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Fisheye-Objektive

Spezielle Objektivtypen für Kugelpanoramen
Um aus Einzelbildern ein Kugelpanorama zusammenzusetzen ( zu "stitchen") kann man alle möglichen Brennweiten einsetzen. Es ist sogar möglich, bei der Aufnahme eines einzelnen Panoramas verschiedene Brennweiten zu mischen.
Um nicht mehr Aufwand als unbedingt nötig zu betreiben und um die Probleme mit bewegten Bilddetails zu minimieren, nutzt man in der Regel aber nur eine einzige, möglichst kurze Brennweite. Häufig ist das ein Fisheyeobjektiv.

Fisheyeobjektive
Diese Objektive haben die Fähigkeit, mehr oder weniger den kompletten Raum vor der Kamera einzufangen, ihr Blickwinkel beträgt bis zu 180° und mehr.
Durch den großen Bildwinkel ergibt sich eine ungewöhnliche Art der Abbildung. Linien, die nicht durch die Mitte des Bildes gehen, werden (zum Bildrand hin immer stärker) gebogen dargestellt.


Diese besondere Projektionsart ist bei Fisheyeobjektiven gewollt und lässt sich leicht aus den Zusammenhängen erklären. Wenn Sie sich nah vor eine "unendlich" lange Mauer stellen und im rechten Winkel darauf blicken, dann sind die oberen und unteren Mauerkanten parallel zueinander.
Wenn Sie nun den Kopf nach links oder rechts drehen würden, um die Bereiche zu betrachten, die in 90° zur ursprünglichen Blickachse liegen, werden Sie sehen, dass die Mauer sich in die Tiefe verjüngt und die Mauerkanten im Fluchtpunkt aufeinander treffen (so wie es sich für parallele Linien ja auch gehört)

Die Zigarre
Das Fisheyebild gibt diese gesamte Szene mit der Mauer in einem einzigen Bild wieder. Es kann ja 180° und mehr aufzeichnen. In einem einzelnen Bild stecken also alle drei Ansichten (und jeder Zwischenwert) gleichzeitig im Bild. Sie blicken mit 0° rechtwinklig auf die Mauer und zusätzlich blicken Sie noch um 90° oder mehr in die anderen Richtungen.


Ein Blickwinkel von +90° bis -90° ergibt den Blickwinkel von 180°, der mit einem Fisheye üblicherweise möglich ist. Da alle Zwischenansichten von +90° bis -90° im Bild sind, muss die Mauer aus dem Beispiel langsam von parallelen zu aufeinander zu laufenden Linien übergehen.
Sie muss zigarrenförmig verformt sein, damit die Ansichten stufenlos zusammenpassen.



Diese besondere Form der Wiedergabe ist typisch für Fisheyeobjektive.
Bei "normalen" Objektiven kommt es dagegen zu einer rectilineraren Form der Projektion, bei der die rechten Winkel (und damit auch alle anderen Winkel) des Motivs im Bild erhalten bleiben (recti-) und bei der gerade Linien gerade bleiben (-linear).
Wenn gerade Linien gerade bleiben, müssen parallele Linien parallel bleiben. Das würde bei der Wiedergabe eines Blickwinkel, der von -90° bis +90° reicht und so unendlich lange Parallelen abbilden kann, auch ein unendlich langes (im Mauerbeispiel breites) Foto nötig machen.
Aus diesem Grund lassen sich rectilinear nur beschränkte Bildwinkel abbilden, bis etwa 100°, je nach Motiv mit Einschränkungen und einigen Darstellungstricks auch bis 120° oder 140°.




Der Bildkreis
Wie fast alle Objektive zeichnen auch die Fisheyeobjektive einen runden Bildkreis aus. Bei "normalen" Objektiven (rectilinear) wird nur ein rechteckiger Ausschnitt aus dem Bildkreis eines Objektives genutzt.





Diesen Fall gibt es natürlich auch bei Fisheyeobjektiven.
Dann liegt der rechteckige Aufnahmebereich des Sensors vollständig innerhalb des Bildkreises, nur die Ecken des Sensors berühren den Rand des Bildkreises. Dadurch ist der volle Bildkreis des Objektives (und damit der volle Bildwinkel von ca. 180° oder gar mehr) nur von Ecke zu Ecke in den Diagonalen nutzbar.
(Die typische Brennweite für diesen Fall beträgt an Kleinbild/Vollformat 15mm, an Kameras mit Sensorgrößen analog zu APS-C (Cropfaktor 1,5 oder 1,6) beträgt sie 10mm bzw. 10,5mm)
Der Bildkreis wird an allen vier Seiten beschnitten. Es handelt sich dann um ein sogenanntes Fullframe-Fisheye, das den gesamten Bildbereich ("Frame") mit Informationen füllt. (Der Namensteil "Fullframe" hat nichts mit dem Vollformat-Sensor zu tun.)



Es gibt aber auch andere Fisheyeobjektive, bei denen der Bildkreis kleiner ist. Er fällt dann vollständig in den Bereich des Sensors. Auf dem Sensor entsteht ein kreisrundes Bild, das in jede Richtung den vollen Bildkreis, die vollen 180° aufzeichnet, man spricht von "circularen" Fisheyeobjektiven. Diese kreisförmig abbildenden Fisheyeobjektive für das Vollformat haben typischerweise 8mm Brennweite, es gibt aber auch kürzere.
Um für ein vollständiges 360° (Kugel-) Panorama ausreichend Überlappung zur Verfügung zu haben, muss man damit (Circulares Fisheye an Vollformat) in der Regel drei Aufnahmen anfertigen. Einige Verfahren basieren sogar nur auf zwei Aufnahmen, aber damit kommt es oft zu schlechterer Bildqualität im Überlappungsbereich.
Der genutzte Sensorbereich ist im Vergleich zur vollständigen Sensorfläche relativ klein, der Durchmesser des Bildkreises kann höchstens so viele Pixel haben wie der Sensor auf der kurzen Seite liefert. Oft ist der Bildkreis sogar noch etwas kleiner und deckt entsprechend weniger Pixel ab. So kann man nur verhältnismäßig kleine Panoramen produzieren.


"Crop"
Viele digitale Spiegelreflexkameras haben Aufnahmechips, die deutlich kleiner sind als die Fläche eines Kleinbildnegativs. Oft haben diese Sensoren die Größe eines APS-C Negatives. Dadurch ergibt sich ein Umrechnungsfaktor zu einem Vollformatsensor von 1,5 (Canon 1,6 - Sigma 1,8 und Olympus 2,0).
Da diese Kameras nur einen kleineren Teil des Bildkreises und damit des Bildwinkels eines Objektives nutzen, scheinen die Objektive eine längere Brennweite zu haben. Es ergibt sich eine gefühlte Brennweitenverlängerung. Diese gefühlte Brennweite ist um den "Cropfaktor" länger ist als die tatsächliche Brennweite des genutzten Objektives.



Ein und dasselbe Objektiv ergibt bei gleichen Einstellungen und gleichem Motiv ein und denselben Bildkreis. Wenn man nun Vollformatsensor und Crop-Sensor vergleicht, stellt man fest, dass der Zweite nur einen kleineren Teil des Bildkreises nutzt. Wenn beide Bilder aufs gleiche Endformat (z.B 10x15 oder DIN A4 oder "monitorfüllend") vergrößert werden, ist im Bild, das mit dem Cropfaktor aufgezeichnet wurde, ein kleinerer Ausschnitt zu sehen, dieser wird aber vergrößert dargestellt. Ein gleiches Bild (in Ausschnitt und Detailgröße) könnte man mit dem Vollformatsensor erreichen, wenn man die Brennweite verlängern ("heranzoomen") würde. Der kleinere Sensor sorgt für eine gefühlte Brennweitenverlängerung.

"Crop" und Fisheye
Anmerkung:
Um die Verwirrung zu vervollständigen, gibt es bei gleicher Brennweite und gleicher Sensorgröße Unterschiede im abgebildeten Bildwinkel. Zum Glück sind diese meist nicht so drastisch.
Aber zumindet bei einem Objektiv, dem 8mm Smayang (dass aber wohl auch unter anderen Namen verkauft wird) ist der Unterschied so groß, dass man ihn berücksichtigen muss. Hier ist der Bildwinkel bei einer Verwendung an "Crop-Kameras" deutlich kleiner als bei vielen anderen 8mm Fisheyeobjektiven,so dass man mehr Aufnahmen machen muss, um den Bildkreis abzudecken.
Wenn hier im folgenden von 8mm Brennweite die Rede sein wird, gehe ich, wenn nicht anders angegeben von einem "normalen" 8mm Objektiv aus.

Wenn an einer solchen Crop-Kamera ein circulares Fisheye eingesetzt wird, dass für das Kleinbild- bzw. Vollformat gedacht ist, so ist der Bildkreis in Teilen größer als der Sensor. Dadurch wird er an den langen Seiten angeschnitten. Über die Länge des Bildes hat ein solches Objektiv dann immer noch 180°. Über die kurzen Seiten gesehen ist der nutzbare Bildwinkel dagegen kleiner als 180° (ca. 120°).




Wenn die Kamera im Querformat eingesetzt wird, kann die volle Motivhöhe von 180° nicht in einer Aufnahme aufgezeichnet werden. Man muss mehrere Aufnahmereihen zu einem vollständigen Kugelpanorama kombinieren.



Hochformat
Wenn die Kamera stattdessen im Hochformat eingesetzt wird, stehen für die Motivhöhe die vollen 180° des Objektives zur Verfügung, es wird also in der Höhe der komplette Raum erfasst. Horizontal ergibt sich mit vier Aufnahmen durch die ~ 120° Bildwinkel ausreichende Überlappung für ein vollständiges Kugelpanorama mit 360°.


Weil der von den 180° erfasste Sensorbereich genauso groß ist wie bei der weiter oben gezeigten horizontalen Ausrichtung der Kamera, ist die Anzahl an Bildpunkten und damit die mögliche Panoramagröße bzw. -qualität identisch.
Es ist aber so nur eine Aufnahmereihe nötig, der Aufwand beim Fotografieren und beim anschließenden Bearbeiten ist dadurch deutlich geringer.
Aus diesem Grund sind die meisten "Nodalpunkt"-adapter so aufgebaut, dass die Kamera im Hochformat befestigt werden kann.



Mögliche Auflösung
Der Bildkreis des 8mm Objektives ist an einer Crop-Kamera im Verhältnis zur Sensorfläche größer als bei einer Vollformatkamera, der kleinere Sensor wird also besser ausgenutzt als der einer Vollformatkamera.
Bei einigen Kameras mit kleinem Sensor sind die Pixel dichter gepackt als bei Vollformatkameras, hier werden von dem Bildkreis mehr Pixel belichtet, das resultierende Panorama kann größer sein.



Da die Pixeldichte (also die Anzahl Pixel pro Quadratmillimeter Pixelfläche) bei Cropkameras in der Regel höher ist als bei Vollformatkameras, kann der kleinere Sensor am 8mm-Objektiv größere Panoramen erzeugen.
Im Vergleich einer Canon 7D (Crop mit 18Megapixel) mit einer 5D-MKII (Vollformat mit 21MP) bedeckt der Bildkreis in der Höhe an der 7D über 5000 Pixel, an der 5D-MKII dagegen nur etwa 3700 Pixel. (Jeweils im Hochformat)

In beiden Fällen hat der Bildkreis ca. 180° Bildwinkel. An der D7 stehen dafür 5.000 Pixel zur Verfügung, das Panorama kann deshalb in der Breite (360°, also 2 x 180°) 10.00 Bildpunkte aufweisen. Das Panorama aus der 5D MKII hat dagegen trotz (wegen) des Vollformatsensors und der höheren Megapixelzahl nur 7.400 Pixeln Breite (2 x 3.700 , alle Zahlen "nur so ungefähr").


Mehr Auflösung
Speziell für Cropkameras gibt es auch Fullframe-Fisheyeobjektive, die an den kleineren "gecropten" Sensor angepasst sind und diesen komplett ausnutzen. Analog zu den Fullframe-Fisheyeobjektiven fürs Vollformat weisen sie auf dem kleineren Sensor nur in den Diagonalen die vollen 180° Bildwinkel auf. Der Bildkreis dieser Objektive ist so groß, dass nur die Bildecken der Cropkamera bis an ihn heran reichen. (s. gelber Rahmen in der Abbildung unten rechts)
Für ein Kugelpanorama muss man damit also noch zusätzliche Aufnahmen nach oben und unten machen, um die Bildkugel wirklich zu schließen.
Typischerweise liegen die Brennweiten dieser Objektive um 10mm, zum Beispiel beim Nikon 10,5mm, beim Sigma 10mm und bei Tokinas 10-17mm Fisheyezoom.


Mit einer solchen Brennweite erhält man noch mehr Bildpunkte für das Panorama, mit der oben erwähnten Canon 7D erzielt man dann fast 5800 Pixel für 180°, das Panorama könnte also 11.600 auf 5.800 Pixel groß werden.
Doch erkauft man das mit einem großen Nachteil. Da die vertikalen 180° des Motivs nicht komplett in einer Aufnahme abgebildet werden können, sind mehrere Aufnahmereihen nötig.

Mit einer speziellen Aufnahmetechnik kann man aber auch mit einem solchen Objektiv an einer Crop-Kamera mit einer Aufnahmereihe für ein Kugelpanorama auskommen.
Dazu muss die Kamera um die Aufnahmeachse gedreht werden, so dass die Diagonale des Sensors senkrecht steht. Man nennt diese Einstellung auch "slanted".
Mit den üblichen "Nodalpunkt-"adaptern ist das aber nicht möglich, man braucht eine Spezialanfertigung.



     

10mm und mehr an Vollformat
Wenn man dagegen ein solches "Crop"-Fullframe-Fisheye an eine Kamera mit Vollformatsensor anschließt, dann kann diese mehr von dem Bildkreis nutzen, da der Sensor auch Bereiche sieht, die dem Crop-Sensor verborgen bleiben.
In der Regel ergibt sich dann ein bereits bekanntes Bild: der Bildkreis mit den vollen 180° bleibt über die Länge des Bildes voll erhalten, wird aber an den langen Seiten angeschnitten. Das sieht im Verhältnis genauso aus, wie ein 8mm an einer Cropkamera. Nur das jetzt der Vollformatsensor zur Verfügung steht.
So kann man dann mit 3 bis 4 Aufnahmen mit einer Vollformatkamera ein Kugelpanorama aufnehmen und dabei möglichst viel von der Sensorgröße bzw. den Pixeln nutzen.


Bei der Einstellung auf 12mm gehen zwar horizontal ein paar Grad Bildwinkel verloren, trotzdem kommt man mit einer Aufnahmereihe mit 4 Bildern für ein vollständiges Kugelpanorama noch problemlos aus.
In der Höhe aber zeigt sich der Vorteil der 12mm gegenüber 10mm (oder gar den 8mm des cirkularen Fisheyes). Für den gleichen vertikalen Bildwinkel (180°) werden hier deutlich mehr Pixel des Vollformatsensors genutzt. Dadurch wird ein größeres Format des Panoramas möglich.
Mit 12mm stehen für die 180° an der bereits mehrfach als Beispiel für ein Vollformatkamera erwähnten 5D MKII über 5400 Pixel zur Verfügung.
Ein mit dieser Kamera-Brennweiten-Kombination aufgenommenes Panorama kann dann 10.800 x 5400 Pixel aufweisen und hätte so 53,3 Megapixel, fast doppelt soviel wie das oben angeführte Beispiel mit dem 8mm Objektiv. Mit der Einstellung auf 10mm ergeben sich mit der gleichen Kamera mehr als 4.800 Pixel für 180°, das Panorama hätte mit 9.600 x 4.800 "nur noch" über 46 Megapixel. In allen drei Fällen (8mm, 10mm und 12mm) würde eine Aufnahmereihe mit 4 Aufnahmen ausreichen, bei 8mm wären sogar nur 3 Bilder nötig.



Rasieren!
Aber die Sache hat einen Haken.
Man muss vorher einen evtl. vorhandene Streulichtblende entfernen, da deren Größe an den kleinen Sensor der Cropkamera angepasst ist. Und diese Streulichtblenden sind meist fest mit den Objektivgehäusen verbunden. Beim Nikon 10,5mm ist die Streulichtblende aus Plastik, das lässt sich das noch einigermaßen einfach mit Hobbykellermitteln erledigen. Aber beim Tokina 10-17mm und beim Sigma 10mm ist die Streulichtblende aus Metall, der Umbau ist nicht ohne Risiko.
Glücklicherweise gibt es Anbieter, die diese Arbeit mit Erfolgsgarantie erledigen.




Durch das "shaven", die Rasur des Objektivs, wird es für den Einsatz mit Vollformatsensor wie ihn eine Canon 5D/1D oder Nikon D3/D700 bieten, optimal nutzbar und erlaubt mit relativ wenig Aufnahmeaufwand hochwertige Kugelpanoramen. Es reichen in der Regel vier Einzelbilder. Durch die recht hohe Überlappung im horizontalen Bereich lassen sich beim Stitchen des Panoramas die wenigen Überblendstellen gut bearbeiten, was die Retusche gerade bei bewegten Motiven wie Menschengruppen deutlich erleichtert.

Vergleich der Panoramagrößen Vollformat - Crop bei einreihiger Aufnahmetechnik Die Zahlen in dieser Tabelle sind nur Näherungswerte. Aufgrund der etwas geringeren Größe des Canon Crop Sensors (1,6er Crop) ist bei Einsatz des 8mm Objektives keine vollständige Wiedergabe der vertikalen 180° des Motivs möglich. Mit größeren Sensoren (1,5er Crop) wie von Nikon, Sony oder Pentax ist eine Nutzung von 180° möglich.
		Vollformat (z.B. Canon 5D MKII) 24mm x 36mm Pixel: 3744 x 5616 21MP	Crop-Kamera ( z.B. Canon 7D) 14,9mm x 22,3mm Pixel: 3456 x 5184 18 MP
Sigma 4,5mm	4,5mm	Einreihig (+ Zenit/Nadir) mögl. Panoramagröße: 3900 x 1950 / 7,5 MP	Einreihig (+ Zenit/Nadir) mögl. Panoramagröße: 5800 x 2900 / 16,8 Megapixel
Sigma 8mm	8mm	Einreihig (+ Zenit/Nadir) mögl. Panoramagröße: 6800 x 3400 / 23 MP	Einreihig (+ Zenit(!)/Nadir) mögl. Panoramagröße: 10200 x 5100 / 52 MP
Tokina 10-17mm (fast identisch: Nikon 10,5mm)	10mm	Einreihig (+ Zenit/Nadir) mögl. Panoramagröße: 9400 x 4700 / 44 MP	Multirow notwendig mögl. Panoramagröße: 15000 x 7500 / 112 MP
Tokina 10-17mm	12mm	Einreihig (+ Zenit/Nadir) mögl. Panoramagröße: 11000 x 5500 / 60,5 MP
Tokina 10-17mm	17mm	Multirow notwendig mögl. Panoramagröße: 16000 x 8000 / 128 MP
Je nach Objektiv und Brennweite sind bei der gleichen (einreihigen) Aufnahmetechnik (also bei nahezu gleichem Aufnahmeaufwand) Kugelpanoramen von nur 7,5 Megapixel, aber auch von über 60 Megapixel möglich.