СПОСОБ И Устройство для панорамной фотосъёмки
ОПИСАНИЕ
Изобретение относится к устройствам для панорамной фотосъемки.
Важнейшими факторами для выполнения качественной фотосъёмки являются:
- Поворот оптической системы вокруг нодальной точки, расположенной на главной оси объектива и находящейся внутри системы линз. Это исключает явление параллакса, что значительно затрудняет сборку исходных изображений в результирующее, а порой даже исключает возможность таковой.
- Постоянство угла наклона камеры и постоянство угла поворота, а так же сохранение плоскостей поворота. Это необходимо для стабильного перекрытья соседних изображений в серии. Как по вертикальной стороне кадра, при съёмке в один ряд, так и перекрытия по горизонтальным сторонам кадра, при многорядной съёмке.
- Сохранение положения нодальной точки объектива относительно точки съёмки.
В настоящее время для такого типа фотосъёмки применяются специальные панорамные головки. Конструкция таких устройств однотипна. Камера крепится на кронштейне с возможностью поворота в одной или двух плоскостях. Причём поворот производится по осям, проходящим через нодальную точку. Положение камеры или настраивается или же конструкция рассчитана под конкретные модели фотоаппаратуры. Углы поворота отслеживаются по лимбу, или же в более дорогих моделях применяется жёсткая фиксация поворотов. Таким методом получают серии изображений без проявления эффекта параллакса и стабильным перекрытием, так же, ориентированные строго по вертикали. Строгая ориентация по вертикали, как правило, не требуется, т.к. современное программное обеспечение, например бесплатный пакет Panorama Tools, разработанный доктором Helmut Dresh.
Такие устройства достаточно дороги и применяются в основном профессиональными фотографами. Применение таких панорамных головок требует установки штатива, что не всегда удобно, как, например, при репортажной съёмке или любительской съёмке на отдыхе. В результате, несмотря на всё растущее увлечение панорамной фотографией применение таких головок не является массовым явлением.
Существует ещё один способ панорамной фотосъёмки, применение отвеса закреплённого на объективе. Но этому способу присущ ряд недостатков, которые являются критическими. Первый из них заключается в том, что нодальная точка находится внутри объектива, а отвес крепится снаружи, при наклоне камеры невозможно определить истинное положение нодальной точки. Второй недостаток: невозможно сохранять вертикальное положение камеры и как следствие невозможно обеспечить нормальное перекрытие между изображениями при сборке панорамы. С этой целью на камеру крепят жидкостный уровень, но это не может обеспечить постоянство угла наклона, при многорядной панораме, т.к. уровень закреплён в одном положении. Так же невозможно обеспечить стабильное перекрытие по вертикальной стороне кадра. Фотографы пытаются при съёмке серии кадров обеспечить перекрытие на глаз. В результате фотосъёмка требует неимоверного напряжения и зачастую промахи замечают позже, когда материал уже отснят. Отснять серию изображений предназначенных для сборки сферической панорамы возможно только с большим напряжением, и низкого качества, т.к. невозможно контролировать перекрытие, наклоны и точно позиционировать нодальную точку.
Задачей данного изобретения является создание способа и устройства для фотосъёмки серий изображений, предназначенных для сборки панорам, свободных от недостатков, описанных выше и применяемых на практике устройств. Кроме того, простота способа и устройства позволяет его воспроизводить в домашних условиях или продавать промышленные изделия по крайне низкой цене, давая возможность многочисленным любителям приобщиться к этому виду искусства.
Малый вес и компактность позволяют взять это устройство на прогулку или в командировку, а так же использовать в тех местах, где съёмка со штативом затруднительна. При этом с заявляемым устройством возможна качественная оперативная панорамная фотосъёмка.
Данная задача достигается тем, что в основе способа и устройства на его основе применён метод отвеса с двумя нитями, которые образуют треугольник и позволяют, легко ориентировать камеру в трёхмерной системе координат.
Данная система отвеса показана на рисунке:
Фиг. 1
Рассмотрим жёсткий стержень АВ, в трёхмерной системе координат с началом в точке О и осями X,Y,Z. К концам стержня, в точках А и В прикреплены нити и груз. Система представляет собой двухнитевой отвес. Причём отвес закреплён так, как показано на рисунке. При условии АA’=ВB’, отрезок AB будет параллелен отрезку A’B’.
Если прикрепить к стержню АВ в точке N (AN=NB) нить, то стержень АВ будет всегда находится в плоскости параллельной плоскости OXY.
При отклонении отрезка АВ от горизонтали возросшее натяжение одной из нитей возвращает систему в исходное состояние.
При повороте АВ вокруг оси Z отвес также будет поворачиваться вокруг этой оси. Причём углы поворота отрезков АВ и А’B’ будут идентичны.
Сориентировав отрезок АВ таким образом, чтобы отвес находился над точкой О можно однозначно определить положение точки N в трехмерной системе координат OXYZ.
Усложним задачу – предположим, что в точке N закреплено материальное тело. Для точного определения положения этого материального тела в трехмерной системе координат потребуется определять угол поворота по осям Z и Y. Как было указано выше двухнитевой отвес фиксирует поворот вокруг оси Х, блокируя этим одну степень свободы вращения. Таким образом, удерживая отвес над точкой О и отслеживая углы вращения вокруг осей Z и Y можно однозначно определить положение в трехмерном пространстве материального тела закрепленного в точке N
На основе данного метода реализовано устройство, конструкция которого показана на рисунке:
Фиг.2
На камеру (1) с объективом (2) в районе нодальной точки N крепится держатель объектива (3) с жёстко прикреплёнными стержнями (4). К концам стержней прикреплены нити равной длинны (5). С противоположной стороны к нитям прикреплён отвес (6). Нити закрепляются к отвесу не в одной точке, а на небольшом удлинении, как показано на рисунке, согласно теоретическим обоснованиям, приведённым выше.
Стержни (4), нити (5) и отверстия (7) в отвесе (4) образуют трапецию, так как нодальная точка N находится на линии крепления стержней и точно в середине отрезка AB (последнее условие легко реализуемо в связи с симметричной конструкцией всех объективов). Исходя из этого, позиционируя отвес в точке О можно однозначно фиксировать положение нодальной точки N в пространстве.
Основание А’B’ трапеции ABA’B’ всегда будет параллельно линии AB стержней (4). Это позволяет, укрепив на отвесе шайбу (8) с пузырьковым уровнем (9) и указателем (10), с достаточной точность отслеживать поворот камеры вокруг оси NO.
Для позиционирования камеры вокруг горизонтальной оси AB используется жидкостный пузырьковый уровень (9), закреплённый на одном из стержней. Основой для крепления служит вращающийся толстая шайба (8), закреплённая на одном из стержней (4) таким образом, что его можно вращать вокруг оси AB. На одной стороне этой шайбы нанесена шкала. Согласно меткам, нанесённым на эту шкалу, определяется угол наклона камеры и отсчёт производится относительно указателя (10), жёстко связанного с стержнем.
Удерживая камеру в точке M легко позиционировать наклон камеры относительно линии горизонта. При наклоне камеры натяжение одной нити возрастает, а другой ослабляется,
В результате, сила натяжения одной из нитей Т пытается вернуть отрезок АВ в горизонтальное положение, как показано на следующем рисунке.
Фиг. 3
В качестве оптимального варианта – изменения конструкции объектива в промышленных условиях. Расположив крепления для стержней на корпусе объектива, производитель значительно расширит возможности использования своего изделия.
Сущность способа проведения серий изображений, предназначенных для сборки панорам, состоит в следующем.
Устройство на объективе камеры закрепляется таким образом, чтобы ось стержней (4) проходила через нодальную точку. На поверхность где стоит фотограф, кладут шаблон с отмеченной точкой позиционирования отвеса. Желательно заранее отметить место на поверхности, где будет находится эта точка. Это потребуется в том случае, если серия изображений предназначается для создания сферической панорамы. Убрав шаблон, по этой точке позиционируется отвес, и производится съёмка. Применение тонких капроновых нитей позволяет легко ретушировать снимок и избавиться от изображения нитей и отвеса в кадре. На твёрдых поверхностях лучше использовать гибкий шаблон, который легко сложить для транспортировки. При съемке на траве и других подобных поверхностях лучше использовать твёрдый шаблон из пластика, дерева, металла или других материалов.
Применяя заявляемое устройство можно производить фотосъёмку стоя в воде. Для этих целей особенно удобен жёсткий шаблон, складывающийся наподобие переносной доски для игры в шашки. В принципе для складной шаблон предполагается использовать для компактности, а для фотосъёмки, стоя в воде, требуется утяжелённый шаблон. Картон и дерево не подойдут однозначно. Будут всплывать. Видимо тонкий лёгкий металл, например – сплавы на основе алюминия.
Укоротив нити, можно производить фотосъёмку на небольшом расстоянии над столом или другой возвышенностью, что значительно расширяет творческие возможности фотографа.
На шаблоне размечены отметки, позволяющие контролировать поворот камеры вокруг вертикальной оси. Градуировка производится для требуемого перекрытия кадров. Если используется несколько объективов, или объектив с переменным фокусным расстоянием, то наносится несколько шкал. В этом случае, для удобства лучше сделать цветные шкалы или использовать несколько шаблонов. Для удобства отметки пронумерованы. В этом случае очень просто получить необходимую последовательность изображений .
Так же, перед началом фотосъёмки необходимо калибровать шкалу на барабане (8). Градуировку лучше сделать заранее, с использованием штатива. При многорядной съёмке учитывается угол перекрытия изображений между рядами. Для этого жестко устанавливается камера под требуемым углом, и вращающийся барабан ориентируется таким образом, чтобы пузырёк уровня (9) занял отмеченное положение и напротив указателя (10) ставится метка соответственно углу наклона камеры. При использовании нескольких объективов с различными фокусными расстояниями или объектива с переменным фокусным расстоянием потребуется использование нескольких шкал, если таких много, то возможно использование сменных шкал.
Съёмка производится следующим образом. Удерживая камеру таким образом, чтобы основное усилие прикладывалось к точке М, дугой рукой слегка подправляется положение камеры. В этом случае, система отвесов устанавливает камеру в вертикальное положение. Обычно съемка изображений для сборки панорам производится в положении «портрет», именно в таком положении изображена камера на Фиг. 2.
Для использования камеры в положении «пейзаж» ориентируем отвес по точке О. Затем производится ориентация указателя отвеса (11) на начальную отметку съёмки и ориентация угла наклона камеры по шкале на вращающемся барабане (8). Для этого указатель барабана (10) устанавливается на отметку угла наклона для требуемого ряда. Изменяется наклон камеры таким образом, чтобы пузырёк занял отмеченную позицию. Камера устанавливается под нужным углом наклона в горизонтальной плоскости вращения. Перед нажатием на кнопку спуска затвора камеры ещё раз контролируется положение отвеса (6) и указателя отвеса (11). Затем производится съёмка.
Важно отметить, что при использовании данного устройства отпадает необходимость контролировать кадрирование по видоискателю (как в системе с однонитевым отвесом), а становится возможным сосредоточить внимание на отметках поворота, высоты точки фотосъёмки и уровне наклона по горизонтали. При многорядной съемке, завершив цикл вращения вокруг вертикальной оси, шайба (8) переводится на следующую отметку и повторяется серия фотосъёмки вокруг вертикальной оси.
Данное устройство позволяет легко сделать снимок надира и зенита. Стрелками указанно направление фотосъёмки.
Фиг.4
Двухнитевая конструкция отвеса позволяет удобно ориентировать камеру при угле вращения вокруг оси АВ.
Возможность производить фотосъёмку поверхности, на которой стоит фотограф, с минимумом артефактов в кадре (тонкие нити и верхняя часть груза) позволяют применить данное устройство совместно с панорамной головкой для фотосъёмки нижней части сферы. Части сферы за исключением нижней части снимают с применением штатива и панорамной головки положение I на Фиг. 5.
Фиг.5
Но штатив не позволяет снимать низ. В кадре будут видны ножки штатива. С помощью отвеса, или другим способом измеряется высота h – расстояние от нодальной точки до поверхности. Причём для съёмки в положении II нити отвеса моего устройства должны иметь такую длину, чтобы расстояние от нодальной точки до поверхности было, как и в случае I равно h.
В положении I отмечается точка под штативом, скажем О, когда штатив уберут, для съёмки в положении II отвес выставляют по этой же точке О. В результате нодальная точка камеры окажется в той же точке пространства, что и в случае съёмки в положении I.
В поле кадра нити обрываются, так как их концы перекрыты другими изображениями. Таким простым способом точно сделать снимок нижней части сферической панорамы было невозможно.
Для испытаний и проверки технических возможностей данного устройства был изготовлен опытный экспериментальный образец.
Для изготовления прототипа этого
устройства был применёны две половинки держателя для труб. Резиновая прокладка
предохраняет объектив от повреждений и отлично фиксирует устройство. Расстояние
между точками крепления нитей отвеса в данном образце составило
В качестве датчика угла наклона
камеры использовалась шайба из плексигласа (толщина
Фиг.8
Одно положение указателя отвеса будет в положении для транспортировки, другое – рабочее. Шкала указателя наклона камеры – шайба (8) с уровнем (9), на Фиг. 2 была проградуирована на тир ряда для съёмки сферической панорамы. При использовании данных объёктивов и камеры для перекрытия угла обзора по горизонту 180 градусов требовалось 8 кадров. Камера использовалась в положении «портрет».
Так как в данных условиях (кроп-фактор 1,6) объектив ЗЕНИТАР-16М обеспечивает угол обзора по малой стороне кадра 54 градусов, то перекрытие соседних кадров составило (54гр.х8-360гр)/8=9гр.
Это составляет около 16%. Таким образом, для получения сферической панорамы было решено произвести съёмку двух замкнутых рядов изображений и изображение пола, всего 8+8+1 снимок.
Результат сборки панорамного изображения превзошёл все ожидания. На такой большой серии изображений было получено стабильное перекрытие соседних изображений, и практически отсутствовал параллакс.
Впоследствии, при съёмках в помещении, когда на камеру была установлена вспышка, оказалось, что вес вспышки сильно затрудняет удержание камеры в требуемом положении. Но серию кадров удалось сделать до конца и получить хороший результат. Как вариант решения этой проблемы предлагается использование внешней вспышки управляемой через кабель или ИК передатчик. Практически все современные камеры обладают этой возможностью.
Для удобства крепление нити отвеса к стержням, желательно использовать зажимы. Например, винтовые, как показано на Фиг. 9.
Фиг.9
Зажим для нити может быть любого типа. При экспериментах хорошо зарекомендовала себя обычная резиновая трубочка (12), обеспечивающая простоту и лёгкость управления длинной нити.
Это значительно облегчает регулировку длинны нити, в зависимости от роста фотографа, или в случае фотосъёмки возвышенных поверхностей, например над поверхностью стола.
Для регулировки равенства длинны нитей удобно использовать груз с двумя перпендикулярными отверстиями в одном из которых расположен фиксатор, например винтовой. Конструкцию такого отвеса отображена на Фиг. 10, где 13 – фиксатор нити отвеса.
Фиг.10
Для контроля угла наклона камеры, помимо крепления уровня (9) также может быть использован вариант крепления одной из нитей к подвижной шайбе (8) со шкалой (Фиг.11). Визир шкалы жестко связан со стержнем. При наклонах цилиндр остаётся неподвижным, его положение на оси вращения зафиксировано нитью с отвесом, а указатель (10) перемещается вместе с вращающимся стержнем.
При весе камеры более килограмма руки фотографа находятся в большом напряжении. Причём требуется постоянно контролировать три параметра: поворот, наклон, высота. Для снижения физической нагрузки предлагается использовать шейный штатив (общий вид в действии показан на Фиг. 12), с упором на брючном ремне одной стороной и небольшой сферической головкой на другом конце штатива.
Фиг.12
Это головка (14) закрепляется снизу крепления (3), как показано на Фиг. 13. От места крепления головки (14) до упора (16), размещается шейный штатив (15). К концам упора (16) за крепления (17) зацеплены концы ремня (18), который навешивается на шею пользователя.
Фиг. 13
Для решения проблем связанных с применением объективов типа «рыбий глаз» у которых передняя линза зачастую большего диаметра и объёктив в этом случае имеет форму конуса, а так же для универсальности с использованием разных объективов и объективов с переменным фокусным расстоянием предлагается реализация устройства с креплением к камере подвижной планки.
На Фиг. 14 показан вид такой камеры сбоку (а) и сверху (б).
Фиг. 14
Камера (1) имеет сменные объективы (2). Посредством винта (19), к стандартному креплению на нижней части камеры, крепится башмак (20), имеющий направляющую (21), по которой перемещается кронштейн, с закреплённым на нём: П-образной скобой (22) со стержнями. Размер скобы подобран таким образом, что ось стержней проходит через главную оптическую ось системы камера-объектив.
Направляющая (21) перемещается в прорези башмака (20). Таким образом можно подстраивать положение оси стержней вдоль оптической оси объектива. В результате получается универсальное устройство, ограниченное типом камеры. Общий вид в действии такого устройства показан на Фиг. 15.
Фиг. 15.
Хотя
настоящее изобретение было описано с выделением предпочтительных вариантов
осуществления, специалистам в данной области техники ясно, что настоящее изобретение
не ограничивается вариантами осуществления, описанными и проиллюстрированными
выше. Различные варианты осуществления и адаптации, помимо показанных и
описанных здесь, а также многие вариации, модификации и эквивалентные
устройства ясно следуют из приведенного выше описания и чертежей.
