KVU / UF3D
3D fotografie a alternativní techniky ve fotografii

Kamerové sestavy pro snímání 3D

Pro snímání kvalitního 3D obrazu je nezbytně nutná plná kontrola nad námi známými parametry 3D záznamu:

Víceméně dobře se lze vzdát volby vergenční vzdálenosti, pokud je tedy pevně nastavena na nekonečno, čili pokud jsou optické osy objektivů rovnoběžné. Podobně se lze vzdát volby ohniskové vzdálenosti podobně jako u objektivů s pevnou ohniskovou vzdáleností. Jakmile se ale vzdáme volby mezikamerové vzdálenosti, omezujeme se pouze na jistou velikost snímané scény a jistou velikost koncového displeje.

Pokusme se popsat nejběžnější prostředky pro snímání stereoskopického páru snímků. Všímejme si, jak lze parametry 3D záznamu daným prostředkem ovlivňovat.

Jedna obyčejná kamera, snímání z ruky

Velkou výhodou je samozřejmě pohotovost, takovou "3D kameru" máme prakticky vždy k dispozici. Nevýhody jsou ovšem značné: ve 3D snímání je obvykle nutné volit parametry s přesností na milimetry nebo desetiny stupně, což se při snímání z ruky těžko zajistí; musíme proto počítat s důkladnou korekcí snímků v postprodukci. Snímané objekty se samozřejmě nesmí pohybovat.

Jedna obyčejná kamera, snímání z pojezdu

Upnutím kamery na pojezd (sáňky) a stativ se všechno výrazně usnadní: máme jistotu, že mezi kamerami bude výhradně pravolevý posuv (tj. nebude tam ani předozadní, ani svislý). Bez problému zvládneme udržet osy objektivů rovnoběžné, celkem snadné je normální sbíhavé (toe-in) nastavení kamer. Není problém precizně nastavit mezikamerovou vzdálenost. Pokud mezi snímáním obou snímků nebudeme manipulovat s nastavením kamery či objektivu, máme stoprocentně zaručenou stejnou optickou kresbu obou snímků.

Snímané objekty se samozřejmě nesmí pohybovat. V produktové fotografii to ale obvykle příliš nevadí. Jelikož sestavy s více kamerami a synchronizovanou závěrkou trpí jinými neduhy (špatně odstranitelnými), je v ateliérové praxi snímání jednou kamerou na pojezdu rozumným řešením.

Jedna obyčejná kamera se stereoskopickým nástavcem

Stereoskopickým nástavcem může být speciální objektiv nebo nástavec před běžný objektiv. Někdy je nástavec pevně spojen s tělem kamery, která má ale jediný snímač; hovoříme pak o 3D kameře.

Speciální objektiv má typicky dvě přední čočky a je de facto dvojicí objektivů v jednom. Každý z objektivů bývá anamorfotický, tj. čtverec zobrazuje jako obdélník. Za dvojicí objektivů je pak slučovací člen, který zrcátky či hranoly posune dvojici k sobě; na snímači kamery se tedy zachytí levý a pravý snímek vedle sebe, případně pod sebou.

Stereoskopický objektiv Loreo. Převzato z www.loreo.com

Existuje i varianta objektivu s jedinou přední čočkou. Levý a pravý snímek pak vzniká v objektivu blokací některých paprsků. Nevýhodou obou řešení je horší rozlišení snímků pro levé a pravé oko.

Nástavec před běžný objektiv se dá použít jak na fotoaparátech, tak na videokamerách. Obsahuje polopropustné zrcátko, které optickou osu posouvá do strany, čili jakoby celou kameru přesouvá do pozice druhého oka. Nástavec současně obsahuje elektronicky řiditelný člen, který řídí, zda na hlavní objektiv (a tedy i na snímač) dopadá světlo přímo, nebo z "posunuté" pozice. Videokamera pak typicky zaznamenává v jednom snímku (či půlsnímku) obraz pro levé oko, v dalším snímku pro pravé oko atd. Nevýhodou je záznam levého a pravého snímku v jiných, byť blízkých okamžicích - jakýkoliv pohyblivý předmět se zobrazí na odlišném místě snímače a mozek težko odhaduje, zda je změna pozice způsobená pohybem objektu nebo binokulární paralaxou. Objekty s chaotickým pohybem (listy na stromech, vlnky na vodě, poletující sněhové vločky apod.) se zobrazí v levém a pravém snímku výrazně odlišně a mozek je nebude umět zpracovat.

Zásadní nevýhodou všech uvedených řešení je v praxi krajně omezená možnost řídit parametry 3D snímku; "mezikamerová" vzdálenost bývá pevně daná, někdy lze měnit vergenční vzdálenost. Kamera s nástavcem má obvykle výrazně horší kresbu, světelnost apod. než se standardním objektivem obdobné ceny. Řešení s polopropustnými zrcátky má nevýhody, které probereme dále v rozboru profesionálních 3D kamer.

Výhodou je naopak snadnost a pohotovost použití. Dobře se proto uplatní v reportáži.

Dvě obyčejné kamery vedle sebe

Pokud se podaří zajistit synchronní závěrku, je dvoukamerová sestava jediným zařízením schopným pořídit stereoskopický pár pohyblivé scény v plné kvalitě obrazu. Pro fotoaparáty to relativně není problém (dálková spoušť se dvěma koncovkami), u videokamer (či filmových kamer) je třeba zařídit dlouhodobou synchronizaci; nedá se totiž spoléhat, že obě kamery budou mít přesně stejnou snímkovou frekvenci. Tzv. signál genlock, který synchronizaci zajišťuje, ale najdeme pouze u (drahých) profesionálních modelů.

Další velkou výhodou je možnost nastavit mezikamerovou a vergenční vzdálenost podle potřeby.

Tím ale bohužel výhody dvoukamerové sestavy končí.

Jsou-li kamery umístěny vedle sebe na pojezdu, je sice možné měnit mezikamerovou vzdálenost, ale spodním limitem je velikost samotné kamery. Obzvlášť u kamer s kvalitními objektivy je minimální mezikamerová vzdálenost (tj. vzdálenost mezi "středy objektivů") mnohem větší než standardní mezioční vzdálenost; typicky 10 cm a více. Taková sestava obvykle vede na použití objektivů s delšími ohnisky a větší vzdálenost kamery od scény. Jak víme, podobné nastavení kamer zpravidla vede k efektu divadelních kulis.

Druhým vážným problémem je zajištění stejně kvalitního záznamu levého a pravého snímku. Samozřejmostí je použití stejných typů objektivů, kamer a jejich manuální nastavení (ostření, vyvážení bílé, clona, čas závěrky apod.), což samozřejmě vede ke snadnému vzniku chyby. Ale i v případě nominálně stejného nastavení kamer není vyhráno. Kamery se kus od kusu mírně liší a nedá se spoléhat na jejich perfektní zaměnitelnost. Ještě horší situace je s objektivy: ty za "rozumné peníze" nejsou laboratorně kalibrovány na konkrétní parametry, takže není zaručeno, že optické osy budou směřovat přesně stejným směrem (to by všechny čočky musely být perfektně centrovány a kolmo nasazeny k ideální ose apod.), že budou mít přesně stejnou ohniskovou vzdálenost (a to i v případě objektivů s pevným ohniskem), stejné barevné podání apod. Je třeba si uvědomit, že snímková disparita jeden pixel je obvykle jasně znatelná a že jeden pixel snímače obvykle měří několik mikrometrů. V praxi ale lze těžko zajistit, aby sériově vyráběné objektivy poskytovaly obrazy stejné při toleranci několika mikrometrů.

Problém kvality objektivů je ještě vážnější při použití transfokačních (zoom) objektivů. Zatímco se lze jakž-takž spolehnout na to, že obrazy pro maximální a minimální ohniskovou vzdálenost budou přibližně stejné, nedá se to povědět o mezilehlé ohniskové vzdálenosti. Kroužek transfokátoru má totiž velmi omezenou přesnost a i když transfokace obou objektivů nastavíme do stejné polohy, téměř jistě budou nastavené ohniskové vzdálenosti (tj. zorné úhly) jiné. Navíc si můžeme být jisti, že se při změně transfokace změní směr optické osy její pozice vůči středu snímku a že tato odchylka bude u každého kusu objektivu jiná.

Dvě obyčejné kamery v sestavě s polopropustným zrcadlem

Jelikož použití dvou kamer je jediným řešením problému současného kvalitního záznamu levého a pravého snímku, hledaly se způsoby, jak obejít největší nedostatek jejich umístění vedle sebe: limit mezikamerové vzdálenosti daný jejich fyzickými rozměry.

V současnosti nejpoužívanějším řešením je soustava s polopropustným zrcadlem. Jedna z kamer sleduje scénu přímo. Před ní je pod úhlem 45° umístěno polopropustné zrcadlo, takže druhá kamera může odrazem sledovat scénu z identického bodu. Tím je separace kamer nulová. Pohybem jedné či obou kamer pak lze samozřejmě separaci změnit na libovolnou (i zápornou) hodnotu.

Převzato z news.creativecow.net(1, 2)

Mezikamerová vzdálenost je pochopitelně limitována rozměrem zrcadla. Při velké požadované separaci kamer ale přestává mít polopropustné zrcadlo smysl, jelikož kamery by šlo pohodlně umístit vedle sebe.

Větším problémem ovšem je, že zrcadlo limituje zorný úhel kamery. Je zřejmé, že při zorném úhlu 90° by bylo zapotřebí nekonečně velké zrcadlo. Zejména proto se v praxi umísťují "pod sebe" (nikoliv "vedle sebe"), protože vertikální zorný úhel bývá zejména k kinematografii podstatně menší než horizontální.

I poměrně malé zvětšení zorného úhlu vede k výraznému zvětšení polopropustného zrcadla.

Dalším problémem je rozdílné snímání obou snímků: zatímco jeden je snímaný odrazem od povrchu polopropustného zrcadla, druhý je vytvářen světlem procházejícím zrcadlem. Žádné polopropustné zrcadlo ale není dokonalé ve smyslu přesného rozdělení světla na poloviny; jeden obraz bude pravděpodobně světlejší. Navíc není odrazivost (resp. propustnost) pro všechny vlnové délky světla stejná, a proto se dá očekávat jiné barevné podání obrazů. I kdyby ale bylo polopropustné zrcadlo v tomto směru dokonalé (což zařídit lze), pořád bude různě odrážet/propouštět světlo různých polarizací. Jelikož víme, že například světlo odražené od lesklých povrchů typu sklo nebo přicházející z jasné oblohy je do značné míry polarizované, budou zejména záběry na lesklé předměty či s jasnou oblohou velmi problematické.

Ačkoliv je myšlenka použití polopropustného zrcadla jednoduchá, je poměrně obtížné prakticky použitelnou sestavu vyrobit. Kameraman samozřejmě očekává, že změna mezikamerové vzdálenosti nezmění směry optických os objektivů, případně že definovaným způsobem přesně změní vergenční vzdálenost, že transfokace či ostření proběhne na obou kamerách stejně atd. To klade značné nároky na mechanickou přesnost konstrukce. V praxi je proto kvalitní soustava s polopropustným zrcadlem velmi drahá.

Zpět na hlavní stránku.