Αυτοστερεόγραμμα

Ένα αυτοστερεόγραμμα είναι ένα στερεόγραμμα μιας εικόνας (single-image stereogram – SIS), το οποίο είναι σχεδιασμένο να «ξεγελά» τον ανθρώπινο εγκέφαλο έτσι ώστε να αντιλαμβάνεται μία τρισδιάστατη εικόνα (3D) σε μία δισδιάστατη απεικόνιση. Για να γίνουν αντιληπτά τα τρισδιάστατα σχήματα, ο εγκέφαλος πρέπει να παρακάμψει την κανονικά αυτόματη λειτουργία της εστίασης και της ταυτόχρονης κίνησης και των δύο οφθαλμών. 
Ο πιο απλός τύπος αυτοστερεογράμματος αποτελείται από οριζοντίως επαναλαμβανόμενους σχηματισμούς και είναι γνωστό ως στερεόγραμμα τοιχοστρωσίας (wallpaper stereogram). Όταν κοιταχτούν με τη σωστή απόκλιση μεταξύ των δύο οφθαλμών, τα επαναλαμβανόμενα σχήματα εμφανίζονται σαν να αιωρούνται πίσω από το υπόβαθρο. Επίσης υπάρχουν τα αυτοστερεογράμματα τυχαίας κουκκίδας. Σε αυτόν τον τύπο αυτοστερεογραμμάτων, κάθε εικονοστοιχείο της εικόνας είναι υπολογισμένο από ένα πρότυπο ταινιών και έναν χάρτη βάθους. Συνήθως μία κρυμμένη τρισδιάστατη εικόνα εμφανίζεται όταν κάποιος το βλέπει με την κατάλληλη τεχνική.
Υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους κάποιος μπορεί να δει ένα στερεόγραμμα και οι αγγλικές του ονομασίες έχουν ληφθεί από αγγλικά συνώνυμα μορφών του στραβισμού: wall-eyed (απόκλιση των οφθαλμών από τη μύτη) και cross-eyed (σύγκλιση των οφθαλμών προς τη μύτη). Τα περισσότερα αυτοστερεογράμματα είναι σχεδιασμένα ώστε να γίνονται ορατά μόνο με τον πρώτο τρόπο. Σύμφωνα με αυτόν, προϋποτίθεται η προσαρμογή των ματιών σε μια συγκλίνουσα γωνία, ενώ σύμφωνα με τον δεύτερο τρόπο τα μάτια πρέπει να προσαρμοστούν σε μια αποκλίνουσα γωνία.

Ιστορία

Το 1838, ο Βρετανός επιστήμονας, Τσαρλς Γουήτστοουν εξέδωσε μία ερμηνεία της διόφθαλμης όρασης που σχετιζόταν με την αντίληψη του βάθους από τους ανθρώπους. Στην εργασία του αυτή, ο Γουήτστοουν έφτιαξε στερεοσκοπικές εικόνες και δημιούργησε ένα στερεοσκόπιο βασισμένο σε έναν συνδυασμό καθρεφτών, ώστε να μπορεί κάποιος να δει τρισδιάστατες εικόνες από δισδιάστατα σχήματα.
Μεταξύ του 1849 και του 1850, ο Ντέηβιντ Μπρούστερ, Σκώτος επιστήμονας, βελτίωσε το στερεοσκόπιο του Γουήτστοουν χρησιμοποιώντας φακούς αντί για καθρέφτες, μειώνοντας έτσι το μέγεθος της συσκευής. Ο Μπρούστερ παρατήρησε ότι το επίμονο κοίταγμα επαναλαμβανόμενων σχεδίων σε ταπετσαρίες, μπορούσε να μπερδέψει το μάτι, το οποίο συνδύαζε ζεύγη που ταίριαζαν μεταξύ τους, δημιουργώντας έτσι την ψευδή αντίληψη ενός εικονικού επιπέδου πίσω από τον τοίχο. Αυτή είναι και η βάση των στερεογραμμάτων τοιχοστρωσίας (τα οποία είναι γνωστά και ως στερεογράμματα μιας εικόνας).
Το 1959, ο Béla Julesz, ένας επιστήμονας της όρασης, ψυχολόγος και υπότροφος του Ιδρύματος ΜακΆρθουρ, ανακάλυψε το στερεόγραμμα τυχαίας κουκκίδας καθώς εργαζόταν στα εργαστήρια Μπελ, πάνω στην αναγνώριση καμουφλαρισμένων αντικειμένων από αεροφωτογραφίες που τραβήχτηκαν από κατασκοπευτικά αεροπλάνα. Εκείνη την περίοδο, οι επιστήμονες της όρασης, πίστευαν ακόμη πως η αντίληψη του βάθους συνέβαινε στο ίδιο το μάτι, ενώ σήμερα είναι γνωστό πως είναι μια πολύπλοκη νευρολογική διεργασία. Ο Julesz χρησιμοποίησε έναν υπολογιστή για να δημιουργήσει στερεοσκοπικά ζεύγη εικόνων τυχαίας κουκκίδας τα οποία όταν κοιτάζονταν υπό στερεοσκοπίου, προκαλούσαν τον εγκέφαλο να απεικονίσει τρισδιάστατα σχήματα. Αυτό απέδειξε ότι η αντίληψη βάθους είναι νευρολογική διεργασία.
Το 1979, ο Κρίστοφερ Τάιλερ του Ινστιτούτου Σμιθ-Κέτλγουελ (Smith-Kettlewell Institute), μαθητής του Julesz και οπτικός ψυχοφυσικός συνδύασε τις θεωρίες των στερεογραμμάτων μιας εικόνας (τοιχοστρωσίας) και των στερεογραμμάτων τυχαίας κουκίδας και δημιούργησε το πρώτο αυτοστερεόγραμμα τυχαίας κουκκίδας (επίσης γνωστό ως μιας εικόνας, τυχαίας κουκκίδας στερεόγραμμα) το οποίο επέτρεπε στον εγκέφαλο να αντιληφθεί μία τρισδιάστατη εικόνα από δισδιάστατη απεικόνιση, χωρίς να χρειάζεται κάποιο οπτικό βοήθημα.

Κινούμενης εικόνας

Όταν τα αυτοστερεογράμματα απεικονίζονται το ένα μετά το άλλο σε μια σειρά, με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο απεικονίζονται οι διαδοχικές εικόνες στις ταινίες, τότε ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται αυτή τη σειρά αυτοστερεογραμμάτων ως ένα αυτοστερεόγραμμα κινούμενης εικόνας (animated autostereogram). Αν όλα τα αυτοστερεογράμματα στο κινούμενο αυτοστερεόγραμμα, έχουν παραχθεί με το ίδιο υπόβαθρο, είναι πιθανό κάποιος να διακρίνει, θολά περιγράμματα των τμημάτων του κινούμενου τρισδιάστατου αντικειμένου στη δισδιάστατη εικόνα του αυτοστερεογράμματος, χωρίς απόκλιση των οφθαλμών από το προβλεπόμενο σημείο εστίασης. Τα κινούμενα εικονοστοιχεία του κινούμενου αντικειμένου μπορούν να διακριθούν καθαρά από το στατικό επίπεδο του υποβάθρου. Για να μη γίνεται αυτό, στα κινούμενα αυτοστερεογράμματα πολλές φορές χρησιμοποιείται υπόβαθρο που μεταβάλλεται έτσι ώστε να μη διαχωρίζεται σε σχέση με τα τμήματα του αυτοστερεογράμματος που παράγουν την τρισδιάστατη εικόνα. 
Όταν ένα κανονικό επαναλαμβανόμενο τμήμα του υποβάθρου απεικονίζεται μέσω καθοδικού σωλήνα (όπως για παράδειγμα σε μια οθόνη CRT), είναι επίσης πιθανό, κάποιος να διακρίνει πτυχώσεις βάθους. Το ίδιο μπορεί να φανεί στο υπόβαθρο ενός στατικού αυτοστερεογράμματος τυχαίας κουκκίδας. Αυτές δημιουργούνται από τις οριζόντιες μετατοπίσεις στην εικόνα εξαιτίας της ευαισθησίας μετατόπισης της καθοδικής λυχνίας στη γραμμική σάρωση, που μετά μεταφράζονται ως βάθος. Αυτό το φαινόμενο είναι ιδιαίτερα ορατό στην αριστερή πλευρά της οθόνης, όπου η ταχύτητα σάρωσης ηρεμεί μετά από την κίνηση επιστροφής. Το φαινόμενο αυτό απουσιάζει από τις οθόνες TFT LCD.

Μηχανισμοί θέωρησης

Υπάρχουν πολλών ειδών οδηγίες για το πως κάποιο μπορεί να δει την επιθυμητή τρισδιάστατη εικόνα σε ένα αυτοστερεόγραμμα. Ενώ μερικοί άνθρωποι μπορούν απλά να δουν την τρισδιάστατη εικόνα σε ένα αυτοστερεόγραμμα, κάποιοι άλλοι θα πρέπει να μάθουν να εξασκούν τα μάτια τους έτσι ώστε να επιτύχουν στην απομάκρυνση της σύγκλισης των ματιών από την ακούσια εστίαση των φακών. 
Δεν μπορούν όλοι να δουν την τρισδιάστατη οπτική ψευδαίσθηση στα αυτοστερεογράμματα. Επειδή τα αυτοστερεογράμματα είναι κατασκευασμένα βασιζόμενα στη στερεοσκοπία, άτομα με ποικίλες οπτικές εξασθενήσεις, ακόμα και αυτές που επηρεάζουν το ένα μόνο μάτι, δεν είναι ικανά ώστε να δουν τις τρισδιάστατες εικόνες.
Άνθρωποι με αμβλυωπία δεν είναι ικανοί να δουν τις τρισδιάστατες εικόνες. Παιδιά με "φτωχή" ή δεισλειτουργική όραση στη διάρκεια μιας κρίσιμης περιόδου στην παιδική τους ηλικία μπορεί μεγαλώνοντας να μην μπορέσουν να αναπτύξουν τη στερεοσκοπική τους αντίληψη, αφού ο εγκέφαλός τους δεν θα διεγείρεται από στερεοσκοπικές εικόνες κατά τη διάρκεια της κρίσιμης αυτής περιόδου. Εάν τέτοια οπτικά προβλήματα δεν διορθωθούν στην πρώιμη παιδική ηλικία, η ζημιά γίνεται μόνιμη και ως ενήλικες δεν θα μπορούν πια να βλέπουν αυτοστερεογράμματα. Υπολογίζεται ότι περίπου το 1% έως 5% του πληθυσμού προσβάλλεται από αμβλυωπία. (ΚΚΕΒ)

Τεχνικές παρατήρησης

Όπως και με μια φωτογραφική μηχανή, είναι πιο εύκολο να εστιάσεις ένα αντικείμενο όταν υπάρχει διάχυτο έντονο φως. Τότε, μπορεί να περισταλλεί η ίρις του ματιού επιτρέποντας αρκετό φως για να φτάσει στον αμφιβληστροειδή. Όσο περισσότερο το μάτι μοιάζει με μια φωτογραφική μηχανή χωρίς φακό, τόσο λιγότερο εξαρτάται από την εστίαση των φακών. Με άλλα λόγια, χειάζεται λιγότερος διαχωρισμός της εστίασης και της σύγκλισης για να οπτικοποιηθεί ένα αυτοστερεόγραμμα. Έτσι, διευκολύνεται ο εγκέφαλος. Ωστόσο, για κάποιον που βλέπει αυτοστερεογράμματα για πρώτη φορά, είναι πιο εύκολο να "δει" πρώτα τις τριδιάστατες εικόνες τους, αν το προσπαθεί με αρκετό φωτισμό.
Η σύγκλιση ελέγχου είναι σημαντική για να ειδωθούν τριδιάστατες εικόνες. Έτσι, μπορεί να βοηθήσει στην επικέντρωση της σύγκλισης/απόκλισης των δύο ματιών για να μεταφέρει τις εικόνες που φτάνουν στα δύο μάτια, αντί να προσπαθούμε να δούμε μια σαφή, εστιασμένη εικόνα. Μολονότι ο φακός ρυθμίζει την αντανακλαστικότητα για την παραγωγή σαφών, εστιασμένων εικόνων, μπορεί να γίνει εκούσιος έλεγχος αυτής της διαδικασίας. Αντίθετα, ο θεατής εναλλάσσεται συγκλίνοντας και αποκλίνοντας τα δύο μάτια, στη διαδικασία που βλέπουμε "διπλές εικόνες", που εμφανίζεται συνήθως όταν κάποιος είναι μεθυσμένος. Τελικά ο εγκέφαλος θα ταιριάξει με επιτυχία ένα ζευγάρι των μοτίβων που αναφέρθηκαν από τα δύο μάτια και θα κλειδώσει σ’ αυτό το συγκεκριμένο βαθμό σύγκλισης. Ο εγκέφαλος θα προσαρμόσει επίσης τους φακούς του ματιού, για να διαμορφωθεί μια σαφής εικόνα του αντιστοιχισμένου ζεύγους. Μόλις γίνει αυτό, οι εικόνες γύρω από τα αντιστοιχισμένα μοτίβα γρήγορα θα γίνουν σαφείς, καθώς ο εγκέφαλος θα αντιστοιχίζει πρόσθετα μοτίβα που χρησιμοποιούν περίπου τον ίδιο βαθμό σύγκλισης. 
 
Όταν κάποιος κινεί την προσοχή του από ένα επίπεδο βάθους σε άλλο (για παράδειγμα, από την επάνω γραμμή στη δεύτερη γραμμή στο αυτοστερεόγραμμα του κύβου), τα δύο μάτια χρειάζεται να προσαρμόσουν τη σύγκλιση τους για να αντιστοιχίσουν τη νέα επαναλαμβανόμενη σειρά μοτίβων. Εάν το επίπεδο της αλλαγής αυτής της σύγκλισης είναι πολύ υψηλή κατά τη διάρκεια αυτής της μετατόπισης, μερικές φορές ο εγκέφαλος μπορεί να χάσει την επίπονη σύνδεση μεταξύ εστίασης και σύγκλισης. Ως εκ τούτου, για έναν πρωτάρη θεατή,μπορεί να είναι πιο εύκολο να δει το αυτοστερεόγραμμα, εάν τα μάτια ασκήσουν τη σύγκλιση σε αυτοστερεόγραμμα όπου το βάθος των μοτίβων σε μια συγκεκριμένη γραμμή παραμένει σταθερό. 
Σε ένα τυχαίας τελείας αυτοστερεόγραμμα, η τριδιάστατη εικόνα εμφανίζεται συνήθως στη μέση του αυτοστερεογράμματος έναντι ενός επιπέδου σε βάθος φόντου (βλέπε το αυτοστερεόγραμμα του καρχαρία). Μπορεί να βοηθήσει να δημιουργηθεί κατάλληλη σύγκλιση, αν αρχικά κοιταχθεί το πάνω ή το κάτω μέρος του αυτοστερεογράμματος, όπου τα μοτίβα επαναλαμβάνονται συνήθως σε ένα σταθερό διάστημα. Μόλις ο εγκέφαλος κλειδώσει στο επίπεδο του βάθους του πλαισίου, έχει ως αναφορά ένα βαθμό σύγκλισης από το οποίο μπορεί να ταιριάξει στη συνέχεια μοτίβα σε διάφορα επίπεδα βάθους στο κέντρο της εικόνας. 
Η πλειοψηφία των αυτοστερεογραμμάτων, συμπεριλαμβανομένων και αυτών του άρθρου, έχουν σχεδιαστεί για αποκλίνουσα (wall-eyed) όραση. Ένας τρόπος για να βοηθήσουμε τον εγκέφαλο στην απόκλιση αντί της εστίασης είναι να κρατήσετε την εικόνα μπροστά από το πρόσωπο, με τη μύτη να αγγίζει την εικόνα. Με την εικόνα τόσο κοντά στα μάτια τους, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν μπορούν να εστιάσουν στην εικόνα. Ο εγκέφαλος μπορεί να συνεχίσει να προσπαθεί να κινεί τους μυς των ματιών, ώστε να διαμορφωθεί μια σαφή εικόνα. Εάν κάποιος τραβάει αργά την εικόνα μακριά από το πρόσωπο, ενώ η απέχει από την εστίαση ή την περιστροφή των ματιών, σε κάποιο σημείο ο εγκέφαλος θα κλειδώσει σε ένα ζεύγος μοτίβων, όταν η απόσταση μεταξύ τους ταιριάξει με το βαθμό σύγκλισης των δύο οφθαλμικών βολβών. 
Ένας άλλος τρόπος είναι το κοίταγμα σε ένα αντικείμενο πίσω από την εικόνα, σε μια προσπάθεια να δημιουργίας κατάλληλης απόκλισης, διατηρώντας ταυτόχρονα μέρος της όρασης που σταθεροποιείται στην εικόνα για να πειστεί ο εγκέφαλος να επικεντρωθεί στην εικόνα. Σε μια τροποποιημένη μέθοδος ο θεατής κοιτάζει στην αντανάκλαση του στη λαμπερή επιφάνεια της εικόνας, το οποίο ο εγκέφαλος αντιλαμβάνεται ότι βρίσκεται δύο φορές πιο μακριά όσο η ίδια η εικόνα. Αυτό μπορεί να βοηθήσει τον εγκέφαλο να αποκτήσει την απαιτούμενη απόκλιση, εστιάζοντας στην κοντινή εικόνα.
Για αυτοστερεογράμματα cross-eyed, χρειάζεται μια διαφορετική προσέγγιση. Ο θεατής μπορεί να βάλει ένα δάχτυλο ανάμεσα στα μάτια του και να το κινήσει αργά προς την εικόνα. Διατηρώντας συνέχεια την εστίασή του στο δάχτυλο, κάποια στιγμή θα εστιάσει στο σωστό σημείο ανάμεσα σε αυτόν και την εικόνα, στο οποίο θα μπορέσει να δει τη ψευδαίσθηση.