Как
снимать стереопары
Стереофотография отличается от обычной тем, что создает иллюзию объемности изображения. Стереоэффект достигается путем разделения картинок для левого и правого глаз. Стереофотография развивалась параллельно обычной фотографии на протяжении 170 лет. Но до сих пор правила стереосъемки не сформулированы должным образом: существуют разночтения и споры в этой области, и строгой и законченной теории не существует. Представляю на суд читателя свой вклад в теорию стереосъемки, построенный на основе ранее известных правил, своих собственных соображений и практики.
В литературе, как правило, описывается способ создания стереопар - изображений для левого и правого глаза, - при котором фотоаппарат смещается параллельно на растояние, называемое базой стереосъемки (стереобазой). При этом допускают стереосъемку "носками внутрь" с небольшим отклонением от параллельности.
Рис. 1. Первый способ стереосъемки: фотоаппарат смещается параллельно на расстояние стереобазы
Но давайте подумаем, так ли уж хорош этот способ стереосъемки.
Способ съемки определяет и способ разглядывания стереопар. При просмотре стереопар, снятых с параллельным смещением, оси глаз человека также должны быть параллельны друг другу. Но это получается само собой, если рассматривать слайды в стереоскопе. Слайды располагаются очень близко от глаз и разнесены на растояние, равное расстоянию между зрачками. В таких условиях просмотра оси глаз параллельны друг другу. То же относится и к просмотру стереокинофильмов в большом кинозале. Экран расположен далеко, глаза устремлены в бесконечность и оси глаз - параллельны.
Но в обычных условиях мы разглядываем предметы совсем другим способом. Оси глаз пересекаются в точке фокусировки взгляда.
Рис. 2. Оси глаз человека пересекаются под определенным углом в точке, на которую направлено наше зрение
Представим, что мы смотрим сквозь анаглифные очки на экран монитора или на книгу со стереокартинками. Наши глаза по привычке фокусируют зрение в плоскости картинки, там пересекаются и оси глаз. Но если картинка снята с параллельным смещением фотоаппарата, то чтобы увидеть стереоэффект, нужно расфокусировать глаза и держать их оси параллельно. Это вызывает напряжение, дискомфорт и усталость. А некоторые люди вообще неспособны на это и не могут увидеть какой бы то ни было стереоэффект. Поэтому параллельные снимки и вызывают нарекания. Простая логика подсказывает нам, что при съемке фотоаппарат должен поворачиваться вокруг снимаемого предмета на определенный угол. Назовем этот угол угловой стереобазой, а ось вращения аппарата осью нулевого параллакса - потому, что здесь между изображениями для левого и правого глаза нет смещения.
Рис. 3. Второй способ стереосъемки: фотоаппарат смещается на определенное растояние
(назовем его линейной стереобазой) и поворачивается на определенный угол (назовем его угловой стереобазой)
Сделаем краткое заключение из вышесказанного: первый способ съемки (с параллельным смещением камеры) подходит для создания стереослайдов и кинофильмов. Второй способ (с поворотом фотокамеры) - для просмотра анаглифных изображений и растровых стереооткрыток.
Можно ввести такое понятие, как удаленность объемных предметов по отношению к плоскости открытки. У первого вида стереосъемки есть интересная особенность - ближайшие предметы, попавшие в поле съемки, лежат точно на переднем плане. Допустим, это ветка дерева. Откадрируйте изображение, убрав ветку из кадра. На переднем плане окажется следующий по удаленности объект. При кадрировании изменилась перспектива и предметы приблизились к нам. Для второго вида стереосъемки все по-другому. Как бы вы ни кадрировали изображение, предметы не будут ни приближаться к вам, ни удаляться от вас. Видимо, это связано с тем, что для первого вида съемки оси фотоаппарата и, соответственно, глаз - параллельны. Параллельность осей как будто дезориентирует мозг человека, не дает ему точно определить удаленность передних объектов. При втором же способе стереосъемки фотоаппарат поворачивается, возникает ось нулевого параллакса, которая дает нам некое представление об удаленности предметов. Это интересное отличие двух видов стереоизображений позволяет безошибочно определить, как же была снята стереопара - с параллельным смещением или с поворотом.
Возможно, вы когда-нибудь видели объемные изображения, на которых часть предметов как бы выступает вперед, висит в воздухе между вами и плоскостью открытки, и кажется, что его можно потрогать рукой. Создать иллюзию того, что предметы находятся над плоскостью изображения, можно только при съемке с поворотом. Как это сделать, будет сказано ниже.
В книге Якова Исидоровича Перельмана "Занимательная физика" описывается, как можно увидеть объемное, рельефное изображение, разглядывая обычный плоский фотоснимок.
- Первое правило - рассматривать фотографию одним глазом.
- Второе правило - держать снимок в надлежащем расстоянии от глаза. Для получения впечатления объема надо рассматривать снимок под углом зрения, равным углу, под которым аппарат объектива "видел" изображение предметов. Отсюда следует, что снимок надо приблизить к глазу на расстояние, которое во столько же раз меньше расстояния предмета от объектива, во сколько раз изображение предмета меньше натуральной величины.
Рис. 4. В фотографическом аппарате угол 1 равен углу 2
Я. И. Перельман предлагает находить это расстояние по формуле:
Правильный способ рассматривании стереослайдов - держать их на расстоянии, равном фокусному расстоянию фотообъектива. На этом и основаны устройства для рассматривания слайдов - слайды в них помещаются на расстоянии 6 см от глаза, что приблизительно равно фокусному расстоянию большинства используемых фотоаппаратов. А поскольку человек не в состоянии рассматривать объекты с такого близкого расстояния, за исключением очень близоруких людей, эти устройства содержат лупы, чтобы сделать человека "близоруким". Рассматривая слайды с помощью этих устройств, человек смотрит одним глазом и с надлежащего расстояния, т. е. оба условия для передачи полноты объема выполнены. Но если слайды сделаны фотообъективом с другим фокусным расстоянием, отличным от 6 см, то и размеры этого устройства должны быть изменены.
По такому же принципу устроены и стереоскопы: расстояние между глазами и слайдом равно фокусному расстоянию стандартных фотоаппаратов - примерно 6 см - и вы можете увидеть объем, рассматривая картинку одним глазом. Считается, что ощущение объема усиливается от рассматривания стереопар двумя глазами. В действительности перспектива при рассматривании одним глазом и при рассматривании стереопар двумя глазами может сильно отличаться. Мы видим иллюзию объема, но картина выглядит как-то неестественно, неправдоподобно.
При печати фотографии с негатива мы увеличиваем изображение и соответственно растояние для правильного рассматривания фотографий. Введем величину увеличение кадра М:
Для стандартных негативов размером 24 мм на 36 мм мы получаем увеличение:
- 3,8 - для фотографий 9x13 см;
- 4,2 - для фотографий 10x15 см;
- 5,4 - для фотографий 13x18 см;
- 6,3 - для фотографий 15x21 см;
Зная эти величины, мы получим расстояние для правильной передачи перспективы из формул (1) и (2)
:
где f - фокусное расстояние.
Но формулы (1) (3) верны для случаев, когда снимаемый объект находится на расстоянии много большем фокусного расстояния объектива. Для случаев макросъемки, когда расстояние до снимаемого объекта сравнимо с фокусным расстоянием объектива, (фокусное расстояние) в этих формулах должно быть заменено на величину t - расстояние между фотопленкой и главной плоскостью фотообъектива:
где L - расстояние до снимаемого объекта, f - фокусное расстояние фотообъектива.
Рис. 4а. Величины t и L
Формулы (1) (3) будут выглядеть так:
Теперь мы знаем расстояние, с которого нужно рассматривать фотографии одним глазом, чтобы получить правильное представление о перспективе картины.
Правило правильной передачи перспективы можно сормулировать более просто и понятно: угловые размеры предметов должны быть правильно воспроизведены.
Кроме линейного размера, измеряемого в мм, см, метрах и т.д., предметы имеют и угловой размер. Но он будет меняться с расстоянием: чем ближе к нам предмет, тем больше его угловой размер.
Рис. 5. Угловые размеры предметов
При правильной передаче перспективы угловые размеры предметов будут такими
же, какими мы их видим в реальности. Это хорошо показано в комиксе Херлуфа
Бидструпа "Натуралист". На картине, которую несет художник подмышкой,
линейные размеры предметов уменьшены, но угловые - переданы абсолютно точно.
Теперь нам ясна суть правильной передачи перспективы. А приведенные выше формулы связывают воедино размер фотографии, растояние до снимаемого предмета, фокусное рсстояние объектива и расстояние, с которого мы рассматриваем фотокарточку.
Параллакс (греч. parallaxis уклонение) - перспективное, кажущееся смещение расматриваемого объекта, вызванное изменением точки наблюдения. Если вы посмотрите на окружающие предметы вначале одним глазом, потом другим, то вы увидите, что объекты, расположенные на различном расстоянии от вас, смещаются относительно друг друга - это смещение и называется параллаксом. Благодаря этому параллаксу мы и получаем представление о взаимном расположении объектов.
При получении стереопар первым способом, когда фотоаппарат смещается параллельно, объекты, расположенные очень далеко, не смещаются, и на обоих кадрах находятся на одном и том же месте. Смещаются объекты, расположенные на переднем плане.
Рис. 7. Параллакс для первого вида стереосъемки
Для этого способа съемки параллакс можно представить в виде такой схемы.
Рис.8. Параллакс для первого вида стереосъемки. Для переднего плана параллакс максимальный, для бесконечно удаленных объектов параллакс равен нулю
Ниже представлена схема параллакса для второго вида стереосъемки:
Рис.9. Параллакс для второго вида стереосъемки
Если для первого вида съемки параллакс имеет только передний план, то при съемке с поворотом на заднем плане тоже появляется параллакс, но с обратным знаком. На оси вращения фотоаппарата нет никакого смещения, поэтому мы и назвали ее осью нулевого параллакса.
Показанный ниже рисунок объясняет, почему меняется перспектива, если мы рассматриваем картину сквозь стереоочки с различных расстояний. Если мы подойдем ближе к стереоизображению, предметы "сожмутся" в продольном направлении, отойдем дальше - "вытянутся".
Рис.10. Если отодвигать стереоизображение от себя - предметы будут "вытягиваться", приближать - "сжиматься"
Человек не в состоянии соединить в объемное изображение две стереопары с очень большим параллаксом. Расположите какие-либо предметы на различном расстоянии от глаз и фокусируйте свое зрение то на одном, то на другом предмете, и вы увидите, что сфокусировав зрение на передних предметах, вы не сможете четко увидеть дальние предметы - они будут двоиться, и наоборот, при фокусировании зрения на дальних предметах, раздваиваться будут передние. Обычно мы этого не замечаем, потому что человеческий глаз - динамическая система, и очень быстро перестраивает свой фокус. Но стереофотография статична, и поэтому существует ограничение на максимальный параллакс.
Каково же это ограничение?
Дело в том, что оно зависит от зрения человека. Для автора оно составляет 3 мм для переднего плана и 9 мм - для заднего, если рассматривать стереооткрытку с расстояния в 40 см. Близорукие люди в состоянии воспринять значительно больший параллакс. Но не все люди обладают способностью соединять в объемное изображение стереопары с большим параллаксом. Если параллакс очень большой, то одни люди с удовольствием разглядывают объемные картинки, а другие не в состоянии что-либо увидеть, пока не отодвинут стереооткрытку на большее расстояние. Потому что максимально допустимый параллакс в действительности угловая величина и зависит от расстояния, с которого мы рассматриваем картину. Чем дальше от нас картина - тем больше максимально допустимый параллакс. Если речь идет о переднем плане: для 6 см (с такого расстояния мы рассматриваем стереослайды) - это 1,5 мм, для 40 см - это 3 мм, для 1 метра - уже 1 см и т.д. Для заднего плана эти значения увеличиваются в три раза.
Рис. 11. Максимально допустимый параллакс - угловая величина, увеличивается с расстоянием
Каким образом мы воспринимаем объем? Как уже говорилось, наши глаза - динамическая система, и мы постоянно переводим взгляд с одного предмета на другой. Оси глаз сходятся то на одном предмете, то на другом, и мы получаем более полное представление о взаимном расположении объектов. На стереофотографии все углы заданы определенным образом, и мы получаем статичный объем, наш взгляд привязывается к определенной точке. Мозг наблюдателя в течении определенного, конечного времени анализирует изображение, приспосабливается к нему и создает одну из поразительных иллюзий - иллюзию объема. При этом взгляд привязывается к предмету, изображение которого имеет минимальный параллакс. Этот предмет и будет центром композиции. Он же находится на оси вращения фотоаппарата.
Если вы откадрируете стереооткрытку, вырезав кусок изображения с нулевым параллаксом, то взгляд будет скользить мимо изображения, ища точку пересечения осей. Не находя этой точки, мы будем испытывать дискомфорт, стереоэффект будет восприниматься плохо. В некоторых случаях отсутствие точки с нулевым параллаксом вызывает ощущение движения.
Обычно на фотографии мы видим уменьшенное или увеличенное изображение предмета. Проделайте мысленный эксперимент: уменьшите или увеличьте сфотографированные вами объекты до тех размеров, которые они имеют на фотографии, и поставьте их перед собой. Представьте себя Гулливером в стране лилипутов или великанов. Теперь закройте левый, а затем правый глаз, и вы увидите действительный параллакс.
Параллакс на вашей фотографии может быть намного меньше действительного. От этого фигурки людей и животных кажутся плоскими, как будто вырезанными из картона - они сильно сжаты в продольном направлении. При увеличении параллакса предметы, наоборот, вытягиваются. Но часто сложно определить, преуменьшен параллакс или преувеличен, потому что мы не знаем действительных размеров снятых предметов. Другое дело - портрет человека, его пропорции нам хорошо известны.
Для получения хорошего стереоэффекта изображения для левого и правого глаз должны быть правильно выравнены относительно друг друга.
- Если речь идет о съемке с параллельным смещением фотоаппарата, то при выравнивании по вертикали идентичные точки на двух снимках смещаются относительно друг друга только влево или вправо, но не вверх или вниз. Если на одной части кадра нет смещения вверх или вниз, а на другой - есть, значит стереснимки повернуты относительно друг друга на какой-то угол. Необходимо развернуть один из снимков так, чтобы не было вертикального параллакса.
Выравнивание по горизонтали делается таким образом, чтобы бесконечно удаленные предметы не имели параллакса.
- Для съемки с вращением снимки должны быть наложены друг на друга так, чтобы их оси нулевого параллакса совпали. Для этого при стереосъемке надо обязательно каким-то образом отметить точки, находящиеся на оси вращения фотоаппарата.
Некоторые фотографы меняют распределение параллакса, например, вместо того, чтобы сделать нулевой параллакс на заднем плане, делают нулевой параллакс на переднем плане. Действительно, при этом стереоэффект меняется. Но такие снимки плохо воспринимаются людьми с нетренированными глазами. Если вы каждый день упражняетесь в разглядывании стереопар, у вас появляется восприимчивость к разного рода стереоэффектам. Но для нормального человека лучше то, что ближе к действительности. Мнение таких людей стоит учитывать при оценке ваших работ.
Вычисление стереобазы для съемки с параллельным смещением фотоаппарата
При стереосъемке с параллельным смещением параллакс в бесконечности равен нулю, смещение появляется только на переднем плане. Стереобаза вычисляется из тех соображений, чтобы параллакс на переднем плане Parallaxfore был равен 3 мм (для рассматривания стереооткрытки с расстояния в 30-40 см).
Здесь Base - линейная стереобаза, Parallaxfore - параллакс на переднем плане, Lfore - расстояние до предмета, находящегося на преднем плане, - ближайшего к нам предмета, f - фокусного расстояние объектива, L - расстояние до точки фокусировки объектива, M - увеличение негатива, включая изменения размера при печати фотографий, сканировании, кадрировании и др.
Для фотоаппаратов с несмещаемым объективом (focus free) стереобаза вычисляется по нижеприведенной формуле:
Эта формула показывает, что чем дальше от нас снимаемые объекты, тем больше должна быть стереобаза. Но представим, что вы купили стереофотоаппарат или стереоприставку. Для этих устройств база строго задана и равна приблизительно 6-7 см. Из формулы (8) можно вычислить, на каком расстоянии от нас должны находиться снимаемые предметы для стереобазы в 6-7 см. Допустим, что фокусное расстояние фотообъектива равно 6 см, параллакс на переднем плане равен 3 мм. Мы печатаем фотографию 10 на 15 см, то есть увеличиваем негатив в 4,2 раза. Получаем Lfore=5,5 м, значит, желательно, чтобы предметы располагались на расстоянии дальше, чем 5,5 метров.
Вычисление стереобазы для съемки с вращением фотоаппарата
Для этого случая параллакс появляется и на заднем и на переднем плане. Но если для переднего плана мы ограничиваем параллакс 3 мм, то для заднего плана это ограничение - 9 мм, в три раза больше. Стереобазу можно вычислять, исходя из параллакса для переднего плана:
Можно вычислять стереобазу и исходя из параллакса для заднего плана:
Здесь P - расстояние до оси вращения фотоаппарата. Мы получим два значения угловой стереобазы. Выбрать нужно наименьшее.
Если задний план находится в бесконечности, то формула (10) упрощается:
Ниже приведены формулы для фотоаппаратов с несмещаемым объективом (focus free). Формула (9) преобразуется в формулу (12), (10) - (13), (11) - (14):
Формулы (12), (13), (14) можно использовать с хорошим приближением и для фотоаппаратов со смещаемым объективом, когда все расстояния намного больше фокусного (L >> f). Только в случае съемки с близкого расстояния (когда L сравнимо с f), нужно использовать формулы (9), (10), (11).
Представим для примера, что мы видим домик на фоне леса. Лес находится далеко от нас, так что можно считать, что задний план - в бесконечности. Все расстояния намного больше фокусного расстояния фотообъектива. Поэтому для вычисления берем формулу (14). Параллакс заднего плана берем равным 9 мм (стереофотография будет рассматриваться с обычного расстояния в 30-40 см). Фокусное расстояние нашего фотоаппарата - 6 см. Чтобы правильно воспроизвести перспективу, нужно увеличить негатив примерно в 6 раз, то есть напечатать фотографию размером 15 на 21 см (см. раздел Перспектива). Parallaxback=9 мм, f=6 см, M=6. Получаем угловую стереобазу 1,4 градуса.
Чтобы знать, насколько мы должны смещать фотоаппарат, нужно вместе с угловой стереобазой вычислить и линейную:
Мы хотим сделать домик центром композиции, значит, фотоаппарат будет поворачиваться вокруг дома. Допустим, наш домик находится от нас на расстоянии 100 м. Получаем из формулы (15) линейную стереобазу 2,5 м. Чтобы повернуться на угол 1,4 градуса, нужно сместиться на 2,5 метра. Поймаем в перекрестие объектива трубу дома и сделаем первый снимок. Затем сместимся на 2,5 метра влево или вправо, снова поймаем в перекрестие объектива трубу и сделаем второй снимок. Труба дома будет ориентиром для совмещения стереопары. Представьте, что впереди дома есть еще какие-то предметы. Если они стоят очень близко от нас, то получится большое смещение и эти предметы будут портить всю картину. Чтобы параллакс на переднем плане не превышал 3 мм, нужно, чтобы предметы находились не ближе некоего расстояния Lfore, которое мы вычислим из формул (12) и (14), заменив AngularBasefore на AngularBaseinfinite:
В нашем случае мы получаем величину 75 м. Предметы не должны располагаться ближе 75 метров.
На основе приведенных формул лучше всего рассчитать готовые таблицы стереобаз, которые можно было бы использовать во время съемки.
Освещение при съемке изображений для левого и правого глаз не должно меняться. Любое изменение светотени, смещение бликов и теней, как правило, разрушает стереоэффект. Это накладывает ограничение на использование поляризационного фильтра и фотовспышки: поляризатор лучше всего вообще не использовать, а фотовспышку - закреплять в определенном положении и не смещать во время съемки.
Как получить стереоизображение, "плавающее в воздухе"? Для этого передние предметы должны быть увеличены сильнее, чем нужно, их угловые размеры - значительно преувеличены. Наш мозг компенсирует подобное искажение, приблизив к нам часть изображения. Предметы выдвинутся вперед и будут висеть в воздухе рядом с нами. Подобный стереоэффект выглядит потрясающе.
Нужное искажение изображения происходит из-за бочкообразной дисторсии объектива.
Рис. 12. Одна из геометрических аберраций Зайделя - дисторсия
Большую бочкообразную дисторсию имеют широкоугольные короткофокусные объективы.
 |
 |
Фотография сделана широкоугольным
объективом | Фотография сделана нормальным
объективом |
Человечесикй глаз так же является короткофокусным широкоугольным объективом. Почему же мы не наблюдаем искажения,подобного показанному на верхнем рисунке слева? Объяснение кроется в строении глаза человека.
Рис. 13. Строение глаза человека
Изображение формируется на сетчатке глаза, которая располагается на сферической поверхности. Дисторсия же возникает из-за того, что мы фиксируем на плоскую фотопленку изображение, которое сфокусировано на сферической поверхности.
- Первое правило получения стереоизображения, "плавающего в воздухе" - нужны условия фотосъемки, при котором передние предметы увеличиваются значительно сильнее задних и имеют преувеличенные угловые размеры.
- Второе правило - ось вращения фотоаппарата должна находиться не впереди, а позади снимаемого объекта.
- Третье правило - предмет должен быть обособлен, не соединен с другими предметами, которые привязывали бы его к определенному плану.
- Ось нулевого параллакса находится вблизи плоскости фотографии. В плоскости фотографии сходятся оси глаз. Исходя из этого определяется угловая стереобаза. Расстояние от глаз до открытки - S, расстояние между глазами - 6,5 см. Получаем угловую стереобазу:
Если S=30 см, получаем угловую стереобазу, равную 12 градусам. Отсюда четвертое правило - фотоаппарат при стереосъемке поворачивается на 12 градусов. Такая большая угловая стереобаза тоже способствует тому, что предметы на изображении приближаются к нам.
Изображение, "плавающее в воздухе", можно получить, изменив распределение параллаксов. Ракурсы для левого и правого глаз смещаются относительно друг друга так, чтобы увеличить параллакс на переднем плане. При этом часть изображения выдвинется вперед, но стереэффект не всегда будет хорошо восприниматься.
Стереофотография ограничивает возможности фотохудожника: многие выразительные средства обычной фотографии здесь неприменимы. Но, с другой стороны, стереофотография предлагает свои собственные художественные приемы, которых нет в обычной фотографии. К сожалению, ее художественные возможности еще плохо изучены. Несмотря на то, что стереофотографии скоро исполнится 170 лет, она еще начале пути.
Вазенмиллер Е. А., 2001
