全景攝影:視覺 原理 應用辭彙
(節錄/樣本)

說  明

  在開始涉獵全景攝影時(panoramic photography),第一個讓人傷腦筋的問題就是與全景攝影相關的名詞,即使在有一百六十餘年全景攝影發展史的英語領域也是眾說紛云莫衷一是,在中文世界裡則更是粗略含糊。別說一般入門者,即便是攝影專家,也常被搞的一頭霧水。

  經過很長一段時間的實務經驗和思維,終於發現根據全景影像(panoramic images)的視覺構成(單點透視、多透視點、線性透視)和工作原理(旋軸、定軸、平行移軸、物移、物轉、陣列序列)兩個原則,就可以把常用的全景攝影應用技術一一賦予可以顧名思議的新名稱。因為多透視點與線性透視全景攝影的影像構成包含了運動--時間和速度的因素在內,既便是沿用傳統的攝影名詞,也須要加入運動的因素才能在實務和理解上得到名實相符的意涵。這些名詞的字組雖然有點長,卻可以讓討論者立即明確的認知其作業模式、視覺呈現等,不會有模糊的空間。

  無論是市場販售的專業等級的線性透視全景照相機(panoramic camera),或者 DIY 的線性透視全景照相機,幾乎都可以輕易的製作出本書所提到的四種線性透視全景攝影應用技術。

  就廣義的「全景」(panorama)來說,舉凡能完整表達創意的影像,都可稱之為「全景」影像,不論使用哪類照相機或高寬多少比例的片幅;為探討方便,這裡僅就狹義的視覺物理結構與片幅比例,做為全景攝影的討論範疇,以下就常見的三類九種全景攝影應用技術簡述如后:

一、單點透視(single-perspective)寬幅全景攝影

  寬幅/寬景照相機(wide-field Camera)和傳統靜態照相機(still camera)的結構完全相同,關鍵的地方在於鏡頭的有效影像圈(image circle),較傳統 135 或 120 照相機的影像圈大二倍到四倍。再透過底片前的遮罩(frame 影像框)塑造出高寬比例為一比二~四寬之片幅,常見的寬景/寬幅照相機有哈蘇/富士(Hasselblad / Fujihilm)之 XPan II / TX- 2 姊妹機,以及其他廠牌之 612, 617, 624 等片幅照相機,這類機型所拍出來的照片通常被稱為寬幅(wide-field)或寬景照片,或統稱之為全景照片(panoramic picture)。這類照片其視角仍無法超越單一鏡頭之視角,和傳統照片一樣,每一幅照片都只有單一透視點和光學上的匯聚點,呈現近大遠小的光學透視現象。除了畫面長寬的差異,其餘的特徵完全和傳統影像相同。這種片幅高寬比例符合人類雙眼之視角,也是目前視聽多媒體與電視、電影影像框架的趨勢。

二、多透視點(multi-perspective)全景攝影

多透視點旋軸全景攝影

多透視點定軸物轉全景攝影

多透視點平行移軸全景攝影

多透視點陣列序列全景攝影

  使用傳統片幅照相機,或以行動電話機之照相機能搭配全景雲台與腳架,以每相鄰畫幅(frame)重疊(overlap)50~30% 方式拍攝景物,並在後製階段透過全景軟體縫合(stitch)成寬闊的單幅全景照片,這類技術所拍攝或製作而成的照片通常都超越單一鏡頭的水平或垂直視角,大部份的攝影者都直接拍攝 360 度的方位,回到電腦合成時再做取捨。

  在應用技術上,以鏡頭的入瞳(entrance pupil)為全景透視旋軸(axis of perspective),拍下超逾鏡頭或人眼視角的四周的景觀;或以定軸方式拍下自轉(rotation)的物件(object),更可以焦平面軸線為平行移軸之基準,拍下長條街景、長條壁畫等。這類照片係採用多方位多片幅方式取景,每一幅畫面都有其獨立的透視點,也會有一個光學匯聚點,經過軟體縫合後會有下列特質:

◎ 從放射狀「側視組合」就不難知道是由幾個鏡頭合成的全景照片

◎ 雖有軟體的協助,但是相鄰兩幅前景的曲變、複雜的景物合成後的鬼影(ghosting)、單純的場景斷帶現象等,都還需要手工和耐性慢慢修飾和調整。

◎ 透視曲變(curve),雖是正常的物理現象,但是有異於人類的視覺經驗;

◎ 透視比例的精確度不易掌握。

  在數位時代而言,這是最經濟、最方便的取得全景影像的方式,瞭解多透視點全景攝影的視覺與工作原理,不只可以拍合出令人賞心悅目的全景照片,更易於展現獨立的視覺創意。

三、線性透視(linear-perspective)全景攝影

線性透視旋軸全景攝影

線性透視定軸物移全景攝影

線性透視定軸物轉全景攝影

線性透視平行移軸全景攝影

  透過正確的參數設定,這是現階段可以取得最精確的全景影像的應用技術,常見用於航測空照、景觀全景攝影或多媒體地理導航。這種技術不僅可以用在數據要求精確的各類科學用途(如國土紀錄、考古、刑案現場重建等),更可以以時間為軸向展現多樣的藝術創作。這類全景照相機通常二種模式完成線性透視(linear-perspective)帶狀(strip)影像的取得:

  靜態景物,光軸(鏡頭與機身)和底片同時運動掃描(scan)和紀錄影像,或預捲底片至一個圓周面的曝光區,再轉動鏡頭達到曝光取像的目的。光軸之運動有旋軸與平行移軸;

  光軸定向不動,運動景物(motion object)和底片(film)同步以相對速度(relative velocity)運動,運動景物之光影穿越光軸(optic axis)射入底片前之垂直狹縫遮罩,如白駒過隙的在流動的底片上留下連續的完整影像。

  線性透視全景照相機常被稱之為狹縫照相機(slit camera)、搖頭機、轉機等名稱之,惟此名稱甚難以讓人明瞭其具有多樣性之工作原理與視覺物理結構,別說一般入門者,即便是攝影專家,也常被搞的一頭霧水。其成像系統除作業系統、伺服馬達外,最重要的一個機件就是水平寬度在 0.4~2 mm 的垂直狹縫遮罩(slit mask),換句話說,在同一時間內僅允許 0.4~2 mm 寬的影像進入底片。

本書所論及的線性透視全景攝影應用技術有四種,每一種的視覺物理結構都不一樣,將會在各所屬的章節詳細討論。

全景攝影專有名詞

線性透視 :本書使用之「線性透視」(Linear-Perspective) 名詞定義,和傳統繪畫或攝影的「線性透視」定義無關。「線性透視」係基於於焦平面前寬約 0.4~2㎜ 的垂直狹縫遮罩 (slit mask),以靜止/運動/旋轉的景物、旋轉/定向/平行運動的光軸之組合方式,拍攝時軟片同步捲動,達到連續記錄超越單一鏡頭視角的影像或完整的記錄靜止或運動景物的完整形體。此成像物理結構和傳統攝影構圖的線性透視結構完全不一樣。

線性透視全景影像有下列特質:它們是「光學透視」和「運動透視」兩者交融產生的視覺物理結構;只有和光軸正交的景物才能穿過狹縫達到焦平面曝光成像;以 one scan 方式達到完全無接縫的全景影像。

常用的線性透視全景攝影應用技術有自旋、定軸物移、定軸物轉、平行移軸等,它們的視覺或透視之物理結構並不相同。

運動物距 :有別於傳統的鏡頭所標示的「光學物距」。「運動物距」(Kinematics)用於線性透視定軸物移/定軸物轉/平行移軸三種全景攝影應用技術的名詞。指運動景物的物平面到焦平面(軟片)的距離,需要以量尺或雷射測距儀量測,數值精度單位為公厘 (mm)。運動物距是計算透視比例、軟片單位時間的運動量,以及計算快門速度的主要參數之一。

運動物距和其他相關參數的精確與否,決定了水平軸向的影像透視比例。

運動焦點 :運動焦點由攝影者依需要選定,運動焦點係物距物方的量測基點,也是運動平面(物平面)的所在。在運動焦點上的運動景物之運動速度與底片之運動速度(相對速度)須同步,(如記錄媒體為 CCD 則為傳遞速度)始能構成清晰且具有正確透視比例的影像。

成像之運動景物運動方向: :在實景中,不論運動景物之運動方向為何,其成像後之運動方向由記錄媒體之運動或影像像素傳遞方向決定。

光學物距 :傳統攝影透過觀景窗,以肉眼與手工調整鏡頭對焦環對焦,或以相機內設的自動對焦系統測定物方對焦點(物平面)到焦平面(軟片)的距離。在線性透視全景攝影仍需要透過這種對焦方式;光學物距決定了垂直軸向的影像透視比例。(包含視角以及景物元素的空間邏輯關係)

快門速度 :直接受到景物的運度速度所牽動,但是可以利用運動物距、鏡頭有效焦距做為緩衝變數。終極的快門速度限制是相機的機械和電氣機性能,以及光圈值的極限。

有效焦距 :Effective Focal Length, EFL。傳統上鏡頭廠商在鏡頭上,或者鏡頭名稱後方,所標示焦距都是屬於標稱焦距 (Engraved focal length) 或名義焦距 (Nominal focal length)。而鏡頭的真實焦距 (Actual focal length) 就是光學或者該鏡頭設計與生產時定義的有效焦距──鏡頭中後主點 (principle point) 到焦點 (focal point) 的距離。例如哈蘇 (Hasselblad) CF 80mm 標準鏡頭的有效焦距為 80.5mm。有效焦距是線性透視全景攝影裡非常重要的一個關鍵參數。

∞無限遠 :每支鏡頭的對焦環上都刻記了「∞」(infinity) 無限遠的標記,這是在鏡頭設計實際算出來的光學無限遠物距起始點。但是在線性透視全景攝影的作業原理上,則以鏡頭之有效焦距二千倍做為計算基礎,以此距離為無限遠的起始點。從這個起使點起之運動景物,可視為與光軸平行。這個基點,影響了快門、光圈以及軟片單位時間捲片幅度的數值。此數值之初始數值單位為公厘(mm),最後可以轉換為公尺(m)。

焦平面/狹縫區 :〔略〕

物平面/狹縫區 :〔略〕(計算公式)

透視軸點 :一般傳統靜態照相機採用多透視點自旋全景攝影技術(俗稱之「環景攝影」或「全景攝影」),以「無視差」的軸點──鏡頭的入瞳(entrance pupil)與光軸交會點為中心軸點,透過全景雲台將相機的水平軸向與垂直軸向調正──以此中心自旋,拍攝超逾單一鏡頭視角的景觀,再以影像處理軟體縫合。線性透視全景照相機拍攝環景全景照時,也是要以上述方式拍攝。

單透視點全景畫面 :以傳統 4 : 3 片幅照相機(手機、傻瓜照相機、單眼照相機等),在拍攝前,以全景片幅 (1 :2) 的概念或以寬幅遮罩 (Format masks) 構圖所框取的影像之謂。這是以犧牲上下畫幅尺寸,卻是以最經濟方式得到全景畫幅的途徑。

單透視點寬幅全景攝影 :以較大的影像圈 (image circle field),涵蓋較寬的片幅 (Wide-Field),創造 1 : 2, 1 : 3, 1 : 4 的片幅比例,這類的片幅更適合以特寫方式表現主題的視覺意象,也是電影、電視的主流畫幅。無論片幅多寬,它們的視角都沒有超過一個鏡頭的視角,但是底片的面積倍增,放大面積可以等比例增加,得到更好的畫質。

過去習見的135片幅的寬幅全景照相機有 Hasselblad XPan II, Fujifilm TX-2 等(片幅 24mm×65mm)。

中片幅的寬幅全景照相機有 Linhof, Widelux, Fuji, Tomiyama Art, Horseman, Fotoman (片幅 6cm×12cm, 6cm×17cm, 6cm×24cm)。

多透視點自旋全景攝影 :習稱環景或環場全景攝影。將傳統靜態照相機架設於全景雲台上,並且以鏡頭的入瞳(entrance pupil)與光軸交會點為中心轉軸,拍攝無視差的全景畫面,通常每個畫面需重疊 30%~50%。拍攝後的序列畫面再透過縫合軟體,縫合成為壯闊的單幅全景畫面,多數手機或數位照相機已經將這類全景影像縫合軟體列為 bundle 的軟體。

近窄遠寬之透視比例曲變 :(線性透視定軸物移全景攝影──等速狀態)運動焦點前的等速運動景物,其水平軸影像呈現壓縮之結構;而運動焦點後的等速運動景物,其水平軸影像呈現闊張之結構;前二者之垂直軸影像因受光學透視之規範,其影像結構在運動景深範圍內均可得到正確的透視比例。

速度上的透視比例曲變 :(線性透視定軸物移全景攝影──不等速狀態)〔略〕。

近窄遠寬之透視比例曲變: (線性透視平行移軸全景攝影)運動焦點前的景物,其水平軸影像呈現壓縮之結構;而運動焦點後的景物,其水平軸影像呈現闊張之結構;而在(運動焦距)無限遠起的景物影像則呈現快速的模糊化與曝光過度。前二者之垂直軸影像受光學透視之規範,其影像結構在運動景深範圍內均可得到正確的透視比例。

運動景深: 〔略〕

多透視點定軸物轉全景攝影 :〔略〕

多透視點平行移軸全景攝影 :〔略〕

線性透視自旋全景攝影 :〔略〕

線性透視定軸物移全景攝影 (火車、迎神賽會):〔略〕

線性透視定軸物轉全景攝影 (圓周攝影/古物):〔略〕

線性透視平行移軸全景攝影 (街景):〔略〕

線性透視平行移軸全景攝影 (微距/牙醫):〔略〕

線性透視平行移軸全景攝影 (微距/長軸畫)〔略〕

線性透視平行移軸全景攝影 (大型機具):〔略〕

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