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Tutorialbeschreibung

Panoramafotografie Teil 08 - Von 3D nach 2D: Grundlagen der Projektion

Panoramafotografie Teil 08 - Von 3D nach 2D: Grundlagen der Projektion

Flächen-, Zylinder- und Kugelprojektion: Projektionen sind dafür verantwortlich, wie die 3-dimensionale Welt in unsere 2-dimensionalen Bilder transformiert wird, also welcher Blickwinkel des Panoramas mit welchen Verzerrungen wie abgebildet wird. Auch verändert sich mit der gewählten Projektion das visuelle Erscheinungsbild und daraus folgend auch der Eindruck auf den Betrachter erheblich. Festgelegt wird die Projektion beim Stitchen in der Panorama-Software ...

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Panoramafotografie Teil 8 – Von 3D nach 2D: Grundlagen der Projektion

Zum Einstieg eine kurze Retrospektive: Beim Erstellen eines Panoramas aus mehreren Einzelbildern fotografiert man erstens eine Reihe normaler (rektilinearer) flacher Bilder, setzt sie zweitens in einem Panoramaprogramm zu einer virtuellen Kugel, dem virtuellen kugelförmigen Negativ (vgl. Tutorial 1), zusammen und rendert sie drittens zu einem (flachen) Panoramabild. Was hier passiert, sind im Grunde genommen drei aufeinanderfolgende Projektionen.

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Wir greifen hier noch mal auf unseren kleinen Helfer zurück: Das Strichmännchen überträgt in einem ersten Schritt seine Umgebung punktgenau auf mehrere normale (rektilineare) aneinandergereihte Bilder. Es erstellt also die Ausgangsbilder für die Panoramamontage mit einer Flächenprojektion.

Nachdem das Strichmännchen nun diese Bilder passend zueinander im Raum um eine Glaskugel angeordnet hat, überträgt es die Inhalte der Einzelbilder punktgenau auf die Oberfläche der Glaskugel: Es entsteht eine (Kugel-) Projektion, deren Ergebnis entspricht dem virtuellen kugelförmigen Negativ (vgl. Tutorial 1). Wie wird hieraus ein 2-dimensionales Panoramabild?

Es wird eine dritte Projektion vorgenommen, sozusagen eine Rücktransformation, bei der diese Sphäre oder ein Teil von ihr entweder direkt auf eine Fläche oder erst auf einen Zylinder (auch bei der Kugelprojektion) abgebildet wird, der dann flach ausgerollt wird.

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Für den stitchenden Panoramafotografen kommen dabei im Wesentlichen drei Möglichkeiten der Rücktransformation in Betracht:

• die Flächenprojektion
• die Zylinderprojektion
• die Kugelprojektion.

Sie unterscheiden sich voneinander in ihrem abbildungsfähigen Blickwinkel und in ihrer visuellen Charakteristik – sie haben jeweils ihr ihnen eigenes typisches ästhetisches Erscheinungsbild.


 

Flächenprojektion

Sie kann nur einen relativ geringen Blickwinkel abbilden, ist aber zugleich am geläufigsten. Das ist das klassische Foto, so wie wir es täglich überall sehen können. Normale fotografische Objektive und klassische Panoramakameras (vgl. Tutorial 1) mit feststehendem Objektiv bilden entsprechend der Flächenprojektion ab – und damit zentralperspektivisch.

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Diese Projektion auf eine Fläche wirkt hauptsächlich für uns so natürlich und realitätsnah, weil sie alle Geraden als Geraden wiedergibt. Aufgrund dieser Eigenschaft wird sie auch häufig als rektilineare (= geradlinige) Projektion bezeichnet.

Allerdings begrenzt diese Geradlinigkeit auch die praktische Anwendung der rektilinearen Projektion auf normal weite Blickwinkel – bereits bei einem Blickwinkel von 90 Grad werden die typischen Verzerrungen zu den Bildrändern hin betont. Überschreitet man einen Blickwinkel von 120 Grad, nehmen diese perspektivischen Vergrößerungen extreme Auswirkungen an und sind in den meisten Fällen nicht mehr akzeptabel. Die theoretische Möglichkeit, die halbe Hemisphäre mit einem Blickwinkel von 180 Grad abzubilden, wird nie ausgeschöpft: zum einen aus ästhetischen Gründen und zum anderen, weil die Bildebene, auf die projiziert wird, dann unendlich groß sein müsste.


 

Zylinderprojektion

Diese ermöglicht den Rundblick mit einem möglichen Blickwinkel von 360 Grad in der Horizontalen, ist aber wie bei der Flächenprojektion vertikal auf ca. 120 Grad begrenzt, sodass die oberen und unteren Polregionen nie abgebildet werden. Rotationskameras mit einem normalen rektilinear zeichnenden Objektiv (vgl. Tutorial 1) und Panoramakameras mit Schwenkobjektiv geben ihre Bilder z. B. standardmäßig als Zylinderpanoramen aus. Auch die gemalten Rundgemälde aus der Anfangszeit der Panoramen wurden entsprechend der Zylinderprojektion entwickelt.

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Das visuelle Erscheinungsbild dieser normalen Zylinderprojektion (oder genauer der zentralzylindrischen Projektion) unterscheidet sich stark von der Flächenprojektion. Genau wie bei der Flächenprojektion kommt es in vertikaler Richtung zu starken Verzerrungen, die schon bei einem Blickwinkel von 90 Grad betont werden und bei 120 Grad extreme Ausmaße annehmen. Ebenso können die Pole Zenith und Nadir nicht abgebildet werden, da die Darstellung zu den Polen hin weiter und weiter verzerrt und gedehnt wird und die Pole unendlich weit entfernt (auf +/– 90 Grad Breite) lägen – und damit außerhalb der begrenzten Bildebene.

Aber im Gegensatz zu dem relativen begrenzten Blickwinkel der Flächenprojektion kann die Zentralprojektion in der Horizontalen bis zu 360 Grad abbilden. Dabei stellt sie zwar senkrechte Linien auch als senkrecht dar, aber alle geraden Linien außer dem Horizont in der Mitte des Bildes werden gekrümmt, was das sehr charakteristische Erscheinungsbild der Zentralprojektion ausmacht – es ist einfach anders.


 

Kugelprojektion

Sie erfasst alles, was jemand sieht, wenn er sich auf der Stelle dreht. Ihr Blickwinkel beträgt 360 x 180 Grad – mehr geht nicht. Kann man bei der Flächen- und Zylinderprojektion die lineare Projektion der Kugeloberfläche (Sphäre) auf eine (Bild-) Ebene noch gedanklich z. B. mit einer Taschenlampe einfach nachvollziehen, so wird die menschliche Vorstellungskraft bei der Konstruktion der Kugelprojektion, für die in den Panoramaprogrammen auch gerne der Begriff „equirectangulares Panorama“ verwendet wird, auf die Probe gestellt: Diese Transformation ist geometrisch nicht mehr durch Geraden (z. B. mit dem obigen Taschenlampenstrahl) zu erreichen.

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Rotationskameras mit einem Fisheye-Objektiv zeichnen ihre Aufnahmen direkt im equirectangularen Format auf: Das Fisheye bildet dabei die 180 Grad in der Vertikalen ab und die Rotation der Kamera sorgt für die 360 Grad rundum. Da bei der Rotation für jeden Winkelschritt eine Zeile von oben nach unten aufgezeichnet wird, ergibt sich die Kugelprojektion quasi automatisch – aber diese speziellen Panoramakameras sind eher die Ausnahme als die Regel.

 
Da die Kugelprojektion, unabhängig von diesem Spezialfall, die allumfassende Ausgabe von bis zu 360 x 180 Grad Blickwinkel erlaubt und sie mathematisch sehr einfach zu erstellen ist, ist sie die Standardprojektion für viele Stitching-Programme und VR-Viewer.

Die Kugelprojektion ähnelt in den mittleren Breiten in ihrem Erscheinungsbild der Zylinderprojektion. Und genau genommen zählt sie auch zu der großen Familie der zylindrischen Projektionen, da bei ihr auch, wie bei der oben aufgeführten normalen zylindrischen Projektion, die Transformation mit dem Hilfskörper eines Zylinders als Projektionsmedium vorgenommen wird, der dann in eine Ebene abgerollt wird – bei der wissenschaftlichen Bezeichnung „abstandstreue Zylinderprojektion“ zur Beschreibung der Kugelprojektion wird dieser Bezug auch im Namen geführt.

Ähnlich der normalen Zylinderprojektion werden alle senkrechten Linien senkrecht wiedergegeben, der Horizont als gerade, waagerechte Linie entlang der Mitte des Bildes. Gerade Linien, die ober- oder unterhalb des Horizontes liegen, werden kurvenförmig gekrümmt abgebildet. Aber je größer der abgebildete vertikale Blickwinkel, umso deutlicher werden die jeweils typischen Verzerrungen und damit der Unterschied. Am auffälligsten bei der Kugelprojektion ist die Abbildung der beiden Pole Zenith und Nadir: Sie sind im Bild am oberen und unteren Rand angeordnet, aber extrem verzerrt auf die gesamte Breite des Bildes ausgedehnt.

Diese extremen Verzerrungen wirken häufig sehr befremdlich und sind ästhetisch meist fragwürdig. Bei der Ausgabe als flaches Panorama (Papierbild) beschneidet man das Bild daher oft um die am stärksten verzerrten oberen und unteren Bereiche. Im Gegensatz hierzu treten bei der Wiedergabe als interaktives digitales Panorama diese Verzerrungen am Bildschirm nicht auf, d.h., das interaktive Bild entspricht den Sehgewohnheiten des Betrachters und wirkt auf ihn vollkommen normal.


Visuelle Vielfalt

Mit der Projektion wird also sowohl der maximal abzubildenden Blickwinkel als auch das visuelle Erscheinungsbild des Panoramabildes beeinflusst. Sofern die Wahl der Projektion nicht schon vor dem Stitchen erfolgte, kann sie auch anschließend noch beeinflusst werden. Im ersten Fall wird die Projektion schon in der Panorama-Software als ein Arbeitsschritt zur Erstellung des Panoramas ausgewählt. Fast immer kann in den professionellen Programmen zwischen Flächen-, Zylinder- und Kugelprojektion gewählt werden – auch wenn die Namensgebung zum Teil variantenreich ausfällt.

 
Bei vielen einfachen Panoramaprogrammen hat man hingegen keinen Einfluss auf die verwendete Projektion – meist wird dann als Standard die Zylinderprojektion verwendet. Aber auch hier, wenn das Panorama schon gerendert ist, kann die Projektion noch verändert werden. Im Nachhinein lässt sich das Kugelpanorama z. B. mittels der Panorama-Tools in ein Zylinder- oder Flächenpanorama oder durch das Flexify-Plugin für Photoshop in viele weitere Projektionen transformieren. Ist man experimentierfreudig, kann man so auch mit anderen Projektionen (z. B. der Mercator-Projektion) versuchen, die Bildaussage entsprechend den eigenen Vorstellungen anzupassen.

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Theoretisch ist die Überführung von einer Projektion in eine andere verlustfrei – zumindest in der Kartografie, wenn mit Vektordaten gearbeitet wird. In der Fotografie werden aber gerasterte Pixeldateien verwendet, eine Transformation führt damit zwangsläufig zu einem Verlust an Bildinformationen:

Empfehlenswert ist es unter dem Qualitätsaspekt, die gewünschte Projektionsart frühestmöglich schon vor dem eigentlichen Rendering in der Panorama-Software festzulegen. Und damit wären wir schön beim nächsten Teil der Serie ...


Vorschau

In Teil 9 und 10 der Panoramaserie dreht sich alles um die Panorama-Software, die für uns in der Praxis die Einzelbilder unserer Bildserien zueinander positioniert, transformiert (Projektion) und zu einem nahtlosen Panorama rendert und blendet.


Links

Panorama Tools: www.photocreations.ca/panotools oder www.kekus.com/software/plugin.html
Flexify: www.flamingpear.com.

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Kommentare
Portrait von shk79
  • 02.08.2012- 11:44

Das Thema ist gut erklärt, allerdings fehlt mir etwas der Praxisbezug. Welche Projektion für welchen Typ von Panorama. Einige Hinweise hat es im Text drin versteckt.

Portrait von marichen
  • 28.12.2011- 17:27

mal wieder super arbeit - vielen dank

Portrait von Badtrans
  • 21.11.2011- 19:42

Sehr einfach und verständlich - super gemacht!

Portrait von senx
  • 19.07.2011- 11:45

Sehr interessant und hilfreich! Danke!

Portrait von magicg
  • 23.02.2010- 09:16

sehr gut erklärt! Das hat sich die volle Punktzahl verdient!

Portrait von loe

loe

  • 22.02.2010- 18:31

Wieder sehr interessant und hilfreich! Danke!

Portrait von mielkedet
  • 18.02.2010- 20:43

Bin auf die Software - Beiträge gespannt

Portrait von kevino
  • 20.12.2009- 22:02

Sehr schön erklärt, hat mir weitergeholfen, dankeschön.

Portrait von Motte70
  • 03.11.2009- 13:30

Komplex aber gut beschrieben. I

Portrait von HorstMueller
  • 01.10.2009- 22:51

Gut erklärt. Schön geschrieben. Sehr verständlich.

Portrait von KSFoto
  • 10.09.2009- 08:14

Gutes Hintergrundwissen ..

Portrait von asupp
  • 30.07.2009- 09:05

Danke für die weiteren Details...!

Portrait von trolli4
  • 03.07.2009- 09:41

Ja ja, immer wieder klasse.

Portrait von moika111
  • 03.07.2009- 07:39

Verständlich beschrieben und lesenswert

Portrait von mattscher0202
  • 02.07.2009- 21:06

na das is ja mal hammer geil. super arbeit

Portrait von Reddy61
  • 02.07.2009- 17:49

Sehr gutes Tutorial,manchmal ein bischen schwer zu verstehen.

Portrait von jbpsd
  • 27.06.2009- 20:32

Sehr interessant beschrieben!!!!!!!!!!!!!!!!!

Portrait von Tom321
  • 27.06.2009- 12:24

Super Hilfreich, wenn man sich mit Panoramas erst beschäftigen will. Vielen Dank

Portrait von Nemo1963
  • 26.06.2009- 18:15

Sehr gut...viel Theorie, aber das muss halt sein. Jedenfalls kann ich mir die Problematik nun besser (bildlich) vorstellen. Danke!

Portrait von roman2
  • 26.06.2009- 15:21

wie immer genial !!!!!!!!!!!!!!!!!!



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