Разработка технологии макроскопической стереосъемки в цифровом формате

Аннотация

В данной статье описывается процесс крупномасштабной стереокиносъёмки мелких объектов (макростереокиносъёмка) с фиксацией изображений стереопары на два цифровых регистратора. В процессе работы исследовались возможности способов реализации уменьшенных значений (от 1 до 10 мм) базиса стереосъёмки в условиях фиксации мелких объектов размером от 5 до 50 мм в увеличенном масштабе. В результате разработана оригинальная конструкция трёхобъективного киносъёмочного аппарата с индивидуальными объективами для левого и правого каналов стереосъёмки и одного общего сменного объектива разных фокусных расстояний. Установка предназначена для макростереокиносъёмки движущихся биологических объектов при производстве научно-популярных стереофильмов.

Введение

Отечественные технические средства системы «Стерео-70» обеспечивают съёмку игровых, документальных, научно-популярных и анимационных стереофильмов, а также стереосъёмку в режиме цейтрафера. Не освоенным направлением стереокинематографа в отечественной системе оказалась макроскопическая стереокиносъёмка (макростереосъёмка).

Макросъёмкой называется регистрация мелких объёмных объектов в крупном масштабе, выполняемая без применения микроскопа. Масштабом изображения обозначают отношение размера изображения предмета на поверхности фото- видеорегистратора (матрицы или киноплёнки) к его действительным размерам.

Особенности крупномасштабной съёмки определяются необычными условиями, в которых происходит образование изображения, когда для фокусирования изображения объекта необходимо очень большое выдвижение объектива. К примеру, при масштабе изображения 1:1 величина выдвижения объектива относительно киноплёнки или матрицы достигает двух фокусных расстояний от задней узловой точки объектива при нахождении объекта также на дистанции двух фокусных расстояний от передней узловой точки объектива. При сильном выдвижении использовать для макросъемки традиционный стереообъектив оптической системы «Стерео-70» при съёмке на единую матрицу 70-мм формата не представляется возможным в силу неизбежного возникновения взаимного перекрытия изображений левого и правого ракурсов.

Условия, в которых объектив формирует крупномасштабные изображения, отличаются от условий образования изображения удалённых объектов. Обычные фотографические объективы рассчитаны для образования изображения предмета, каждая точка которого посылает в объектив почти параллельный пучок световых лучей. Когда же объект находится на очень близком расстоянии от объектива, пучки лучей света, идущие от каждой его точки, представляют собой конусы, основанием которых является входной зрачок объектива. Это условие не соответствует расчёту коррекции объектива и существенно сказывается на его разрешающей силе. К тому же значительное выдвижение объективов ведет к резкому падению светосилы оптической системы.

К вышеописанным особенностям крупномасштабной съёмки в традиционном кинематографе добавляются ограничения, накладываемые стереосъёмкой на сверхблизких дистанциях, когда недопустимо использовать конвергенцию оптических осей в силу значительных изометрических искажений проективных изображений объектов, что следует учитывать при разработке оптических схем для макростереосъёмки.

1. Оптическая схема для макростереосъёмки

Для разработки оптической схемы для макростереосъёмки были сформулированы следующие требования:

· оптическая схема и характеристики оптических узлов должны обеспечить построение двух идентичных по фотографическому качеству изображений левого и правого ракурсов стереопары в режиме реального времени;

· макросъёмка должна вестись на параллельных осях с возможностью выставления оптической системы на дистанцию рампы (плоскость нулевых параллаксов);

· базис стереосъёмки должен изменяться в диапазоне величин 0 ÷ 20 мм;

· дистанция от передней линзы до объекта должна быть достаточной для возможности подхода к объекту и его освещения сторонними источниками освещения;

· линейные размеры снимаемых объектов от 5 мм до 50 мм;

· элементы оптической схемы не должны препятствовать удобству наводки объективов на резкость, установки относительных отверстий и базиса стереосъёмки.

Исходя из вышеперечисленных требований, была разработана принципиальная оптическая система для стереомакросъёмки на два раздельных регистратора, расположенных параллельно друг другу (рис. 1).

Принципиальная оптическая система для стереомакросъёмки на два раздельных регистратора
Рис.1. Принципиальная оптическая система для стереомакросъёмки на два раздельных регистратора

В оптической схеме установки с расположением матриц в параллельных плоскостях используются два зеркала. Одно — полупрозрачное для расщепления луча, другое — с внешним зеркальным покрытием и просветлением для поворота второго луча на 90°. Изображение левого ракурса формируется лучами, проходящими сквозь полупрозрачное зеркало, а изображение правого ракурса формируется лучами, отражёнными от обоих зеркал. Для компенсации разницы хода лучей правый регистратор сдвинут вперёд относительно левого регистратора на расстояние, равное ходу лучей между зеркалами. Для формирования изображения на матрице перед регистраторами установлены оптические блоки f=100 мм, разработанные для стереообъективов системы «Стерео-70».

Регистрация объекта с двух ракурсов ведётся через объектив-насадку, установленный в объективодержатель на передней стенке установки. Для получения изображений разных масштабов рассчитана линейка объективов-насадок с фокусными расстояниями 300 мм, 250 мм, 200 мм и 100 мм для съёмки объектов разных линейных размеров. Именно оптические насадки позволяют отказаться от сильного выдвижения объектива от матрицы и одновременно иметь достаточную дистанцию съёмки до объекта, необходимую при макросъёмке.

Оптическая система аппарата построена так, что при изменения масштаба изображения задняя апертура основного объектива (f=100 mm) не изменяется. Таким образом светосила всей оптической системы остается постоянной и не зависит от изменения масштаба съемки.

2. Конструктивные особенности киноустановки

В качестве цифровых регистраторов для записи изображений правого и левого ракурсов снимаемого объекта были отобраны две видеокамеры «GoPro Hero 4Black Edition». Выбор этих камер обусловлен сравнительно высоким качеством матриц при их сравнительно малых размерах 6,4х3,6 мм для получения изображения в разрешении 1920х1080 и выше – до 4К, и малыми корпусными габаритами, что позволило сконструировать компактное устройство для стереосъёмок. Однако производитель GoPro отключил в четвёртой модели опцию синхронизации камер. Это создало дополнительное неудобство и потребовало последующей ручной синхронизации левого и правого изображений в отснятом материале. В дальнейшем при модернизации аппарата предполагается использовать модели Hero 3 или Hero 5, в которой вернули синхронизацию камер. Из камер были изъяты штатные объективы. Так как объективы камер имели просветление, срезающее длинноволновый участок спектра, то после их изъятия перед матрицами были установлены фильтры аналогичного действия

Для устранения проникновения посторонних лучей оптические блоки находятся в специальных тубусах, сцепленных с регистраторами. Изменение базиса стереосъёмки достигается перемещением тубусов относительно друг друга (рис. 2).

Киноустановка для макростереосъёмки, вид сверху
Рис. 2. Киноустановка для макростереосъёмки, вид сверху

Выставление оптической системы на дистанцию рампы (до плоскости нулевых параллаксов) происходит путём встречного смещения оптических блоков относительно цифровых регистраторов в горизонтальном направлении, поперечном к направлению съёмки. Каждый блок может перемещаться в пределах 2 мм.

Зеркала и тубусы перемещения (правый и левый) с возможностью сдвига в горизонтальном направлении
Рис. 4. Зеркала и тубусы перемещения (правый и левый) с возможностью сдвига в горизонтальном направлении

При работе с объективом-насадкой оптические блоки могут быть дискретно выставлены на 0,5 и 1 метр. В таблице № 1 показано, на каких дистанциях от поверхности линзы до объекта может вестись съемка с конкретной насадкой при двух вариантах фокусировки оптических блоков. Фокусировка изображения объекта производится путём перемещения всей установки посредством кремальеры, на которой крепится аппарат. Возможна съёмка и без насадки. Съёмка без насадки позволяет соответственно располагать объект на дистанциях 0,5 м и 1 м.

Для одновременного отображения левого и правого изображений на одном мониторе рекомендуется использовать мультиплексоры «Blackmagic HD Link Display Port 3D» или «Aja Hi5-3D», которые конвертирует левый и правый видеосигналы, идущие от цифровых рекордеров, в единый сигнал, отображаемый на мониторе. Мультиплексор работает в трёх режимах и отображает:

— анаморфированную стереопару (anamorphic side by side);

— наложенные друг на друга изображения стереопары (режим микс);

— стереограмму в виде анаглифического изображения.

В этом случае выставление нулевого параллакса может проводиться без предварительно расположенного в кадре маркера. Достаточно добиться на мониторе слияния одноименных точек объекта, расположенных в плоскости рампы. Изображение анаморфированной стереопары может быть подано на монитор или smart TV, поддерживающие режим стереонаблюдения. Анаглифическое стереоизображение можно просматривать на любом стандартном мониторе в анаглифических очках.

Цифровые рекордеры выдают видеосигнал через HDMI порт, поэтому для подключения к мультиплексору Aja Hi5-3D через HDSI порт используется промежуточный конвертор «HDMI to HDSDI».

3. Расчёт параметров для макроскопической стереосъёмки

При макростереосъёмке, как и при стереосъёмке в обычном масштабе, должны устанавливаться параметры, обеспечивающие комфортность восприятия стереоизображения в условиях кинозала. К этим параметрам относятся:

• фокусное расстояние съёмочной оптики,

• базис стереосъёмки,

• параллакс бесконечности,

• дистанция рампы,

• индекс гипертрофии,

• дальняя и ближняя дистанции до объектов в снимаемой сцене.

Фокусное расстояние оптики определяется сочетанием фокусных расстояний объектива-насадки и объектива, расположенного непосредственно перед цифровым регистратором. Для сочетаний фокусных расстояний компонентов оптической системы (пара основных объективов с каждым из четырёх объективов-насадок) действующие фокусные расстояния определены по формуле 1 и представлены в таблице 1.

(1)

где: f – действующее фокусное расстояние;

f’ – фокусное расстояние объектива;

f»– фокусное расстояние объектива-насадки;

d – расстояние между передней главной плоскостью объектива и задней главной плоскостью объектива-насадки.

Табл. 1. Таблица положений главных плоскостей и дистанций наводки по установке для макростереосъемки

F
объектива

f’
насадки

f+f’

результирующий

Расстояние от зад. гл. пл. до матрицы.

при установке объектива

на 0,5 м

 

Расстояние от зад. гл. пл. до матрицы.

при установке объектива

на 0,1 м

 

Положение

гл. пер. пл.

(от поверх. линзы насадки в сторону
матрицы)

Дистанция наводки на резкость
т передней линзы
насадки) при установке на 0,5м и 1 м

Дистанция от главной пер.
плоскости до объекта

при установке на 0,5м и 1 м

100

100

163 мм


350 мм


336 мм

237 мм

68/80
мм

305/317
мм

100

200

124 мм


212 мм


198 мм

178 мм

122/156 мм

300/334 мм

100

250

119 мм


192 мм


177 мм

171 мм

141/188 мм

312/359 мм

100

300

115 мм


179 мм


165 мм

166 мм

158/218 мм

324/384 мм

100

0

100 мм

127 мм

112 мм

500/1000 мм٭

٭Без насадки передняя главная плоскость находится на дистанции 11 мм от передней линзы объектива. Дистанция наводки на расстоянии 0,5 м или 1 м

Положение главных оптических плоскостей и дистанции до матрицы и предмета съемок
Положение главных оптических плоскостей и дистанции до матрицы и предмета съемок

Масштаб съёмки определяется отношением размера объекта к размеру его изображения на матрице. В отличие от фильмовых технологий, когда в профессиональном кинематографе преимущественно существовал единый размер кинокадра, в цифровых технологиях существует большой разброс в размерах матриц. Один и тот же объект, снятый на матрицы разных величин, будет иметь масштаб изображения в разных абсолютных числах. Например, изображение объекта шириной 1 мм, снятый на полную площадь кадра в случае с матрицей шириной 1 мм, будет иметь масштаб 1:1, а в случае с матрицей 10 мм — будет иметь масштаб 10:1. Поэтому более корректно было бы указывать не диапазон масштабов съёмки, в котором может проводиться макросъёмка, а диапазон размеров объекта, регистрируемых в полный размер кинокадра. Изучив параметры снимаемых объектов, интересных для стереосъёмки, мы ограничились диапазоном величин объектов по ширине от 5 до 50 мм.

В оптике существует понятие «crop factor», которое используется при определении угла зрения объектива относительно 35-мм формата кинокадра (16х24 мм) для матриц разных размеров. Так же и при расчёте масштаба съёмки, учитывая размер матрицы цифрового регистратора GoPro как 3,6х6,4 мм, можно определить, что данная установка рассчитана на съёмку объектов от 5 до 50 мм в диапазоне масштабов от 4:1 — 1:2, соответствующих макросъёмке в 35-мм формате.

Базис стереосъёмки (межосевое расстояние между ракурсами стереосъёмки) является одним из основных параметров, определяющих величины горизонтальных параллаксов в стереопаре, который определяет степень рельефности объектов и пространственности стереоизображения. Выбирается оператором в зависимости от поставленной художественной задачи, соблюдения необходимого диапазона комфортно воспринимаемого пространства и глубины резко изображаемого пространства.

Параллакс бесконечности – горизонтальный сдвиг изображений бесконечно удалённой точки в стереопаре. Исходный параллакс бесконечности, формируемый в стереопаре в процессе съёмки, устанавливается, исходя из величины параллакса бесконечности на среднестатистическом экране расчётной ширины 6,5 м. При расчётном среднем базисе зрения, равном 65 мм, данное условие выполняется, если величина исходного параллакса бесконечности составляет 1% ширины матрицы цифрового рекордера. В нашей системе с размерами матрицы рекордеров 6,4 х 3,6 мм исходный параллакс бесконечности принят равным 0,06 мм.

Дистанция рампы – расстояние от передней главной плоскости оптической системы до плоскости рампы – виртуальной плоскости нулевых параллаксов, перпендикулярной направлению съёмки и разделяющей пространство снимаемой сцены на две зоны, одна из которых впоследствии будет восприниматься зрителем в заэкранной зоне, другая – в предэкранной. Изображения элементов объекта, находящихся в рампе, должны иметь на контрольном мониторе нулевой параллакс.

Дальняя и ближняя дистанции – расстояния от передней главной плоскости оптической системы до ближней и дальней границ снимаемой сцены. Они обозначают зону комфортно воспринимаемого пространства при стереокинопроекции. Интерактивная таблица определения дистанции рампы и границ комфортно воспринимаемого пространства, которая используется в системе «Стерео-70» при макросъемке не работает. Поэтому базис съемки подбирается эмпирическим путем через наблюдение стереограмы на мониторе. Необходимо выполнение следующего условия: параллакс максимально удаленной точки с положительным знаком и максимально близкой точки с отрицательным знаком не должны превышать 1% от ширины кадра.

Определение положения рампы в композиционном пространстве в случае макростереосъёмки принципиально отличается от обычной стереосъёмки. Оператор ограничен выбором положения рампы при фиксированной дистанции наводки на резкость. Оператор может выставлять плоскость нулевых параллаксов в пределах диапазона глубины резкоизображаемого пространства и затем, подбирая базис съёмки, сверять, насколько диапазон допустимых величин параллаксов соотносится с глубиной резкоизображаемого пространства (ГРИП). Могут быть отдельные исключения из правил, когда рампа может располагаться за пределами дальней границы ГРИП, но даже в этом исключительном случае максимально близкая точка в статичной композиции кадра не должна иметь отрицательный параллакс более 1% от ширины изображения.



Рис. 5. Скриншоты из демонстрационного ролика

Заключение

В процессе работы исследованы возможности крупномасштабной стереокиносъёмки мелких объектов с фиксацией изображений стереопары на цифровом фоторегистраторе, проанализированы способы получения стереокиноизображения с малыми базисами стереосъёмки, в том числе, близкими к нулевому значению. Разработана конструкторская документация и создан действующий макет киноустановки цифровой макростереокиносъёмки с высоким разрешением. Разработана методика подбора параметров макростереосъёмки и обработки отснятого материала.

Технология предназначена, в первую очередь, для проведения киносъёмок при производстве научно-популярных стереофильмов.

Авторы разработки:

Бердников Е.Г. главный конструктор
Гудков О.Г. автор оптической схемы
Рожков С.Н. консультант по стереоскопии
Мелкумов А.С. руководитель проекта

Работа профинансирована Министерством культуры Российской Федерации в рамках государственного контракта № 3141-01-41/06-16 от 04.07.2016 г.

По материалам одноименной статьи, опубликованной в журнале
журнале «Мир техники кино» № 2017-1

Дополнительные материалы

 

Демонстрационный ролик

Дополнительные фото