Рыбий глаз (объектив)

У этого термина существуют и другие значения, см. Рыбий глаз.

Ры́бий гла́з («Фишай», транскрипция от англ. fish-eye) — разновидность сверхширокоугольных объективов с целенаправленно увеличенной дисторсией, другое название дисторси́рующий (или «дисторзирующий») объектив^[1]. От обычных (ортоскопических) короткофокусных объективов отличается ярко выраженной бочкообразной дисторсией^[2], позволяющей отображать пространство и предметы при помощи азимутальной, ортографической или стереографической проекций, в зависимости от конкретной оптической конструкции. За счёт сильных искажений угловое поле «рыбьего глаза» может достигать 180° или даже превышать эту величину, что недоступно для ортоскопической оптики, реализующей гномоническую проекцию окружающего пространства^[3].

Главной особенностью объективов типа «Рыбий глаз» являются характерные искажения, сходные с видом отражения в зеркальной сфере. Прямые линии, не пересекающие оптическую ось, отображаются в виде дугообразных кривых, а предметы по мере удаления от центра к краям кадра сильно сжимаются в радиальном направлении^[4]. При этом, рекордный полусферический обзор не является обязательным свойством рыбьего глаза, и у некоторых объективов этого типа поле зрения не превышает 120—160° при таких же искажениях. У дисторсирующих зум-объективов обзор может сужаться ещё сильнее^{[5][* 1]}.

Изображение, полученное с помощью объектива «Рыбий глаз» диагонального типа

Историческая справка

Основная статья: История фотообъектива

Название «рыбий глаз» подчёркивает сходство изображения, даваемого таким объективом, с эффектом «окна Снелла», благодаря которому подводные обитатели видят всю верхнюю полусферу надводного мира в пределах конуса шириной около 90 градусов^[7]. Это объясняется законом Снеллиуса, то есть, резким перепадом показателя преломления на границе воды и воздуха. Впервые термин «рыбий глаз» использовал в 1911 году американский физик-экспериментатор Роберт Вуд (англ. Robert Williams Wood) в своей книге «Физическая оптика»^[8]. За 5 лет до этого он смоделировал подобную оптическую систему, поместив на дно ведра, заполненного водой, фотопластинку, а на половине глубины над ней линзу с точечной диафрагмой^[9]. Полученное изображение, несмотря на низкое качество, продемонстрировало возможность получения полусферического обзора^[7]. В дальнейшем Вуд усовершенствовал съёмочную камеру, заполнив водой герметичную металлическую коробку с отверстием^[10].

Снимок Вуда, сделанный из ведра с водой. 1906 год

Приоритет в создании дисторсирующего объектива принадлежит английскому биохимику Робину (Роберту) Хиллу (англ. Robert Hill), запатентовавшему в декабре 1923 года трёхлинзовую оптическую систему, состоящую из сильного отрицательного мениска, расположенного перед положительным склеенным ахроматом^[11]. Такое устройство могло обеспечить угловое поле, охватывающее небосвод целиком, и достаточное для регистрации всей облачности^[12]. При этом за счёт неисправленной дисторсии становится доступным поле зрения 180° на изображении конечного размера. Ортоскопический объектив не способен обеспечить такой охват, поскольку размеры изображения в этом случае стремятся к бесконечности^[13].

Первый объектив Хилла под названием Hill Sky Lens изготовлен в 1924 году лондонской компанией Beck of London^[14][15]. Несмотря на чрезвычайно низкую светосилу f/22, объектив давал вполне чёткое изображение в форме круга, и позволял одним кадром снимать всю небесную полусферу при помощи камеры с тем же названием Hill Sky Camera. В 1929 году советский оптик Владимир Чуриловский рассчитал оптическую схему аналогичной широкоугольной камеры, объектив которой состоит из двухлинзового отрицательного дистортера и расположенного за ним ортоскопического объектива типа «Тессар». Комбинация обеспечивала угловое поле 127° при светосиле f/5,6^[16]. В 1933 году на основе объектива Чуриловского реализована технология аэрофотосъёмки больших площадей местности с дешифровкой снимков оптическим ортотрансформатором, вносящим обратные искажения^[17].

«Циркулярный» рыбий глаз «Fish-Eye Nikkor 2,8/6» с фотоаппаратом «Nikon F2 Photomic». Объектив диаметром более 20 см. создавался специально для Антарктической экспедиции и обладает угловым полем 220°^[18]

Вскоре светосильный «рыбий глаз» был создан и в Германии: в 1932 году компанией AEG получен патент № 620 538 на пятилинзовый Weitwinkelobjektiv, разработанный Гансом Шульцем (нем. Hans Schulz)^[19][20][21]. Объектив был настолько хорош, что позволял вести моментальную съёмку, и уже в 1935 году фотохудожник Умбо снимал им эффектные репортажи^[22]. В 1938 году на основе немецкой разработки, доставшейся Японии в рамках Стального пакта, создан Fish-eye Nikkor 16/8,0, после войны выпускавшийся в составе камеры для «рольфильма»^[23][24][25]. В том же году немецкий оптик Роберт Рихтер (нем. Robert Richter) сконструировал шестилинзовый Zeiss Pleon, который использовался во время Второй мировой войны для фоторазведки^[16][26]. Современный «рыбий глаз» для малоформатных фотоаппаратов и «кропнутых» цифровых камер ведёт своё происхождение от следующей немецкой разработки Zeiss Sphaerogon, сконструированной перед войной оптиком Вилли Мертэ (нем. Willy Merté), и в 1947 году вывезенной Армией США вместе с другими экспонатами Музея Carl Zeiss^[27][28].

Первые дисторсирующие объективы рассчитывались на регистрацию всего круга изображения, который вписывали в квадратный или прямоугольный кадр. В 1963 году компания Asahi optical выпустила первый полнокадровый или «диагональный» Fish-eye Takumar 18 мм f/11, кроющий прямоугольный кадр целиком с полусферическим обзором только по диагонали^[29]. Этот тип «рыбьего глаза» оказался более востребованным фотографами, поскольку даёт изображение привычной формы. С середины 1960-х годов дисторсирующая оптика прочно заняла место в каталогах оптических фирм, продаваясь как для специальных целей, так и в качестве дополнения к стандартной линейке ортоскопических объективов. В СССР дисторсирующая оптика стала доступна рядовым фотографам в конце 1970-х годов с появлением «гражданских» моделей «Зодиак-2» и «Зодиак-8»^{[* 2]}. Все они были «диагональными», заполняя целиком малоформатный и среднеформатный кадры соответственно^[31][32]. Позднее на БелОМО начат выпуск циркулярных объективов «Пеленг»^[33].

«Рыбьему глазу» нашлось применение в фотожурналистике, фотоискусстве и кинематографе в качестве яркого выразительного средства. Сверхширокоугольные объективы первой современной широкоформатной киносистемы Todd-AO для естественной передачи перспективы проектировались незначительно дисторсирующими^[34][35]. Сферорамные кинематографические системы (например, IMAX DOME) изначально основаны на использовании объективов типа «рыбий глаз» для съёмки и проекции изображения на полусферический экран^[36]. За счёт формы экрана искажения, присущие такой оптике, компенсируются и зрители наблюдают предметы в нормальной перспективе под большими углами, усиливающими эффект присутствия^[37]. Таким же способом осуществляется проекция изображения звёздного неба в современных полнокупольных планетариях^[38].

Основные разновидности

Все объективы типа «рыбий глаз» принято разделять на две главные разновидности по степени заполнения кадрового окна камеры: «циркулярные» и «диагональные»^[39]. Оба типа изображения могут быть одновременно реализованы в одном зум-объективе, который при минимальном фокусном расстоянии работает как циркулярный фишай, а при максимальном — как диагональный^[6].

• Циркулярный (или «круговой») — в данном случае круг поля изображения, даваемого объективом, не заполняет кадровое окно целиком, а его диаметр близок к размеру короткой стороны кадра^[40]. Такой объектив имеет угол поля зрения 180° и более во всех направлениях. Зачастую габариты циркулярных объективов из-за большого диаметра передних линз превышают размеры камеры в несколько раз. Наиболее широкое применение они нашли в специальных областях прикладной фотографии, например в метеорологии и астрономии для съёмки небосвода.
• Диагональный (или «полнокадровый») — полученный кадр целиком занят изображением, вырезаемым из круглого пятна, даваемого объективом^[40]. При этом угол поля зрения 180° соответствует диагонали кадра. Не всегда поле зрение «Рыбьего глаза» достигает 180°: у некоторых объективов оно меньше, и часто соответствует ортоскопическим сверхширокоугольникам, сохраняя при этом дисторсию.

• 
  Циркулярный
• 
  Диагональный
• 
  Обрезанный круг
• 
  Циркулярный
• 
  Обрезанный круг

Ещё одна разновидность является промежуточной, и круг изображения объектива не заполняет прямоугольный кадр полностью, но и не регистрируется на нём целиком, оставаясь обрезанным с двух сторон. При этом диаметр круга вписан по длинной стороне, а не по короткой, как у циркулярных объективов. Аналогичным образом выглядит изображение полнокадровых циркулярных объективов, установленных на «кропнутой» камере, а также некоторых зум-объективов в промежуточном положении кольца масштабирования.

Отображение пространства

При создании обычных широкоугольных объективов стремятся свести к нулю дисторсию — искривление прямых линий, не проходящих через центр кадра. Поэтому изображение, даваемое ортоскопическим объективом, эквивалентно гномонической проекции сферы на плоскость. В таком случае невозможно получить угловое поле 180°, так как край поля зрения окажется бесконечно удалённым^[13]. Для достижения полусферического обзора в объектив при его разработке намеренно вносят отрицательную дисторсию, которая обеспечивает специфическое отображение пространства, в зависимости от интенсивности искажения соответствующее той или иной геометрической проекции^[41][42]. В большинстве объективов, доступных фотографам, реализована равновеликая азимутальная проекция Ламберта, достижимая минимальной оптической сложностью. При этом зависимость между фокусным расстоянием ${\displaystyle f'}$ объектива и его полем зрения ${\displaystyle 2\cdot \omega }$ сложнее, чем в ортоскопических объективах, и зависит от величины дисторсии, определяющей тип проекции сферы на плоскость^[43].

Проекции пространства, реализованные в объективах различных оптических конструкций

Объект	Исходный объект в виде туннеля, фотографируемый из его центра влево перпендикулярно левой стене (обозначено стрелкой)
	Ортоскопический	Рыбий глаз[44][45]
	Гномоническая	Стереографическая[46]	Эквидистантная	Азимутальная	Ортографическая
Схема
Вид изображения
Функция отображения[* 3][45]	${\displaystyle d=f'\operatorname {tg} (\omega )}$	${\displaystyle d=2f'\operatorname {tg} (\omega /2)}$	${\displaystyle d=f'\cdot \omega }$	${\displaystyle d=2f'\sin(\omega /2)}$[* 4]	${\displaystyle d=f'\sin(\omega )}$
Особенности	Отображает пространство в соответствии с законами линейной перспективы так же, как и камера-обскура. Прямые линии отображаются прямыми, а форма предметов сохраняет геометрическое подобие. При очень широких углах обзора объекты на краях поля зрения растягиваются в направлении от центра кадра.	Сохраняет углы между кривыми. Предпочтительно для фотографии, поскольку почти не сжимает объекты на краю поля зрения. Поле зрения полнокадровых объективов этого типа больше, чем у всех остальных при равном диагональном обзоре. Samyang является единственным производителем.	Сохраняет угловые размеры. Предпочтительно для угловых измерений, в том числе в астрофотографии. В научном сообществе считается «идеальной проекцией». Эквидистантная проекция доступна в приложениях PanoTools для склейки панорам.	Сохраняет соотношения площадей. Наиболее применимо при необходимости сопоставления поверхностей, например облачности или растительного покрова. Дисторсирующие объективы этого типа легче и компактнее других. Главный недостаток — сильное сжатие объектов на краю поля зрения.	Практически отсутствует виньетирование, а яркость равномерна по всему полю, благодаря чему такие объективы предпочтительны для фотометрических исследований. Очень сильно сжимает объекты на краю поля зрения, самого узкого из всех в диагональной версии.
Максимальное угловое поле	Меньше 180°. В пределе 130—140°	Не ограничено, может достигать 180° и более	Может превышать 180°. Известны объективы с охватом 250°[* 5]	Не ограничено, может достигать 360°	Не может превышать 180°
Фокусное расстояние[* 6]	${\displaystyle f'={\frac {d}{\operatorname {tg} \omega }}}$	${\displaystyle f'={\frac {d}{2\operatorname {tg} (\omega /2)}}}$	${\displaystyle f'={\frac {d}{\omega }}}$	${\displaystyle f'={\frac {d}{2\sin(\omega /2)}}}$	${\displaystyle f'={\frac {d}{\sin(\omega )}}}$
Примеры[41][47][48]	Все ортоскопические объективы	Samyang 7,5/2,8 Samyang 8/2,8 Samyang 12/2,8	Canon 7,5/5,6 Coastal Optical 7,45/5,6 Nikkor 6/2,8 Nikkor 7,5/5,6 Nikkor 8/2,8 Nikkor 8/8,0 «Пеленг» 8/3,5 Rokkor 7,5/4,0 Sigma 8/3,5	Canon 15/2,8 (1988) Minolta 16/2,8 (1971) Nikkor 10,5/2,8[* 7] Nikkor 16/2,8 (1995) Sigma 4,5/2,8 Sigma 8/4,0[* 8] Sigma 15/2,8 (1990) Zuiko 8/2,8	Nikkor 10/5,6 OP[* 9] Madoka 180 7,3/4

Перспектива, аналогичная создаваемой объективами «Рыбий глаз», может быть воспроизведена методами вычислительной фотографии при объединении в общее изображение нескольких снимков, сделанных ортоскопической оптикой. Технология особенно популярна в цифровой панорамной фотографии. Большинство компьютерных приложений, предназначенных для склейки панорам, позволяют задавать различные проекции конечного изображения, в том числе стереографическую. В то же время, изображение, полученное «Рыбьим глазом», может быть программно трансформировано в обычное ортоскопическое, но с неизбежной и сильной потерей качества по краям поля^[50].

Области применения

• Современные планетарии используют объективы «Рыбий глаз» для проекции изображения небесной сферы на купол;
• В авиационных тренажёрах для проекции изображения окружающего пространства на полусферические экраны. Это позволяет усилить «эффект погружения» для лётчиков, авиадиспетчеров и военных специалистов;
• В сферорамных кинематографических системах, например «IMAX DOME» (OMNIMAX) или «Спейсариум», объективы типа «рыбий глаз» используется для съёмки и проекции на полусферический экран^[51];
• В сельском и лесном хозяйстве для измерения индексов растительного покрова и инсоляции;
• В астрономии используется для измерения облачного покрова и светового загрязнения, а также фиксации полярных сияний и следов от метеоров;
• В фотографии и кинематографе для съёмки в очень тесных помещениях и в качестве выразительного средства фоторепортажа;
• Компьютерная графика использует законы отображения, аналогичные перспективе «рыбьего глаза» для симуляции отражений в зеркальных сферических поверхностях;
• Большинство дверных глазков построены по оптической схеме «рыбьего глаза» для удобства наблюдения;
• Первый музыкальный видеоклип, снятый полностью «рыбьим глазом», создан в 1987 году на песню группы Beastie Boys;

• 
  Судно «Академик Иоффе»
• 
  Научный центр в Глазго
• 
  Ночной снимок небесной полусферы
• 
  Снимок улицы
  «циркулярный» объектив
• 
  Интерьер. «Диагональный» объектив
• 
  Интерьер автомобиля
  «диагональный» объектив

Дисторсирующие насадки

Дисторсирующая насадка на камеру смартфона

Кроме полноценных объективов типа «Рыбий глаз» аналогичный вид изображения может быть достигнут обычной оптикой с афокальной широкоугольной насадкой соответствующего типа. В этом случае насадка, действующая по принципу «перевёрнутого телеобъектива», увеличивает угловое поле, одновременно внося дисторсию. Тем не менее, по уровню сложности и стоимости такие насадки не уступают аналогичным объективам, и по этой причине не получили распространения в фотографии^[39].

Дисторсирующие насадки оказались удобны для совместной работы с телевизионными вариообъективами, придавая характерное искажение и увеличивая угол обзора, однако из-за оптических особенностей оптики с переменным фокусным расстоянием вся комбинация работоспособна только в положении «макро» при неработающем зуме^[52]. Кроме того, такие насадки рассчитаны на очень близкое расположение к основному объективу, накладывая определённые ограничения на диаметр и конструкцию его оправы. В последнее время получили широкое распространение дисторсирующие насадки для камерафонов, к которым крепятся магнитным кольцом или специальным зажимом^[53]. Поле зрения камер с такими насадками не всегда достигает 180°, но характерная дисторсия обеспечивает необходимый изобразительный эффект без обработки снимков соответствующими приложениями^[54].

Светофильтры

На объектив типа «рыбий глаз» невозможна традиционная установка светофильтров перед большой и выпуклой передней линзой: в этом случае их оправа неизбежно перекрывает поле зрения. Это требует повышенного внимания и аккуратности при съёмке, особенно с близких расстояний, так как линзу без защитного светофильтра легко повредить. При необходимости светофильтры устанавливаются за задним оптическим элементом, что затрудняет выбор их положения, необходимый для градиентных и поляризационных фильтров. Поскольку дополнительный оптический элемент за задней линзой объектива влияет на его оптические свойства, в конструкции предусматривается плоско-параллельный стеклянный компенсатор, заменяемый в случае необходимости, нужным светофильтром^[55]. Некоторые производители снабжают хвостовик объектива специальным карманом для оптически нейтральных желатиновых светофильтров на тонкой гибкой подложке^[56]. Старые модели объективов этого типа имеют встроенные револьверные диски со стандартным для чёрно-белой фотографии набором из жёлтого, оранжевого и красного светофильтров^[25][57]. Установка бленды на объектив также невозможна из-за неизбежного виньетирования ею поля зрения. Большинство диагональных объективов оснащается несъёмной блендой, интегрированной в оправу. Однако, из-за небольших размеров, такая бленда малоэффективна, и по большей части выполняет функцию защитного ограждения передней линзы^[56].

Известные фотографы и их работы

• Умбо стал первым в истории фотохудожником, использовавшим «Рыбий глаз» в качестве изобразительного средства. В октябре 1937 года немецкий журнал Volk und Welt опубликовал фоторепортаж, снятый им двумя годами ранее первым достаточно светосильным Weitwinkelobjektiv^[22].
• Лев Бородулин — первый советский фотожурналист, у которого появился объектив «Рыбий глаз»^[58]. В 1964 году им создана одна из обложек журнала «Огонек»^[59]

См. также

• Панорамная фотография
• Широкоугольная насадка

Примечания

1. Это справедливо и для объективов, меняющих свой тип с циркулярного на диагональный при крайних значениях фокусного расстояния^[6]
2. Позднее оптическая схема «Зодиак» выпускалась на КМЗ им. Зверева под фирменным брендом «Зенитар»^[30]
3. Обозначения: ${\displaystyle \omega }$ — угол между направлением на точку и оптической осью в пространстве предметов; ${\displaystyle d}$ — расстояние от изображения точки до центра кадра; ${\displaystyle f'}$ — фокусное расстояние
4. Более точное выражение: ${\displaystyle d=k_{1}\cdot f'\sin {\frac {\omega }{k_{2}}}}$. В общем случае ${\displaystyle k_{1}=k_{2}=2}$, но для некоторых объективов, например AF Nikkor DX 10,5/2,8 значения коэффициентов ${\displaystyle k_{1}}$ и ${\displaystyle k_{2}}$ могут отличаться
5. Прототип Nikkor 5,4 mm f/5,6 охватывал 270° на круглом кадре^[25]
6. Так как ${\displaystyle d}$ выражает радиус поля изображения, для циркулярных объективов эта величина составляет половину короткой стороны кадра, а для диагональных — половину диагонали
7. Для этого объектива коэффициенты ${\displaystyle k_{1}=1,47}$ и ${\displaystyle 1/k_{2}=0,713}$ заданы эмпирически^[49]
8. В этом случае, ${\displaystyle k_{1}=1,88}$ и ${\displaystyle 1/k_{2}=0,54}$
9. Выпущено всего 78 экземпляров с 1968 до 1976 года^[25]