De manera natural nuestro mecanismo de visión es estéreo, es decir, somos capaces de apreciar, a través de la visión binocular, las diferentes distancias y volúmenes en el entorno que nos rodea. Nuestros ojos, debido a su separación, obtienen dos imágenes con pequeñas diferencias entre ellas, a lo que denominamos disparidad. Nuestro cerebro procesa las diferencias entre ambas imágenes y las interpreta de forma que percibimos la sensación de profundidad, lejanía o cercanía de los objetos que nos rodean. Este proceso se denomina estereopsis. La distancia interpupilar más habitual es de 65 mm, pero puede variar desde los 45 a los 75 mm.

En la estereopsis intervienen diversos mecanismos. Cuando observamos objetos muy lejanos, los ejes ópticos de nuestros ojos son paralelos. Cuando observamos un objeto cercano, nuestros ojos giran para que los ejes ópticos estén alineados sobre él, es decir, convergen. A su vez se produce la acomodación o enfoque para ver nítidamente el objeto. Este proceso conjunto se llama fusión. No todo el mundo tiene la misma capacidad de fusionar un par de imágenes en una sola tridimensional. Alrededor de un 5% de la población tiene problemas de fusión. La agudeza estereoscópica es la capacidad de discernir, mediante la estereopsis, detalles situados en planos diferentes y a una distancia mínima. Hay una distancia límite a partir de la cual no somos capaces de apreciar la separación de planos, y que varía de unas persona a otras. Así, la distancia límite a la que dejamos de percibir la sensación estereoscópica puede variar desde unos 60 metros hasta cientos de metros.

Un factor que interviene directamente en esta capacidad es la separación interocular. A mayor separación entre los ojos, mayor es la distancia a la que apreciamos el efecto de relieve. Esto se aplica por ejemplo en los prismáticos, en los que, mediante prismas, se consigue una separación interocular efectiva mayor que la normal, con lo que se consigue apreciar en relieve objetos distantes que en condiciones normales no seríamos capaces de separar del entorno. También se aplica en la fotografía aérea, en la que se obtienen pares estereoscópicos con separaciones de cientos de metros y en los que es posible apreciar claramente el relieve del terreno, lo que con la visión normal y desde gran altura sería imposible. El efecto obtenido con una separación interocular mayor que la habitual es el de que los objetos parecen más pequeños de lo normal (liliputismo), y la técnica se denomina hiperestereoscopia.

El efecto contrario se consigue con la hipoestereoscopia, es decir, con la reducción de la distancia interocular, imprescindible para obtener imágenes estereoscópicas de pequeños objetos (macrofotografías), o incluso obtenidas por medio de microscopios

HISTORIA DE LA ESTEREOSCOPIA

Parece que Euclides y el genial Leonardo da Vinci ya observaron y estudiaron el fenómeno de la visión binocular, siendo considerados los pioneros en este tema.

También el famoso astrónomo Kepler llevó a cabo estudios sobre la estereoscopia.

Curiosamente la estereoscopia precedió a la fotografía. Fue un físico escocés, Sir Charles Wheatstone, quién en Junio de 1838 describió primero con cierto rigor el fenómeno de la visión tridimensional y construyó luego un aparato con el que se podían apreciar en relieve dibujos geométricos: el Estereoscopio.

Años más tarde, en 1849, Sir David Brewster diseñó y construyó la primera cámara fotográfica estereoscópica, con la que obtuvo las primeras fotografías en relieve. Construyó también un visor con lentes para observarlas. Posteriormente, Oliver Wendell Holmes, en 1862, construyó otro modelo de estereoscopio de mano que se hizo muy popular a finales del siglo XIX. Con él podían verse en relieve fotografías estereoscópicas montadas sobre un cartón. Se crearon extensas colecciones y se pusieron a la venta. Podían encontrarse fotografías en relieve de cualquier parte del mundo.

Esta es una muestra de una vieja fotografía estereoscópica montada sobre cartón. Para poderla ver en relieve era necesario un visor tipo Holmes como el que aparece en la fotografía de la primera página. Actualmente, gracias a la informática, puede verse en la pantalla del ordenador sin necesidad del antiguo estereoscopio. Si tiene instalado el plugin VRex DepthCharge™, pulse sobre la foto. En caso contrario debe descargarlo e instalarlo. Más detalles en la página Galeria.

Ilustres científicos, como nuestro Premio Nobel aragonés Don Santiago Ramón y Cajal, utilizaron la estereoscopía para presentar sus trabajos científicos. Don Santiago presentó parte de sus muestras para microscopio en fotografías estereoscópicas. Era un gran aficionado a esta técnica y a la fotografía en general. Además de ello escribió sobre este tema en varios libros. Más información sobre su figura en cajal.unizar.es. D. Antonio Bergua ha publicado un libro dedicado a las fotografías estereoscópicas de Ramón y Cajal, "A Stereoscopic Atlas of the Nervous System by Santiago Ramón y Cajal", disponible en StereoBook Edition, un excelente ejemplo de fotografía científica estéreo. El autor tiene además sus propias páginas sobre estereoscopía en www.trizax.com

Durante los años 30, hubo un resurgir de la estereofotografía a raíz de la aparición de cámaras 3D con película de 35 mm. como la Realist o la ViewMaster, que facilitaban al aficionado la obtención de este tipo de imágenes. Desgraciadamente, estas cámaras ya no se fabrican, y son hoy en día objeto de colección y sólo pueden encontrarse en tiendas de material de ocasión.

También en el arte algunos pintores han usado la representación estereoscópica. Por ejemplo, Salvador Dalí utilizó un dispositivo de espejos similar al de Wheatstone para mostrar algunos de sus trabajos. Pueden verse actualmente en el museo de Figueras.

(Fotografía: IMAX Corporation)

En los años 50 se intentó la explotación comercial de películas 3D y aparecieron los primeros títulos, pero con escasa incidencia en el mercado cinematográfico. No pasaron de ser meras curiosidades para el público. Además, algunas de las películas que se realizaron presentaban problemas de visión, por no conocer algunos de los técnicos de la época toda la problemática que conlleva una película estereoscópica, lo que ocasionaba molestias visuales que hicieron que una parte del público rechazara este tipo de cine. No sería hasta los años 80 cuando se conseguirían los resultados más espectaculares, con los sistemas de gran formato de película, como el de IMAX, para conseguir imágenes de alta resolución en pantallas gigantescas, tras grandes inversiones en investigación y medios.

En los años noventa, los avances de la informática permiten presentar imágenes 3D en monitores de ordenador y utilizarlas para presentaciones en CAD, Medicina, cartografía y otras muchas aplicaciones. Los ordenadores permiten además generar espectaculares imágenes de síntesis en relieve, para aplicaciones científicas, industriales o de entretenimiento. Recientemente la NASA  ha utilizado la estereoscopia como una herramienta para ver en 3D y analizar  las imágenes de Marte enviadas por la sonda Pathfinder

PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA FOTOGRAFÍA ESTEREOSCÓPICA

La fotografía estereoscópica, también denominada abreviadamente fotografía 3D, intenta reproducir la sensación de profundidad de la visión estereoscópica natural. Si obtenemos dos fotografías con una separación adecuada, correspondientes a la visión que se obtendría con cada ojo, y se observan con un visor apropiado, es posible recrear la sensación de profundidad, de la cual carecen las fotografías convencionales.

Existen diversidad de sistemas, unos más complejos que otros, que introducen unas dificultades adicionales a las de la fotografía normal, a veces difíciles de soslayar. De hecho hubo un tiempo en que se vendieron cámaras 3D y este tipo de fotografía se hizo muy popular, pero decayó debido a las dificultades con que se encontraba el fotógrafo aficionado a la hora de visionar las imágenes.

Para obtener un par estéreo pueden emplearse diferentes procedimientos. Con una sola cámara podemos obtener las dos imágenes, en dos tiempos, desplazando la cámara una distancia similar a la de separación de los ojos, unos 65 mm. Naturalmente, el sujeto no debe moverse entre las dos tomas, por lo cual este procedimiento sólo sirve para fotografiar objetos inmóviles. Si queremos obtener fotografías 3D en movimiento debemos emplear una cámara estéreo especial, una cámara convencional dotada de un accesorio especial con espejos o bien dos cámaras disparadas sincronizadamente.
 

Dispositivo de espejos de Asahi Pentax para fotografía 3D, acoplado a una cámara reflex de 35 mm (Fotografía: ©Alfredo González)	Con el sistema de espejos se obtiene en un solo fotograma de 24x36 el par estéreo, pero cada uno en 18x24. (Fotografía: ©Alfredo González)

Dos cámaras gemelas acopladas y sincronizadas. Permiten obtener sólo fotografías hiperestéreo, debido a la gran separación entre objetivos. Soporte en metal construido por el autor. (Fotografía: ©Alfredo González)	Mediante esta disposición de las cámaras en decalado se consigue disminuir la separación entre objetivos, aunque sigue siendo un sistema hiperestéreo. Soporte en metal construido por el autor. (Fotografía: ©Alfredo González)

DISPOSITIVOS ESPECIALES
 

Prototipo patentado del StereoTwin 3D (Modelo de Utilidad 9.900.664), diseñado y construido por el autor. Con una separación entre objetivos variable desde 0 a 80 mm., permite obtener fotografías de sujetos en movimiento y a cualquier distancia, estereoscópicamente correctas y de visión confortable. Admite el uso de objetivos de diferentes focales, incluso angulares de 28 mm. Único sistema con flexibilidad total para fotografía estereoscópica utilizando formatos estándar.

Visión directa Java 1.1

StereoTwin 3D permite obtener fotografías a corta distancia de sujetos móviles, variando la separación entre objetivos hasta unos pocos milímetros, algo imposible de hacer incluso con cámaras 3D comerciales. Esta fotografía ejemplo está realizada a menos de 50 cm. y con angulares de 35 mm. (Fotografía: ©Alfredo González)

LA VISIÓN DE FOTOGRAFÍAS ESTEREOSCÓPICAS

El principal problema es la forma de observar las fotografías, de manera que cada ojo vea solamente la imagen que le corresponde. Los visores o estereoscopios permiten una visión casi perfecta pero individual. Los sistemas empleados en la proyección de películas y diapositivas permiten ver imágenes tridimensionales a un grupo numeroso de personas, pero les obliga a portar gafas especiales. Existen sistemas de visión libre, como el lenticular, que permiten ver fotografías en papel, pero su calidad no es demasiado buena. Todo esto ha relegado siempre la fotografía 3D al campo de los profesionales que precisan de ella, al cine, con muy poca incidencia, y al aficionado como una mera curiosidad. Existen diversos sistemas de visualización.

Actualmente se dispone de medios técnicos suficientes para presentar imágenes 3D de gran calidad

Sistema de representación de imágenes estereoscópicas

Para poder observar correctamente una imagen estereoscópica, cada ojo debe ver solamente la imagen que le corresponde. Para ello se han ideado diversos sistemas:

Visión Libre Paralela
Visión Libre Cruzada
Estereoscopios de reflexión y refracción (próximamente)
Anáglifo
Polarización
Lenticular (próximamente)
Alternativo
Cascos HMD
Pantallas auto-estéreo
Efecto Pulfrich
ChromaDepth
Sistemas inmersivos (próximamente)

VISIÓN LIBRE PARALELA

Los ojos observan cada uno su imagen correspondiente, manteniendo sus ejes ópticos paralelos, es decir, como si mirásemos al infinito. Sólo puede usarse este método con imágenes no superiores a 65 milímetros entre sus centros. Es el método usado para ver las imágenes de los libros con estereogramas de puntos aleatorios ("ojo mágico").

VISIÓN LIBRE CRUZADA

Las imágenes se observan cruzando los ejes ópticos de los ojos. El par estéreo se presenta invertido, es decir, la imagen derecha está situada a la izquierda y viceversa. Podemos ayudarnos mirando un lápiz situado entre nuestros ojos y las imágenes. Este método debe usarse con imágenes de dimensiones superiores a 65 milímetros entre sus centros, aunque la imagen virtual aparece más pequeña.

ANÁGLIFO

Se utilizan filtros de colores complementarios, como rojo-azul, rojo-verde o ámbar-azul. La imagen presentada por ejemplo en rojo no es vista por el ojo que tiene un filtro del mismo color, pero sí que ve la otra imagen en azul o verde. Este sistema, por su bajo costo, se emplea sobre todo en publicaciones, así como también en monitores de ordenador y en el cine. Presenta el problema de la alteración de los colores, pérdida de luminosidad y cansancio visual después de un uso prolongado. Normalmente se sitúa el filtro rojo en el ojo izquierdo, y el azul en el ojo derecho. Existen dos sistemas muy similares en ámbar-azul: el sistema SpaceSpex de 3DTV Corporation (Naranja-Azul) y el ColorCode 3-D, empleado ya en alguna película formato Imax y comercializado también en algún DVD en 3D. Este sistema es bastante eficaz, pero el filtro azul del ojo derecho es demasiado oscuro para una visión cómoda. En general el sistema anaglifo no es cómodo para usarlo durante un tiempo prolongado..

(Fotografía: ©Alfredo González)

Para conseguir gafas anáglifas rojo-azul convencionales vea las páginas de servicios en http://www.stereoscopy.com

POLARIZACIÓN

Se utiliza luz polarizada para separar las imágenes izquierda y derecha. El sistema de polarización no altera los colores, aunque hay una cierta pérdida de luminosidad. Se usa tanto en proyección de cine 3D como en monitores de ordenador mediante pantallas de polarización alternativa. Hoy día es el sistema más económico para una calidad de imagen aceptable.

(Fotografía: ©Alfredo González)

Para conseguir gafas de polarización convencionales vea las páginas de servicios en http://www.stereoscopy.com

ALTERNATIVO

Con este sistema se presentan en secuencia y alternativamente las imágenes izquierda y derecha, sincronizadamente con unas gafas dotadas con obturadores de cristal líquido (denominadas LCS, Liquid Crystal Shutter glasses o LCD, Liquid Crystal Display glasses), de forma que cada ojo ve solamente su imagen correspondiente. A una frecuencia elevada, el parpadeo es imperceptible. Se utiliza en monitores de ordenador, TV y cines 3D de última generación.

(Fotografía: ©Alfredo González)

Puede obtener unas gafas LCS en las siguientes direcciones:

Un HMD es un casco estereoscópico que porta dos pantallas y los sistemas ópticos para cada ojo, de forma que la imagen se genera en el propio dispositivo. Su principal uso hasta ahora ha sido la Realidad Virtual, a un costo prohibitivo y de forma experimental, aunque al bajar de precio aparecen otras aplicaciones lúdicas, como los videojuegos.

Principales fabricantes de HMD's:

MONITORES AUTO-STEREO

Se están desarrollando prototipos de monitores que no precisan gafas especiales para su visualización. Todos ellos emplean variantes del sistema lenticular, es decir, microlentes dispuestas paralela y verticalmente sobre la pantalla del monitor, que generan una cierta desviación a partir de dos o más imágenes (normalmente de 2 a 8).

Algunos ejemplos en:

EFECTO PULFRICH

El llamado Efecto Pulfrich fue descubierto por el médico alemán Carl Pulfrich en 1922. El fenómeno es la percepción de un efecto estereoscópico cuando se observa una imagen en movimiento horizontal sobre un plano y con un filtro oscuro situado delante de uno de los ojos. Debido a la menor luminosidad que percibe el ojo con el filtro, la imagen llega al cerebro con un retardo de unas centésimas de segundo. Por tanto, en la estereopsis el cerebro percibe la misma imagen pero con una pequeña diferencia de posición horizontal, lo que genera el efecto estereoscópico. No es propiamente un sistema de visualización estéreo, ya que no se parte de un par de imágenes sino de una única imagen 2D animada. Sin embargo pueden obtenerse efectos estereoscópicos muy espectaculares filmando con una única cámara en movimiento. Se han ideado incluso sistemas para generar el movimiento de las imágenes sin mover la cámara (CircleScan 4D). Diversas cadenas de televisión han presentado en alguna ocasión filmaciones preparadas para efecto Pulfrich.

CHROMADEPTH™

El sistema ChromaDepth™ de ChromaTek Inc. se basa en la desviación que producen los diferentes colores del espectro. En un prisma, la luz se desvía ligeramente dependiendo de su longitud de onda: más desviación en el rojo, menos en el azul. La información de profundidad se codifica por colores. Las gafas especialmente diseñadas para ver éstas imágenes disponen de unos cristales transparentes con microprismas. Cuando la imagen, denominada CyberHologram™, se observa con las gafas HoloPlay™ (para imágenes de ordenador) o C3D™ (para imágenes impresas), la imagen 2D se convierte en tridimensional. La desventaja de este sistema es la pérdida de información cromática, pero la ventaja sobre el anáglifo es que las imágenes pueden verse también en 2D.
Más información en ChromaTek Inc. www.chromatek.com

Aplicaciones de la estereoscopia

Actualmente diversos campos científicos y técnicos se benefician de la estereoscopia. Por citar algunos:
 

Una de las aplicaciones prácticas más antigua es la visualización y medición del relieve terrestre mediante fotografías aéreas. Si un avión toma dos fotografías de una zona de terreno con una cierta distancia calculada entre ellas, se obtiene un estereo-par, que posteriormente puede verse en relieve con un estereoscopio especial. Si las tomas se realizan con la adecuada precisión, permiten calcular elevaciones en el terreno, para lo cual se emplean los estereo-comparadores. En la actualidad, en fotogrametría, esta labor se puede realizar con gran precisión y con visión estéreo gracias a estaciones y software especialmente diseñados, como los de Intergraph y Zeiss. A partir de datos del terreno pueden también generarse imágenes 3D simuladas mediante software específico, por ejemplo para representar el relieve submarino (ver USGS, United States Geological Survey). Otro ejemplo es el trabajo topográfico realizado en Febrero del 2000 desde el transbordador espacial Endeavour, dentro del proyecto SRTM, que permite obtener mapas tridimensionales de una resolución extraordinaria.
 

De forma similar a la fotografía aérea, NASA ha obtenido numerosas vistas tridimensionales de fotografías de la Tierra obtenidas desde satélites, (ver http://www.jpl.nasa.gov) así como también de otros planetas de nuestro Sistema Solar. Las extraordinarias imágenes estéreo de la superficie de Marte obtenidas por la sonda Pathfinder de la NASA son otro ejemplo de aplicaciones para el estudio de otros planetas. La toma de imágenes en estéreo no solo sirvió para ver la superficie de Marte en 3D, sino para calcular distancias y tamaños de las rocas y conducir con más seguridad el vehículo. Sobre el sistema de toma de imágenes en estéreo, el IMP (Imager for Mars Pathfinder) en http://mars.jpl.nasa.gov/mpf/sci_desc.html#IMP. Pueden verse fotografías en anáglifo en la dirección del Jet Propulsion Laboratory http://mpfwww.jpl.nasa.gov/mpf/anaglyph-arc.html y en http://mpfwww.jpl.nasa.gov/parker/anaglyph.html. También en la Planetary Society existe una galería de imágenes de Marte y pueden verse muchas de ellas  en estéreo (la mayor parte corresponden al mes de julio del 97 y están en formato anáglifo).
VRex también tiene una página con imágenes 3D de Marte en http://www.3dexpo.com/gallery_mars.htm
 

Es una poderosa herramienta para diseño y visualización de prototipos, por ejemplo en la industria automovilística. Chrysler, Ford, Opel, Renault, Volvo y otros fabricantes ya usan estas técnicas, con un importante ahorro en tiempo y dinero durante el desarrollo. Los más importantes paquetes y estaciones de diseño por ordenador, como IBM, HP, DEC, Sun o Silicon Graphics , soportan actualmente la visualización estereoscópica mediante gafas LCS, como las de Stereographics o VRex.
 

Es uno de los campos en los que la estereoscopia proporciona más ayuda para la enseñanza, la interpretación de imágenes para el diagnóstico o como ayuda en las intervenciones.

No es una novedad que lupas y microscopios de precisión cuentan con visión estéreo desde hace tiempo. Firmas como Zeiss u Olympus disponen de diversos modelos según las aplicaciones. Si a un microscopio estéreo se le conectan dos cámaras de vídeo, se puede ofrecer una presentación 3D en un monitor o pantalla grande de vídeo, así como grabar las imágenes 3D.

En el campo de la microcirugía ofrece grandes posibilidades. Zeiss cuenta ya con sistemas de microcirugía tridimensional, como el MediLive 3D (ver en Zeiss, alemania), del que ya existen referencias sobre sus ventajas aplicado a la oftalmología. También VRex cuenta con un sistema de microcirugía orientado a la endodoncia. Estos sistemas usan un multiplexor para entrelazar las imágenes izquierda y derecha, y la visualización tridimensional se consigue con gafas de cristal líquido (LCS).

También la endoscopia cuenta con una gran ayuda en la estereoscopia. El sistema Endolive de Zeiss es un ejemplo de ello.

Una ventaja de este sistema es que todo el equipo quirúrgico puede observar en una gran pantalla y en 3D una intervención si está dotado de gafas para la visión estereoscópica. Además las imágenes tridimensionales pueden grabarse en un vídeo convencional para estudiarlas posteriormente o emplearlas en la docencia.

En la enseñanza tiene evidentes aplicaciones en la visualización de muestras y en la creación de programas multimedia de anatomía virtual.

También se usa para visualizar imágenes o modelos del interior del cuerpo humano, bien artificiales, bien generados a partir de imágenes reales obtenidas por medio de TAC (Tomografía Asistida por Computador) o RMN (Resonancia Magnética Nuclear). Técnicas como la radiografía estereoscópica permiten situar claramente cuerpos extraños o anomalías en el interior del paciente.

Asimismo se le encontrado aplicaciones para el diagnóstico de enfermedades oculares, (un ejemplo en Kasha Software, Inc.), o para distraer a los pacientes en odontología, (!) utilizando un HMD (Head Mounted Display), un sistema diseñado inicialmente para realidad virtual.

Ejemplos de aplicaciones de la estereoscopia en realidad virtual aplicada a la Medicina en Silicon Graphics.
 

En ingeniería molecular, sin la visualización estéreo en estaciones de diseño sería muy difícil crear nuevas moléculas complejas.Puede ver moléculas en estéreo en el Departamento de Química de la Widener University.
 

Sistemas de video-cámaras estéreo permiten operar en entornos peligrosos u hostiles con la máxima precisión.
NASA ya tiene cierta experiencia respecto a sistemas de telepresencia submarina.
 

La técnica denominada Realidad Virtual básicamente es una interacción usuario-ordenador en la que se generan las imágenes estereoscópicas en tiempo real, introduciendo al espectador en un escenario 3D artificial. Por citar algunas, se encuentran  las siguientes aplicaciones,

• En arquitectura, donde la Realidad Virtual nos permite navegar por el interior de un edificio antes de que se construya.
• En arqueología, permite recrear edificios y ciudades de viejas civilizaciones, o ayudar en la restauración de monumentos (algunos ejemplos en Silicon Graphics).
• En medicina, es posible simular intervenciones quirúrgicas o navegar por el interior del cuerpo humano para planificar operaciones o en la enseñanza. Los sistemas llamados "Realidad Aumentada" superponen a una imagen real otra generada por ordenador. Esto permite que el cirujano vea sobre la zona de intervención una imagen sintética tridimensional, con indicaciones precisas en un punto de interés especial. Puede ser de gran ayuda en operaciones delicadas, como por ejemplo en el cerebro.
• En la industria automovilística, es posible situarse al volante de un automóvil antes de fabricarlo.
• En la industria aerospacial, en simuladores de vuelo de aviones o para simular entornos de naves espaciales u operaciones en el espacio.

Aunque la Realidad Virtual es un tema que excede por sí solo el propósito y la capacidad de estas páginas, se irá incorporando información en la medida de lo posible. Del cálculo exacto de los parámetros de visión estereoscópica depende mucho el realismo del entorno virtual en todas estas aplicaciones. Como ejemplo, visite las interesantes páginas con aplicaciones de la Realidad Virtual en  Silicon Graphics y ejemplos de cálculo e implementación en IBM.