Hình ảnh 3D

Làm thế nào tạo ra được phim 3D? Chúng ta sẽ tìm hiểu cơ sở vật lý của vấn đề này. Nhân đây ta cũng tìm hiểu chụp ảnh 3D thậm chí 4D trong y tế. Ta biết rằng cách dùng tia X để chụp ảnh cơ thể đã có từ hơn trăm năm nay. Kết quả chụp thể hiện ở một tấm phim phẳng. Thí dụ chụp cái chân của người bị ngã nghi gãy xương thì nhìn thấy rõ ở phim hình dạng xương ống chân ở bên trong. Xương có bị gãy, có rạn nứt dài hay ngắn, to hay nhỏ, chính xác là ở phía nào, từ đâu đến đâu v.v… thì phải chụp theo nhiều hướng tức là có được nhiều tấm phim phẳng rồi so sánh đối chiếu các phim bác sĩ mới trả lời được nạn nứt ở xương cụ thể như thế nào. Tấm ảnh chụp bằng tia X thông thường như nói trên là ảnh hai chiều hay 2D. Nhưng từ năm 1970 người ta nói là đã có phương pháp chụp ảnh X quang gọi là CT hay là ảnh X quang 3D. Chụp X quang 3D sọ não chẳng hạn, thấy rõ vị trí một khối u ở trong đầu không những thấy to nhỏ, hình dạng như thế nào mà xác định được rõ ràng khối u ở vị trí nào, cao thấp bao nhiêu, đúng theo nghĩa xác định được theo cả ba chiều trong không gian. Không lâu sau chụp X quang 3D, trong y học đã có các phương pháp chụp cộng hưởng từ (MRI) cắt lớp, cụp PET (positron electron tomography) cắt lớp mà thực chất là có được hình ảnh 3D của các bộ phận trong cơ thể. Chụp ảnh 3D ở y tế khác với quay phim chụp ảnh 3D như thế nào. Đó cũng là vấn đề cần tìm hiểu.

Cách đây 2 năm các nhà khoa học Mỹ công bố và giới thiệu một cách tạo ảnh 3D hiện đại nhất, không phải là ảnh trên nền phẳng, phải đeo kính đặc biệt vào mới nhìn thấy, mới có cảm giác là ba chiều. Ở đây bản thân ảnh là ba chiều thật: nhìn vào ảnh bằng mắt thường thấy được vị trí ba chiều của từng chi tiết như nhìn vào vật thật thậm chí có thể đo đạc rất chính xác.

Như vậy là có nhiều cách chụp ảnh 3D khác nhau. Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên tắc và phân biệt về mặt nguyên lý các cách chụp ảnh 3D. Trước đây người ta hay dùng từ stereo gần đây mới dùng từ 3D. Stereo gốc la tinh có nhiều nghĩa trong đó có nghĩa là không gian. Chữ D là chữ đầu tiên của dimension có nghĩa là chiều. Thông thường thì ảnh chụp hay ảnh vẽ các chi tiết trên ảnh đều hiện lên trên mặt phẳng, tức là hai chiều hay 2D. Nếu bằng một cách nào đó nhìn vào ảnh ta thấy các chi tiết như là trong không gian, tức là có cả ba chiều thì ảnh đó gọi là ảnh stereo hay là ảnh 3D. Người ta còn gọi đó là ảnh nổi hay ảnh lập thể.

ẢNH VÀ PHIM 3D

1. Vai trò của hai mắt và não khi nhìn thấy vật

Sách giáo khoa Vật lý phổ thông đã nói đến cấu tạo của mắt và quá trình nhìn thấy. Các bộ phận phía trước của mắt có tác dụng là một thấu kính tạo ra trên võng mạc ảnh của vật ta nhìn. Ta thấy được vật là nhờ có hàng triệu tế bào cảm nhận nằm chi chít ở phần trên của võng mạc. Có ba loại tế bào cảm nhận nhìn nón cảm nhận được ba màu đỏ, lục, lam (RGB – red, green, blue) và một loại tế bào hình que chỉ cảm nhận được màu đen trắng, ánh sáng rất yếu ớt. Khi trên võng mạc hiện lên ảnh của vật là khi ánh sáng từ mỗi điểm của vật qua thấu kính của mắt tạo ra được một điểm sáng (điểm ảnh) trên võng mạc. Các tế bào cảm nhận ở điểm đó bị kích thích và gửi tín hiệu theo dây thần kinh từ đuôi tế bào cảm nhận đến não, ta thấy được vật.

Như vậy nếu xét riêng lẻ từng con mắt ta thấy não làm nhiệm vụ:

- Căn cứ vào vị trí điểm ảnh trên võng mạc cho ta hình dung ra vị trí điểm tương ứng của vật.

- Căn cứ vào màu sắc và cường độ mà các tế bào cảm nhận của điểm ảnh trên võng mạc cảm nhận được cho biết điểm tương ứng của vật có màu sắc gì, sáng tối ra sao. Vật mà mắt ta nhìn thấy là tổng hợp của các điểm như vậy. Quá trình ta nhìn thấy vật là quá trình cảm nhận ở mắt và xử lý tín hiệu của não. Cách giải thích quá trình mắt nhìn thấy như trên còn chưa đầy đủ, chưa chú ý đến yếu tố con người có hai mắt ở trên mặt, cách nhau cỡ 65cm (ngựa có hai mắt nhưng nằm ở hai bên). Nhìn bằng hai mắt không phải là tổng cộng đơn giản của kết quả nhìn của từng mắt một. Vì hai mắt nằm cách nhau, góc độ mà mắt này nhìn vật khác với góc độ mà mắt kia nhìn. Vì vậy hai ảnh của vật hiện lên ở hai võng mạc của hai mắt có hơi khác nhau. Bộ não biết căn cứ vào chỗ khác nhau đó để tạo ra độ sâu của ảnh, tức là cho thấy được vật với đầy đủ ba chiều. Nói cách khác mỗi điểm của vật có điểm ảnh tương ứng với võng mạc mắt trái và võng mạc mắt phải. Hai tập hợp điểm ảnh ở hai võng mạc này có hơi khác nhau, não biết căn cứ vào sự khác nhau đó để tính toán xác định được vị trí trong không gian của từng điểm của vật ứng với từng điểm ảnh. Lâu nay ở sách giáo khoa khi nói về sự nhìn thấy, người ta chỉ chú trọng nói về cảm nhận của từng mắt. Vai trò xử lý thông tin, tính toán thực sự của não đối với sự khác nhau ở hai ảnh đóng vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra thông tin về không gian, tức là tạo ra ảnh ba chiều hay 3D.

2. Nguyên tắc của ảnh và phim 3D

Khi nhìn vật, ảnh của vật hiện lên trên võng mạc của mắt trái và mắt phải có khác nhau ít nhiều do góc nhìn của từng mắt. Não biết cách xử lý tính toán, dựa vào sự khác nhau của hai ảnh đó để tạo ra chiều thứ ba tức là chiều sâu của các chi tiết trên vật. Nguyên tắc này đã được biết từ lâu, hơn trăm năm nay. Do đó dã có những mưu mẹo để tạo ra ảnh của vật trên mặt phẳng nhưng khi hai mắt nhìn vào ảnh lại thấy được vật có đầy đủ ba chiều trong không gian như là thật, người ta gọi đó là cách tạo ảnh nổi hay là ảnh lập thể (stereo), bây giờ thường gọi là ảnh 3D. Tạo phim ảnh nổi hay là phim 3D thật ra là tạo liên tiếp nhiều ảnh nổi (trên 24 ảnh trong một giây) để nhờ tính lưu ảnh của mắt mà thấy được cử động một cách liên tục. Do đó dưới đây ta chỉ nói gọn đến cách tạo ảnh 3D.

Ảnh của vật chụp bằng máy ảnh hiện lên trên màn hình hoặc lên giấy cũng như ảnh của vật qua thấu kính mắt hiện lên võng mạc là ảnh phẳng hay 2D. Qua ảnh 2D ta nhìn thấy vật mất đi một chiều trong không gian thường nói là mất đi chiều sâu. Ta đã biết ảnh nổi hay ảnh 3D của một vật là ảnh tuy phẳng nhưng khi hai mắt ta nhìn vào đấy thấy được vật với đầy đủ ba chiều trong không gian. Khi nhìn vật thật bằng hai mắt, có hai ảnh hai chiều của vật hiện lên hai võng mạc. Hai ảnh này hơi khác nhau một chút do góc nhìn vật đối với hai mắt khác nhau. Não biết căn cứ vào sự khác nhau đó để tạo ra cảm giác về chiều thứ ba, tức là chiều sâu. Vậy nếu mắt không nhìn vào vật mà nhìn vào ảnh muốn thấy được chiều thứ ba phải làm sao cho trên hai võng mạc có hai ảnh hơi khác nhau để não căn cứ vào sự khác nhau đó tạo ra cảm giác về chiều thứ ba. Có nhiều cách làm nhưng dễ thực hiện và thuận tiện là cách:

- Tạo ra ảnh gồm hai ảnh hai chiều đặt gần sát nhau trên một mặt phẳng. Hai ảnh này có hơi khác nhau một chút phù hợp với góc khác nhau khi nhìn vật từ mắt trái và mắt phải.

- Làm một kính đeo với hai mắt kính khác nhau sao cho mắt trái chỉ nhìn thấy ảnh tương ứng với góc nhìn của mắt trái, mắt phải chỉ nhìn thấy ảnh tương ứng với góc nhìn mắt phải. Như vậy khi hai mắt nhìn vào ảnh (thực sự là hai ảnh gần giống nhau nằm gần nhau) đồng thời ở hai võng mạc có hai ảnh khác nhau y như khi nhìn vào vật thật. Não thực hiện các phép xử lý để cho thêm chiều thứ ba như khi nhìn vào vật thật.

Đến đây có thể có hai câu hỏi:

- Làm thế nào để từ một vật tạo ra hai ảnh hơi khác nhau về góc nhìn để gộp lại thành ảnh 3D.

- Làm thế nào để hai mắt đồng thời nhìn vào ảnh 3D nhưng ở võng mạc mỗi mắt chỉ có được một ảnh 2D.

3. Tạo ra ảnh 3D

Để có ảnh 3D của một vật phải có 2 ảnh 2D của vật đó với góc nhìn khác nhau như của hai mắt và làm sao cho đồng thời mỗi mắt chỉ nhìn thầy một ảnh 2D. Muốn có được hai ảnh 2D của một vật với góc nhìn khác nhau, ta có thể dùng hai máy ảnh giống nhau, đặt chế độ chụp ảnh như nhau nhưng cách nhau cỡ 6 – 7cm như là khoảng cách giữa hai mắt (đối với phim 3D cũng vậy, thay cho máy ảnh là máy quay phim).

Gần đây chụp ảnh kỹ thuật số phát triển có thể chỉ với một máy ảnh số chụp ảnh thông thường để có ảnh 2D ứng với một góc nhìn. Bằng một chương trình chuyên dụng có thể chuyển ảnh 2D này sang ảnh 2D ứng với góc nhìn kia. Nhờ vậy có được hai ảnh 2D của vật để từ đó tạo nên ảnh 3D (bạn đọc hiếu kỳ có thể thu được miễn phí từ trên mạng chương trình loại đơn giản để từ một ảnh 2D tạo ra hai ảnh 2D, ghép lại thành ảnh 3D). Từ hai ảnh 2D có được, có nhiều cách xử lý để có ảnh 3D. Hai cách phổ biến nhất hiện nay là cách dùng kính lọc màu bù và cách dùng kính phân cực.

Ở cách dùng kính lọc màu bù, người ta dùng hai loại kính lọc thí dụ dùng kính lọc màu đỏ, chỉ cho ánh sáng màu đỏ đi qua và kính lọc màu bù của màu đỏ tức là màu lục lam (cyan) chỉ cho hai màu lục và lam đi qua (lục lam = lục + lam). Từ hai ảnh 2D của vật chụp với góc nhìn khác nhau người ta dùng kính lọc màu đỏ và dùng kính lọc màu lục lam để làm cho ảnh ứng với góc nhìn mắt phải có màu lục lam. Khi cho ảnh màu đỏ và ảnh màu lục lam gần sát nhau, thậm chí chồng lên nhau ta có ảnh 3D của vật. Thật vậy nếu đeo vào mắt một cái kính màu, mắt trái là kính lọc màu đỏ còn mắt phải là kính lọc màu lục lam thì ở võng mạc mắt trái có ảnh vật màu đỏ và ở mõng mạc mắt phải có ảnh vật màu lục lam. Đối với mỗi điểm ảnh, não biết lấy thông tin từ hai võng mạc tổng hợp màu đỏ và màu xian của từng điểm ảnh tức là tổng hợp ba màu cơ bản đỏ lục lam của vật để có được màu thật sự của điểm vật tương ứng. Mặt khác não biết tính toán sự khác nhau về góc nhìn đối với điểm ảnh màu đỏ và điểm ảnh màu lcụ lam để cho biết vị trí không gian thật sự của điểm vật tương ứng. Tóm lại đeo kính mắt đỏ mắt lục lam nhìn vào ảnh 3D ta thấy được vật với đầy đủ màu sắc và ba chiều.

Ở cách dùng hiện tượng phân cực người ta dùng kính phân cực để làm cho ánh sáng của ảnh 2D là ánh sáng phân cực với mặt phân cực đối với ảnh 2D ứng với góc nhìn mắt trái nghiêng 90 độ đối với mặt phân cực của ảnh 2D ứng với góc nhìn mắt phải. Để xem ảnh 3D hai mắt mang hai kính phân cực với mặt phân cực vuông góc nhau sao cho mắt trái chỉ nhìn thấy ảnh 2D ứng với mắt trái còn mắt phải chỉ nhìn thấy ảnh 2D ứng với mắt phải. Kết quả là khi cả hai mắt nhìn vào ảnh 3D của vật, ta thấy được vật với đầy đủ các chiều trong không gian.

Khi xem phim 3D ta phải mang kính đặc biệt và mở cả hai mắt. Nếu kính đặc biệt có hai màu, thí dụ đỏ và lục lam thì đó là phim 3D theo kiểu hai màu bù nhau, nếu hai mắt kính đều có màu xám, đó là phim 3D theo kiểu phân cực.

Thật ra phim 3D đã có từ lâu, xem rất hấp dẫn nhưng căng thẳng, mỏi mắt. Các phim 3D trước đây đều ngắn gọn, dài cỡ 10 – 15 phút. Có cả loại phim 3D khi xem không cần kính nhưng phải ngồi ở những vị trí đặc biệt và phải tự điều chỉnh mắt qua lại mới thấy được hình nổi.

Gần đây vấn đề phim 3D lại nổi lên vì nhờ có kỹ thuật số xử lý ảnh một cách tinh vi và nhanh chóng nên xem phim 3D rất hấp dẫn, ít mỏi mắt. Nhưng về nguyên lý thì không phải là mới.

Kỳ sau chúng ta sẽ tìm hiểu hình ảnh 3D và 4D trong y tế.