Проекции панорамных изображений

Проекция изображения происходит всякий раз, когда плоское изображение отображается на изогнутой поверхности или наоборот, и в частности, проекции повсеместно используются в панорамной фотографии. Проекция осуществляется, когда картограф отображает сферический глобус Земли на плоском листе бумаги, например. Поскольку полное поле зрения вокруг нас может рассматриваться как поверхность сферы (для всех углов зрения), для фотографий, которые будут показаны на плоском мониторе или отпечатаны, требуется аналогичная проекция сферы в плоскость.

Узкий угол зрения (сетка практически квадратична)	Широкий угол зрения (сетка сильно искажена)

Для малых углов зрения отобразить изображение на плоском листе бумаги относительно легко, поскольку обозреваемый сектор практически плоский. При отображении сферического изображения на плоской поверхности некоторые искажения неустранимы, поэтому каждый тип проекции пытается минимизировать один тип искажения за счёт остальных. По мере расширения угла зрения рассматриваемые сектора становятся всё более изогнутыми, и следовательно, разница между типами панорамных проекций становится более выраженной. Момент использования каждой из проекций зависит преимущественно от изображаемого предмета и применения; здесь мы сфокусируемся на нескольких типах проекций, которые наиболее распространены в цифровой фотографии. Многие типы проекций, обсуждаемые в данной главе, могут использоваться в качестве выходного формата в нескольких пакетах программ сборки панорам; PTAssembler позволяет использовать все перечисленные проекции.

Типы проекции изображений в фотографии

Сетка, отображающая поле зрения (зритель в центре)
	Плоская проекция:
Выберите тип проекции:		Эквидистантная (100% покрытия)
		Прямоугольная	Цилиндрическая
		Меркатора	Рыбий глаз
		Синусоидальная	Стереографическая

Если все эти типы проекции изображений выглядят несколько обескураживающе, попробуйте сперва прочитать и осознать различие между прямоугольной и цилиндрической проекциями (выделены), поскольку они наиболее широко используются при сборке цифровых панорам.

Эквидистантная проекция отображает координаты широты и долготы сферического глобуса непосредственно на горизонтальные и вертикальные координаты сетки, где сетка имеет ширину примерно вдвое больше высоты. Горизонтальное растяжение, как следствие, усиливается по направлению к полюсам, так что северный и южный полюсы оказываются растянуты на всю верхнюю и нижнюю границы плоской сетки, соответственно. Эквидистантные проекции могут показать полный вертикальный и горизонтальный углы вплоть до 360 градусов.

Цилиндрическая проекция изображения аналогична эквидистантной, за исключением того, что по мере приближения к северному и южному полюсам объекты также растягиваются по вертикали так что на полюсах достигается бесконечное растяжение по вертикали (так что горизонтальная линия наверху и внизу плоской сетки отсутствует). Именно по этой причине цилиндрические проекции непригодны для изображений с большим вертикальным углом зрения. Цилиндрические проекции также являются стандартным типом, отображаемым традиционными панорамными плёночными камерами с поворотным объективом. Цилиндрические проекции сохраняют более точные относительные размеры объектов, чем прямоугольные, однако достигается это за счёт искривления линий, параллельных линии зрения (которые иначе оставались бы прямыми).

Прямоугольная проекция изображения имеет основное преимущество в том, что отображает прямые линии в трёхмерном пространстве в прямые линии на плоской двумерной сетке. Этот тип проекции соответствует тому, который создаёт большинство обычных широкоугольных объективов, так что она, вероятно, является наиболее понятной. Её основной недостаток состоит в том, что она может существенно преувеличить перспективу по мере увеличения угла обзора, что приводит к видимому завалу объектов к границам кадра. Именно по этой причине прямоугольные проекции обычно не рекомендуются для углов зрения, которые существенно превышают 120 градусов.

Рыбий глаз — это проекция изображения, целью которой является создание плоской сетки, где расстояние от центра сетки примерно пропорционально действительному углу зрения; она образует изображение, которое выглядит похоже на отражение от металлической сферы. Как правило такая проекция не используется в качестве выходного формата панорамной фотографии, но вместо того она может представлять исходные изображения, если для съёмки таковых использовался объектив типа «рыбий глаз». Эта проекция к тому же ограничена вертикальным и горизонтальным углом обзора 180 градусов или менее, порождая изображение, которое помещается в круг. Её характеризует нарастающее искривление линий (которые иначе были бы прямыми) по мере удаления от центра изображения. Камера с объективом типа «рыбий глаз» исключительно полезна при создании панорам, которые покрывают всю сферу зрения, поскольку достаточно будет собрать небольшое число снимков.

Проекция Меркатора наиболее близко соотносится с цилиндрической и эквидистантной проекциями; она является компромиссом между этими двумя типами, обеспечивая меньшее растяжение по вертикали и более широкий употребимый угол зрения, чем цилиндрическая проекция, но с более сильным искривлением линий. Эта проекция, вероятно, является наиболее узнаваемой, поскольку используется в плоских картах мира. Отметим также, что альтернативная форма этой проекции (поперечный Меркатор) может использоваться для вертикальных панорам большой высоты.

Синусоидальная проекция изображения пытается сохранить равные площади во всех участках сетки. Если развернуть глобус в плоскость, можно вообразить, что такую проекцию можно свернуть обратно, чтобы сформировать сферу, которая будет идентична исходной по форме и площади поверхности. Характеристика равной площади полезна, поскольку если записывать плоскую проекцию сферического изображения, она сохранит неизменное горизонтальное и вертикальное разрешение по всему изображению. Эта проекция подобна рыбьему глазу и стереографической, за вычетом того, что сохраняет абсолютно горизонтальные линии из исходной сферы.

Стереографическая проекция очень похожа на рыбий глаз, но при этом сохраняет лучшее ощущение перспективы, увеличивая растяжение объектов по мере их удаления от точки перспективы. Подобная выделяющая перспективу характеристика в чём-то похожа на прямоугольную проекцию, хотя здесь она менее выражена.

Примеры: широкое горизонтальное поле зрения

Как все эти проекции изображения в действительности влияют на панорамную фотографию? Следующая серия снимков используется для наглядной демонстрации различий между двумя типами проекции, которые наиболее часто встречаются в программах сборки панорам: прямоугольной и цилиндрической. Снимки подобраны так, чтобы показать только различия в искажениях для широкого горизонтального угла зрения; вертикальные панорамы подобраны далее для иллюстрации разницы в вертикальных искажениях между другими типами проекций.

Первый пример демонстрирует, как прямоугольная проекция могла бы отобразить фотопанораму из трёх снимков, показанных выше.

Обратите внимание на значительные искажения по краям угла зрения, вдобавок к драматической потере разрешения вследствие растягивания изображения. Следующий снимок демонстрирует, как выглядело бы сильно искажённое изображение, показанное выше, если бы его обрезали по горизонтальному углу зрения, составляющему всего 120 градусов.

Как можно видеть, такая кадрированная прямоугольная проекция производит вполне приятное впечатление, поскольку все прямые архитектурные линии в сборке остаются прямыми. С другой стороны, это достигается за счёт относительного размера объектов в пределах угла зрения; объекты на границах угла зрения (левый и правый края) значительно увеличены по сравнению с объектами в центре (башня со входом внизу).

Следующий пример демонстрирует, как выглядел бы результат сборки с использованием цилиндрической проекции. Её преимущество заключается в относительно равномерном распределении разрешения, а кроме того, она требует минимального кадрирования. Вдобавок, разница между цилиндрической и эквидистантной проекциями пренебрежимо мала для фотографий, которые не имеют исключительно большого вертикального угла зрения (как в следующем примере).

Примеры: высокое вертикальное поле зрения

Следующие примеры иллюстрируют разницу между типами проекций для вертикальной панорамы (с большим вертикальным полем зрения). Она даёт шанс показать разницу между эквидистантной, цилиндрической и проекцией Меркатора, которые в предыдущем примере выглядели бы практически одинаково (для широкого горизонтального угла зрения).

	цилиндрическая	Меркатора	эквидистантная

Примечание: точка перспективы для этой панорамы установлена в основании башни, и как следствие, действительный вертикальный угол зрения выглядит так, как если бы поле зрения составляло 140 градусов (как если бы точка перспективы была на половинной высоте).

	Поперечный Меркатор

Такой большой вертикальный угол зрения позволяет нам чётко увидеть, как каждая из выбранных проекций изображения отличается по степени вертикального растяжения/сжатия. Эквидистантная проекция сжимает вертикальную перспективу настолько сильно, что теряет ощущение огромной высоты, которое посещает непосредственного наблюдателя. По этой причине эквидистантная проекция рекомендуется, только когда это абсолютно необходимо (как например, для панорам с широчайшим полем зрения как по вертикали, так и по горизонтали).

Все три показанных проекции призваны сохранить практически прямые вертикальные линии; поперечная проекция Меркатора справа вносит некоторое скругление с целью сохранить более реалистичную (субъективно) перспективу. Этот тип проекции часто используется для экстремально больших вертикальных углов зрения. Заметим также, насколько хорошо эта проекция сохраняет исходный вид каждого из исходных снимков.

Разница между прямоугольной и цилиндрической проекциями для такого узкого горизонтального угла зрения едва заметна, так что прямоугольная проекция пропущена.

Калькуляторы панорамного поля зрения

Следующий калькулятор можно использовать для оценки горизонтального и вертикального углов зрения вашей камеры при использовании объективов с различными фокусными расстояниями, что может помочь в оценке подходящего типа проекции.

Следующий калькулятор оценивает количество снимков, необходимых для получения кругового горизонтального обзора, исходя из фокусного расстояния, ориентации камеры, процента перекрытия и размера сенсора цифровой камеры.

В следующей таблице представлена сводка применения различных типов проекции: