К оглавлению

Широкоугольные объективы и широкоугольные проекции.

Очень часто при съёмке некоторой сцены нам хочется “захватить больше”, т.е. вместить в кадр больше окружающего нас пространства. Для этого используют объективы с малым фокусным расстоянием, так называемые широкоугольные объективы. Но при этом мы сталкиваемся с проблемой. Дело в том, что окружающее нас пространство является сферой. Положение каждой видимой глазом точки в нём удобнее всего задавать направлением на точку, т.е. двумя углами – поворотом и азимутом (возвышением), а это не что иное, как сферическая система координат. Но изображение формируется на плоской матрице, а потом на плоском мониторе или плоском листе бумаги. Таким образом, возникает проблема проекции сферы на плоскость. Совсем без искажений это сделать невозможно. Но существуют способы сделать это с частичными искажениями. Первый способ реализован в классических широкоугольных объективах. Своё происхождение они ведут от аэрофотосъёмки. Там нужно захватить как можно больший участок местности и спроектировать его на плоскость без искажения координат точек. При этом все прямые должны так же преобразоваться в прямые. Если дорога или ЛЭП на местности были прямыми, то и на изображении (карте) они также должны получиться прямыми. Это не простая задача, но её решали очень серьёзные дяди-военные :). В результате были разработаны оптические схемы таких объективов, а некоторые компании, которые сейчас известны как производители фототехники, в своё время работали именно на оборонную промышленность. Классические широкоугольники сложны в изготовлении, тяжелы и дороги, зато очень хороши для съёмки архитектуры, где недопустимо искажение прямых линий.

Chess

Для демонстрации действия широкоугольных объективов я приготовил снимки шахматной доски. Все они сделаны камерой Nikon D200, кроп 1,5. Nikon 17-55/2.8 На первом снимке доска сфотографирована хорошим объективом Nikon 17-55/2,8 установленным на фокусное расстояние 50 мм.

Chess

Второй снимок демонстрирует, как эта же доска выглядит через объектив Sigma AF 10-20mm F4-5.6 EX DC HSM Sigma AF 10-20 на самом коротком его фокусе 10. Хорошо видно, как вытянулись все шахматные фигуры. Особенно сильно растянулись те фигуры (ладьи, кони), что оказались в углах кадра. Это значит, что если Вы будете снимать таким объективом людей, то им очень не повезёт :), особенно сильно пострадают те, кто окажутся по углам кадра :). Этот объектив весьма хорош и не искажает прямых линий. Большинство же обычных зумов на коротком фокусе искажают прямые так, что они выгибаются по направлению к краям кадра, изображение становится выпуклым. Такой вид искажений называется бочкообразная аберрация или просто бочка.

Сильное растяжение объектов по углам кадра можно использовать при съёмке пейзажей, например, можно получить иллюзию того, что облака разлетаются из центра кадра. Но одновременно искажается передний план. Он немного вспучивается вверх в середине кадра, а его края растягиваются и опускаются. Бочка уменьшает искажения ПП.

Второй по распространенности тип широкоугольного объектива называется “рыбий глаз”. Дело в том, что его действие очень похоже на то, как рыба видит из-под воды то, что находится над поверхностью. Оказывается, что вся верхняя полусфера (180 градусов) для рыбы сжимается в конус с углом раскрытия примерно 98 градусов при вершине. Такой же эффект можно наблюдать, разглядывая мир через линзочки (слева положительная собирающая, переворачивает изображение, справа отрицательная рассеивающая, не переворачивает изображение). Точно так же окружающий нас мир сжимается в отражение в ёлочной игрушке – шарике. То, что есть так много простых примеров такого искажения пространства, говорит о том, что это сделать легко. Действительно, объективы рыбий глаз намного легче и дешевле классических широкоугольников.

Chess

На следующем рисунке я привёл фотографию той же шахматной доски, но снятой объективом Fisheye-Nikkor 10.5mm f/2.8G ED DX. Nikon 17-55/2.8 Хорошо видно, как сильно исказились прямые линии, зато сами шахматные фигуры остались более пропорциональными.

Таким объективом можно снять большую компанию людей и их лица останутся узнаваемыми даже по краям кадра. Но, увы, не искривляются только те прямые, что проходят через центр кадра.

Таким образом, этот объектив можно использовать и для пейзажей, если горизонт расположить строго посередине кадра, и если по краям его нет деревьев (погнутся).

На самом деле, довольно трудно подобрать сюжеты для такого объектива. В отличие от классического широкоугольника, из которого все объекты разлетаются, рыбий глаз концентрирует, группирует предметы к центру. За счёт искажений, рыбий глаз захватывает больше пространства, чем классический широкоугольник при том же фокусном расстоянии. Чтобы снимать лица людей совсем без искажений, фокусное расстояние объектива должно быть больше 70 мм.

Все широкоугольные объективы стараются конструировать так, чтобы они могли без паразитных бликов держать солнце в кадре, ведь когда объектив захватывает столь много пространства, вероятность попасть туда солнцу очень велика. Особенно важно это для рыбьего глаза.

Некоторые современные RAW-конвертеры (Nikon Capture NX 2, например) могут исправить характерные искажения объектива типа "рыбий глаз" и преобразовать даваемое им изображение в изображение создаваемое обычным широкоугольником. Но углы изображения при этом сильно растянутся наружу и их придётся отрезать при кадрировании.

------------

Сейчас я выскажу мысль, которая может очень не понравиться владельцам крутых широкоугольных объективов. Ещё бы, они заплатили за них бешеные деньги, а я заявляю, что при съёмке пейзажей чаще всего можно обойтись без них, но получить ещё лучшие результаты. Мы можем снять несколько кадров, составляющих панораму. Обычно панораму снимают когда нужно сделать широкий снимок, но это не обязательно. С тем же успехом можно снять и многоярусную панораму. На этом рисунке представлена трёхъярусная панорама Гималаев. Ещё не созданы широкоугольники, которыми можно было бы её так снять.

Такой способ может не сработать в том случае, если сцена меняется во времени, например, по небу быстро движутся облака, а по речке плывёт катер. Но чаще всего, программы для сшивания панорам справляются и с такими задачами. Фотошоп выбирает границы кадров так, чтобы не разрезать объекты на них. Например, на почти круговой панораме центральной площади в Ереване он не разрезал ни одной машины, а ведь все они двигались! Щёлкните мышкой на панораме, чтобы перейти в раздел больших панорам и посмотреть её в полном размере.

Можно даже получить дополнительный эффект, использовав в панораме один единственный объект несколько раз. Так на следующей панораме катер был только один, но перемещался по реке от кадра к кадру.

Но самое главное, такой способ получения широкоугольных снимков имеет 2 преимущества:

  1. Мы можем сами выбрать тип проекции при сшивании панорамы.
  2. Разрешение готовой панорамы может быть больше, чем разрешение самых крутых из доступных на данный момент матриц!

Но прежде всего о проекциях. Может показаться, что панорама решает те проблемы с искажениями, которые присущи широкоугольным объективам. Увы, это не так. Нам в любом случае нужно проектировать сферу на плоскость, что невозможно сделать без искажений. Но зато мы можем выбрать наиболее подходящий нашему сюжету тип проекции и искажений.

Как и прежде, я рекомедую Вам сохранять снимки только в RAW-формате, потом сконвертировать Вашим любимым конвертером в 16-битный TIF (с глубиной цвета 16 бит на каждый цвет). Это совершенно необходимо, если предстоит обработка изображения, а сшивание панорамы и есть обработка. Даже если Ваша камера не отдаёт Вам RAW-файлов, джипег перед обработкой надо перевести в 16-битный TIF и обрабатывать дальше его. Только перед самым сохранением готовой панорамы в джипег, нужно переводить изображение в 8-битный цвет.

Прежде всего, рассмотрим набор инструментов, который предоставляет нам для сшивания панорам Фотошоп. Уж не знаю, лицензионный или нет (не моё это дело), но он есть практически у каждого фотографа. Если Вы загрузите все кадры своей панорамы в разные слои одной картинки и выделите их, то в меню Edit/Auto-Align Layers можно выстроить их в панораму. Опций не много, но можно выбрать один тип проекции из шести возможных:

  1. Auto. Собственно говоря, тут нам выбрать не дают, так что переходим к следующему пункту.
  2. Perspective. Тот кадр, что лежит в нижнем слое, останется без изменений (в нижний слой надо поместить кадр из центра панорамы), а все остальные пристроятся к нему с использованием перспективных искажений. Эта проекция эквивалентна классическому широкоугольному объективу. Она сохранит прямыми все прямые линии. Но если Вы охватите своими кадрами больше 180 градусов пространства, то убедитесь, что фотошоп не сможет их выстроить в такую панораму. Нельзя расплющить половину сферы в блин, так, чтобы прямые остались прямыми и не образовалось бы разрывов. По тем же причинам не бывает классических широкоугольников с охватом больше 180 градусов.
  3. Collage. Если камеру при съёмке панорамы Вы держали в руках, то от кадра к кадру она качалась и наклонялась. Фотошоп попытается выровнять Ваши кадры и дальше будет то же, что и в пункте 6.
  4. Cylindrical. А вот эта проекция очень интересна. Дело в том, что её уже нельзя реализовать в объективе, но в панораме - можно. Она проецирует сферу на цилиндр, который потом разворачивается на плоскость. Замечательна тем, что сохраняет прямыми все вертикальные прямые линии, но искажает горизонтальные. Верх и низ панорамы растягиваются как и обычным широкоугольником, но только по вертикали. Если в верхней части были горы, они станут выше и круче, если внизу были пропасти, они станут глубже. Очень полезная проекция :). Но если далеко внизу текла вода, то с горизонтальностью её течения могут возникнуть проблемы. В этом случае, переходим к следующему типу проекции.
  5. Spferical. Как я понял, она не сферическая, как можно было бы решить из названия, а опять цилиндрическая, но без растяжения верха и низа по вертикали. По вертикали она искажает изображение так же, как и объектив типа рыбий глаз. Вертикальные прямые сохраняют прямизну.
  6. Reposition. Близка к пункту 3, но не наклоняет кадров. Т.е. хороша для кадров снятых со штатива, если ось вращения была строго вертикальна. При этом искажений кадров не происходит совсем, а они выстраиваются в цилиндр. Без искажений кадры совместить нельзя, за исключением небольших участков изображения, по которым фотошоп и проведёт сшивку, когда Вы перейдёте к блендингу (объединение с выравниванием яркостей кадров).

Гораздо больше опций по выравниванию кадров предоставляет специальная программа PTGui. Если Вы всерьёз займётесь панорамами, Вам придётся перейти на неё. Там предлагается очень большой набор всяких проекций и возможность ручного выравнивания кадров. Но вот окончательное объёдинение кадров (блендинг) в исполнении PTGui мне не понравился. Фотошоп делает это лучше. Для этого в PTGui можно сохранить файл в формате фотошопа, так что каждый кадр будет на своём месте, но в отдельном слое. Этот файл можно загрузить потом в фотошоп и выполнить блендинг уже там. Имейте в виду, что при сшивании панорам исходные кадры обычно искажаются. Новые пиксели не совпадают по положению со старыми. Это значит, что цвет новых пикселей вычисляется с использованием интерполяции и исходная резкость может немножко ухудшаться. Но ухудшение резкости с лихвой компенсируется увеличением размера конечного изображения.

Говоря о проекциях самое место рассказать о перспективных искажениях. Дело в том, что даже хороший широкоугольник сохраняет прямизну прямых линий, но не сохраняет углы между ними. Если мы, находясь в лесу поднимем объектив кверху так, чтобы горизонт проходил ниже середины кадра, то верхушки деревьев наклонятся навстречу друг к другу, сходясь наверху кадра. Если же объектив опустим так, чтобы горизонт проходил выше середины кадра, то верхушки деревьев наоборот разбегутся в стороны, а корни устремятся друг к другу. Чем короче фокусное расстояние объектива, тем ярче выражен эффект. Вертикальность всех стволов сохранится только в том случае, если горизонт будет посередине кадра. В принципе, перпективные искажения можно поправить и в фотошопе, но такое исправление искажает кадр, а поэтому требует интерполяции и немного снижает резкость. Вместо этого можно воспользоваться панорамами - центральный кадр снять так, чтобы горизонт проходил посередине его и добавить второй кадр либо ниже, либо выше. При сшивании второй кадр растянется с исправлением искажений и будет пристроен к центральному. Но не всегда нужно исправлять эти искажения или не всегда исправлять их до конца. Они могут быть частью художественного замысла и улучшать восприятие картинки.

Настало время рассмотреть самый важный вопрос связанный с проекциями и широкоугольниками. Когда Вы станете делать широкоугольные снимки и выкладывать их на суд зрителей, Вы обязательно встретитесь с обвинениями в искажениях. Их будут описывать разными словами и представлять как уродство Вашей фотографии. Как правило, панорамы будут восприниматься гораздо хуже обычных и куда более слабых снимков. Главная особенность восприятия широкоугольных изображений - сильно растянутые углы, передний план в середине выпирает вверх, а углы его обвисают вниз. Думаете я это сам придумал? Вы меня переоцениваете :)! Это замечания с одного фотографического форума к фотографии хорошего фотографа, но снятой широкоугольным объективом. Только там они были довольно зло высказаны. А теперь я огорошу Вас сообщением, что на широкоугольных фотографиях нет никаких искажений! Искажения возникают от того, что мы неправильно разглядываем их.

Дальше я расскажу простые вещи. Но вот парадокс, я не встречал фотографа, который бы это знал и использовал. Как это не чудовищно звучит, фотографы в подавляющем большинстве своём не знают как разглядывать фотографии. А откуда знаю я? Из книжек. Вот сейчас порылся на полке и достал тоненький сильно потрёпанный ещё в детстве томик "Занимательная физика" Якова Перельмана 1971 г. издания (18-е издание). А написана и стала бестселлером эта книжка ещё в 1913 (!) году. Открываем главы "Искусство рассматривать фотографии" и "На каком расстоянии надо держать фотографию". Дальше излагаю для краткости своими словами. Если мы хотим от снимка получить то же зрительное ощущение, как и от самой натуры, мы должны:

  1. Рассматривать снимок только одним глазом. Наше зрение стереоскопическое. Когда мы смотрим двумя глазами, мы заставляем наш мозг видеть плоскую картинку на некотором расстоянии от глаз. Мы насильно навязываем сами себе убеждение, что картинка плоская. И после этого у Вас поворачивается язык сказать, что чья то фотография плоская?
  2. Держать снимок в надлежащем расстоянии от глаза. Каково же должно быть это расстояние? Для получения полного впечатления надо рассматривать снимок под тем же углом, под каким объектив фотоаппарата "видел" снимаемые предметы. Возьмём стандартный размер плёночного кадра - 24 х 36 мм и "стандартный" объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Угловые соотношения сохранятся, если мы напечатаем картинку в размер 24 х 36 см и будем рассматривать её с расстояния в 0,5 метра (50 см). Или 12 х 18 см и рассматривать с расстояния 25 см. Кстати, все разговоры о том, что объектив f=50 является стандартным лишены всякого смысла, пока мы не оговорили, что снимок размером 12 х 18 см будем рассматривать только с расстояния 25 см и не меньше и не больше. А что делать, если кадр снят объективом с фокусным расстоянием f=15? Ответ прост - отпечаток размером 12 х 18 см надо рассматривать с расстояния 7,5 см! Вот только тогда там не будет никаких искажений. Должен пожаловаться, что в своём теперешнем возрасте я уже никак не могу смотреть картинки ближе 25 см. Не страшно. Можно напечатать 50 х 70 см (представили?) и рассматривать с расстояния 30 см. Вот тогда там всё будет идеально с геометрией и Вы получите ощущение, будто Вы сами там находитесь! Хорошую панораму надо печатать в ещё большем размере. Условия же разглядывания фотографий выложенных в интернете не выдерживают никакой критики. Тут вы можете смотреть только жалкие превьюшки.

Что мы теряем? Если фотография имеет небольшие угловые размеры (снята с фокусом 50 мм или больше), то неправильное (в малом размере) разглядывание приведёт к тому, что все объекты на фотографии либо отодвинутся, либо станут меньше. Вообще то не страшно. Правда нарушится соотношение расстояний между объектами, но ведь зритель и не знает, какими были эти расстояния на самом деле. Всё гораздо хуже, если фотография снималась на коротком фокусе или это панорама. В этом случае, возникают искажения проекции сферы на плоскость, которые пропадают только при разглядывании фотографии на правильном расстоянии.

Chess

Вот этих искажений просто не будет, если разглядывать картинку с очень маленького расстояния или в очень большом размере.

------------
Обсудить в конференции