Панорамная камера


Часть третья

Особенности и проблемы

Отношение сторон у снимков, сделанных цифровой панорамной камерой, — величина произвольная. Кадр может быть и квадратным. Именно при этом формате наиболее ярко проявляется отличие от обычной камеры. Аппараты, снимающие квадратные кадры, были придуманы в первую очередь, чтобы не возникало необходимости поворачивать камеру при съемке на 90 градусов. В отличие от них снимки, сделанные панорамной камерой при ее вертикальном и горизонтальном положении, кардинально отличаются друг от друга.

Камера вращается вокруг вертикальной оси
Объектив Пеленг. Камера вращается вокруг вертикальной оси. Стены не сходятся, однако пропорции окон существенно зависят от этажа.

Камера вращается вокруг горизонтальной оси
Камера вращается вокруг горизонтальной оси. Пропорции окон практически неизменны, но стены завалены и искривлены, и неизвестно, какой из снимков воспринимается естественнее. Вертикальные штрихи на первом снимке и диагональные на втором — это проезжающие машины.
Камера вращается вокруг горизонтальной оси Камера вращается вокруг горизонтальной оси
Примеры панорам, при съемке которых ось вращения камеры была расположена горизонтально.

Естественно, основной интерес представляет возможность снимать круговые горизонтальные панорамы. В этом качестве у подобной камеры очень мало конкурентов.

панорама
Здесь можно посмотреть эту панораму с разрешением 6716×800 пикселей, а здесь ту же панораму предлагается смотреть через специальную программу из комплекта PhotoVista. В данном случае используется вариант, требующий поддержки броузером Java.

Но, кроме пейзажей, при желании можно использовать камеру и для портретной съемки, конечно, если модель достаточно усидчива или устойчива :-)

панорама

В отличие от обычной камеры, в которой фотограф может попасть в кадр только при очень большом желании, здесь, наоборот, ему надо применить максимум изобретательности, чтобы не попасть в кадр.

панорама

С другой стороны, сам фотограф превращается в очень полезный инструмент, который позволяет закрыть объектив от прямого попадания солнечных лучей.

Реальна и ночная съемка, хотя явно не хватает возможности регулировать выдержку.

панорама

О чувствительности и использовании фильтров

панорама
Зенитар. Теплофильтр от проектора Киев-66. F/16
.
фото
Фрагмент предыдущего кадра

фото
Полный кадр Canon D60 с объективом Sigma f=24 мм, F/8, 1/250 с, ISO-100.


панорама
Зенитар. Теплофильтр от проектора Киев-66. F/11. Регистрация не в самом чувствительном в зеленом канале, поэтому без угрозы потерять детали в светах можно открыть диафрагму на одно деление по сравнению с цветным снимком.

панорама
Зенитар. Без фильтров. F/16. Съемка в очень широком спектральном диапазоне, включающем как видимую, так УФ и ИК области. Можно было бы ожидать проблем с резкостью, но возросшая чувствительность позволяет полностью задиафрагмировать объектив, и эффект не наблюдается.

панорама
Зенитар. Фильтр 89B. F/11. Поскольку регистрация черно-белого изображения происходит в зеленом канале, результат съемки с этим темно-красным фильтром очень близок к съемке с фильтрами серии ИКС.
Длина волны, начиная с которой в более коротковолновой части поглощается более 90% падающего излучения. Значения приблизительные, взятые из разных источников.
Фильтр
Длина волны (нм)
89B
700
87
750
87C
810
ИКС1
850
ИКС5
860
ИКС6
920
ИКС3
930
ИКС7
950


панорама
Зенитар. Фильтр ИКС1. F/4. Существенное, но не катастрофическое падение чувствительности.

Глядя на последние снимки, невольно вспоминаешь песенку Высоцкого:

Джон Ланкастер в одиночку
Преимущественно ночью
Чем-то щелкал, в чем был спрятан инфра-красный объектив,
А потом в нормальном свете
Представало в черном цвете
Все, что ценим мы и любим, чем гордится коллектив.

Подводные камни

Проблема воды

панорама
Мир-1.
Снимок панорамной камерой
Снимок камерой Casio QV4000

Кроме цветных бликов, связанных с тем, что время регистрации в разных каналах не совпадает, фронт волны еще и изгибается и больше напоминает действие брошенного камня, а не ветра.

Проблема листвы

лист

Основная проблема заключена в том, что листья колышутся ветром, но с регистрацией цвета тоже есть проблемы, как было показано в предыдущей части. Листва, возможно, один из самых сложных объектов. Проблемы ее съемки занимают фотографов практически с самого зарождения фотографии. В 1895 году в статье «Фотография природы и фотография в природе» К.А.Тимирязев писал: «Еще недалеко то время, когда фотографический ландшафт представлял нам под однообразно белым небом еще более сплошную черную массу растительности, то есть лишал природу всей ее обычной прелести». Как видно, если читать дальше эту статью, уже 110 лет назад проблема листвы в серебряной фотографии была решена. Однако новые способы регистрации снова подняли проблему листвы, но уже с другой стороны — с инфра-красной, хотя в той же статье весьма образно отмечено, что проблема, возможно, не в природе, а в фотографе: «Итак, для того, чтобы получить верное изображение зеленых частей ландшафта, оказалось необходимым сообщить чувствительной поверхности наших пластинок дополнительную окраску — фиолетовую или, вернее, пурпурную, при помощи эозина, цианина или какого другого пигмента. Факт этот уже более или менее известен каждому фотографу (а кто теперь не фотограф?), но далеко не всякому известен другой, неизмеримо более важный факт, — что в тот момент, когда мы фотографируем зеленую листву, в ней самой происходит фотографический (то есть фотохимический) процесс, от которого зависит существование жизни на земле, а следовательно, и наше собственное. Случай, впрочем, не редкий; мы на каждом шагу изучаем и высоко ценим то, что служит только для нашего удовольствия или приятно щекочет наш ум, и не имеем никакого представления о том, без чего не прожили бы и одного дня; многие даже гордятся полною бесполезностью своих знаний и занятий и высказывают высокое презрение к тем знаниям, которым порою обязаны даже своею жизнью».

лист
Лист был прикрыт трафаретом в прорезью в виде надписи «свет», и после обработки йодом, окрашивающим крахмал, эта надпись запечатлелась. Опыт воспроизводит эксперименты К.А.Тимирязева, сделанные в конце 19 века.

Проблема автомобилей

Проблема автомобилей

Движущиеся автомобили превратились в «пешеходов». Камера вращается справа налево, поэтому машины, движущиеся в противоположном направлении по ближней полосе, тоньше встречных, едущих по дальней.

Проблема автомобилей

При съемке в черно-белом режиме камера вращается быстрее, и машины регистрируются уже не точками, а как бы претерпевают «релятивистское» сжатие.

Проблема полос

Чувствительность соседних фотоприемников немного отличается, плюс к тому перед некоторыми из них могут быть пылинки, все это приводит к череде полос во всю ширину кадра. При сканировании эта проблема решается за счет калибровки — сканирования специальной однородно окрашенной карты. Придумать эффективный метод калибровки камеры с имеющимся у меня драйвером мне пока не удалось. Но если пыль — это абсолютное зло, то различие чувствительности можно попытаться использовать для увеличения динамического диапазона.

Проблема полос

гистограмма яркостей
Исходный снимок, у которого минимальная яркость принята за 0, а максимальная за 255. Для наглядности изображение при верстке увеличено в два раза.

Преобразуем 8-битное изображение с 256 оттенками в 16-битное с 65 тысячами и применяем фильтр сглаживания поверхности (Surface Blur):

Проблема полос

гистограмма яркостей

После этого уменьшаем высоту кадра для получения правильных пропорций и, изменяя гамму, пытаемся проработать детали в тенях. Далее снова преобразуем в 8 бит.

Проблема полос

гистограмма яркостей

В результате детали в тенях стали более выражены и переходы между полутонами стали плавными.

О достигнутом, возможном и желаемом

Получившаяся камера при съемке неподвижных объектов дает вполне хорошее изображение, которое для многих задач и не требует дальнейшего улучшения. Тем не менее, возможен ряд усовершенствований, которые расширят возможности и этого типа съемки. Например, можно сделать подвижку объектива в вертикальной плоскости. Для объектива Рыбий глаз типа Пеленг это не имеет никакого смысла, поскольку его поле изображения меньше длины линейки светочувствительных элементов. Для более длиннофокусных объективов это становится уже актуальным, потому что, сдвинув объектив вверх, можно более рационально использовать площадь светочувствительного элемента и уменьшить перспективные искажения. Т.е. если мы снимаем с уровня земли высотное здание, то можно добиться того, что тротуар не будет занимать половину кадра, а нижняя часть изображения будет соответствовать фундаменту здания.

Кроме того, безусловно, можно существенно усовершенствовать интерфейс общения с камерой. К сожалению, большинство драйверов не являются продуктами с открытыми исходными кодами. Тем не менее, написание собственного драйвера не столь уж непреодолимая задача. Среди множества сканеров, с которыми я встречался, данный является одним из наиболее примитивных по возможностям своего драйвера. Поэтому фактически надо было бы довести его возможности до сравнимых с драйвером хорошего планшетного сканера. Т. е. сканер должен обладать возможностью выбора линейки, которая используется для сканирования в монохромном режиме. В нашем варианте всегда используется линейка с зелеными фильтрами. Необходимо, чтобы была возможность изменять время экспозиции каждой строки. Кроме того, ряд пожеланий к драйверу продиктован уже тем, что мы все-таки занимаемся панорамной фотографией, а не сканированием. Т.е. желательно, чтобы в окне просмотра во время сканирования изображение было повернуто на 90 градусов. Желательно также иметь три отдельных окна, для каждого из каналов, показывающих фрагмент изображения, соответствующий центру линейки, в масштабе 1:1. Это позволит более четко контролировать резкость изображения, а также ошибки экспозиции. Учитывая, что при использовании разных объективов отношение сторон кадра будет изменяться, необходимо, чтобы была возможность раздельно задавать разрешение по вертикали и по горизонтали. В этом случае для получения максимального качества вертикальное разрешение будет соответствовать числу чувствительных элементов в линейке, а горизонтальное разрешение будет задаваться в зависимости от фокусного расстояния объектива. Чем более длиннофокусный объектив, тем больше шагов необходимо сделать при повороте на единичный угол. На мой взгляд, этот вариант куда более эффективен, чем использование редуктора с изменяемым передаточным числом. В идеале было бы вообще отказаться от редуктора и поставить камеру на ось мощного шагового двигателя, например, ультразвукового мотора, как это используется в некоторых системах автофокусировки объективов.

Для работы со снимками, сделанными панорамной камерой, требуется и некое изменение программ обработки. Анизотропия снимка делает желательным иметь возможность задавать разные параметры для строк и столбцов пикселей. Это относится в первую очередь к возможности коррекции виньетирования и дисторсии, а также к различным фильтрам, применяемым для сглаживания.

И все же основные проблемы связаны со временем получения круговой панорамы. Ясно, что у цифровой панорамной камеры время цветного сканирования может быть доведено до времени монохромного сканирования. Передача информации с трех или одной линейки — это вопрос пропускной способности порта. На сегодняшний день существует возможность обеспечить необходимую пропускную способность. А вот в случае монохромного сканирования возможности уменьшить время съемки панорам не столь радужны. У пленочных панорамных камер процесс экспонирования практически идентичен экспонированию за шторным затвором. Перед пленкой пробегает щель, выдержка определяется скоростью движения щели и ее шириной. Таким образом, можно увеличить скорость съемки, не изменяя выдержку, увеличив как скорость движения щели, так и ее ширину. В случае цифровой камеры принципиальным ограничением является то, что ширина щели равняется одному пикселю, поскольку объектив вращается одновременно с линейкой. Чтобы получить полный аналог пленочной камеры, нам пришлось бы изготовить матрицу с панорамным отношением сторон, да еще изогнутую в виде поверхности цилиндра. Система же с линейкой позволяет увеличить скорость только за счет уменьшения выдержки. Причем увеличение скорости будет не прямо пропорционально уменьшению выдержки, поскольку время тратится не только на экспонирование, но и на поворот камеры. Данный образец камеры в яркий солнечный день позволяет снимать с диафрагмой F:16. Относительно безболезненно можно увеличить диафрагму в 16 раз. Если считать, что время, затрачиваемое на поворот и на экспозицию, примерно равны, то можно довести время сканирования круговой панорамы приблизительно до 10 секунд. Дальнейшее уменьшение времени съемки потребует увеличения чувствительности матрицы, но, вероятно, мы очень быстро упремся в сложности с механикой, поскольку нам придется очень быстро и без вибраций поворачивать камеру. В данной модели мы экспонируем каждую строку в тот момент, когда камера остановлена. Возможно, что для увеличения скорости придется перейти к режиму, когда камера непрерывно вращается, и экспонирование происходит без ее остановки.

Для ночной съемки актуальна обратная задача: увеличение экспозиции каждой строки и соответственно увеличение общего времени съемки круговой панорамы. Но и здесь в отличие от пленки существует предел. Вероятно, не имеет смысла экспонировать каждую строку дольше одной десятой секунды.

P.S.

В общем, панорамная камера — это еще один инструмент в руках фотографа, в ряде случаев он может быть незаменим, а во многих других съемка объективом «Рыбий глаз» или сшивка из нескольких кадров даст лучший результат и потребует меньших усилий.






Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

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.