Сферические панорамы

Я ранее много писал о панорамах, в том числе, и цилиндрических с охватом в 360 градусов, а вот до сферических, снятых объективом Круговой рыбий глаз, руки не доходили. Объектив Пеленг появился у меня в 2001 году. Но тогда у меня не было полноформатной цифровой камеры, а для Canon EOS D30 он был скорее диагональным, чем круговым. В дальнейшем появилась и полноразмерная камера Canon EOS 5D, и я научился получать круговое изображение с помощью этого объектива и на меньших матрицах (см. статьи "Рыбьи глаза и компактные камеры", "Panasonic Lumix G1" и "Panasonic Lumix GF1"). Использование объектива типа Круговой рыбий глаз позволяет предельно упростить и ускорить процесс съемки. Однако предельный случай – сшивка панорамы из двух кадров – дает весьма посредственный результат в точках стыковки, поскольку разрешение у этого объектива к краям сильно падает, даже если он используется с полноразмерной камерой. Поэтому я предлагаю делать 3 или даже 4 снимка. В случае 4 снимков объектив Круговой рыбий глаз в отличие от диагонального дает нам существенно большее перекрытие двух кадров и, соответственно, удобство при сшивке. Еще более важным для качественной сшивки, особенно если вы снимаете объект с передним планом, является вращение аппарата вокруг точки не вызывающей параллакса. Для этого объектива эта точка практически совпадает с передней линзой. Поэтому стандартные панорамные штативные головки не очень удобны, они неизбежно попадают в кадр. О штативных головках, предназначенных для съемки панорам нормальными объективами, я писал в статьях: "Устройство для съемки панорам с рук", " Съемка очень больших фотографий", "Canon Power Shot A650IS". Изготовлению специализированной штативной головки и быстрой съемке и сшивке сферических панорам и посвящена данная статья. Однако, прежде небольшое отступление, не касающееся техники, а юридического скандала, оказавшего существенное влияние на публикацию статей на эту тему в сети.

Я не знаю, в какой степени содержание этой статьи вступает в противоречие с законодательством отдельных стран. Поскольку существуют государства, в которых, похоже, можно запатентовать и идею вечного двигателя, причем таким образом, что независимо от того, как он будет устроен, все деньги от его эксплуатации получат авторы идеи. Я не знаю, чем закончилась история с патентами фирмы IPIX, подробную статью с ситуацией на 2004 год на русском языке можно найти на сайте Панорамный мир. Фирма вроде бы сменила владельца и даже обанкротилась, однако сайт ее по-прежнему присутствует в сети. Было сообщение, что в 2006 году патенты IPIX куплены фирмой SONY, однако я не видел комментариев SONY о том, как она собирается распоряжаться своим приобретением. Насколько я смог понять из машинного перевода патентов и комментариев экспертов в сети, они считают своим изобретением любое преобразование снимков, снятых объективом Круговой рыбий глаз. Однако, преобразование в прямолинейную проекцию осуществлял еще в 1924 году Робин Хилл, автор первого объектива с углом зрения 180 градусов, проецируя снятое им изображение на купол планетария. Математика же подобных преобразований восходит, как минимум, ко временам Меркатора (1512- 1594 г.). Поэтому все современные инженерные решения по работе с объективами Круговой рыбий глаз будут очень похожими и отличаться только деталями, которые в патентах IPIX не уточняются. Идея же, что использование ЭВМ для проведения расчетов содержит некую новизну, достойную патентования, на мой взгляд, противоречит самому названию - вычислительная машина.

Предполагается, что при панорамной съемке основная роль штатива это зафиксировать ось вращения, сотрясения же роли не играют, поскольку света достаточно и выдержка короткая. Я решил сделать систему для съемки сферических панорам на базе камеры Canon EOS 5D. И поскольку все равно предстояли большие токарные работы, то решил, учитывая прежний опыт, слегка усовершенствовать и оправу объектива. До этого я использовал объектив "МС Пеленг" 3,5/8А производства Белорусского ГП "ММЗ им. С.И.Вавилова" с резьбой М42 и переходным кольцом М42 - Canon EOS фирмы Поиск-Фото. Подробные фотографии элементов данной конструкции есть в моей статье "Рыбьи глаза". Оказалось, что при фокусировке на бесконечность зеркало задевает за оправу фильтра. У этого объектива фильтры крепятся сзади, если никакой фильтр не нужен, то вместо него устанавливается просто прозрачное стекло. Край этого стекла пришлось подпилить на алмазном круге, что увеличило рассеяние от кромки и создало повод для лишних бликов. Конструктивно оправа объектива Пеленг имеет съемное кольцо с резьбой М42 или в варианте 2001 года с байонетом "Н" (Nikon F). Последнее время я видел эти объективы и с байонетом Canon. Причем в тех объективах, которые я видел, фильтр сохранен. Я же решил фильтр снять, а кольцо сделать чуть тоньше, чтобы объектив находился ближе к плоскости пленки (матрицы). Вообще говоря, плоскопараллельная пластина, расположенная после объектива, увеличивает его рабочий отрезок. Но если рассматривать расстояние от задней линзы до матрицы, то подобная конструкция может его и уменьшить. Во-первых, добавляется зазор между линзой и пластинкой, который трудно сделать бесконечно малым, во-вторых, оправа стекла и, наконец, линза выпуклая, и минимальная дистанция будет по центру, в то время как зеркало при вращении максимально приближается к объективу ближе к краю, где в силу кривизны линзы дистанция уже больше. Как оказалось, в конструкции без плоскопараллельной пластины объектив, даже будучи сдвинутым ближе к пленке, при фокусировке на бесконечность за зеркало не задевает.

Простейший способ обеспечить правильную ось вращения – это накинуть на объектив веревочную петлю, к свободному концу которой привязана гайка. Разместив гайку над выбоиной в асфальте и следя, чтобы она не смещалась, можно сделать несколько кадров, поворачивая аппарат относительно точки центра перспективы объектива. Однако на практике оказалось, что следить за болтающейся гайкой дело утомительное, и появилась идея воспользоваться моноподом. Причем сейчас появились мопоноды с маленькими откидными ножками, которые, конечно, никакой устойчивости камере не обеспечивают, но зато позволяют самому моноподу стоять и не падать. Поскольку подходящих моноподов и с удовлетворяющей меня штативной головкой в магазинах я не видел, имеющиеся все равно пришлось бы переделывать, то я решил воспользоваться остатками былой роскоши. Был взят советский настольный штатив, ножки у которого были заменены на более длинные, а корпус удлинен, чтобы в сложенном состоянии они в него входили. На мой взгляд, получившаяся конструкция в своем изначальном качестве настольного штатива более удобна при использовании с зеркальными камерами, чем оригинал.

К нему был прикручен двухсекционный поясной, опять же советский, монопод. Сверху к нему вместо штативной головки был прикручен специально выточенный штырь диаметром 10 мм. К камере была прикручена штанга, имевшая дырку диаметром 10 мм, расположенную под передней линзой объектива. Если рельеф местности не требует поднимать камеру над поверхностью, то можно обойтись и без монопода, прикрутив штырь прямо к штативу.

Крепление оси на настольный штатив
фото

Изготовленные детали конструкции и двухсекционный поясной монопод

Штативная головка в сборе. Фиксирующий винт расположен под углом, чтобы случайно не оказаться в кадре.

Для того, чтобы можно было использовать камеру, как с рукояткой, так и без, была предусмотрена возможность подвижки рейки относительно камеры. Штативное гнездо рукоятки чуть сдвинуто относительно центра объектива, поэтому в этом случае рейку надо закреплять под углом, так, чтобы дырка оказалась под точкой центра перспективы объектива. Как это все выглядит в сборе и в разборе, видно из приведенных фотографий.

Процесс съемки выглядит следующим образом. Выходим на точку и ставим монопод. Достаем камеру и одним движением надеваем ее на штырь. Если предполагается в дальнейшем использовать для обработки файлы в формате JPEG, то обязательно выключаем автоматический баланс белого и устанавливаем фиксированный. Обычно можно снимать в режиме приоритета диафрагмы, но при сложных условиях освещения надежнее зафиксировать и выдержку. Снимаем первый кадр. А лучше установить экспозиционную вилку и делать сразу 3 снимка. При охвате 180 градиенты освещенности очень велики. Далее делаем шаг и, не глядя в камеру, делаем следующие 3 снимка, и еще один шаг и следующие 3 снимка. При таком охвате смотреть в видоискатель совершенно не обязательно. Но если очень хочется, то можно установить угловой видоискатель. Тогда можно всего лишь наклониться, а не приседать, чтобы заглянуть в видоискатель. Главное, не забыть, когда нажимаете кнопку, отступить подальше от камер, а то вы сами попадете в кадр. Таким образом, буквально за 10 секунд можно снять круговую панораму. Если над головой у вас не небо, а расписной потолок, то стоит сделать дополнительный снимок, направив камеру вертикально вверх. А если пол мозаичный то и снимок вниз.

Для сшивки я предлагаю использовать программу hugin, поскольку она позволяет получить на выходе HDR фотографию и полностью сохранить весь динамический диапазон для доводки уже склеенной панорамы. Если делать серию снимков с экспозиционной вилкой, то вполне достаточно снимков в формате JPEG, если же делать только один снимок в каждом направлении, то для получения максимального качества стоит снимать в RAW, при обработке исправлять хроматические аберрации и записывать результат в 16-битном файле TIFF. Вне круга зрения черную область кадра следует сделать прозрачной. Это можно сделать, перейдя на вкладку "Кадрирование" программы hugin.

А можно это сделать и в графическом редакторе (я использовал Cinepaint). Для этого выделяем круг с изображением, инвертируем выделение, добавляем альфа-канал и делаем область вне круга прозрачной. Это более долгий путь, чем если воспользоваться вкладкой "Кадрирование" в hugin, но он позволяет сделать заодно и прозрачными блики, если они попали в кадр. Впрочем, не менее эффективно с бликами можно бороться и отметив галочкой на вкладке "Сшиватель" программы hugin перепроецированные снимки. Тогда после сшивки панорамы можно в графическом редакторе добавить к готовой панораме слои с исходными перепроецированными снимками и наложить фрагменты без бликов. Аналогичным образом можно бороться и с "духами" перемещающихся во время съемки людей.

Для ускорения процесса и получения более качественного результата стоит сделать одну панораму в стационарных условиях с максимальной аккуратностью. Расставить максимальное количество контрольных точек и запустить полную оптимизацию, выбрав параметр "Всё". После этого перейти на вкладку "Камера и объектив" и сохранить параметры объектива для последующего использования. В дальнейшем это позволяет использовать минимальное количество контрольных точек и оптимизацию только по позиции с удовлетворительным результатом. Это может дать значительную экономию времени, поскольку автоматическая расстановка контрольных точек с помощью Autopano-SIFT-C для этого объектива в не работает. То ли из-за сложности, то ли из-за возможных патентных дрязг.

Для последующего просмотра я сохраняю панораму в эквидистантной проекции. В этом случае в силу сильной растянутости трудно ретушировать дырку в зените и ноги штатива в надире. Для удобства ретуши можно воспользоваться пакетом Panotools-Script и преобразовать в кубическую проекцию и без проблем отретушировать верхний и нижний квадраты. Для этого запускаем скрипт "erect2cubic":

erect2cubic --erect=panorama.tif --ptofile=cube_project.pto

Получаем на выходе файл cube_project.pto. Это файл настроек hugin для преобразования из эквидистантной в кубическую проекцию с помощью программы "nona". Далее запускаем с нижеприведенными параметрами:

nona -o cube_prefix cube_project.pto

Панорама в эквидистантной проекции

Программа просмотра Panini позволяет использовать и ту и другую проекции для просмотра, а для представления через PTViewer Хельмута Дерша (H. Dersch) кубическую проекции надо снова преобразовать в эквидистантную. Это можно сделать с помощью программы "cubic2erect" из уже упоминавшегося пакета Panotools-Script.

cubic2erect front.tif right.tif back.tif left.tif up.tif down.tif equirectangular.tif
[cubic2erect cube_prefix0000.tif cube_prefix0001.tif cube_prefix0002.tif 
cube_prefix0003.tif cube_prefix0004.tif cube_prefix0005.tif equirectangular.tif]

Ниже приведены ссылки на несколько сферических панорам, снятых в течение одной прогулки по Москве. Для представления панорам используется PTViewer. Для экономии трафика представленные панорамы имеют половинный размер от полученного в результате сшивки. Панорамы в эквидистантной проекции можно скачать и просматривать на локальной машине с помощью программы Panini. Среди многих любопытных возможностей данной программы мне особо нравится плавно менять проекцию движением мыши по картинке от прямолинейной до рыбьего глаза.

Галерея

Музыкальный театр и снеговики

МГУ

Красная площадь

Манежная площадь

P.S.

Пакеты программ с необходимыми зависимостями для Slackware 13.0, упомянутые в данной статье, можно найти на странице Franck Barbenoire. Если вы читаете по французски, то там можно найти много и другой интересной информации :-)