Мир глазами рыбы:
технология сферического панорамирования

Александр Павличенко

Вместо предисловия

Те, кто видел фильм «Троя», наверняка, были поражены масштабными общими планами, присутствующими в картине. Профессионалы, глядя на эти кадры, несомненно, задумывались над тем, как это удалось сделать? Ведь посредством видеосъемки реализовать возникшую у режиссеров идею было достаточно сложно. Для достижения нужного эффекта съемку требовалось вести на достаточно большом расстоянии от объекта, а это сопряжено с серьезными проблемами (в частности, со стабилизацией кадра, если снимали бы с вертолета). Поэтому было принято решение использовать оригинальную технологию, заимствованную из родственной области — цифровой фотосъемки.

Ни для кого не секрет, что современные цифровые фотокамеры позволяют делать снимки с частотой несколько кадров в секунду с высоким разрешением, и полученный таким образом фотоматериал по своей сути является законченным видеофрагментом.

Используя две синхронно работающие фотокамеры Canon 1Ds с конвертерами FishEye («рыбий глаз»), создатели «Трои» получили около 20 секунд видео (по 5 кадров в секунду) с охватом в 360°. Впоследствии каждую полученную пару кадров «сшивали» при помощи программы Panoweaver. Искажения и ненужные части кадра срезали и таким образом получали картинку с очень большим охватом. Результирующее изображение использовали в качестве заднего плана, на который в Maja монтировали другие объекты и персонажей фильма.

Этой технологии, которую принято называть «сферическим панорамированием», и посвящена настоящая статья.

Вспомним физику

Мы привыкли смотреть на воду сверху: при этом ложка в стакане с водой кажется изогнутой, а сам стакан — не таким уж и глубоким. А что, если попробовать посмотреть на мир из воды?

Рис. 1

Рис. 2

Какая картина откроется человеку, который без маски нырнул под воду и смотрит вверх через спокойную поверхность водоема? Если водоем сравнительно небольшой, то он увидит примерно следующее: на темном «потолке» (поверхности воды) — яркое круглое «окно», в которое вмещается все небо от горизонта до горизонта. Предметы, окружающие водоем, будут расположены по краям этого «окна», а их «верхушки» — устремлены к его центру. За пределами «окна», как в зеркале, отразится дно.

Почему формируется именно такая картина, можно объяснить, используя явление полного внутреннего отражения света. Переход света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную характеризуется предельным уголом падения α₀ (рис. 1), начиная с которого свет не будет попадать из первой среды во вторую. Говорят, что в этом случае свет испытывает полное внутреннее отражение. Например, для перехода вода — воздух α₀=49°.

А теперь представим, что все лучи идут из воздуха в воду. Если поле обзора в воде заключено в конусе с углом раствора около 98° (два предельных угла α₀), то в воздухе угол обзора будет равен 180°, а поле обзора становится гораздо шире. Под таким углом обзора видят мир рыбы (рис. 2). Правда, предметы, размещенные по краям воздушной полусферы, оказываются сильно искаженными и смещенными относительно своего реального положения.

Рыба может также видеть предметы, находящиеся в воде и, казалось бы, не попадающие в поле ее зрения. Все дело в том, что при полном внутреннем отражении резко увеличивается коэффициент отражения света, и поверхность воды становится хорошим зеркалом. Для углов падения, близких к нулю, коэффициент отражения воды составляет примерно 2%, а для углов свыше предельного — почти 100%. На рис. 2 показано, что зеркальное отражение рыбы будет видно под меньшим углом зрения, чем сама рыба. И, конечно, изображение будет хорошим только в том случае, если поверхность водоема гладкая.

Рис. 3

Чтобы смоделировать описанное явление, предлагаем проделать небольшой эксперимент. Возьмите обыкновенную лазерную указку (ее можно купить на каждом углу) и какой-нибудь прозрачный сосуд (вполне подойдет крышка от коробки из-под той же лазерной указки). Приготовьте взвесь, размешав в воде муку или мел, и вылейте ее в сосуд. Теперь, посветив лазерной указкой в сосуд под разными углами, добейтесь полного отражения света от поверхности воды или от боковых стенок. Результаты этого эксперимента показаны на рис. 3.

Необходимое оборудование

Как же практически делают сферическое панорамирование, и какое оборудование для этого необходимо?

Для начала, конечно, следует приобрести цифровую фотокамеру с полным набором ручных настроек, возможностью установки конвертера FishEye и внешней вспышки, и конечно, поворотного устройства.

Одним из основных производителей сравнительно недорогой фототехники является компания Nikon. Из ее модельного ряда можно порекомендовать модели Nikon Coolpix 4500, 5000, 5700, 8700. Существуют также и профессиональные камеры со сменными объективами, но их приобретение вряд ли можно считать целесообразным, поскольку стоимость такой аппаратуры достаточно высока.

Следующий шаг — выбор конвертера FishEye. И хотя компания Nikon предлагает только два объектива и всего несколько переходных колец для конкретных моделей, этого вполне достаточно. Нужно ли приобретать внешнюю вспышку и приборы для дополнительного освещения, каждый решает сам. Но в большинстве случаев их использование может привести к дополнительным проблемам при программном «сшивании» двух полусфер пространства, поскольку выставить равномерный свет и избавиться от нежелательных теней очень сложно, а угол поля зрения объектива 180° еще больше усложнит эту задачу.

И, конечно, нам потребуется поворотное устройство, которое осуществляет контроль над процессом вращения фотоаппарата на заданный угол и точно по оптической оси всей системы. Даже небольшая погрешность в этом процессе приведет к невозможности «сшивания» снимков.

Технология

Вероятно, изобретатель «рыбьего глаза» даже не предполагал, для каких целей его будут использовать в будущем. С появлением компьютеров, увеличением их мощности и совершенствованием обработки изображений данное устройство стали применять для получения сферических панорам с углом обзора 360° по горизонтали и 180° по вертикали.

Процесс создания такой панорамы представляет собой цепочку действий, в результате которых получают развернутое, «сшитое» изображение двух полушарий сфотографированного пространства. При помощи специально разработанного программного обеспечения можно добиться эффекта присутствия в центре пространства. Сферические панорамы часто включают в рекламные мультимедийные продукты, их выкладывают на web-сайты, демонстрируют во время презентаций.

При подготовке сферических панорам порой бывает трудно получить два или более изображений с углами поворота фотоаппарата на 180° или 120°: в объектив «рыбьего глаза» постоянно «лезут» штатив, крепление и другое оборудование. Поворот фотоаппарата должен производиться точно по оптической оси конвертера FishEye, поэтому для каждой модели фотоаппарата применяют специально разработанные индивидуальные поворотные устройства.

Программное обеспечение

Наконец, когда получены два снимка приемлемого качества, встает еще одна задача — создать развернутое изображение двух полусфер. Справиться с ней помогают специальные программы, с помощью которых выполняют «развертывание» и «сшивание» изображения.

В качестве примера рассмотрим, как это делается с помощью программы компании Easypano, которая называется Panoweaver.

При открытии файла программа автоматически находит второе изображение, если оно есть в папке. Оба изображения появляются на экране, после чего каждое из них можно отредактировать. Интерфейс программы достаточно прост, в нем предусмотрены все необходимые функции для получения отличного результата и его экспорта в Интернет. В страницу автоматически вставляется подключаемый модуль Java, запускается браузер, поэтому, приближая и удаляя объекты с помощью клавиатуры или мыши, можно сразу же просмотреть созданное произведение.

Panoweaver существует в двух версиях: Standard и Professional, и между ними есть существенные отличия. Дело в том, что при изготовлении двух снимков с поворотом камеры на 180° или трех с поворотом на 120° возможно проявление некоторых артефактов, вызванных неточной установкой камеры относительно горизонтали, смещения оси при повороте камеры, а также вследствие ряда других механических и оптических причин. Такие артефакты позволяет исправлять только версия Panoweaver Professional. Чтобы пользоваться Panoweaver, достаточно только один раз заплатить за лицензию, причем ее стоимость не зависит от того, сколько сферических панорам будет произведено. Другие производители подобных программ сначала предлагают заплатить за приобретение программы для «сшивания» снимков, а затем дополнительно — за каждую такую операцию еще $20…$40. Среди других достоинств программы Panoweaver (причем как для Windows, так и для Mac OS) следует отметить то, что она обеспечивает полный контроль над процессом «сшивания» изображений и поддержку выходных форматов файлов PTViewer, QTVR, MGI Panoviewer и VRML.

В компании Easypano была создана и другая интересная программа — Tourweaver, с помощью которой можно объединить несколько сферических панорам. Она также позволяет вставлять ссылки (кнопки) как на страницы или сайты, так и на сферические и цилиндрические панорамы или просто изображения, объединенные туром. Таким образом, можно создать виртуальное путешествие, например, по собственному дому или даже городу, а затем, используя эту же программу, озвучить подготовленные туры.

На временной шкале (подобно Flash) можно описать события, которые должны происходить после загрузки тура, тогда пользователю для «перемещения» в пространстве не нужно даже нажимать кнопки. Нарисуйте карту (или серию картинок), а затем заключите ее в красивый интерфейс, который можно взять из библиотеки или разработать самому, и вы организуете доступ к объектам съемки.