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Fisheye-Objektive


Spezielle Objektivtypen für Kugelpanoramen
Um aus Einzelbildern ein Kugelpanorama zusammenzusetzen ( zu "stitchen") kann man alle möglichen Brennweiten einsetzen. Man kann sogar bei der Aufnahme eines einzelnen Panoramas verschiedene Brennweiten mischen.
Damit nicht mehr Aufwand als unbedingt nötig betrieben werden muss und um die Probleme mit bewegten Bilddetails zu minimieren, nutzt man in der Regel aber nur eine einzige, möglichst kurze Brennweite. Häufig ist das dann 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.
Dadurch ergibt sich eine ungewöhnliche Art der Abbildung. Linien, die nicht durch die Mitte des Bildes gehen, werden (zum Bildrand hin immer stärker) gebogen dargestellt.

Fisheyebild mit 180° Bildwinkel
Fisheyebild mit 180° Bildwinkel

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, die in 90° zur ursprünglichen Blickachse liegen, zu betrachten, 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, alle drei Blickrichtungen, in einem einzigen Bild wieder. Es kann 180° und mehr aufzeichnen. In einem einzelnen Bild stecken also alle drei Ansichten (und jeder Zwischenwert) der Mauerszene gleichzeitig im Bild. Sie blicken gleichzeitig mit 0° rechtwinklig auf die Mauer und zusätzlich können Sie noch um 90° oder mehr in die anderen Richtungen sehen.
Ein Blickwinkel von +90° bis -90° ergibt dann den Blickwinkel von 180°, der mit einem Fisheye üblicherweise möglich ist. Da alle Zwischenansichten von 0° bis +90° oder -90° ebenfalls im Bild sind, muss die Mauer aus dem Beispiel langsam von parallelen zu aufeinander zulaufenden Linien übergehen. Sie muss zigarrenförmig verformt sein, damit die Ansichten stufenlos zusammenpassen.

Drei rectilineare Einzelbilder mit zusammen 180 Grad Bildwinkel
Wenn man die Szene mit Einzelbildern abtastet, werden die in der mittleren Ansicht noch parallelen waagerechten Linien in den nach links und recht geschwenkten Aufnahmen zu schräg verlaufenden Fluchtlinien

180 Grad Bildwinkel in einem Fisheyebild
Um die drei Einzelbilder ohne Kanten zusammenzufügen, müssen die waagerechten Linien gebogen werden. Es entsteht eine fisheyetypische Darstellung.


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). Dadurch müssen parallele Linien parallel bleiben. So lassen sich aber nur beschränkte Bildwinkel abbilden, bis etwa 100°, je nach Motiv mit Einschränkungen und einigen Darstellungstricks auch bis 120° oder 140°.

140 Grad Bildwinkel in einem rectilinearen Bild
Dieses besondere Motiv erlaubt eine Darstellung von bis zu 140 Grad horizontalem Bildwinkel. Die "Verzerrungen" am Bildrand fallen nicht so stark auf.

140 Grad Bildwinkel in einem rectilinearen Bild
Bei diesem Motiv wird die Problematik des mit 140 Grad sehr großen Bildwinkels deutlich.


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.

Das Motiv
Das Motiv

Der Bildkreis
Der vom Objektiv erfasste Teil des Motivs. Außerhalb des nutzbaren Bereichs, des Bildkreises (schwarzer Kreis), wird das Motiv immer unschärfer und dunkler abgebildet. Der vom Sensor erfasste Bereich (roter Rahmen) sollte innerhalb des guten Bereichs des Bildkreises liegen.

Das Bild
Das vom Sensor erfasste Bild zeigt den Ausschnitt des Motivs


Diesen Fall gibt es natürlich auch bei Fisheyeobjektiven.
Dann liegt der rechteckige Aufnahmebereich des Sensors vollständig innerhalb des Bildkreises. Nur sie Ecken des Sensors berühren so 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 damit an allen vier Seiten beschnitten. Es handelt sich dann um ein sogenanntes Fullframe-Fisheye, das den gesamten Bildbereich ("Frame") mit Informationen füllt.

Bei einem Fullframe-Fisheye sind die vollen 180 Grad Bildwinkel nur über die Diagonalen sichtbar. Vertikal und horizontal ist der Bildwinkel deutlich beschnitten. Dadurch ist eine höhere Anzahl an Aufnahmen nötig und man muss das Motiv für eine vollständige Bildkugel in mehreren Reihen abtasten. Da über die Diagonale gesehen aber auch mehr Pixel zur Verfügung stehen, gewinnt man eine höhere Auflösung je Grad Bildwinkel.


Es gibt aber auch andere Fisheyeobjektive, bei denen der Bildkreis kleiner ist. Er fällt dann in den Bereich des Sensors. Auf dem Sensor selber entsteht so ein kreisrundes Bild, das in jede Richtung den vollen Bildkreis, die vollen 180° aufzeichnet, man spricht von "circularen" Fisheyeobjektiven. Cirkulare Fisheyeobjektive für das Vollformat haben typischerweise 8mm Brennweite, es gibt aber auch kürzere.
Wenn ein solches Objektiv an einer Vollformatkamera eingesetzt wird, ergibt sich ein kreisrundes Bild innerhalb der Sensorgrenzen, das je nach Typ in jede Richtung 180° Bildwinkel (oder mehr) hat. Um für ein vollständiges 360° (Kugel-) Panorama ausreichend Überlappung zur Verfügung zu haben, muss man damit drei Aufnahmen anfertigen. Einige Verfahren basieren sogar nur auf zwei Aufnahmen, aber damit kommt es in der Regel 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.

An einer Vollformat Kamera wird durch ein 8mm Fisheye nur ein kleiner Teil der Pixel genutzt. Der Durchmesser des Bildkreises deckt bei einer 21 Megapixelkamera 3550 Pixel ab, die dann für 180 Grad zur Verfügung stehen. Das entstehende Panorama könnte also 7100 x 3550 Pixel (360 x 180 Grad) auflösen. Das Bild hätte 25,2 Megapixel.


Crop und Fisheye
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).
Da diese Kameras ja 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.

Vollformat (rot) und "Crop"-Sensor (gelb)

Wenn das Bild des Cropsensors auf das gleiche Endformat wie das des Vollformatsensors vergrößert wird, wird der vom Cropsensor erfasste Motivbereich vergrößert dargestellt. Es ergibt sich dadurch die gleiche Wirkung wie sie eine längere Brennweite am Vollformatsensor ergeben hätte. Es kommt zu einer "gefühlte Brennweitenverlängerung".

Das gleiche Objektiv ergibt bei gleichen Einstellungen und gleichem Motiv einen ebenfalls gleichen 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 "monitorfüllend") vergrößert werden, sind im Bild, das mit dem Cropfaktor aufgezeichnet wurde, weniger Details zu sehen, diese werden 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 also für eine gefühlte Brennweitenverlängerung.

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°. An der kurzen Seite wird der Bildkreis jedoch angeschnitten und der nutzbare Bildwinkel ist dadurch kleiner als 180°. (ca. 120°).

Wenn die Kamera einen kleineren Sensor aufweist, wird der Kreis des 8mm Objektives an den langen Seiten angeschnitten. Für die Darstellung der horizontalen 180 Grad wird der Sensor optimal ausgenutzt.


Da im Querformat die volle Motivhöhe von 180° nicht in einer Aufnahme aufgezeichnet werden kann, müsste man in der Höhe mehrere Aufnahmereihen zu einem vollständigen Kugelpanorama kombinieren.
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 die für ein vollständiges Kugelpanorama nötigen 360°.
Der Bildkreis des Objektives ist im Verhältnis zur Sensorfläche größer als bei einer Vollformatkamera, der 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.

Wenn man die Kamera ins Hochformat dreht, kann die vollständige Bildhöhe erfasst werden. Das schwarze Feld zeigt wie auch im vorherigen Bild die Abmessungen eines Vollformatsensors. Das gelbe Rechteck steht für die Größe des Cropsensors.
Rechts ist das resultierende vollständige Bild des Cropsensors zu sehen, das in der Höhe 180 Grad Bildwinkel wiedergibt. Auf diese Art lassen sich vollständige 360 x 180 Grad Kugelpanoramen mit einer einzigen Aufnahmereihe produzieren.


Speziell für die 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 ragen.
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 so um 10mm, zum Beispiel beim Nikon 10,5mm, beim Sigma 10mm und bei Tokinas 10-17mm Fisheyezoom.

Mit einem Fisheyeobjektiv, von dessen 180° abbildenden Bildkreis der Cropsensor nur einen rechteckigen Ausschnitt (gelb) nutzt, erhält man die 180 Grad Bildwinkel nur diagonal. Der Bildwinkel in der Bildhöhe ist zu gering, um mit einer einzigen Aufnahmereihe für ein Kugelpanorama aus zukommen.
So ein Objektiv ist an einer Kamera mit kleinem Sensor ein Fullframe-Fisheye.


10mm und mehr an Vollformat
Wenn man ein solches "Crop"-Fullframe-Fisheye an eine Kamera mit Vollformatsensor anschließt, so kann diese mehr von dem Bildkreis nutzen, da der Sensor auch Bereiche des Bildkreises 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.

Vollformat mit links 10mm , rechts 12mm Brennweite, ein Fisheyezoom wie das Tokina 10-17 mm macht es möglich.
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° über 5300 Pixel zur Verfügung. Ein solches Panorama kann dann 10.600 x 5400 Pixel aufweisen und hätte so 53,3 Megapixel. Fast doppelt soviel wie das oben angeführte Beispiel mit dem 8mm Objektiv


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.

Hier das Tokina Fisheyezoom einmal mit, und einmal ohne Streulichtblende

So wirkt sich die Streulichtblende bei Zoomeinstellung auf 10mm (rechts) und 12mm (links) aus. Erst wenn die Streulichtblende entfernt wurde, steht der volle Bildkreis zur Verfügung.


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 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.