|
|
||
Параллакс. Слово звучное, красивое и при его употреблении позволяет почувствовать себя умным (Ха!). Общую формулировку, объясняющую это явление, не знают, пожалуй, только совсем глупые и ленивые. Казалось бы, куда уж проще?
Параллакс - изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.
Весьма многие , скорее всего, ещё добавят информацию про парсек - расстояние до звезды, при условии, что её параллакс составляет 1 угловую секунду, которая тождественна секунде плоского угла (данный термин был получен от слов "параллакс" и "секунда").
Однако, не всё так просто, не всё так просто. Вышеприведённой информации мало, катастрофически мало. Ну что же, давайте разбираться.
00.
"Отправной" точкой, пожалуй, следует выбрать "базовые" определения, аксиомы и теоремы курса средней школы по Геометрии. Задействован весь комплекс. От простейшего: "параллельные прямые не пересекаются", "две прямые пересекаются только в одной точке", всяких, там, разных перпендикуляров, лучей и углов, до сложного: "стороны подобных треугольников пропорциональны", etc. А тут ещё и Тригонометрия. Так что, школу, думается, упомянуть было бы нелишним. Общепринятая наука, знаете ли, это...
Для наблюдения/понимания явления Параллакса нам необходимы:
Две удалённые друг от друга точки наблюдения (расстояние "не критично"). Объект, который "будет совершать кажущееся изменение своего положения". Удалённый фон/неподвижная точка или абстрактная вертикальная линия на удалённом фоне. И, наконец, перемещение "наблюдателя", которое бы "запускало движение" - кажущееся изменение положения объекта.
01. Бинокулярное зрение. Косоглазие.
Итак, Параллакс (параллактическое смещение) - изменение видимого положения какого-либо рассматриваемого объекта относительно удаленного фона при изменении угла наблюдения.
Как это "работает" в обычной жизни
Далеко за примером "ходить" не требуется. Например, я сейчас сижу перед монитором. Попеременно прищуривая правый и левый глаз, можно наблюдать смещение ярлыка стандартного виндузёвого WordPad-а относительно угла комнаты (тоже самое можно сказать и про угол монитора). Это и есть явление параллакса.
Допустим, глаза не прищуриваем, а просто меняем посадку на стуле "враскачку". Наблюдается тот же самый эффект. Принцип тот же, правда, механизм немного другой. Параллакс движения называется. Существует понятие "монокулярный параллакс движения" - то есть монокулярный зрительный признак удаленности того или иного предмета. В основе монокулярного параллакса движения лежит зависимость величины угловых скоростей смещения объектов от их удаленности при движении наблюдателя относительно этих объектов с постоянной скоростью. Наглядным примером может послужить то, как человек, находясь в едущем поезде или автомобиле, рассматривает ландшафт из окна. Если при этом смотреть на какой-нибудь предмет, то получается, что все видимое пространство вращается вокруг этого предмета. Иногда некоторые животные также используют параллакс движения, при этом они (или их голова) двигаются, чтобы получить различные точки зрения.
Природа
Почти все млекопитающие имеют определённую зону бинокулярного зрения (хотя бы небольшой угловой сектор). Благодаря этому им удается измерять расстояние до различных объектов. Высокая бинокулярность зрения характерна для существ, которым важно точно определять расстояния, например, у людей этот угол составляет до 150 градусов. Соответственно, два глаза дают два разных изображения, которые почти полностью перекрываются. Мозг, анализируя данные из двух точек наблюдения, строит объемное изображение. Для определения расстояния особенно важны два фактора: расстояние между точками наблюдения (база) и способность различать углы. База (расстояние между зрачками глаз) у людей в основном колеблется между 55 и 75 мм (усреднённым считается базис глаз - 65мм). Нетренированный человек при хорошем освещении может различить угол в 1 минуту и определить расстояние 300-400 метров, после специальных тренировок человек может различать углы в 6 раз меньше (до 10 секунд), и, соответственно, определять расстояния до 1,3-1,5 км.
Бинокулярное зрение и Стереопсис (Stereopsis)
Поскольку глаза людей и других животных находятся в различных положениях на голове, они представляют различные взгляды одновременно. Как известно, изображение видимое левым глазом слегка отличается от изображения, получаемого правым глазом. Благодаря чему наш мозг в состоянии восстановить "глубину" наблюдаемой сцены. Это - следствие stereopsis-процесса, которым мозг эксплуатирует параллакс из-за различных направлений взглядов от глаз, чтобы получить восприятие глубины и оценочные расстояния до объектов. Таким образом, бинокулярное зрение также ещё называют стереоскопическим.
Стереопсис (Stereopsis) - ощущение протяжённости пространства, возникающие при наблюдении реальных объектов. Часто упоминается как "восприятие глубины".
Если представить оптическую систему человека из двух глаз с более или менее параллельными оптическими осями (параллакс), то оказывается, что различие в изображениях как раз определяется глубиной. Это различие обратно пропорционально глубине (расстоянию), т.е. например, бесконечно удаленная точка будет проецироваться одинаково на обе сетчатки, а близко-лежащая точка будет проецироваться в совсем разные места сетчаток.
Бинокулярное зрение обеспечивается в корковом отделе зрительного анализатора благодаря сложнейшему физиологическому механизму зрения - слиянию зрительных образов, возникающих отдельно в каждом глазу (монокулярное изображение), в единое "совмещённое" зрительное восприятие. Если бинокулярное зрение не развивается, возможно зрение только правым или левым глазом. Такое зрение называется монокулярным. Отсутствие бинокулярного зрения при двух открытых глазах внешне проявляется в виде постепенно развивающегося косоглазия.
Теперь, когда мы в общих чертах ознакомились с явлением параллакса, думается, можно перейти к более сложным случаям проявления и использования данного явления. С явлением параллакса в оптике (различные оптические системы/приборы: дальномеры, фотоаппараты, прицелы, etc.) попробуем разобраться позже, а сейчас рассмотрим параллакс-эффект в web-дизайне.
02. Параллакс-эффект в web-дизайне.
"Базовые" геометрические выкладки/предпосылки
В предыдущей главе мы определили две возможные геометрические модели проявления параллакса. Для более полного понимания этих моделей можно привести пример из механики. Речь идёт о рычагах первого и второго рода. Думается, нет смысла распространяться про точку опоры (Ха! Архимед и снова общепринятая наука!). Перемещение точки опоры с условно срединной части рычага на его край не меняет принципа действия и общего названия для простейшего механизма - рычаг, он и есть - рычаг.
В случае с параллаксом мы имеем пять точек. Одна из них условно неподвижная. Четыре других связаны попарно между собой. В любом случае мы имеем две прямых в геометрическом смысле (оси зрения - скажем так), которые пересекаются в неподвижной точке. В первом эта самая неподвижная точка находится на удалённом фоне, во втором случае неподвижная точка - непосредственно сам объект. Таким образом, в обеих моделях мы получаем подобные треугольники с общей вершиной и одинаковыми углами при вершине. Это замечание нам пригодится для рассмотрения метода параллакса при определении расстояния (Астрономия). Но и об этом позже, а сейчас вернёмся к web-дизайну.
Для того, чтобы сделать сайт презентабельнее, "живее", а, следовательно, привлекательнее, создать на сайте движение, объем и глубину, разработчики предлагают добавить туда иллюзию объемного пространства и движения. Оно и понятно, - видимость объёма на плоском экране - и есть иллюзия.
Компьютерные игры. Параллакс-скроллинг
Оставим технические "заморочки" разработчикам ПО (нас они интересуют в последнюю очередь) и рассмотрим непосредственный результат. Создание на плоском экране видимости параллакс-эффекта (в результате перемещения мыши или прокрутки) подразумевает динамическое соблюдение виртуальной геометрической модели, в которой имеется "условно неподвижная" точка и две пары "условно подвижных". В принципе, пар может быть и больше, но все "первые" точки пар будут лежать на одной прямой, впрочем, и все "вторые" - тоже. Важно отметить, что подобие виртуальных соответствующих треугольников должно обязательно соблюдаться. В перспективе этого можно достигнуть с помощью двух слоёв, наложенных друг на друга. Скажем, это будет "слой фоновых изображений" и "слой переднего плана". Тогда параллакс-эффект может быть достигнут, когда фоновые изображения будут двигаться медленнее (или быстрее, - вторая модель), чем двигаются элементы, расположенные на переднем плане. В принципе, слоёв может быть сколько угодно, и чем больше их будет, тем реалистичнее будет "картинка". Но тогда возникают трудности с расчётом скоростей движения слоёв (подобие виртуальных треугольников в динамике должно соблюдаться) и "утяжелением" страницы.
Следует отметить, что некое подобие пространства можно получить и при использовании цветовой гаммы, или, там, штриховки/насыщенности тени. Но этот случай следует относить к анимации и к параллакс-эффекту отношения не имеет.
03. 3D или Стереофотография.
По сути тот же самый параллакс бинокулярного зрения, разложенный на "составляющие". Стереофотосъёмка производится с двух точек (ракурсов), в результате чего получается "стереопара", части которой рассматриваются соответствующими глазами раздельно. Различные сигналы от левого и правого глаза, как и в случае "с натурой", соединяясь в мозгу в одно изображение, создают ощущение объёмности стереокартинки. Для получения стереопары могут использоваться как специальные фотоаппараты с двумя объективами, так и простые со специальными насадками/приспособлениями, состоящих из набора призм и зеркал. Самый простой способ получения стереопары - снимать одним фотоаппаратом с разных точек. Но этот способ годится только для съёмки неподвижных объектов. Например, с помощью мобильного телефона с камерой. Для этого нужно сделать два кадра, сместившись на некоторое расстояние. Для получения стереокартинки оба кадра соединяются в один графический файл с использованием компьютерной графики из программ трёхмерного моделирования при задании двух точек наблюдения.
Однако есть одно различие. При моделировании/симуляции стереопары используется широкий диапазон стереобазиса между двумя точками, дающими стереопару (напомним, что у человека расстояние между зрачками глаз в среднем принято считать 65 мм).
Стереобазис < 65 мм
При съёмке с расстояний ближе двух метров со "стандартным" базисом параллакс достигает величины, которая снижает комфортность восприятия. Поэтому при такой съёмке стереобазис должен уменьшаться пропорционально масштабу. Чем ближе объекты съёмки, тем короче должен быть стереобазис. При съёмке неподвижных объектов уменьшенный стереобазис достигается смещением фотоаппарата между экспозициями.
"Стандартный" стереобазис
В большинстве случаев при стереосъёмке расстояние между оптическими осями объективов принимается приблизительно таким же, как между зрачками глаз взрослого человека, то есть 65 мм. Такой стереобазис считается стандартным. При этом на готовом снимке ощущение объёма соответствует впечатлению, получаемому при непосредственном наблюдении. Однако, если весь снимаемый сюжет удален от фотоаппарата дальше 100 метров, при нормальном базисе стереоснимок выглядит плоским. Оптимальное ощущение объёма достигается, в случае, когда стереобазис составляет приблизительно 1/50 расстояния до объекта съёмки.
Увеличенный стереобазис
При больших удалениях и съёмке обширных ландшафтов может потребоваться увеличение стереобазиса до нескольких десятков или даже сотен метров. Такая съёмка возможна одним фотоаппаратом, который переносится с одной точки на другую с сохранением кадрировки, или двумя камерами, синхронизированными с помощью радиоспуска. В предельных случаях стереобазис за счёт орбитального движения Земли может достигать миллионов километров, отображая объёмно астрономические объекты. В отличие от стереоснимков, снятых со стандартным базисом, съёмка с увеличенным стереобазисом искажает субъективное восприятие размеров сюжета. Объекты кажутся меньше, чем в реальности, и ближе, чем это было в момент съёмки. При очень больших стереобазисах может создаваться впечатление "игрушечности", а городские ландшафты, протяжённые в глубину, могут казаться набором плоских декораций, расставленных на разных расстояниях от наблюдателя. Также при выборе большого стереобазиса точки съёмки должны располагаться строго на одной высоте, что может вызвать некоторые трудности.
Фотограмметрия
По вышеуказанным причинам большие стереобазисы используются только в прикладных целях. Наиболее распространённое применение - измерения на местности при фотограмметрии. Здесь увеличенный стереобазис повышает точность 3D-моделирования на основе стереоснимков. Наиболее распространённая технология основана на щелевых аэрофотоаппаратах, ведущих маршрутную съёмку с двух ракурсов: с опережением по курсу и отставанием. Получаемый при этом параллакс может составлять до нескольких километров, обеспечивая отличную читаемость рельефа даже с больших высот.
Фотограмметрия - научно-техническая дисциплина, которая занимается определением формы, размеров, положения и иных характеристик объектов по их фотоизображениям. Существует два основных направления в фотограмметрии: создание карт и планов Земли по снимкам (фототопография), и решение прикладных задач в архитектуре, строительстве и т. д. (наземная, прикладная фотограмметрия).
По одиночному аэроснимку можно определить только положение точек на плане местности. Для определения пространственного положения точек местности необходимо иметь два перекрывающихся между собой аэроснимка, составляющих стереопару. Пользуясь такой стереопарой, можно определить разность высот любых точек земной поверхности. Для определения разности высоты точек, получившихся при изображении на паре перекрывающихся аэрофотоснимков, нужно измерить при помощи стереоприборов разность продольных параллаксов этих точек. Там ещё имеются в наличии различные неинтересные вычисления, основанные на принципе подобия треугольников (снова Геометрия!), и которые, думается, здесь приводить необязательно (принцип понятен). Да, стоит ещё стоит упомянуть стереоскоп (метрологический компаратор), позволяющий изучать аэрофотостереопару и устранять искажения, неизбежно возникающих из-за разности высоты съёмки.
04. Оптические системы. "Базовые" предпосылки.
Оптические системы - это, прежде всего, треугольные призмы, линзы и фокусы. А уж потом все эти конструктивные особенности приборов/аппаратов, хроматические аберрации и дисторсии, диафрагмы и экспозиции.
Элементарная оптика
Думается, нет особой надобности рассматривать элементарные законы распространения, отражения и преломления лучей света, а интерференция, дифракция и дисперсия света нам "не в тему". Нам важнее будет "освежить в памяти" информацию про тонкие собирающие линзы.
Тонкая линза - физическая модель линзы, в которой её толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.
Собирающая линза - линза, после прохождения которой параллельный пучок лучей собирается в одной точке.
Итак, - линза. При обсуждении параллакса в оптических приборах/аппаратах нам понадобится следующее:
Главная оптическая ось - прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.
Оптический центр линзы - точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую, луч света не изменяет своего направления.
Побочная оптическая ось - любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.
Фокус линзы - точка, в которой пересекаются (после преломления) лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.
Фокусное расстояние - расстояние от оптического центра линзы до её фокуса.
Побочный фокус - точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.
Фокальная плоскость - плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно её главной оптической оси (совокупность всех побочных фокусов линзы).
Увеличение линзы - величина, равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам предмета.
С призмами совсем просто. Рассматриваем общий, суммарный угол преломления. Нас в первую очередь интересует треугольная равнобедренная призма с преломляющим углом 90о.
Объектив и Окуляр. Аберрации
Оптические приборы - устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в человеческом глазе различных изображений предметов.
Простейшим устройством/присоблением является лупа, предназначенная для увеличения изображения. По большому счёту - простейший объектив. Добавляем ещё одну собирающую линзу (окуляр) - получаем пару объектив/окуляр микроскопа, позволяющего рассматривать очень мелкие предметы. Под большим углом зрения, понятное дело, - расстояние до рассматриваемого предмета невелико.
Но всё это - простейшие элементарные выкладки. На самом же деле конструкционно и объектив, и окуляр гораздо сложнее - и в микроскопе, и в фотоаппарате оптическая система включает в себя не две линзы, а гораздо больше, да и сами линзы в оптических аппаратах/приборах м.б. как собирающими, так и рассеивающими. Цели/проблемы разные - набор линз разный. Одна из весьма существенных проблем - Аберации.
Аберрация оптической системы - ошибка или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в "идеальной" оптической системе. Причина в том, что на самом деле траектория пучка световых лучей, в отличие от траектории геометрического луча, криволинейна в неоднородной среде (в реальности так оно и есть, так как лучи света изгибаются от их нормальной прямолинейной траектории из-за, например, изменения показателя преломления между тёплым (менее плотным) и холодным (более плотным) воздухом и т.д. и т.п.). Но это уже волновая оптика и "базовые" посылы градиентной оптики...
Оптическая система человеческого глаза
Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом (природная диафрагма!). Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов - более плоским. На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, изображение передается в мозг человека.
05. Параллакс в оптических системах. Фотосъёмка.
Параллакс при съёмке фотоаппаратом с фокальным затвором
Не отвлекаемся на рассмотрение параметров экспозиции (время выдержки и диафрагма), контрастность и просветление оптики, резкость и чёткость, так как к проявлению параллакса всё это отношения не имеет. Тема, безусловно интересная, но для нас в данный момент ценность она представляет "постольку-поскольку".
Так как экспозиция происходит не в одно время по всей площади фотоплёнки/светочувствительного элемента, а последовательно (по мере движения щели), и разные части кадра экспонируются не одновременно, то при съёмке быстро движущихся объектов их изображение может искажаться. На изображении неподвижных/движущихся с небольшой скоростью объектов это никак/почти не отражается. Однако при скоростях, сопоставимых со скоростью движения экспонирующей щели, изображение движущихся объектов может искажаться. Особенно это заметно на коротких выдержках, когда изображение не смазывается. При совпадении направлений объект растягивается, а при встречном движении затвора и объекта, изображение сжимается. Объекты, движущиеся перпендикулярно направлению шторок, отображаются наклонными.
Это "вредное" проявление параллакса называется Временной Параллакс. При увеличении скорости движения шторок такой временной параллакс может быть сведён к минимуму.
Щелевая фотография
Стрип-фотография, или Щелевая фотография - техника фотографии, позволяющая создавать двумерное изображение последовательной регистрацией одномерных участков снимаемых объектов через узкую щель. В отличие от традиционной фотографии, одновременно регистрирующей кадр целиком, в щелевой фотографии соседние участки кадра фиксируются в разные моменты времени. Таким образом, положение изображения движущихся объектов однозначно идентифицируется в момент прохождения предметов через линию съёмки, что используется в устройствах фотофиниша.
Казалось бы, - всё просто. Но и тут параллакс присутствует.
Практически все отображаемые объекты из-за временного параллакса выглядят на щелевом снимке искажённо, и степень искажения зависит от относительных скорости и направления движения предметов и фотоматериала. В идеальном приближении объект, движущийся относительно щели с той же угловой скоростью, что и плёнка, отображается практически неискажённым. В некоторых случаях движущаяся фотоплёнка специально синхронизируется с перемещением объектов съёмки, как это сделано в щелевых аэрофотоаппаратах. В фотофинишёрах скорость фотоматериала также сопоставима со скоростью изображения бегунов или пловцов, приводя лишь к незначительным искажениям. Однако, даже при совпадении направления, различие этих скоростей приводит к искажению пропорций предметов. Движущиеся слишком медленно кажутся на снимке широкими, а слишком быстро - узкими. В предельном случае объект, движущийся в направлении, противоположном регистрации, отображается тонкой линией или вообще остаётся невидимым. Несовпадение направления приводит к перекосу изображения, а колебательное движение на снимке выглядит волнистой линией, близкой к синусоиде. Замедление скорости объекта в момент съёмки приводит к удлинению регистрируемого изображения на плёнке.
Фотоматрица. Построчный перенос
Фотоматрица, матрица или светочувствительная матрица - специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов - фотодиодов.
Ха! Цифровые технологии, прогресс... Но параллакс "не дремлет"!
С одной стороны, с появлением цифровых фотокамер, в которых единственный сигнал дублируется как в окуляр (или экран), так и на фотоматрицу, удалось "скомпенсировать" определенную разницу положений окуляра и фокуса фотокамеры, из-за чего при съёмках близких объектов, картинка могла существенно отличаться от того, что видел фотограф. Но тут же возникла другая проблема - Роллинг-шаттер или Построчный Перенос - визуальный эффект, возникающий на фотографиях и видеозаписи из-за особенностей способа регистрации изображения матрицами видеокамеры (или фотоаппарата), при котором происходит не моментальная фиксация изображения, как в матрицах с полнокадровым переносом, а построчное считывание. Из-за построчного переноса на изображении могут возникнуть сильные искажения и несостыковки. Искажение возникает когда изображение меняется быстрее, чем успевает быть запечатлённым. В результате участки одного кадра отображают разные моменты времени, из-за чего движущийся объект (или его части) может попасть в кадр несколько раз, либо не попасть совсем. Также движущиеся объекты на снимках камер с построчным переносом деформируются. Чем быстрее движется объект, тем сильнее заметна деформация. Особенно интересные эффекты получаются при съёмке вращающихся объектов. Искажения возникают и при перемещениях самой камеры. Изображение неприятно "плывёт", возникает "Эффект Желе". Снова "получается" временной параллакс, однако.
06. Параллакс в оптических системах. Фотосъёмка (Продолжение).
Параллакс видоискателя
Видоискатель - вспомогательное устройство съёмочной камеры, которое служит для наблюдения за объектом съёмки и определения границ снимаемого кадра. Видоискатели используются для контроля качества изображения, главным образом для фокусировки.
В предыдущей главе мы уже упоминали о разнице положений окуляра и фокуса незеркальной фотокамеры. Фокус фотокамеры лежит на оптической оси объектива. "Окуляр" - это глазок видоискателя, оптическая ось которого (ХА!) не совпадает... Не совпадает из-за наличия расстояния (базиса) между оптическими осями. Таким образом, "наличествуют базовые геометрические предпосылки". Итак:
Параллакс видоискателя - несовпадение изображения, видимого в оптическом незеркальном видоискателе, с изображением, получаемым на фотографии. Параллакс почти незаметен, когда фотографируют удалённые объекты, и весьма значителен при съёмке близко расположенных объектов. Большее фокусное расстояние объектива и меньший угол зрения дают большую параллактическую ошибку.
Видоискатели таких камер видят объект съёмки иначе, чем объектив, который находится в нескольких сантиметрах от него. Таким образом, границы кадра не совпадают с тем, что видел фотограф через "глазок". Сдвиг изображения зависит не от каких либо сторонних факторов, а от особенностей расположения видоискателя в каждой конкретной модели фотоаппарата. У одних видоискатель расположен над объективом и картинка уезжает вверх, у других - слева(соответственно, кадр сдвигается влево), третьи имеют видоискатель, расположенный по диагонали относительно объектива, - у них картинка может "поехать" в обеих плоскостях.
В простых фотокамерах, оснащённых оптическим видоискателем, параллакс никак не исправлялся. Лишь некоторые модели получали в видоискателях обозначение зон, которые входят в поле кадра. Более сложные профессиональные фотокамеры, имеющие в своём арсенале механизм наводки на резкость, оснащались в дополнение к нему механизмом компенсации параллакса. При этом видоискатель наклонялся таким образом, чтобы его оптическая ось соответствовала оптической оси объектива в зависимости от выставленного фокусного расстояния. Однако возникала другая проблема. Угол, под которым объектив видит кадр, не совпадал с углом зрения видоискателя. В итоге фон немного "уезжал" относительно снимаемого объекта из-за искажений угла зрения.
С выходом в свет зеркальных фотокамер удалось устранить этот вредный эффект. Ведь у них уже совершенно по-другому построена система отображения изображения - поле зрения видоискателей возросло до 70-100% от общего поля кадра, а саму картинку глаз получает не через отдельно установленный видоискатель, а непосредственно через объектив и полупрозрачное зеркало, отражающее картинку через пентапризму (пентазеркало) в видоискатель.
Длиннофокусный объектив
Чтобы "подвести черту" под фотосъёмкой и в качестве дополнительной информации, пожалуй, стоит упомянуть о длиннофокусной оптике.
Длиннофокусный объектив - это устройство для фотоаппарата, фокусное расстояние которого значительно превышает диагональ кадра. В этом случае угол поля зрения может быть от 10о до 39о. Назначение объективов с таким фокусным расстоянием - это съёмка удаленных объектов, ведь они способны значительно приблизить объект съёмки и заметно увеличить изображение. Увеличение объекта съёмки будет тем ощутимее, чем большую разницу составляют между собой параметры фокусного расстояния стандартного и длиннофокусного объективов, а перспектива фотографии будет казаться более сжатой. К примеру, оптика с параметром фокусного расстояния в двести миллиметров почти в четыре раза будет превышать фокусное расстояние стандартного объектива (50 мм), и соответственно, масштаб изображения будет крупнее в четыре раза.
Ещё одна важная черта длиннофокусной оптики, за которую её так любят фотографы, - это возможность выделения объекта съёмки на фоне, то есть красивое "размытие". У длиннофокусного объектива небольшой угол зрения, а глубина резкости меньше, чем у стандартных образцов. Таким образом, если диафрагма полностью открыта, то глубина резкости представляет собой узкую полоску, поэтому всё пространство, кроме самого объекта, не находится в фокусе.
В случае с длиннофокусными объективами также можно говорить о дисторсии, - об искривлении геометрии. Это значит, что масштаб изображения на фото будет изменяться от центра к краям. Могут возникать в некоторых случаях и хроматические аберрации, которые проявляются как эффект цветного очертания у объекта съёмки.
07. Параллакс в оптических системах. Дальномеры.
Дальномер - это прибор, предназначенный для определения расстояния между наблюдателем и удаленным объектом без необходимости приближаться к нему.
Ну да, всё просто и понятно, - определение, вытекающее из названия. По принципу работы существующие конструкции дальномеров разделяют на две категории:
Активные;
Пассивные (Оптические).
Активные наводятся объективом на точку, к которой необходимо измерить расстояние, после чего отправляют на неё световой/лазерный или звуковой/радио сигнал. Достигнув поверхности предмета, тот отражается и возвращается обратно. Чувствительный элемент прибора улавливает волну и рассчитывает расстояние к объекту на основе времени, которое ушло на её "передвижение".
Определение расстояния в пассивных дальномерах осуществляется по совершенно другому принципу. Такие инструменты работают по законам геометрии. С помощью пассивных приборов осуществляется вычисление "построенного" равнобедренного треугольника, по параметрам которого можно высчитать расстояние (принцип основан на решении параллактического треугольника, образуемого базой и параллактическим углом). Одну из величин принимают постоянной, другую измеряемой. В зависимости от того, какая величина является постоянной, различают следующие дальномеры:
- с постоянным углом и переменной (измеряемой) базой;
- с постоянной базой и переменным (измеряемым) углом.
Именно такие дальномеры (оптические) нас и интересуют. Таким образом:
Оптические дальномеры - обобщённое название "пассивных" дальномеров с визуальной наводкой на объект, действие которых основано на использовании геометрии "элементарной" оптики. Различают оптические дальномеры:
- с постоянным параллактическим углом и выносной базой (например, нитяной дальномер, которым снабжают многие геодезические инструменты - теодолиты, нивелиры и т. д.);
- с постоянной внутренней базой - монокулярные (например, фотографический дальномер) и бинокулярные (стереоскопические дальномеры).
Теодолит
Теодолит - это распространенное измерительное устройство для определения горизонтальных и вертикальных углов. Оно применяется при проведении общестроительных работ, геодезических исследований и топографических съёмок. С его помощью можно определить вертикальные и горизонтальные углы в градусах с минутами.
Отличие теодолита от нивелира
Часто теодолит путают с нивелиром, поскольку внешне они похожи. На самом деле существует довольно-таки много отличий, позволяющих разделить эти устройства. В первую очередь, они различаются по назначению. Теодолиты применяются для измерения углов, а нивелиры для определения вертикальных превышений. Оба устройства оснащаются системой измерения с сеткой, по которой оператор ориентируется, выбирая нужные точки. У теодолита зрительная труба вращается в горизонтальной и вертикальной плоскости, а у нивелира она двигается только в горизонтальной плоскости. Теодолит не требует помощи ассистента. Для того, чтобы с ним работать, необходима только достаточная видимость, чтобы оператор мог ориентироваться по точкам на объекте, с помощью которых можно измерить параллактический угол. Для нивелира нужен помощник, удерживающий нивелирную рейку в вертикальном положении, находясь непосредственно на траектории видимости зрительной трубы.
08. Параллакс в оптических системах. Дальномеры (Продолжение).
Дальномерный фотоаппарат. Глубина резко изображаемого пространства (ГРИП)
Для начала разберёмся с глубиной резкости. Глубина резко изображаемого пространства (ГРИП) или Глубина резкости - расстояние вдоль оптической оси объектива между двумя плоскостями в пространстве предметов, в пределах которого объекты отображаются в сопряжённой фокальной плоскости субъективно резко. Непосредственно зависит от важнейших характеристик оптической системы: фокусного расстояния и относительного отверстия (диафрагмы), а также от дистанции фокусировки. При этом абсолютно резко отображаются только объекты, расположенные в одной плоскости пространства, соответствующей дистанции фокусировки. Простым языком, глубина резкости - это расстояние между не резким пространством до объекта фокусировки и не резким фоном за объектом фокусировки. Также следует упомянуть Гиперфокальное расстояние - некое расстояние, начиная с которого при любом значении диафрагмы все предметы становятся максимально резкими. Другими словами, это расстояние до ближайшей резкой точки, при настройке объектива на бесконечность.
Дальномерный фотоаппарат
Дальномерный фотоаппарат - это один из видов фототехники, который использует для фиксации на резкость дальномер. Последний представляет собой прибор, который используется для измерения расстояния от снимающего до снимаемого объекта. Ха! Всё предельно просто и понятно. Как несложно догадаться, у дальномерных фотоаппаратов фокусировка происходит при помощи дальномера - специального встроенного устройства. В оптических дальномерах, применяемых в фотоаппаратах происходит совмещение двух изображений. Одно из них рассматривается прямо через видоискатель, а другое с расстояния большего на величину базы дальномера, а следовательно, оно будет меньше. То, что одно из изображений должно быть меньше, очевидно из геометрической оптики - с большего расстояния угол, под которым видно изображение, меньше. Чем больше база дальномера, тем больше разница между масштабами изображений. Сгладить эту разницу позволяет уменьшение кратности изображения в видоискателе или уменьшение базы (в ущерб точности). В то же время, базу можно увеличивать сколько угодно только при наводке по тонкой протяженной вертикальной линии.
Часто можно услышать, что на глубину резкости влияет не фокусное расстояние, а масштаб объекта в кадре. Это будет формально неверно. По этому вопросу множество мнений и споров. Но вопрос непринципиален - оба варианта дают одинаковый результат и можно рассчитывать ГРИП через масштаб. Фокусное расстояние и масштаб, масштаб и фокусное расстояние - причина/следствие, следствие/причина, кому как нравится.
09. Параллакс в оптических системах. Дальномеры (Окончание).
Самыми массовыми бинокулярными (стереоскопическими) приборами являются Призменный бинокль и Стереотруба.
Призменный бинокль. Благодаря искусственному увеличению базиса глаз он позволяет при осмотре местности лучше чувствовать расстояние. Чаще всего изготавливаются бинокли с увеличением базиса глаз вдвое, но иногда и больше. При изменении расстояния между точками наблюдения во столько же раз меняется и параллакс. В улучшенных моделях биноклей есть возможность корректировать этот параметр.
Стереотруба - устройство, похожее по конструкции на перископ, но имеет существенное преимущество благодаря регулируемой величине стерео-базиса. Используется преимущественно у военных. Благодаря улучшенному восприятию объема легче различать военные цели. Для более точного определения расстояния на очки наносится отметка углов верньер.
10. Параллакс в оптических системах. Прицелы.
Оптическая система прицела устроена таким образом, что изображение удаленной цели проецируется объективом в плоскость, где расположена прицельная сетка.
Параллакс прицела обусловлен несовпадением изображения цели (области прицеливания) и прицельной марки на сетке, или, если точнее, то несовпадением плоскости сформированного объективом изображения цели с плоскостью прицельной сетки (это может быть как передняя фокальная плоскость объектива, так и задняя фокальная плоскость окуляра). Причина параллакса прицела - изменение так называемого телесного угла при изменении расстояния до цели. Если цель приблизить, то угол увеличивается и тем самым увеличивает задний отрезок объектива, разнося фокальную плоскость объектива и плоскость сетки по разным параллельным плоскостям.
Проявляется параллакс следующим образом: если прицел имеет прицельную сетку в фокальной плоскости объектива, то при смещении глаза перпендикулярно оси прицела можно заметить, что изображение цели "плывет" относительно центра сетки и прицельная точка "съезжает" с цели.
В большинстве современных прицелов сетка расположена в задней фокальной плоскости окуляра и в таких прицелах параллакс проявляется размытостью прицельной сетки и невозможностью видеть одновременно и с одинаковой чёткостью изображение цели и прицельной сетки, если цель находится не на "бесконечно-удаленной" дистанции. Другими словами, прицел "расфокусирован": чётко виден крест в прицеле, но мутно цель за ним, или, наоборот, цель чёткая и контрастная, а прицельной марки не видно. На профессиональных прицелах имеется устройство отстройки от параллакса. Смысл в том, чтобы изменить расстояние практической бесконечности. Другими словами, навести резкость.
Ха! И да, при прицеливании глаз должен находиться строго на оптической оси прицела в центре выходного зрачка. Стабильность такой "прикладки" достигается упорными тренировками. Если глаз стрелка находится ближе или дальше глазного расстояния, то в поле зрения получается круговое затемнение ("луна"), которое уменьшает его, мешает наблюдению и усложняет прицеливание. Но если это затемнение со всех сторон одинаково, то отклонения пули не будет.
Коллиматорный прицел
Коллиматор - устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц. Коллиматорные прицельные системы используют коллиматор для построения изображения прицельной метки, спроецированного в бесконечность. B прицеле лучи света от источника отражаются линзой коллиматора в глаз стрелка параллельным потоком.
Но, как бы то ни было, коллиматорные прицельные системы - оптические системы, и тут также присутствует параллакс, хотя это и не имеет "катастрофических последствий". При поперечных перемещениях глаза прицельная метка c точки зрения наблюдателя перемещается по линзe прицела, оставаясь на точке прицеливания вне зависимости от положения глаза наблюдателя относительно прицела. B результате этого глаз стрелка не обязательно должен находиться на оптической ocи прицела. Главное, чтобы он находился в пределах проекции линзы прицела вдоль этой ocи.
11. Измерение расстояния методом параллакса в Астрономии.
Итак, как мы уже отмечали, параллакс - видимое смещение более близкого объекта на фоне значительно более далеких при перемещении наблюдателя с одного конца некоторой базы на другой её конец. Если длина базы известна, то параллактический угол позволяет вычислить расстояние до объекта, так как при достаточной величине базы сам параллактический угол служит "мерой расстояния" до объекта. При измерении расстояний до объектов Солнечной системы достаточной базой служат размеры Земли. Перемещение наблюдателя вследствие вращения Земли вызывает изменение суточного параллакса - угла, под которым (условно) с объекта будет виден радиус Земли, проведенный в место наблюдения. Если объект наблюдается на горизонте, то его суточный параллакс принимает максимальное значение и называется горизонтальным параллаксом.
База при измерении расстояний до звёзд - размер земной орбиты. Перемещение Земли по орбите вызывает годичный параллакс (угол, под которым со звезды виден радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения). У близких звёзд он имеет заметное значение, хотя и не превышает 1".
Вся шкала расстояний в астрономии базируется на определении параллакса. Метод измерения параллакса позволяет вычислять, самое большее, расстояние лишь до ближайших звёзд, но на нём базируются все другие методы. Методы спектрального анализа, периодичности цефеид и красного смещения.
Некоторые астрономические расстояния, вычисленные методом параллакса
L = B/p , где B - база; p - параллакс в радианной мере (ввиду малости угла), 1 радиан = 206 265"
Горизонтальный параллакс
Расстояние до Луны:
Средний параллакс Луны - 57'; База - радиус Земли, 6 378 км; L = 384 400 км.
Расстояние до Солнца:
Параллакс Солнца - 8.8"; База - радиус Земли; L = 149.6 млн. км (принимается за одну астрономическую единицу - 1 а.е.).
Расстояние до Юпитера (в момент противостояния):
Параллакс - 2.2"; L = 597 млн. км (около 4 а. е.).
Годичный параллакс
Параллакс "абстрактной звезды" (скажем так) - 1"; База - 1 а.е.; L = 1 пк (парсек) = 206 265 а.е. = 3.2616 светового года. И да, поскольку количество парсек - искомое расстояние, а параллакс - угол в радианной мере (знаменатель в формуле), то чем меньше параллакс, тем больше парсек до звезды.
На этом, пожалуй, с тем, что можно "пощупать"/увидеть, можно и "закруглиться", "подвести черту".
***