagen. El plano más alto se muestra en el lado derecho de la imagen. Hay un plano medio estrecho en el centro del eje x . Partiendo de un plano de fondo donde los iconos están espaciados a 140 píxeles, se puede elevar un icono en particular desplazándolo una cierta cantidad de píxeles hacia la izquierda. Por ejemplo, el plano medio se crea desplazando un icono 10 píxeles hacia la izquierda, creando efectivamente un espaciado de 130 píxeles. El cerebro no depende de iconos inteligibles que representen objetos o conceptos. En este autoestereograma, los patrones se vuelven cada vez más pequeños a lo largo del eje y, hasta que parecen puntos aleatorios. El cerebro aún es capaz de relacionar estos patrones de puntos aleatorios.

La relación de distancia entre cualquier píxel y su contraparte en el patrón equivalente a la izquierda se puede expresar en un mapa de profundidad . Un mapa de profundidad es simplemente una imagen en escala de grises que representa la distancia entre un píxel y su contraparte izquierda mediante un valor de escala de grises entre blanco y negro. ^{[ 18 ]} Por convención, cuanto menor sea la distancia, más brillante será el color.

Siguiendo esta convención, se puede crear un mapa de profundidad en escala de grises para el autoestereograma de ejemplo, donde el negro, el gris y el blanco representan desplazamientos de 0, 10 y 20 píxeles, respectivamente, como se muestra en el autoestereograma de ejemplo en escala de grises. Un mapa de profundidad es fundamental para la creación de autoestereogramas de puntos aleatorios.

Un programa informático puede tomar un mapa de profundidad y una imagen de patrón asociada para generar un autoestereograma. El programa repite la imagen de patrón horizontalmente para cubrir un área del mismo tamaño que el mapa de profundidad. Conceptualmente, en cada píxel de la imagen de salida, el programa consulta el valor de escala de grises del píxel equivalente en la imagen del mapa de profundidad y utiliza este valor para determinar el desplazamiento horizontal necesario para dicho píxel.

Una forma de lograr esto es hacer que el programa escanee cada línea de la imagen de salida píxel a píxel de izquierda a derecha. Inicializa la primera serie de píxeles de una fila a partir de la imagen del patrón. Luego, consulta el mapa de profundidad para obtener los valores de desplazamiento adecuados para los píxeles subsiguientes. Para cada píxel, resta el desplazamiento del ancho de la imagen del patrón para obtener un intervalo de repetición. Utiliza este intervalo de repetición para buscar el color del píxel correspondiente a la izquierda y usa su color como el color del nuevo píxel. ^{[ 23 ]}

A diferencia de los planos de profundidad simples creados por los autoestereogramas de papel tapiz, los cambios sutiles en el espaciado especificados por el mapa de profundidad pueden crear la ilusión de gradientes suaves en la distancia. Esto es posible porque el mapa de profundidad en escala de grises permite que cada píxel se ubique en uno de los 2n ^planos de profundidad, donde n es el número de bits que utiliza cada píxel en el mapa de profundidad. En la práctica, el número total de planos de profundidad viene determinado por el número de píxeles utilizados para el ancho de la imagen del patrón. Cada valor en escala de grises debe traducirse al espacio de píxeles para desplazar los píxeles en el autoestereograma final. Por lo tanto, el número de planos de profundidad debe ser menor que el ancho del patrón.

El degradado finamente ajustado requiere una imagen de patrón más compleja que un papel tapiz estándar con patrón repetitivo, por lo que normalmente se utiliza un patrón compuesto por puntos aleatorios repetidos. Al visualizar el autoestereograma con la técnica adecuada, emerge una escena 3D oculta. Los autoestereogramas de este tipo se conocen como autoestereogramas de puntos aleatorios.

También se pueden lograr gradientes suaves con un patrón inteligible, siempre que el patrón sea lo suficientemente complejo y no tenga grandes parches horizontales y monótonos. Un área grande pintada con un color monótono sin cambios de tono ni brillo no se presta al desplazamiento de píxeles, ya que el resultado del desplazamiento horizontal es idéntico al parche original. El siguiente mapa de profundidad de un tiburón con gradiente suave produce un autoestereograma perfectamente legible, aunque la imagen 2D contiene pequeñas áreas monótonas; el cerebro es capaz de reconocer estos pequeños huecos y rellenar los espacios en blanco ( contornos ilusorios ). Si bien se utilizan patrones repetidos e inteligibles en lugar de puntos aleatorios, este tipo de autoestereograma todavía es conocido por muchos como un autoestereograma de puntos aleatorios, porque se crea utilizando el mismo proceso.

Cuando se muestran una serie de autoestereogramas uno tras otro, de la misma manera que se muestran imágenes en movimiento , el cerebro percibe un autoestereograma animado . Si todos los autoestereogramas de la animación se producen con el mismo patrón de fondo, a menudo es posible distinguir los contornos tenues de partes del objeto 3D en movimiento en la imagen 2D del autoestereograma sin desviarse de la imagen; los píxeles en constante cambio del objeto en movimiento se pueden diferenciar claramente del plano de fondo estático. Para eliminar este efecto secundario, los autoestereogramas animados suelen utilizar fondos cambiantes para disimular las partes en movimiento.

Cuando se visualiza un patrón repetitivo regular en un monitor CRT , como si fuera un autoestereograma de fondo de pantalla, generalmente se pueden observar ondulaciones de profundidad. Esto también se puede apreciar en el fondo de un autoestereograma estático de puntos aleatorios. Estas ondulaciones se deben a los desplazamientos laterales de la imagen causados ​​por pequeñas variaciones en la sensibilidad de deflexión (linealidad) del escaneo lineal, que se interpretan como profundidad. Este efecto es especialmente evidente en el borde izquierdo de la pantalla, donde la velocidad de escaneo aún se está estabilizando tras la fase de retorno. En una pantalla LCD TFT , que funciona de manera diferente, esto no ocurre y el efecto no está presente. Las pantallas CRT de mayor calidad también tienen una mejor linealidad y presentan este efecto en menor medida o incluso ninguno.

La percepción de profundidad resulta de numerosas señales visuales monoculares y binoculares. Para objetos relativamente cercanos a los ojos, la visión binocular desempeña un papel importante en la percepción de profundidad. La visión binocular permite al cerebro crear una única imagen ciclópea y asignar un nivel de profundidad a cada punto de la misma. ^{[ 11 ]}

El cerebro utiliza el desplazamiento de coordenadas (también conocido como paralaje) de objetos coincidentes para identificar la profundidad de estos objetos. ^{[ 23 ]} El nivel de profundidad de cada punto en la imagen combinada se puede representar mediante un píxel en escala de grises en una imagen 2D, para beneficio del lector. Cuanto más cerca se percibe un punto para el cerebro, más brillante se representa. Por lo tanto, la forma en que el cerebro percibe la profundidad mediante la visión binocular se puede capturar mediante un mapa de profundidad (imagen ciclópea) basado en el desplazamiento de coordenadas.

El ojo funciona como una cámara fotográfica. Posee un iris ajustable que puede abrirse (o cerrarse) para permitir la entrada de más (o menos) luz. Al igual que cualquier cámara, excepto las estenopeicas , necesita enfocar los rayos de luz que entran a través del iris (la apertura en una cámara) para que se enfoquen en un punto específico de la retina y así producir una imagen nítida. El ojo logra esto ajustando una lente detrás de la córnea para refractar la luz adecuadamente.

La visión estereoscópica basada en la paralaje permite al cerebro calcular la profundidad de los objetos con respecto al punto de convergencia. Es el ángulo de convergencia el que proporciona al cerebro el valor de profundidad de referencia absoluto para dicho punto, a partir del cual se pueden inferir las profundidades absolutas de todos los demás objetos.

Normalmente, los ojos enfocan y convergen a la misma distancia en un proceso conocido como convergencia acomodativa . Es decir, al mirar un objeto lejano, el cerebro aplana automáticamente los cristalinos y rota ambos globos oculares para la visión bizca. Es posible entrenar al cerebro para desacoplar estas dos operaciones. Este desacoplamiento no tiene utilidad en la vida cotidiana, ya que impide que el cerebro interprete los objetos de forma coherente. Sin embargo, para ver una imagen creada por el hombre, como un autoestereograma donde los patrones se repiten horizontalmente, el desacoplamiento del enfoque y la convergencia es crucial. ^{[ 3 ]}

Al enfocar las lentes en un autoestereograma cercano donde se repiten patrones y al converger los globos oculares en un punto distante detrás de la imagen del autoestereograma, se puede engañar al cerebro para que vea imágenes 3D. Si los patrones recibidos por los dos ojos son lo suficientemente similares, el cerebro los considerará coincidentes y los tratará como provenientes del mismo objeto imaginario. Este tipo de visualización se conoce como visión bizca , porque los globos oculares adoptan una convergencia bizca en un plano distante, aunque la imagen del autoestereograma esté en realidad más cerca de los ojos. ^{[ 23 ]} Debido a que los dos globos oculares convergen en un plano más lejano, la ubicación percibida del objeto imaginario está detrás del autoestereograma. El objeto imaginario también parece más grande que los patrones en el autoestereograma debido al escorzo .

El siguiente autoestereograma muestra tres filas de patrones repetidos. Cada patrón se repite a intervalos diferentes para ubicarlo en un plano de profundidad distinto. Las dos líneas que no se repiten pueden utilizarse para verificar la correcta visión binocular. Cuando el cerebro interpreta correctamente el autoestereograma mediante la visión binocular y se mira fijamente al delfín en el centro del campo visual, el cerebro debería ver dos conjuntos de líneas parpadeantes, como resultado de la rivalidad binocular . ^{[ 11 ]}

Aunque en el autoestereograma aparecen seis patrones de delfines, el cerebro debería percibir siete delfines "aparentes" en su plano. Esto se debe al emparejamiento de patrones similares por parte del cerebro. En esta imagen hay cinco pares de patrones de delfines, lo que permite al cerebro crear cinco delfines aparentes. El patrón de la izquierda y el de la derecha, por sí solos, no tienen pareja, pero el cerebro intenta integrarlos en el plano de profundidad establecido de los delfines adyacentes, a pesar de la rivalidad binocular. Como resultado, se observan siete delfines aparentes, con los de la izquierda y la derecha mostrando un ligero parpadeo, similar a los dos conjuntos de líneas parpadeantes que se observan al fijar la mirada en el cuarto delfín aparente.

Debido al escorzo, la diferencia en la convergencia necesaria para ver patrones repetidos en diferentes planos hace que el cerebro atribuya tamaños distintos a patrones con dimensiones bidimensionales idénticas. En el autoestereograma de tres filas de cubos, aunque todos los cubos tienen las mismas dimensiones físicas bidimensionales, los de la fila superior parecen más grandes porque se perciben como más lejanos que los cubos de la segunda y tercera fila.

Si una persona tiene ambos ojos, una vista relativamente sana y no padece afecciones neurológicas que impidan la percepción de la profundidad, entonces es capaz de aprender a ver las imágenes dentro de los autoestereogramas. «Como aprender a andar en bicicleta o a nadar, algunos lo aprenden de inmediato, mientras que a otros les cuesta más». ^{[ 26 ]}

Al igual que con una cámara fotográfica , es más fácil enfocar un objeto con luz ambiental intensa. Con iluminación intensa, el ojo puede contraer la pupila , permitiendo que llegue suficiente luz a la retina. Cuanto más se asemeja el ojo a una cámara estenopeica , menos depende del enfoque a través de la lente . ^{[ d ]} En otras palabras, se reduce el grado de desacoplamiento entre el enfoque y la convergencia necesarios para visualizar un autoestereograma. Esto reduce la carga sobre el cerebro. Por lo tanto, puede resultar más fácil para quienes ven un autoestereograma por primera vez "ver" sus primeras imágenes 3D si lo intentan con iluminación brillante.

El control de la convergencia es importante para poder ver imágenes en 3D. Por lo tanto, puede ser útil concentrarse en la convergencia/divergencia de ambos ojos para desplazar las imágenes que llegan a cada uno, en lugar de intentar ver una imagen nítida y enfocada. Aunque el cristalino se ajusta de forma refleja para producir imágenes nítidas y enfocadas, es posible controlar voluntariamente este proceso. ^{[ 27 ]} El observador alterna entre la convergencia y la divergencia de ambos ojos, viendo en el proceso "imágenes dobles", como las que se ven cuando uno está ebrio o intoxicado. Finalmente, el cerebro logrará emparejar un par de patrones reportados por ambos ojos y fijarse en este grado particular de convergencia. El cerebro también ajustará los cristalinos para obtener una imagen nítida del par emparejado. Una vez hecho esto, las imágenes alrededor de los patrones emparejados se vuelven nítidas rápidamente a medida que el cerebro empareja patrones adicionales utilizando aproximadamente el mismo grado de convergencia.

Cuando se traslada la atención de un plano de profundidad a otro (por ejemplo, de la fila superior del tablero de ajedrez a la inferior), ambos ojos deben ajustar su convergencia para adaptarse al nuevo intervalo repetitivo de patrones. Si el nivel de cambio en la convergencia es demasiado alto durante este cambio, a veces el cerebro puede perder la desconexión, tan difícilmente adquirida, entre el enfoque y la convergencia. Por lo tanto, para quien observa el autoestereograma por primera vez, puede resultar más fácil verlo si ambos ojos practican el ejercicio de convergencia en un autoestereograma donde la profundidad de los patrones en una fila determinada permanece constante.

En un autoestereograma de puntos aleatorios, la imagen 3D se muestra generalmente en el centro, sobre un plano de profundidad de fondo (véase el autoestereograma del tiburón). Para establecer una convergencia adecuada, puede ser útil fijar la vista en la parte superior o inferior del autoestereograma, donde los patrones suelen repetirse a intervalos constantes. Una vez que el cerebro se fija en el plano de profundidad de fondo, dispone de un grado de convergencia de referencia que le permite identificar patrones en diferentes niveles de profundidad en el centro de la imagen.

La mayoría de los autoestereogramas, incluidos los de este artículo, están diseñados para la visión divergente (con los ojos bizcos). Una forma de ayudar al cerebro a concentrarse en la divergencia en lugar de enfocar es sostener la imagen frente al rostro, con la nariz tocándola. Con la imagen tan cerca de los ojos, la mayoría de las personas no pueden enfocarla. El cerebro puede dejar de intentar mover los músculos oculares para obtener una imagen nítida. Si se aleja lentamente la imagen del rostro, evitando enfocar o rotar los ojos, en algún momento el cerebro se fijará en un par de patrones cuando la distancia entre ellos coincida con el grado de convergencia actual de ambos globos oculares. ^{[ 17 ]}

Otra forma consiste en fijar la mirada en un objeto situado detrás de la imagen para intentar establecer la divergencia adecuada, manteniendo parte de la vista fija en la imagen para convencer al cerebro de que se concentre en ella. Un método modificado consiste en que el espectador se concentre en su reflejo en una superficie reflectante de la imagen, que el cerebro percibe como situada al doble de distancia que la propia imagen. Esto puede ayudar a persuadir al cerebro para que adopte la divergencia necesaria mientras se concentra en la imagen cercana.

Quienes usan anteojos con lentes progresivas, en las que la distancia focal cambia gradualmente para facilitar la visión de objetos cercanos mediante la parte inferior del lente, pueden encontrar que ver un estereograma es más fácil si se ajustan ligeramente los anteojos para que el estereograma se vea a través de una parte del lente optimizada para imágenes más cercanas que la distancia real al estereograma. Cuando los ojos divergen al mirar (o fingir mirar) un objeto lejano, la sobrecorrección que se produce al ver el estereograma a través de la parte "incorrecta" del lente puede enfocarlo sin necesidad de superar la tendencia a enfocar el objeto lejano al intentar enfocar el estereograma.

Para los autoestereogramas de visión cruzada, se requiere un enfoque diferente. El espectador puede colocar un dedo entre los ojos y moverlo lentamente hacia la imagen, manteniendo el enfoque en el dedo en todo momento, hasta que logre enfocar correctamente el punto que le permitirá ver la ilusión.

Sin embargo, no se sabe que la estereoceguera permita el uso de ninguna de estas técnicas, especialmente en personas en las que puede ser, o es, permanente.