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Panorama mit Shift-Objektiv

Hersteller von TS-Objektiven werben gerne damit, dass man ein Tilt-Shift-Objektiv für Panoramafotografie nutzen kann. Sie suggerieren, man müsse einfach nur die Linse einmal nach rechts und einmal nach links schieben (oder nach oben und unten), und schon hat man zwei Teilbilder, die zu einem Panorama zusammengefügt werden können. Wie, das erklären sie nicht.
Immer wieder werden wir angefragt, ob und wie man denn ein Tilt-Shift-Objektiv an einem Panoramasystem verwenden kann. Meist sind es Canon 5DMk2/3-Besitzer, die ihr 17er oder 24er TS benutzen wollen. Beide Linsen werden gerne als hoch auflösende und wenig verzeichnende Weitwinkel an der Canon 5D verwendet.
Einige Fotografen haben uns ihre mißglückten Stitchingergebnisse zugeschickt und den Fehler im Panoramasystem gesucht. Nicht nur deshalb haben wir bisher konsequent davon abgeraten, ein TS am Panoramasystem zu nutzen. 
Sieht man einmal davon ab, dass die Arbeit mit einer so schweren Kamera-Objektiv-Kombination an keinem Panoramasystem wirklich Spaß macht, gibt es einiges zu beachten, sollen TS-Objektive für Panoramafotografie eingesetzt werden. Und selbst dann bieten TS-Objektive noch mancherlei Fehlerpotential am Panoramasystem.
Es ist Zeit aufzeigen, was geht und was nicht - und wie. 
 
Generell wird Panoramafotografie mit zwei völlig unterschiedlichen Ansätzen betrieben 
 
A     shiften und flach "flat" stitchen
B     rotieren, wölben und "sphärisch" stichen
 
Die grundsätzlichen Unterschiede dieser Ansätze sind folgende: 
 
A: „flat stitching“ von 2-3 Aufnahmen mit einem Shift-Objektiv
Shift-Objektive erlauben einen seitlichen Versatz der optischen Achse relativ zum Sensormittelpunkt. Mit dem Versatz der optischen Achse lässt sich der Fluchtpunkt in der Zentralprojektion verschieben.
Heute werden Shift-Objektive zusätzlich noch mit einer Tilt-Funktion ausgestattet. Diese erlaubt zudem noch die Neigung der optischen Achse um die Schärfentiefe nach Scheimpflug zu beeinflussen.
28mm Super-AngulonBeispiele für Shift- und Tilt-Shift-Objektive sind folgende:
Canon TS-E 17mm f/4, TS-E 24mm f/3.5
Nikon PC 28mm & 35mm
Nikon Nikkor PC-E 24mm f3.5 D ED
Samyang T-S 24mm 1:3.5 
Insbesondere sind hier aber die bekannten TS-Linsen von Hartblei
(http://www.hartblei.com) und Schneider-Kreuznach (z.B. das 28mm Super-Angulon) zu erwähnen.
 
Mit Hilfe der Shift-Mechanik lässt sich bei diesen Objektiven die optische Achse der Linsen gegenüber der Sensormitte um die halbe Sensorhöhe, also 11...12mm verschieben. Damit das Bild trotz des seitlichen Versatzes der optischen Achse noch auf dem Sensor liegt, muss der Bildkreisdurchmesser dieser Linsen deutlich größer sein als die Sensordiagonale.
Am KB-Vollformat haben „normale“ Objektive ca. 44mm Bildkreisdurchmesser. Der Bildkreisdurchmesser der TS-Objektive beträgt dagegen 68mm und mehr.
Verschiebt man die optische Achse, passt der Vollformatsensor 2-3 mal im Hochformat nebeneinander in den einen Bildkreis.
Die TS-Konstruktionen sind also Mittelformatobjektive mit großer Schnittweite, die mit einer TS-Mechanik an das DSLR-Auflagemaß adaptiert sind.
Wenn man es schafft, das Objektiv auf dem Stativ zu fixieren und den Body relativ zur optischen Achse zu verschieben, kann man folglich mehrere Aufnahmen machen, die alle innerhalb des eines Bildkreises liegen und daher exakt, also pixelgenau nebeneinander gelegt werden können. Mit jedem gewöhnlichen Bildbearbeitungsprogramm kann man diese Bilder dann pixelgenau und flach zu einem einzigen Bild zusammenfügen. Selbst der cos4-Lichtabfall verläuft dann homogen über das flach gestitchte Panorama.

Die wesentlichen Merkmale dieser Art der Panoramagenerierung sind also

  • der Bildkreis steht fest im Raum
  • alle Quellbilder liegen innerhalb eines Bildkreises
  • die Bilder passen flach pixelgenau zusammen

Aber Achtung: Damit trotz Shiftens der Bildkreis fest im Raum steht, muss das Objektiv auf dem Stativ fixiert werden und der Kamera-Body wird geshiftet ! (un-sinnigerweise haben die TS-Objektive von Canon, Nikon und Samyang kein eigenes Stativgewinde !). Die Nutzung als Panoramaobjektiv ist daher so nur in Verbindung mit einem Schiebeschlitten möglich.

Weitere gut aufbereitete Informationen zum Thema finden Sie auch hier.

Nur die wenigsten Panoramafotografen besitzen ein TS-Objektiv. Die gängige Panoramatechnik ist daher nicht der eben beschrieben Ansatz, sondern

 
B. Rotieren, wölben & sphärisch stitchen
Bei dieser Technik wird die Kamera um die Eintrittspupille des Objektivs („den Nodalpunkt“) gedreht, wahlweise in einer Ebene („single row“) oder horizontal und vertikal („multi row“). Die Bilder müssen ca. 30% überlappen, damit die Mustererkennung der Stitching-Software im Überlapp-Bereich Kontrollpunkte finden kann, anhand derer die Quellbilder passgenau übereinander gelegt werden können.
Dieses Ausrichten der Quellbilder ist aber nur dann möglich, wenn vorher die Bilder gewölbt, also auf eine Kugeloberfläche projiziert  werden. Denn jedes der Quellbilder ist ja perspektivisch verzeichnet. Selbst wenn sie mit dem besten 2500€ teuren Zeiss Diastagon aufgenommen wurden, sind die Aufnahmen perspektivisch verzeichnet. Nach der Projektion der Quellbilder auf eine Kugeloberfläche lässt sich die Verzeichnung vollständig kompensieren und korrigieren. Dann werden die gewölbten Bilder im Überlappbereich genau zueinander justiert bevor sie zu einem Panorama gestitcht werden. Im letzten Schritt des Stitching-Prozesses erfolgt die Reprojektion auf eine plane Fläche (Flächenpanorama), einen Zylinder (Zylinderpanorama) oder einer Kugel bzw. einem Würfel. All das läuft in einem Stitchingprogramm weitgehend automatisch ab.
Die wesentlichen Merkmale dieses Ansatzes sind also

  • Die Eintrittspupille steht fest im Raum
  • Rotation der Kamera um die Eintrittspupille
  • Überlappende Quellbilder
  • Wölben der Quellbilder
  • Reprojektion

Ein Panoramasystem ist nur beim sphärischen Stitchen erforderlich. Es versetzt die Kamera auf dem Stativ derart, dass die optische Achse und die Rotationsachse(n) sich genau in der Eintrittspupille des Objektivs schneiden. Nur wenn die Eintrittspupille fest im Raum steht, ist es möglich, dass alle Bilder aus der selben Perspektive aufgenommen werden - und ohne Parallaxenfehler zusammengebaut werden können.

 Immer wieder möchten Besitzer eines TS-Objektives das TS am single-row KISS Panoramasystem nutzen. Sie haben die Idee, die oben genannten Ansätze zu kombinieren, indem sie das TS vertikal shiften und die Kamera am Panoramasystem rotieren. Auf diese Art und Weise möchten sie zwei- oder dreireihige Panoramen mit dem single-row-Nodalpunktadapter KISS und einem Shift-Objektiv machen.

Aber wie ?

Theoretisch müsste PTGUI damit zurechtkommen.
Tatsächlich ist der Optimizer der Pano-Tools, der Kern der gängigen Stitching-Programme, in der Lage, nicht nur die Verzeichnung in den Quellbildern zu korrigieren, er berechnet auch den Versatz der optischen Achse gegenüber dem Zentrum des Sensors. Dieser Versatz beträgt 
bei einem feststehenden Objektiv in der Regel wenige Pixel - und er ist für alle Aufnahmen gleich. Beim Shiften eines TS-Objektivs um 11mm beträgt der Versatz aber unter Umständen mehrere Tausend Pixel.

Um das zu verifizieren habe ich das kompakte 28mm PC-Nikkor in ebay ersteigert. Nach dem Vermessen der Linse habe ich den KISS der D800 darauf konfiguriert und Test-Panos mit und ohne Shift im Büro aufgenommen. Der Nahpunkt war dabei ca. 1m vor der Linse. Wenn so im Nahbereich ein befriedigendes Stitching-Ergebnis erreicht wird, sollte die Verwendung für Architekturaufnahmen mit größerem Abstand keinerlei Probleme machen.
Die Vorgehensweise und Ergebnisse stelle ich im Folgenden zusammen.
Das legendäre 28er PC-Nikkor ermöglicht das Shiften um 11mm in eine Richtung sowie das Drehen des geshifteten Objektivs um 360°. Damit kann das komplette Linsensystem in jede Richtung senkrecht zur optischen Achse um 11mm relativ zur Sensormitte verschoben („SHIFTed“) werden. Im Gegensatz zu den neuen PC-E-Nikkoren besteht kein Möglichkeit des „TILTens“. Das Objektiv ist dafür sehr kompakt und völlig unproblematisch am Panoramasystem. Vorteilhaft bei der Panoramafotografie sind das geringe Gewicht der Linse und der kurze Nodalpunktabstand.
Im Hinblick auf die weitere Betrachtung möchte ich hier erwähnen, dass an einem single-row Pamoramasystem wie dem KISS der vertikale Versatz der optischen Achse irrelevant ist, sofern die optische Achse horizontal ausgerichtet ist. Voraussetzung für eine parallaxefreie Montage der Einzelbilder zu einem Panorama ist nur, dass sich die optische Achse (Linse !) und Rotationsachse des Nodalpunktadapters in der Eintrittspupille schneiden und diese fest im Raum steht.
 
C. Verwendung des Shift-Objektivs am Panoramasystem
Um die Arbeiten zu vereinfachen, habe ich pro Reihe 4 Quellbilder nur in JPG aufgenommen und zu Zylinderpanoramen in JPG gestitcht. Für diese eher qualitativen Betrachtung soll das genügen. Die Quellbilder wurden in keiner Weise bearbeitet und in maximaler D800-Auflösung direkt in PTGUI gespielt.
Rotiere ich die Kamera mit dem nicht geshifteten Objektiv um dessen im Raum fest stehende Eintrittspupille (beim 28er am Vollformat mit 36°-Schritten), lassen sich die Bilder problemlos stitchen. Im Folgenden gehe ich auch nur auf die Möglichkeiten in PTGUI ein. Andere Programme mögen beim Stichen geshifteter Quellbilder Probleme bereiten.
Optimizer-Lauf mit gestifteter BildreiheDer Optimizer berechnet problemlos den richtigen Bildwinkel FOV, die Verzeichnungskoeffizienten a, b, c und den Versatz d und e. Das Stitching-Ergebnis ist einwandfrei.
Verschiebe ich dann die Linse gegenüber der am Panoramasystem fixierten Kamera (D800) 11mm vertikal nach unten, schneiden sich immer noch Rotationsachse und optische Achse in der Eintrittspuille. 
Rotiere ich so den KISS um die vertikale Drehachse, lässt sich diese versetzte Bilderreihe allein auch problemlos stitchen. Der Optimizer in PTGUI errechnet dann einen vertikalen Versatz der optischen Achse (Parameter "e") gegenüber dem Sensor von -2274 Pixeln. Das ist plausibel: Der 36 Megapixel-Sensor der D800 hat 4,8μm Kantenlänge  (36mm/7360 Pixel). Verschiebt man das Objektiv um 11mm gegenüber der optischen Achse, beträgt der Versatz also 11.000μm/4,8μm/Pixel=2291 Pixel.


Entsprechend kann ich die Linse 11mm vertikal nach oben verschieben, dann diese obere Reihe aufnehmen und problemlos stitchen. Der Optimizer berechnet den vertikalen Versatz dann zu 2253 Pixel. 

Wölbungsparameter des Optimizers
Reihe FoV f a b c d e
"0"  ohne Shift 45,59 28,6 0,007 -0,022 0,001 -15,9 -19,8
-11  shift nach unten 45,96 28,3 0,006 -0,017 -0,005 7,6 -2274
+11  Shift nach oben 46,05 28,3 0,007 -0,021 -0,001 37,5 2253

 

 

 

 

Single row mit versetzter Linse ist also in PTGUI kein Problem. 

Aber "multi-row" - genauer gesagt: zweireihig mit einem Shift-Objektiv am single-row Panoramasystem ?

Will man obere und untere Reihe zusammen zu einem Panorama stitchen, ist Grundvoraussetzung, dass die Eintrittspupille bei allen Quellbildern gleich fest im Raum steht. Um dies zu gewährleisten, muss man mit der Mittelsäule des Stativs die vertikale Verschiebung der Linse kompensieren, also die Mittelsäule bei der oberen Reihe um 22 mm ablassen. Mithilfe einer Markierung an der Mittelsäule konnte ich das ungefähr einstellen.

Wenn man beide Bildreihen wie bei einem normalen multi-row-Panorama einfach in PTGUI einliest und Kontrollpunkte suchen lässt, berechnet der Optimier zunächst nur Schrott. Es wird grundsätzlich eine viel zu lange Brennweite errechnet. Das Panorama weist einen viel zu kleinen Bildwinkel auf und die Übergänge stimmen nicht. Der Optimizer geht ja davon aus, dass die optische Achse ungefähr die Sensormitte trifft und ein möglicher Versatz bei allen Quellbildern identisch ist. Doch das ist hier nicht der Fall: Die obere Reihe und die untere Reihe sind ja um ca. 4500 Pixel versetzt. Um das in PTGUI mitzuteilen, geht man am besten wie folgt vor:

  1. Aus der nicht geshifteten Bildserie ein Template anlegen (die Brennweite f und die Verzeichnungsparameter a, b und c werden notiert)
  2. dann in einem neuen Projekt zunächst nur die untere gestiftete Reihe einlesen und stichen (ggfs. f, a, b, c vorgeben). Die Parameter d und e global berechnen lassen
  3. den vertikalen Versatz "e" dieser Reihe notieren (-2274 Pixel)
  4. dann die obere Reihe der Quellbilder dazuladen, alle Kontrollpunkte löschen und das Alignment neu starten (man braucht ja Kontrollpunkte für alle Quellbilder)
  5. das Template der nicht geshifteten Reihe aufrufen
  6. Im "Extended Mode" des Optimizers „global shift“ deaktivieren
  7. unter „Lens settings“ „vertical shift“ bei allen Quellbildern aktivieren, und die Werte für Brennweite, a, b und c manuell mit den Werten aus dem 1. Panorama ohne Versatz überschreiben
  8. unter „Image Parameters“ die Werte für den „vertical shift“ manuell korrigieren (also +2253 und -2274)
  9. erst dann den Optimizer aufrufen
  10. wie gewohnt danach die schlechtesten Kontrollpunkte verwerfen und final optimieren

Einstellungen für Optimizer für "multi-row"Wenn alles gut gelaufen ist, werden die Quellbilder der beiden Reihen einigermaßen genau justiert, richtig gewölbt und fehlerfrei gestitcht. Fehler treten zwangsläufig auf, wenn der Versatz der oberen und unteren Bildreihe nicht richtig durch die Verschiebung der Mittelsäule kompensiert wurde. Entscheidend für die Qualität ist die Anzahl und Qualität der Kontrollpunkte im vertikalen Überlappbereich.

Optimizer-Ergebnis für "multi-row"PTGUI konnte trotz des manuellen Eingriffs in den Image Parametern mit dem beschriebenen Verfahren die Quellbilder im Nahbereich nicht ganz perfekt stitchen. Das Problem besteht vermutlich darin, dass bei der Mustererkennung ja zunächst der Versatz der beiden Reihen nicht berücksichtigt werden kann, der Algoritmus also von gleichem Offset für alle Quellbilder ausgehen muss. Die Qualität der Kontrollpunkte ist daher zunächst eher schlecht.
Ich vermute, dass man das Ergebnis deutlich verbessern kann, wenn man nach dem ersten Optimizer-Lauf zusätzliche Kontrollpunkte generiert und daraufhin weiter optimiert. Durch die Vielzahl der Fitparameter dürfte es dem Optimzer aber grundsätzlich schwer fallen, den genau passenden "best fit" zu finden.

Das hier beschriebene Verfahren für multi-row mit dem Shift-Objektiv funktioniert grundsätzlich, es ist aber wenig praktikabel.
Aber für horizontale single-row Panoramen kann man die Shift-Objektive problemlos einsetzen, solange nur vertikal geshiftet wird. Ein horizontaler Shift würde jedoch in dem Fall die Eintrittspupille seitlich zur Rotationsachse versetzen und entsprechende Stitchingfehler hervorrufen.
Mit einem vertikal geshifteten TS-Objektiv wie dem Canon TS-E 24mm lassen sich also perspektivisch korrigierte Flächenpanoramen z.B. für Architekturaufnahmen mit hoher Qualität anfertigen.
Das aufzuzeigen war die eigentliche Intention.  

Anmerkung: Die Verwendung dieser relativ großen TS-Objektive hatten wir bei der Konzeption und Dimensionierung unseres KISS in Hinblick auf die Kompaktheit bewusst außer Acht gelassen. Inzwischen haben wir aber auf Drängen einiger Profifotografen einen speziellen KISS für die 5D gebaut, mit dem das 17er und 24er Canon TS-E an der 5DMk2/3 problemlos verwendet werden, natürlich auch mit geshifteter Optik. Das besondere an diesem KISS ist neben der besonders stabilen Konstruktion eine Vorrichtung, die das gesamte Drehmoment der schweren Optik aufnimmt. Das Kameragewinde wird dabei also nicht strapaziert.

Kommentare

Wenn ich mehrreihige Panoramen mit dem geshifteten Objektiv wie unter C (im Artikel "Panorama mit Shift-Objektiv") beschrieben aufnehme, sollte das stitchen doch einwandfrei klappen, wenn ich zuerst die an der selben Position des Panoramasystems durch shiften des Objektivs aufgenommenen Bilder (also entsprechenden Bilder aus der obereren und der unteren Reihe) flach stitche (wie unter A beschrieben) und diese dann im Stitch-Programm als einreihiges Panorama zusammenfüge.  

Ja, Sie haben recht. ABER es genügt dabei nicht, das Objektiv nach oben und unten zu shiften. Man muss das Objektiv FEST IM RAUM fixieren und den Kamerabody shiften und diese Triplets "flat" stitchen. Danach kann man mehrere flach gestitchte Triplets mit einer Stitching-Software wölben und stitchen.
Also: die Eintrittspupille muss bei ALLEN verwendeten Aufnahmen fest im Raum stehen, so wie das oben beschrieben ist. Sehr praktikabel ist das nicht.

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