Бесшовные цифровые панорамы

Программы склеивания цифровых мозаик и панорам позволяют фотографам создавать снимки с более высоким разрешением и/или углом обзора, чем это возможно для отдельно взятой цифровой камеры или объектива — создавая более детальные отпечатки и потенциально более драматические, всеохватывающие панорамные перспективы. Однако получение бесшовной панорамы является гораздо более сложной задачей, чем простое выравнивание снимков; оно также включает в себя исправление перспективы и пространственных искажений, вносимых объективом, определение наилучших совпадений между снимками попиксельно, а также аккуратное наложение каждого из снимков в зоне шва. Данная статья предназначена для освещения основ работы этого процесса, а также обсуждения распространённых затруднений, которые можно испытать в процессе — вне зависимости от типа используемых программ.

Обзор: видение большого изображения

Сборка панорамы может потребовать комплексной последовательности шагов, которая может меняться в зависимости от предмета съёмки или типа панорамы. Эту процедуру можно разбить на несколько более простых этапов, каждый из которых затем можно рассматривать как последовательность действий. Следующие разделы данной главы рассматривают в подробностях каждый из этапов, в том числе терминологию и альтернативные подходы.

Этап 1: установка камеры, её настройка для получения одинаковой экспозиции на всех снимках, съёмка серии. Итоговым результатом будет серия снимков, которая покрывает всё поле зрения, где все снимки сделаны практически из одной точки перспективы.

Этап 2: первая стадия использования программ сборки панорам; включает в себя выбор порядка и точное позиционирование, которое выравнивает все снимки. Это может происходить автоматически, а может потребовать ручного выбора пар контрольных точек, которые должны идеально совпадать в итоговом изображении. Этот этап может также потребовать ввода параметров камеры и объектива, чтобы программа сборки панорам могла оценить угол зрения каждого снимка.

Этап 3: определение перспективы с использованием таких ориентиров как горизонт, прямые линии или точка схождения. Для собранных панорам, которые охватывают большой угол зрения, может также оказаться нужным определить тип панорамной проекции. Тип проекции влияет на то, как и где прямые линии могут изогнуться в итоговом собранном изображении.

Этап 4: сдвиг, вращение и изменение перспективы одиночных снимков, в результате которых средняя дистанция между наборами контрольных точек минимизируется, а выбранная перспектива (на основе точки схождения) при этом сохраняется. Этот этап требует применить интерполяцию цифрового изображения к каждому из снимков и зачастую является наиболее вычислительно интесивным из всех шагов.

Этап 5: снижение или исключение видимости швов посредством градиентного сопряжения снимков. Этот шаг не является обязательным и может порой объединяться с предыдущим процессом сдвига и смены перспективы каждого из изображений или же может включать в себя определение швов вручную для исключения движущихся объектов (таких как люди).

Этап 6: обрезание панорамы, в результате которого она принимает заданный прямоугольный (или другой) вид. Этот шаг может включать в себя любую необходимую пост-обработку панорамы, в том числе уровни, кривые, тон и резкость.

Итоговая панорама содержит 20 мегапикселей, хотя использованная для её создания камера имела менее 4 мегапикселей. Тем самым обеспечивается намного более высокая детальность — достижимая порой иначе только на очень дорогом оборудовании — с использованием компактной, ручной и недорогой дорожной камеры. Описанные выше шаги можно подытожить так:

Обратите внимание, что этапы 2-6 все осуществляются на компьютере с использованием программ сборки панорам, после того как снимки были сделаны. Остаток данной части посвящён подробному рассмотрению первого этапа, а подробности этапов 2-6 представлены во второй части данной главы. Мы увидим, что панорамы не всегда прямолинейны и могут потребовать большого числа принципиальных решений в процессе создания.

Основы: ошибка параллакса и использование панорамной головки

Размеры и стоимость панорамного оборудования могут значительно варьироваться, в зависимости от предназначения. Способность определить, когда вам требуется дополнительное оборудование, поможет сохранить время и деньги. Мы рассматриваем два типичных сценария сборки на основе потребного оборудования:

Панорамы требуют, чтобы камера поворачивалась вокруг оптического центра своего объектива, тем самым поддерживая точку перспективы для всех фотографий. Если камера не поворачивается вокруг оптического центра, точное выравнивание снимков может оказаться невозможным; неточности выравнивания называются ошибкой параллакса. Панорамная головка — это устройство, которое гарантирует поворот камеры и объектива вокруг оптического центра.

Примечание: оптический центр объектива зачастую называют его узловой точкой, хотя этот термин не является абсолютно верным. Более точным термином является входное отверстие диафрагмы, но даже оно означает некоторую площадь, а не точку. Точка, о которой мы говорим, находится в центре входного отверстия диафрагмы, и её можно также назвать «точкой без параллакса» или «точкой перспективы».

Второй сценарий намного более чувствителен к ошибке параллакса в связи с наличием значимого переднего плана. В первом случае небольшие отклонения от оптического центра объектива окажут незначительное влияние на итоговое изображение — позволяя снимать такие фото с рук.

Чтобы понять, почему так важен передний план, посмотрим на иллюстрацию того, что происходит с двумя перекрывающимися кадрами, которые входят в панораму. Два розовых столбика ниже представляют предметы на фоне и на переднем плане. Угол зрения на рисунке слева соответствует исходной позиции камеры перед поворотом, тогда как угол зрения на рисунке справа получается в результате поворота камеры.

В случае неправильного вращения перспектива изменяется вследствие ошибки параллакса, поскольку камера не была повёрнута вокруг своего оптического центра. Наведите курсор на подписи внизу,чтобы увидеть эффект от каждого из сценариев:

Сценарий № 1: проблема второго снимка (справа) в том, что перспектива снимков не совпадает. Несмотря на то, что этим может быть вызвана некоторая степень невыровненности, проблема проявляет себя намного меньше по сравнению со случаем,когда в кадре есть объекты на переднем плане, как иллюстрирует сценарий № 2.

Сценарий № 2: как можно заметить, степень невыровненности намного больше, когда объекты переднего плана представлены на панораме более, чем на одном снимке. В результате абсолютно необходимо, чтобы камера вращалась точно вокруг оптического центра, что как правило требует применения специальной панорамной головки (как показано в последнем сценарии).

Сценарий № 2 с панорамной головкой: в данном случае можно видеть, что перспектива сохранена, поскольку объектив поворачивается вокруг своего оптического центра. Это очевидно, поскольку на снимке справа лучи света от обоих столбиков по-прежнему совпадают, и задний столбик по-прежнему скрыт передним. Панорамные снимки интерьеров зданий почти всегда требуют применения панорамной головки, в то время как небесные горизонты практически никогда. Многорядные или сферические панорамы могут также потребовать панорамной головки, смонтированной на штативе, которая сохраняет центр вращения при подъёме и наклоне.

При должной аккуратности для панорам, снятых с рук, если они не имеют объектов на переднем плане, ошибка параллакса может остаться незаметной. Трюк состоит в том, чтобы держать камеру над одной из ног и поворачиваться вокруг её пятки, оставляя камеру на той же высоте и расстоянии от тела.

Этап 1: настройка цифровой камеры и съёмка панорамы

Съёмка цифровой панорамы означает систематические повороты камеры с целью покрыть желаемое поле зрения. Шаг поворота и общее число снимков зависит от угла обзора каждого кадра, который определяется фокусным расстоянием используемого объектива и количеством наложений снимков. Следующий снимок состоит из двух рядов по четыре снимка; камера сперва прошла верхний ряд слева направо, затем изменила наклон для получения второго ряда и вернулась справа налево.

Помимо минимизации ошибки параллакса, ключом к созданию бесшовной панорамы является идентичность параметров настройки для каждого из снимков в серии. Любые изменения в экспозиции, фокусе, освещении или балансе белого между снимками порождают очевидные несовпадения. Если вы используете цифровую зеркальную камеру, крайне рекомендуется снимать все снимки в режиме ручной настройки параметров экспозиции и в формате RAW. Таким образом баланс белого можно будет настроить идентично для всех снимков, даже после того как они были сделаны.

При использовании компактной цифровой камеры полезно включить режим панорамной съёмки, который есть во многих из них и показывает на экране рамки предыдущего кадра. Это может быть очень полезно при съёмке с рук, поскольку они помогают удостовериться в том, что все снимки находятся на одном уровне и сняты с достаточным перекрытием. Вдобавок, режим панорамной съёмки использует выставленные вручную параметры настройки экспозиции, которые блокируют баланс белого и экспозицию на основе первого снимка (или по крайней мере на базе первого полуприжатия кнопки спуска).

Панорамы могут охватывать весьма широкий угол обзора, вплоть до кругового, и как следствие могут покрывать широчайший диапазон освещённости при разных углах съёмки. Это может создать проблемы при выборе параметров экспозиции, поскольку съёмка прямо по солнцу или против него может сделать остаток панорамы чрезмерно ярким или тёмным.

Часто среднюю экспозицию получают, направив камеру в направлении, перпендикулярном своей тени, используя автоматическую настройку экспозиции (как для одиночного снимка), после чего используют полученные параметры настройки в ручном режиме для всех снимков. В зависимости от художественного замысла, однако, экспозиция может определяться наиболее яркими зонами с целью сохранения светлых деталей. Для компактных цифровых камер настройку экспозиции можно заблокировать, используя режим съёмки панорам, нажав кнопку спуска наполовину на промежуточном угле и впоследствии делая снимки в любом выбранном порядке (не отпуская кнопку спуска, прижатую наполовину, до первого снимка).

Убедитесь, что каждый снимок перекрывает все соседние примерно на 10-30%.Площадь перекрытия не имеет строгого определения; слишком большое перекрытие означает, что придётся сделать намного больше снимков, а слишком малое может осложнить наложение регионов или изменение положения швов.

Обратите внимание, если ваша панорама содержит движущиеся предметы, такие как вода или люди, лучше всего попытаться изолировать движение в одном кадре. Тем самым вы избежите проблем, связанных с появлением кого-нибудь на панораме дважды или ошибок выравнивания, связанных с наличием движущихся объектов в районе шва между двумя кадрами. На снимке слева швейцарский гвардеец маршировал из стороны в сторону, но нижняя треть снимка содержалась в одном кадре.

Ещё одним соображением является выбор между однорядной панорамой в альбомной (ландшафтной) или портретной ориентации. Использование портретной ориентации позволяет увеличить число мегапикселей примерно в 2.25 раза (для того же предмета съёмки) для камер, использующих цифровой сенсор с соотношением сторон 3:2 (при том же перекрытии порядка 20%). Недостаток такого метода состоит в том, что портретная ориентация требует большего фокусного расстояния, а следовательно, меньшей диафрагмы для получения аналогичной глубины резкости (поскольку увеличение становится сильнее).

Прочие соображения при съёмке серии включают в себя общее разрешение и глубину резкости. Можно невероятно увеличить количество мегапикселей в собранном фото, составляя его из большего числа снимков. Однако недостаток такого подхода состоит в том, что для получения той же глубины резкости придётся использовать всё более закрытые диафрагмы (большие f-ступени) по мере увеличения числа собираемых снимков (для получения того же угла зрения). Это может сделать достижение определённых разрешений практически невозможным, поскольку требуемое время экспозиции может оказаться невозможно большим, или в связи с сильным размытием снимков при закрытой диафрагме в результате дифракции.

Следующий калькулятор показывает, как число мегапикселей и параметры настройки объектива изменяются при сборке фотомозаики из сцены, которую можно было бы охватить одним снимком. Его можно также использовать для быстрой оценки того, какое фокусное расстояние требуется для охвата выбранной сцены. Требуемые входные значения перечислены в тёмно-серых ячейках, а результаты будут показаны в тёмно-синих ячейках.

Как можно увидеть, даже небольшие мозаики быстро начинают требовать невозможных ступеней диафрагмы и времени выдержки для сохранения глубины резкости. Надеюсь, это объясняет, что цифровые фотопанорамы и фотомозаики сложнее создать технически, чем одиночные снимки. Заметьте также, что степень перекрытия снимков может значительно уменьшить итоговое разрешение (по сравнению с простой суммой мегапикселей всех отдельно взятых снимков), из чего следует, что фотомозаика абсолютно не является эффективным методом хранения данных об изображении на карте памяти. Следующий калькулятор оценивает число мегапикселей собранной фотомозаики как процент от вошедших в неё снимков.

Для сверхширокоугольных панорам следует избегать использования поляризационных фильтров, поскольку могут проявиться сильные изменения в освещённости неба. Вспомним, что поляризационные фильтры максимально затемняют солнце под углом 90° к направлению солнечного света и минимально по солнцу или против него. Это означает, что любая панорама, которая покрывает 180° неба, покажет участки, где поляризатор срабатывает максимально и минимально. На фото арки справа можно наблюдать в небе сильный неестественный градиент. Вдобавок, поляризационные фильтры могут значительно усложнить бесшовную сборку.

Кроме того, будьте осторожны, пытаясь снимать панорамы сцен, где свет меняется быстро, как например в случае движущихся облаков, создающих избирательную подсветку ландшафта. Такие сцены позволяют собрать панораму при условии, что движущиеся полосы света (или тени) содержатся в отдельных кадрах и не попадают на швы.

Наконец, постарайтесь удостовериться, что вы делаете серию снимков, поворачивая камеру строго горизонтально. Для больших панорам легко попасть в ситуацию смещения вверх или вниз,в результате чего неприемлемое количество итоговой панорамы придётся обрезать (как показано ниже).

Такого результата можно избежать, контролируя горизонт при съёмке (например, посередине кадра, в одной трети и т.д.).