前言 (摘)  l   工作原理 (摘)  l   視覺物理結構 (摘)  l   應用實務 (摘)  l  
應用實務 (摘)  l   給 DIY 者的小建議 (略)  l   延伸閱讀 (摘)  l   附註

【 前  言 】

莊子《知北遊》:「人生天地之間,若白駒之過隙,忽然而已。」

  每一種攝影技術都有其專擅的領域,也有其侷限之處。「線性透視定軸物移全景攝影技術」主要是用來貼近擷取縱深超長的運動景物(motion object)的線性透視全景影像(linear-perspective panoramic picture )。正如本章範例所舉之台灣鐵路管理局(Taiwan Railroad Administration)的推拉式自強號列車(Tze-Chiang Limited Express),我們如果要取得長達 300 公尺長的車身全景影像,在135 照相機 24mm × 36mm 的片幅上,無論使用何種焦段和退縮距離其透視比例均為 1:8333,列車的影像高度將小於大頭針的直徑,寬度最多也只是 36mm,幾無法辨識其為火車遑論門窗等結構。而採用線性透視定軸物移全景攝影原理及 220 正片拍攝,拍攝的距離逼近到 14 公尺時,透視比例均低於 1:270,(列車在底片寬度約為 111 公分),列車的表面塗裝與材質已可辨識;若非受限於正片的長度,其透視比例可以低於 1:95,取像距離更可進逼到會讓駕駛緊張的五公尺近距離。此距離用於遊行隊伍,人之毛髮皮膚或衣服之質感纖毫畢現。

  「線性透視定軸物移全景攝影技術」並不是新鮮的攝影技術,早在 1960 年的奧林匹克運動會(Olympic Games)名攝影家 George Silk 就使用 Marty Forscher 改裝自 Canon 傳統照相機的(線性透視)終點裁判照相機(photofinish strip cameras),以這種攝影技術在百米賽跑的終點線(finishing line)拍攝終點裁判圖(photo finish)做為裁判名次之依據。特別是田徑賽或賽馬競速的終點線,勝負往往就在小數點後二位數的零點零幾秒間的差距,在肉眼(naked eye)無法判別勝負時,終點裁判圖就是消彌爭議裁判勝負之依據。

  時至今日,拜電腦運算、金屬加工、機電控制系統的進步,「線性透視定軸物移全景攝影技術」更能精確的擷取高速或低速運動的矩形景物或運動隊形,如火車、輪船、飛機、車隊、迎神賽會遊行隊伍之側向全景影像。

  閱讀本章前請參考下列章節:有效焦距、狹縫遮罩、光學物距與運動物距。

【 線性透視定軸物移實拍範例 】

●  太魯閣號傾斜列車〔130km/h = 36.11m/sec.〕

●  環島之星觀光列車〔100km/h = 27.78m/sec.〕

●  PP 自強號列車〔130km/h = 36.11m/sec.〕

●  DMU 自強號列車〔110km/h = 30.56m/sec.〕

●  莒光號列車〔100km/h = 27.78m/sec.〕

●  環島之星與太魯閣號會車〔27.78m/sec. vs. 36.11m/sec.〕


【 工作原理 】

清‧趙執信《談龍錄》:「詩如神龍,見其首不見其尾,或雲中露一爪一鱗而已。」

  在傳統攝影拍攝如火車或遊行隊伍時,為彰顯隊伍的縱深,通常會從前側方取景,取得如傾倒路邊的攔路虎三角錐──頭大尾小,這是光學透視近大遠小的視覺效果。面對「神龍見首不見尾」的長條形運動景物,那就得靠「線性透視定軸物移全景攝影技術」。

  「線性透視定軸物移全景攝影技術」是擷取以時間為軸的線性序列影像。由於考量運動平面與時間之變量因素,拍攝時鏡頭光軸通常採取與運動景物(motion object)之運動方向成正交方式為多,當然也可以以較大的方位角取像。拍攝時,光軸(optic axis)定向不動,運動景物和底片(film)以相對速度(relative velocity)運動,運動景物之光影沿著鏡頭光軸射入底片前之垂直狹縫遮罩(slit mask),如白駒過隙,在同步流動的底片上留下神龍現全身的完整影像。

  線性透視定軸物移全景照相機結構與作業簡圖(略)、正交取像與大方位取像運動平面與時間之變量實景影像比較(略)

【 視覺物理結構 】

清.鄭燮:「倏往倏來,目不暇給」    唐.李白:「暮從碧山下 山月隨人歸」

  由於傳統光學和運動的物理因素在「線性透視定軸物移全景攝影」裡的交互作用,整體影像會因運動景物與底片的相對速度(relative velocity)、運動物距等因素的變數比例,產生反向的透視曲變或非同步性的運動模糊(motion blur)等一些異於人類的視覺經驗。一幅線性透視定軸物移全景照片的視覺物理結構,主要來自下列五個變數的綜合效應:

一、垂直軸向的影像結構(image structure)

  受鏡頭所設定的物方光學焦點(對焦點)與光學透視之物理約制,不受運動物距與運動速度參數變量之影響,呈現近大遠小的視覺現象,這種視覺的結構和傳統攝影以及人類視覺經驗相符。鏡頭光學垂直軸向之景深會受運動物距與運動速度影響而縮減其景深幅度。

    垂直軸向的影像結構圖(略)

二、運動物距與水平軸向影像結構之關係:

  水平軸向的影像結構受運動物距、運動速度、底片轉速三者參數之影響而產生近窄遠寬、快窄慢寬的運動物理透視特性,此物理成像現象與光學以及人類的視覺經驗──近大遠小的透視特性恰恰相反。

  運動物距係指運動景物之焦點平面(運動物平面,簡稱運動平面)到像平面的距離。運動物距與鏡頭有效焦距(effective focal length)決定了運動景物的成像透視比例;運動景物的寬度(包含賦予的前置後餘空間)經成像透視比例決定了底片的運動距離──成像片幅的寬度。當運動平面位於所設定之運動物距時,運動平面之水平軸物像兩者之透視比例相等,結像清晰。運動平面到相機方向,距離漸近,運動景物之水平軸向成像之影像逐漸收斂變窄。而運動平面到「無限遠」(∞=effective focal length × 1,000),距離漸遠,運動景物之水平軸向成像之影像則逐漸變寬變模糊,影像逐漸曝光過度。

    運動物距與水平軸向影像結構圖(略)

  運動景物通過光軸的速度、運動物距、鏡頭有效焦距(effective focal length)三者之參數決定了底片的相對速度。底片的運動速度等於快門速度,快門速度與狹縫遮罩的狹縫水平寬度決定了底片的曝光指數,由於運動景物通過光軸的速度係絕對值,在攝影作業上就必須採取快門優先的機制搭配適當的光圈值,始能正確的反映出運動景物的表面質感和色彩。運動平面與底片的相對速度同步時,水平軸向之像方影像與運動平面之透視比例相等,結像清晰。若運動平面之速度快於底片的相對速度時,水平軸向的影像會產生堆積性的壓縮,影像模糊而窄;若運動平面之速度慢於底片的相對速度,則水平軸向的影像會產生擴張性之模糊。由於光學焦點在垂直軸聚焦的效應,當運動物距與運動速度參數不正確時,在運動平面前後會產生類似風速效應的鋸齒狀橫紋。運動速度變異所產生的快窄慢寬的物理透視現象,正彰顯了運動速度在成像方面的特質。做為畫面的背景──靜態地景,因為不斷的被重複記錄在底片上,所以呈現綿延整個畫面的水平線條或色帶。這也是線性透視定軸物移的影像物理特徵。

    運動速度與水平軸向的影像結構圖(略)

  前述『透視比例相等,結像清晰』之物理的視覺呈現來自光學焦點、運動平面、運動物距、運動速度、底片運動速度以及曝光等六種參數均正確的條件。當然,還有一些可以提升影像品質和美感的一些做為,限於篇幅無法多敘述。運動速度與運動物距的關係正如同我們搭乘火車一樣,靠近路軌的靜態地景「倏往倏來,目不暇給」。而「無限遠」(∞=effective focal length × 1,000)後的靜態地景影像入射鏡頭時幾與光軸平行,移動幅度較緩,(相對於鏡頭光軸的方位角變化或底片上的位移)猶如夜空四十萬公里外的月亮亦步亦趨隨行,李白在「暮從碧山下 山月隨人歸」詩裡對此物理視覺現象和意象做了最妙的詮釋。

三、運動景深:

    水平軸向的景深受運動物距與運動速度之影響會變得比光學景深更短淺。

    運動景深與光學景深實景影像比較(略)

四、運動景物的運動方向與成像方向:

  不論運動景物的運動方向為正向或逆向,只要一接觸光軸狹縫線即被捲往底片的運動方向。所以成像後的運動景物方向永遠朝向底片的運動方向。若在同一時間裡有二運動景物做對向運動(relative motion),成像後二者之運動方向均變為同向的有趣視覺現象。

    靜態攝影之運動景物運動方向與線性透視景物運動方向之成像方向實景影像比較(略)

五、正交取像:

  如同所有的線性透視全景攝影應用技術一樣,畫面所有的位置都與鏡頭光軸成正交,經過狹縫遮罩的管制,水平視角也小於一度,也就是畫面每一個位置都是正面的,沒有傳統靜態攝影的「斜視」的透視現象。

    靜態攝影與線性透視定軸物移全景攝影對運動景物取像之成像(視角)結構實景影像比較(略)


【 五個綜合效應與視覺呈現 】

  此地恰有一千載難逢的實例,可以對上舉第一、二、三、四、五項「線性透視定軸物移全景影像」之「視覺物理結構」的綜合效應做一完美的、整體的詮釋,請對照下列說明與附圖【T-035 南下的環島之星與北上的太魯閣號會車實景】。當所有的作業參數皆針對以的南下環島之星觀光列車(100km/h)做設定時,剛啟動快門,北上的太魯閣號電聯車竟然以 130km/h 之高速衝過鏡頭光軸,這場意外的兩車對向交會(relative motion),兩車雖背道而馳,順逆都同時隨順被捲向底片的旋轉方向,形成兩車同向競速的假象。

  太魯閣號電聯車行進軌道在月台的另一側,位於運動平面與無限遠(∞)間,車廂原有相當大幅度的水平擴張(近窄遠寬),會呈現比在運動平面的環島之星還要寬許多;惟其運動速度快於環島之星/底片之相對速度(快窄慢寬),車廂的水平軸向原應大幅壓縮百分之三十,不過,運動物距與運動速度兩效應相抵,最後的呈現,車廂水平軸向的透視比例僅被壓縮百分之二十而已。而車廂垂直軸向的光學透視比例(近大遠小)則壓縮了百分之二十五。從畫面可以看到運動物距的水平擴張效應大於運動速度的水平壓縮現象,所以,照片中太魯閣號的長寬透視比例呈現誇張且不對稱透視感,車廂變成細細寬寬的。

  儘管運動物距的效應被運動速度抵消大半,影像的像素結構因為運動速度的沖擊,結像鬆散模糊,水平軸向的影像呈現鋸齒狀風速效應,這也是垂直軸向的光學透視結構不受運動物距與運動速度兩變數影響之明證。再回頭看位在運動平面上(物平面)的環島之星因為光學物距、運動物距、運動速度與底片相對速度等四個變數皆為正確,所以呈現了正確的線性透視比例,結像清晰;加上快門與曝光指數正確,所以色彩之濃度適宜。

                                      

【 應用實務 】

(以定軌與非定軌之運動景物拍攝作業為範例)

定軌與非定軌之運動景物作業準備與安全規範(略)
線性透視定軸物移全景攝影作業輔助設備(略)
作業資訊之蒐集與參數計算之準備(略)
作業現場配置動線 聯絡與安全管理(略)
數位化與後製作(略)
創意與多媒體(略)
問題與對策(略)

【 延伸閱讀 】

● Wikipedia 有關 Photo finish 的詞條。

● 羅徹斯特理工學院攝影藝術與科技學院(Rochester Institute of Technology— School of Photographic Arts and Sciences)的 Andy Davidhazy 是對線性透視各領域的應用全景攝影有非常完整且傑出研究成果,非常適合入門者閱讀。

● 羅徹斯特理工學院攝影藝術與科技學院留學中文資訊

● Indiana University-Purdue University Indianapolis, Department of Computer and Information Science 的鄭絳宇教授以及 Stanford Computer Graphics Laboratory等對線性透視應用全景攝影在導航及網路方面之應用也都有深入且傑出的研究成果。讀者也可以運用相關關鍵字經網路搜尋瀏覽其他專家學者所公開之研究資料。

● 有興趣進入 DIY 線性透視全景攝影器材的同好請到「黃兄工作室」來,黃兄退休前任職工研院光電研究所,2005 年光電所與「影舞集表演印象團」的合作案中,以其在光電方面的專長和智慧,為劇情中的多媒體「實擬幻境」創造即時的特效。

● 日本 Kazumi Namiki 君的 Slit camera and Railway Photo Library,展現了他以 DIY 的 135 「線性透視定軸物移全景」照相機創造出列車全景照的輝煌成果,在實務作業上,有關透視比例的作業參數掌握得相當精確,惟若能改進狹縫寬度與曝光的比值,將會在色彩濃度上得到更完美的呈現。

● 美國的 Rick Graves 的 Distavision 以改裝的哈蘇 Hasselblad 120 照相機並命名為 DistaCam camera。這裡有他豐富的動態全景攝影作品。而位在明尼蘇達州的 Tom Dahlin 則以 DIY 「線性透視定軸物移全景」照相機拍出富有創意的人文作品

● 非常值得參訪的創意「線性透視全景」攝影網站

● 瑞士 Seitz Phototechnik 專業全景照相機網站,網站上可以欣賞到使用者的作品產品多工耐用。

● 德國專攻數位「線性透視全景」照相機的 SPHERON-VR AG產品結構單純。

● FinishLynx 以線性 CCD 擷取數位影像並搭配以時間為軸的量測軟體,達到即時裁判的功能

【 附註 】

● 在書本或網路上可以看到的 strip photography, linear strip photography, panoramic strip photography, photofinish pictures, strip cameras, photofinish strip camera, photo finish camera, DistaCam, Pancam 基本上就是可資運用在本章所稱的「線性透視定軸物移全景」攝影、「線性透視定軸物移全景」照片、「線性透視定軸物移全景」影像、「線性透視定軸物移全景」照相機;photofinish 則為競速比賽終點線裁判之用。而 slit-scan photography, slit camera 除包含上述機能也涵蓋大部份線性透視全景攝影領域之通稱。

● 本網頁內容係分別節錄自《全景攝影:視覺 原理 應用》 The First Modern and Complete Guide to Panoramic Photography: Visualization, Principles, and Applications 一書相關章節的內容或草稿,所以段和段間的文意可能會有不連貫之處,敬請海涵。而且在出版前將做不定期之更新。

● 文中夾敘了一些英文詞彙,除方便對照外,也方便搜尋做延伸閱讀之用。

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