Jaka jest różnica między zniekształceniem perspektywy a zniekształceniem lufy lub poduszki?

Słyszałem o:

• zniekształcenie perspektywy
• zniekształcenie beczki
• zniekształcenie poduszkowate
• zniekształcenie wąsów

Jakie są te różne rodzaje zniekształceń i jak się odnoszą? Co je powoduje i czy można je poprawić w terenie lub w postprodukcji oprogramowania?

A co z „projekcją rybiego oka” - czy to też jest rodzaj zniekształcenia?

Słyszałem także terminy „zniekształcenie obiektywu” i „zniekształcenie geometryczne” - czy są to jeszcze więcej rodzajów zniekształceń lub szersze kategorie, czy co?

Perspektywa zależy od położenia kamery względem sceny . Kiedy pozycja kamery tworzy perspektywę, która sprawia, że ​​obiekt lub scena wyglądają inaczej niż moglibyśmy oczekiwać, że będą wyglądać, nazywamy to zniekształceniem perspektywy .

Wszystkie pozostałe wymienione zniekształcenia wynikają ze sposobu, w jaki soczewki wyginają światło, gdy światło przechodzi przez nie. Są one wynikiem geometrii, z jaką soczewka wyświetla wirtualny obraz sceny, z której pochodzą promienie świetlne przechodzące przez soczewkę.

Zniekształcenie perspektywy

Zniekształcenie perspektywy jest trochę mylące. Jest naprawdę tylko perspektywa . Jest to określane przez pozycję oglądania sceny. W kontekście fotografii perspektywa wynika z położenia aparatu względem sceny, a także położenia różnych elementów w scenie względem siebie. To, co nazywamy zniekształceniem perspektywy, to perspektywa, która daje nam widok na scenę lub obiekt w tej scenie, który różni się od tego, czego normalnie byśmy się spodziewali.

Jeśli zrobimy zdjęcie trójwymiarowego sześcianu z pozycji bardzo blisko jednego rogu, najbliższy narożnik sześcianu wydaje się rozciągnięty w kierunku aparatu. Jeśli zrobimy zdjęcie tego samego sześcianu z dużo większej odległości i znacznie dłuższej ogniskowej, aby sześcian miał ten sam rozmiar w ramce, ten sam narożnik sześcianu wydaje się spłaszczony.

_{Prawa autorskie do obrazu 2007 SharkD , na licencji CC-BY-SA 3.0}

Wiele osób źle rozumie, że różnica ogniskowej obiektywu jest przyczyną. Nie jest . Jest to pozycja fotografowania używana do kadrowania sześcianu za pomocą dwóch różnych soczewek. Gdybyśmy mieli aparat i obiektyw szerokokątny, oba o wystarczającej rozdzielczości, i sfotografowaliśmy sześciokąt za pomocą obiektywu szerokokątnego z tego samego położenia , co wypełniliśmy ramkę sześcianem za pomocą obiektywu o dłuższej ogniskowej, a następnie przycięliśmy powstałe zdjęcie, aby sześcian ma ten sam rozmiar, perspektywa również byłaby taka sama - sześcian wyglądałby tak samo spłaszczony jak wtedy, gdy strzelaliśmy z niego dłuższym obiektywem.

Jeśli zrobimy zdjęcie prostokątnego wieżowca z chodnika przez wąską ulicę, szczyt budynku będzie wyglądał znacznie węższy niż dół. (O ile nie zastosujemy właściwie obiektywu z regulacją nachylenia / przesunięcia lub kamery widokowej zdolnej do kontrolowania ruchów w perspektywie ). Gdy oglądamy scenę na własne oczy, nasz mózg kompensuje tę różnicę i widzimy, że górna część budynku jest taka sama szerokość jak spód. Ale kiedy oglądamy zdjęcie zrobione z tego samego miejsca, nie dajemy mózgowi tej samej pełnej baterii wskazówek (głównie naszego widzenia stereo z powodu dwojga oczu), a nasz mózg nie postrzega zdjęcia w taki sam sposób postrzegał rzeczywistą scenę z tej samej pozycji.

To samo jest prawdą, gdy wykonujemy portret twarzy z tak bliskiej odległości, że nos wydaje się dwa razy większy niż uszy. Nos jest o wiele bliżej aparatu niż uszy, przez co wydają się znacznie większe w stosunku do uszu niż w rzeczywistości. Kiedy patrzymy na twarz innej osoby z takiej odległości naszymi oczami, nasz mózg przetwarza scenę i koryguje różnice w odległości między różnymi częściami twarzy przed nami. Ale kiedy oglądamy zdjęcie zrobione z tej samej odległości, nasz mózg nie ma wszystkich potrzebnych wskazówek i nie może zbudować tego samego poprawionego modelu 3D w naszym postrzeganiu zdjęcia.

Rozważmy to, co nazywamy kompresją teleobiektywową :

Załóżmy, że jesteś 10 stóp od swojego przyjaciela Joe i zrób obiektyw w orientacji pionowej obiektywem 50 mm. Powiedzmy, że jest budynek 100 stóp za Joe. Budynek ma 10-krotną odległość od aparatu, tak jak Joe, więc jeśli Joe ma 6 stóp wysokości, a budynek ma 60 stóp wysokości, będą wyglądać na tej samej wysokości na zdjęciu, ponieważ oba zajmą około 33º kąta 40º widok soczewki 50 mm wzdłuż dłuższego wymiaru.

Teraz cofnij się o 30 stóp i użyj obiektywu 200 mm. Twoja całkowita odległość od Joe wynosi teraz 40 stóp, czyli 4 razy więcej niż 10 stóp, których użyłeś z obiektywem 50 mm. Ponieważ używasz ogniskowej, która jest 4-krotnie większa niż oryginalna 50 mm (50 mm x 4 = 200 mm), na drugim zdjęciu pojawi się na tej samej wysokości, co na pierwszym. Z drugiej strony budynek znajduje się teraz 130 stóp od kamery. To tylko 1,3X, o ile było to w pierwszym ujęciu (100 stóp x 1,3 = 130 stóp), ale zwiększyłeś ogniskową o 4X. Teraz budynek o wysokości 60 stóp będzie wyglądał na około 3-krotność wysokości Joe na zdjęciu (100 stóp / 130 stóp = 0,77; 0,77 X 4 = 3,08). Przynajmniej tak by było, gdyby wszystkie 60 stóp zmieściło się na zdjęciu, ale nie zmieści się w tej odległości z obiektywem 200 mm.

Innym sposobem na to jest to, że na pierwszym zdjęciu z obiektywem 50 mm budynek był 10 razy dalej niż Joe (100 stóp / 10 stóp = 10). Na drugim zdjęciu z obiektywem 200 mm budynek był tylko 3,25 x dalej niż Joe (130 stóp / 40 stóp = 3,25), mimo że odległość między Joe a budynkiem była taka sama. Zmienił się stosunek odległości od kamery do Joe i odległości kamery do budynku. To właśnie określa perspektywę: stosunek odległości między kamerą a różnymi elementami sceny.

Ostatecznie jedyną rzeczą, która determinuje perspektywę, jest pozycja kamery i względne pozycje różnych elementów sceny.

Aby zobaczyć, w jaki sposób nawet niewielka różnica perspektywy wpływa na obraz, zobacz: Dlaczego tło jest większe i bardziej rozmyte na jednym z tych obrazów?

Zniekształcenia obiektywu

Zniekształcenia soczewki są spowodowane sposobem, w jaki soczewka wyświetla wirtualny obraz światła, które wchodzi do przodu soczewki z tyłu soczewki. Poniższe terminy dotyczą różnych rodzajów zniekształceń soczewki. Zniekształcenia soczewki są czasami nazywane zniekształceniami geometrycznymi, ponieważ wpływają na sposób, w jaki kształty geometryczne są przedstawiane przez soczewkę.

Zniekształcenie lufy to zniekształcenie geometryczne, w którym linie proste wydają się być zakrzywione od środka obrazu. Jest to spowodowane powiększeniem, które jest większe w środku soczewki niż na krawędziach. Większość obiektywów z dystorsją beczkowatą to soczewki o szerszym kącie, które wyciskają bardzo szeroką scenę na węższy czujnik lub fragment filmu. Ostatecznym zniekształceniem beczkowatym jest obiektyw typu rybie oko, który poświęca projekcję prostoliniową na rzecz szerszego pola widzenia uzyskanego dzięki projekcji sferycznej. Zestaw prostych poziomych i pionowych linii podlegających zniekształceniu beczki:

Zniekształcenie poduszkowe to zniekształcenie geometryczne, w którym proste linie wydają się być zakrzywione w kierunku środka obrazu. Jest to spowodowane większym powiększeniem na brzegu soczewki niż na środku. Zniekształcenie poduszkowe zwykle pojawia się na dłuższych ogniskowych obiektywów zmiennoogniskowych. Zestaw prostych poziomych i pionowych linii podlegających zniekształceniu poduszkowców:

Zniekształcenie wąsów jest, ściśle mówiąc, zniekształceniem geometrycznym, które wykazuje zniekształcenie beczkowe w pobliżu środka osi optycznej i stopniowo przechodzi w zniekształcenie poduszkowe w pobliżu krawędzi. Czasami inne wzory zniekształceń spowodowane częściowo korygującymi zniekształceniami beczki lub poduszki poduszkowej są również oznaczone jako zniekształcenie wąsów . Zestaw prostych poziomych i pionowych linii podlegających zniekształceniu wąsów:

Obiektywy zmiennoogniskowe wykazują większe zniekształcenie geometryczne niż ich odpowiedniki o pojedynczej ogniskowej. Obiektyw stałoogniskowy, którym jest tylko jedna ogniskowa, można dostroić, aby uzyskać najlepsze prawidłowe zniekształcenie geometryczne dla tej jednej ogniskowej. Obiektyw zmiennoogniskowy musi iść na kompromis, aby kontrolować zniekształcenia na wszystkich ogniskowych. Jeśli zniekształcenie poduszkowate jest wysoce skorygowane dla dłuższego końca, zniekształcenie lufy byłoby poważniejsze na szerokim końcu. Jeśli zniekształcenie lufy zostanie wysoce skorygowane na szerokim końcu, zaostrzy to zniekształcenie poduszkowate na długim końcu. Im szerszy stosunek znajduje się między najszerszym kątem a najdłuższymi końcami ogniskowych obiektywu zmiennoogniskowego, tym trudniej linoskoczek prawidłowo koryguje zniekształcenia geometryczne na obu końcach.

Nawet w przypadku najlepszych obiektywów koszt dokładniejszej korekty geometrycznej zniekształceń kosztuje więcej niż korekty „po prostu wystarczająco blisko”. Kosztuje więcej w zakresie badań i rozwoju na etapie projektowania obiektywu. Kosztuje to więcej pod względem liczby zastosowanych elementów optycznych, ilości materiałów potrzebnych do wytworzenia tych elementów oraz kosztu bardziej egzotycznych materiałów użytych do wykonania najbardziej skutecznych elementów korekcyjnych. Wytwarzanie zwiększonej liczby elementów optycznych, czasem o bardziej egzotycznych nieregularnych kształtach i przy wyższych tolerancjach, kosztuje więcej.

Niektóre z najdroższych obiektywów są również jednymi z najlepiej skorygowanych obiektywów pod kątem zniekształceń optycznych. Na przykład soczewki takie jak linia soczewek Zeus Zeiss. Najtańsze obiektywy zmiennoogniskowe to zwykle obiektywy, które wykazują największe zniekształcenie geometryczne, a także inne aberracje optyczne.

Korygowanie zniekształceń obiektywu

Co je powoduje i czy można je poprawić w terenie lub w postprodukcji oprogramowania?

Przyczyną geometrycznych zniekształceń soczewki jest konstrukcja soczewki i sposób, w jaki zagina światło, które przez nią przechodzi. Wiele prostych soczewek wykazuje zniekształcenie geometryczne takiego czy innego rodzaju. To, w jaki sposób obiektyw koryguje to zniekształcenie, zależy od dodatkowych elementów korekcyjnych dodanych do formuły optycznej soczewki.

Najlepszym sposobem korekcji geometrycznego zniekształcenia soczewki w terenie jest użycie soczewki dostępnej w czasie, który wykazuje najmniejszą ilość niepożądanych zniekształceń.

Można skorygować geometryczne zniekształcenie za pomocą przetwarzania obrazu w aparacie (jeśli aparat ma taką możliwość) lub w trakcie przetwarzania, ale ma kilka zastrzeżeń.

• Ponieważ krawędzie są zakrzywione w celu korekcji zniekształceń geometrycznych, pokrycie pola widzenia jest zmniejszone, jeśli zachowany zostanie prostokątny lub kwadratowy kształt całego obrazu. Nie wszystko widoczne na krawędziach nieskorygowanego obrazu pojawi się na skorygowanym obrazie.
• Po odwzorowaniu pikseli rozdzielczość może zostać utracona . Jeśli obiektyw jest dość miękki i rozmazany na początku, prawdopodobnie nie będzie to nawet mierzalne, a tym bardziej zauważalne. Ale w przypadku obiektywów o wyższej rozdzielczości używanych w aparatach o wyższej rozdzielczości może to mieć zarówno wymierny efekt, a nawet zauważalny efekt przy większych ekranach. Jak pisze Roger Cicala, LensGuruGod1 w lensrentals.com w blogu poświęconym temu tematowi :

„MOŻESZ Korygować to w poście, ale…
nie… nie ma darmowego lunchu.

• Każda korekcja w aparacie zastosowana do obrazu podczas fotografowania RAW zostanie odzwierciedlona w wygenerowanym pliku JPEG podglądu i dołączonym do surowego pliku, ale to, czy korekta zostanie zastosowana w przetwarzaniu końcowym, zależy od używanego konwertera raw. Ogólnie rzecz biorąc, zewnętrzne konwertery plików RAW, takie jak Lightroom, zignorują instrukcje dotyczące korekty zawarte w sekcji „uwagi producenta” informacji EXIF, podczas gdy oprogramowanie większości producentów kamer zastosuje ustawienia w aparacie podczas otwierania pliku RAW. Korekta, którą można zastosować przy użyciu zewnętrznego konwertera danych surowych, takiego jak Lightroom, zostanie wykonana przy użyciu profili soczewek dostarczonych przez tę aplikację innej firmy niż profilu soczewki, zwykle dostarczanego przez producentów kamer, używanego w aparacie do generowania podglądu JPEG lub pocztą za pomocą aparatu fotograficznego własne oprogramowanie. Z drugiej strony większość producentów zapewnia tylko profile korekcji dla własnych obiektywów (do korekcji w aparacie lub korekcji postprodukcyjnej), podczas gdy konwertery Raw innych firm czasami mają profile dostępne dla obiektywów innych firm.

Słyszałem o:

zniekształcenie perspektywy

zniekształcenie beczki

zniekształcenie poduszkowate

zniekształcenie wąsów

Zniekształcenie perspektywy opisuje, w jaki sposób obraz (lub widok, a dokładniej perspektywa) zmienia się w miarę zbliżania się lub oddalania od obiektu (tj. Zmiana perspektywy).

Najłatwiej to sobie wyobrazić - wyobraź sobie, że jesteś tylko 10 cm od czyjejś twarzy. Z tej odległości (tj. Z tej perspektywy) nie możesz zobaczyć całej twarzy naraz - musisz obrócić głowę w lewo, w prawo, w górę, w dół, aby zobaczyć całą twarz. Pomyśl teraz o kącie patrzenia na ich twarz, gdy odwrócisz głowę w lewo. Nos wystaje, być może zasłaniając widok ich policzka.

Teraz cofnij się do 5 metrów. Możesz zobaczyć ich całą twarz jednym spojrzeniem. Możesz zobaczyć ich nos i cały policzek. Nos nie blokuje policzka, bez względu na to, czy spojrzysz na lewą, prawą czy środkową część twarzy.

Ta zmiana wyglądu obrazu (ich twarzy) nie jest spowodowana powiększaniem lub pomniejszaniem. Jeśli stałeś w odległości 5 metrów i użyłeś zoomu, aby powiększyć twarz, aby wypełnić kadr - perspektywa się nie zmieni. Ale jeśli podejdziesz do twarzy oddalonej o zaledwie 10 cm, zmieni się twoja perspektywa i zmieni się wygląd twarzy.

Jest świetny obraz pokazujący to zniekształcenie -

Chociaż ten obraz pokazuje zastosowane ogniskowe, nie daj się zwieść myśleniu, że to ogniskowa (lub zoom) spowodowała zniekształcenie. Stało się tak, że przy krótszych ogniskowych fotograf zbliżył się do obiektu, aby wypełnić ramkę twarzą fotografowanej osoby - to ta zmiana perspektywy powoduje zniekształcenie.

Lepszym przykładem efektu ogniskowej lub zoomu jest sekwencja poniżej -

Zwróć uwagę, że ponieważ pozycja kamery się nie zmieniła, perspektywa nie zmieniła się między ujęciami, a zatem stodoła nie jest zniekształcona z jednego strzału do drugiego.

Niestety nie mogę kompleksowo opisać ani wyjaśnić pozostałych 3 zakłóceń, które wymieniłeś.

Zniekształcenie perspektywy utrzymuje proste linie proste. Jednak paralele nie pozostają równoległe (z wyjątkiem równoległych do horyzontu). Czworokąty są przekształcane w czworokąty. Zniekształcenie perspektywy można opisać za pomocą ekwiwalentu transformacji perspektywy, rzutującego scenę 3D przez punkt na płaszczyznę.

Zniekształcenie lufy i poduszki poduszkowej nie utrzymuje prostych linii prostych. Wyginają je odpowiednio na zewnątrz lub do środka od centrum obrazu. Są konsekwencją geometrii soczewki. Zniekształcenie wąsów występuje, gdy takie zniekształcenie ponownie osłabia się na zewnątrz. Może to wynikać z działań korygujących zniekształcenie lufy lub poduszki poduszkowej, które nie są jednakowo skuteczne w każdym punkcie.

Wszystkie te zniekształcenia obiektywu zmieniają rozmieszczenie pikseli w obrazie (niezależnie od zawartości sceny). Linie proste stają się na przykład krzywymi. Jest to zniekształcenie reprodukcji, ponieważ linie tematyczne są proste, a linie zakrzywione nie istnieją.

Perspektywa porządkuje zawartość sceny względem obiektów sceny względem siebie. Bliskie rzeczy (na przykład nosy na portrecie) wydają się większe, po prostu dlatego, że wstajemy zbyt blisko, aby je zobaczyć. A jeśli staniemy blisko siebie, wówczas inny pozorny poziome oddzielenie odległych rzeczy od rzeczy bliskich ... To nie jest zniekształcenie, z wyjątkiem naszych wyobrażeń. Wszystkie przypadki są oczywiście dokładnie takie, jak wyglądają rzeczy, gdy aparat stoi w tym miejscu