Съемка очень больших фотографий


Сначала попытаюсь определить, что такое очень большая фотография. Считается, что средний глаз различает 10 точек на мм с расстояния 25 см. Угол зрения неподвижного хрусталика примерно 45 градусов. Другими словами, если мы хотим рассматривать фотографию целиком,  то 13×18 см это максимум возможностей глаза. Если мы будем увеличивать фотографию и одновременно отходить от нее, чтобы охватить ее целиком, то обратно пропорционально увеличению размеров будут падать требования к ее детализации. Таким образом, снимаем мы фотографию для того, чтобы сделать отпечаток 13×18 в домашний альбом, или чтобы спроецировать на гигантский экран на стадионе размером в десятки метров, требования к исходному снимку абсолютно одинаковые, и никаких проблем в его получении не возникает.   Поскольку для того, чтобы запечатлеть 1800 черных штрихов на белом фоне, нужна матрица, имеющая 3600 чувствительных элементов по длинной стороне, ну и соответственно 2600 по короткой, что дает нам 9 Мп камеру. Даже с учетом необходимого запаса, например, на случай, если у нас красное изображение на черном фоне и при этом разрешение матрицы упадет в четыре раза, все равно подобные матрицы уже существуют и даже выпускаются в довольно большом количестве.

Проблемы возникают в том случае,  если нужно получить фотографию, которую собираются рассматривать по частям с близкого расстояния. Например, фотография во всю стену, высотой 3 м и шириной 4,5. Если к стене можно подойти на расстояние 25 см, то в идеале на подобной фотографии должно быть различимо 45000 штрихов вдоль длинной стороны и 30000 вдоль короткой. Грубая прикидка показывает, что для этого нам понадобится  3-гигапиксельная (Гп) матрица и очень-очень хороший объектив. Поскольку таких матриц пока нет, и в ближайшее время не предвидится, посмотрим, нельзя ли снять такую фотографию традиционным серебряным способом. В отличие от электроники в классической фотографии сделать пластинку какого угодно размера принципиальных проблем нет. Конечно, эмульсию надо нанести равномерно, что не очень просто, но выполнимо даже кустарным способом. 

Посмотрим, насколько легко найти подходящий объектив. Обычные объективы не подойдут, они рассчитаны на отпечаток 13×18, о чем свидетельствует нанесенная на них шкала глубины резкости (подробный анализ шкал, нанесенных на некоторые известные объективы, см. в статье, посвященной программе расчета глубины резкости). Первое, что приходит в голову, это хороший, проверенный временем объектив для аэрофотосъемки, например, Индустар 52. Посмотрим, какую фотографию, отвечающую требованиям рассматривания по частям, нам удастся сделать. Этот объектив имеет фокусное расстояние 500 мм, поле зрения 44 градуса, предназначен для получения снимков размером 30×30 см и имеет разрешение в 25 пар линий на мм по центру кадра. Паспортное разрешение объектива указывается для полностью открытой диафрагмы. Путем диафрагмирования обычно удается добиться двукратного повышения разрешения объектива, т.е. в данном случае 50 пар линий на мм, что в 5 раз больше разрешения глаза, и соответственно, мы можем получить отпечаток до 1,5×1,5 м. Однако, это в три раза меньше, чем необходимо для решения поставленной задачи. Если учесть, что на краю кадра разрешение падает до 12 линий на мм,  то мы еще больше недотягиваем до идеала. Правда, если иметь в виду реальную фотографию, помещенную на стене выставки, то иметь высокое разрешение ни у пола, ни у потолка не обязательно, вряд и кто-то будет приседать на корточки или приходить со стремянкой, чтобы посмотреть, каково там. Конечно, есть объективы и получше, чем Индустар 52, но с 1902 года, когда главный оптик фирмы Zeiss П.Рудольф разработал свой TESSAR, выяснилось, что объективы, сделанные по этой схеме, если и уступают новейщим разработкам, то отнюдь не в разы. Можно использовать не пластинку 30×30, а чувствительную пленку или бумагу размером несколько метров. В истории фотографии известны прецеденты, когда фотокамера имела размер и была конструктивно выполнена в виде автомобильного фургона. Но все равно нам вряд ли удастся даже вдвое увеличить число запечатленных штрихов.

Таким образом, единственный способ получить очень большую фотографию — снимать ее по частям. В этом случае, конечно, снимок будет не совсем мгновенным, разные участки будут сняты в несколько разное время, но, на самом деле, ситуация будет не очень сильно отличаться от того, что мы имеем при съемке с фокальным шторным затвором. Там разница во времени экспозиции противоположных концов кадра у аппарата Зенит равняется 1/30 с. Мы собираемся получить снимок в 30 раз больший. Следовательно, если мы сумеем сделать 30 снимков за 1 с, то мы получим тот же эффект, как если бы щель затвора бежала с той же скоростью, но вдоль в 30 раз более длинного кадра. 30 кадров в секунду это много, но, в принципе, реально, это скорость работы кинокамеры. Однако проблема в том, что нам нужно получить не одну узкую полосу, а 30 полос длиной в 30 кадров. Одна узкая полоса — это линейная панорама, и процесс съемки подобных кадров достаточно хорошо разработан. 30 полос — это уже мозаика. Дополнительные проблемы возникают еще потому, что мы пытаемся сделать большой снимок не с увеличенным углом зрения, как при панораме, а с обычным. Т.е. мы должны поворачивать в двух плоскостях длиннофокусный объектив с очень высокой точностью относительно его узловой точки. Система съемки, при которой мы перемещаем матрицу или линейку фотоприемника за неподвижным объективом (см. здесь и здесь), нас в данном случае не устраивает, поскольку результат в этом случае аналогичен использованию очень большой фотопластинки, а как мы подсчитали, проблема у нас с отсутствием необходимого объектива.

Недавно меня попросили сделать снимок высотой 2,5 м и шириной 6. С достаточно хорошим разрешением, чтобы с расстояния 0,5 м кадр не казался очень замыленным.  Задача несколько проще, чем сформулированная выше, во-первых, потому что разрешение в 3 точки на мм можно было считать приемлемым для центра кадра, а во-вторых, угол охвата фотографии предполагалось сделать в два раза больше, чем может увидеть глаз за один раз, т.е. порядка 90 градусов. Но, тем не менее, чтобы сделать подобный снимок, нужно было бы, как минимум, иметь 150 Мп камеру с рекордным объективом. Я же решил эту задачу с помощью камеры Canon Eos 5D и специально сделанной штативной головки. Почему специально сделанной? Ну, во-первых, потому что существующие решения предназначены для павильонной съемки и очень громоздки, ну и, во-вторых, мне показалось интереснее собрать нечто из имеющихся деталей. Таким образом, на получившуюся конструкцию существенно влияние оказало то, какие заготовки у меня оказались под рукой. Я постараюсь подробно рассказать о своей конструкции не для того, чтобы вы смогли воспроизвести ее один к одному, а чтобы было проще оценить возможность имеющихся у вас деталей для решения подобной задачи. В детстве на меня очень большое впечатление произвела книжка «Физики шутят». Возможно даже, что она сыграла решающую роль в выборе профессии. В ней, в частности, есть «Инструкция для читателя научных статей», и в ней раскрывается тайный смысл некоторых традиционных , общеупотребительных выражений: «Был выбран сплав висмута со свинцом, поскольку именно для него ожидаемый эффект должен был проявиться наиболее отчетливо (другого сплава у нас вообще не было)». 

Ну вот с предисловием покончено и, надеюсь, вы готовы к прочтению описания экспериментальной установки и методики эксперимента :-)

Штативная головка для вращения камеры в двух плоскостях относительно узловой точки

Чтобы не возникал параллакс, надо вращать камеру вокруг вполне определенной оси. И, к сожалению, эта ось никогда не совпадает со штативным гнездом. Если бы объектив состоял из одной тонкой линзы, то ось, вокруг которой надо вращать камеру, искать было бы не надо, она проходит через центр линзы и пересекает оптическую ось. Если линза толстая или объектив состоит из нескольких линз, то ситуация с определением этой точки существенно сложнее. Из теории известно, что на оптической оси системы есть точки, для которых угловое увеличение равно единице. Эти точки называются узловыми точками оптической системы. Передняя узловая точка N удалена от переднего фокуса F на расстояние z, равное заднему фокусному расстоянию системы f', а задняя узловая точка N' удалена от заднего фокуса F' на расстояние z', равное переднему фокусному расстоянию f.

Устройство для вращения вокруг одной оси я подробно описал в статье «Устройство для съемки панорам с рук». Описанные там салазки фирмы Manfrotto №357 нашли применение и в новой конструкции.

фото

фото

Так выглядит основная конструкция. Первый из двух стопорных винтов в основании конструкции служит для жесткой фиксации и, даже не будучи полностью затянут, входит в паз в центральной оси и препятствует ее смещению вверх. Второй винт с толстой шляпкой содержит внутри пружину и шарик, что позволяет определять угол поворота на ощупь. К сожалению, у меня не было болванки толще 30 мм, а при столь малом диаметре усилие фиксации оказалось довольно слабым. Для вертикального крепления камеры первоначально предполагалось использовать уголок фирмы Manfrotto. Для точного и надежного крепления а также для уменьшения габаритов, шестигранная площадка была снята, а в самом уголке была просверлена дырка и нарезана резьба для непосредственного крепления к салазкам.

В дальнейшем, я решил, что уголок — это чересчур громоздко, и выточил ось, непосредственно крепящуюся к основанию салазок.

фото

Необходимо жестко закрепить ось, чтобы она не выкручивалась из штативного гнезда под тяжестью камеры. Для этого в одной из дырок в основании салазок была нарезана резьба М6 и в нее ввинчен стопорный винт.

фото

Ниже приведена фотография всех деталей, из которых в результате были собраны вышеприведенные конструкции.

фото

С помощью этой установки с объективом Волна, имеющим фокусное расстояние 80 мм, было сделано 18 кадров — по девевять в ряд. Хельмут Дерш (Helmut Dersch) еще в 1998 году создал прекрасный инструмент, позволяющий исправить искажения исходных снимков и добиться почти идеального их совпадения, если объектив вращался относительно узловой точки.Из множества графических интерфейсов к его программам я предпочитаю Hugin. В нем процесс сшивки выглядит следующим образом.

Выбираем контрольные точки, которые должны совпасть, запускаем «оптимизатор» и получаем коэффициенты, описывающие радиальные искажения и смещение центра изображения.

hugin


hugin

Программа также рассчитывает и ориентацию каждого снимка.

hugin

Окно предпросмотра позволяет оценить результат и подкорректировать наклоны и перспективу.

hugin

«Сшиватель» позволяет получить готовый снимок. В случае, если необходимо очень высокое качество, ручной работы не избежать. Поскольку динамического диапазона всегда не хватает, то хочется иметь возможность работать с 16-битным изображением. В этом случае можно сохранить работу как многослойный TIFF или как несколько файлов TIFF с маской. Однако при размерах получаемой фотографии порядка 150 Мп оказывается, что не так уж и много графических редакторов и компьютеров, которые могут съесть такой файл. Поэтому обычно приходится сохранять в режиме «Save cropped images», т.е только исправленные и повернутые кадры без маски и далее их вручную совмещать в графическом редакторе. К счастью, это не очень сложно, поскольку нет необходимости вращать, а достаточно только перемещать кадры до совпадения. Процесс облегчается, если верхнему слою задать свойство «разница с нижележащим». После совмещения создаем фигурную маску, стараясь выбрать ее границы таким образом, чтобы они проходили по четко совпадающим участкам изображения.

Ну вот, собственно и все о технической стороне вопроса. Получившуюся фотографию я не привожу, поскольку даже сжатая в JPEG она превышает 100 МБ. Приводить же уменьшенную копию не имеет смысла, поскольку мы говорим о больших фотографиях.






Дополнительно

Sorry, temp error.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.