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你们是世界上的盐和光

chum818的博客文摘

 
 
 

日志

 
 

弗雷泽和他的超焦距镜头  

2014-10-23 13:07:53|  分类: 兴趣 |  标签: |举报 |字号 订阅

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吉姆·弗雷泽

来源:www.wipo.int

    超焦距镜头?英联邦科学和工业研究组织的物理学家们曾说这是异想天开,而且出口市场开发赠款委员会拒绝支持这件事;但是摄影师吉姆·弗雷泽(Jim Frazier)却照样干下去并最终发明了一种使国际电影业实现革命化的新镜头。

    直到80年末,弗雷泽一直在为大卫·阿顿巴勒摄制野生动物片。他对当时可以在市场搞到的镜头的局限性感到恼火,于是他开始制作自己的镜头。

    “野生动物可是一点情面也不给你留的──根本没有时间架好摄影机并按照你想要的方式摆好拍摄的位置。而且,象昆虫和蜘蛛这类很小的被拍摄对象,很难使它们和背景都对准焦点。而我却要两者都在焦点上,所以我需要一种多功能镜头,使我能很快地拍到想拍的画面。

    “70年代末我曾请教过一位英联邦科学和工业研究组织的物理学家,但他说我想要的东西是不可能的。我只好自己动手摸索着干,于是开始得到我所设想的结果。

    “在这之后的10年中,我不停地重新组合自己的镜头,反复试验反复努力。最后设计出一种焦点更深的镜头并在其末端安装了一个转体。完成这项工作的光学原理非常复杂,但我终于开始获得良好的效果。”

    这种新镜头具有3个革命性的特点:

  •     一种‘对准并忘记’的焦点,它可以使从镜头前到无限远的每一件被拍摄物都聚集在焦点上
  •     一个转体末端,这样你可以在不移动摄影机的情况下使镜头向任何方向转动,如果必要的话可以完成一个球形转动
  •     一个内装画面旋转器。这可以使图像在镜头内旋转而无须转动摄影机。

    这是一个卓越的发明,当弗雷泽开始用这种镜头进行工作时,人们对此并非是毫不在意的。因为从没有任何人见识过他所拍摄的这种焦深和清晰的影片,他的作品是无与伦比的。在1993年,他应邀在美国举行的一次拍摄影像专业会议──93年蒙太奇会议上发表了演讲。

    在他作了题为“火线”的讲演之后,导演约翰·贝利和美国电影协会主席维克托?肯珀向他借了影片的带子,以便向制作宽银幕的潘那维申公司展示这部影片。没有几天,潘那维申敲响了弗雷泽的大门。

    “到了这个节骨眼我想我该找位律师了。彼得·伦纳德是一位高技术国际合同律师,他与吉尔伯特和托宾共同在悉尼开业,这位律师为我干了件漂亮活儿。

    “潘那维申公司给我送来一份3页的标准合同,我的律师却建议我不要签这份合同。他重写了合同,然后我们寄回了一份30页的合同,这份文件不仅保护了我的发明而且也帮我谈成了一笔非常合算的生意。”

    这份合同的严谨结构内容使潘那维申这家被看作是世界最好的镜头生产商,决不可能跑回来说他们已经知道用于这种镜头的光学原理。他们在位于香港的一个中立地点与弗雷泽见面,并且这家公司在见到这种镜头之前必须签署一项机密性协议。

    “这桩买卖将使潘那维申公司出资为这项设备申请专利,但专利权将归我所有。曼提斯野生动物制片厂将从生产的每一个镜头中获得固定费用。当潘那维申出租这些镜头时,曼提斯野生动物制片厂从租金中提取一定比例。”

    当弗雷泽首次向潘那维申公司展示他的镜头时,这家公司的人士简直不知道它究竟是怎么做出来的。不过他们认识到它的价值。费用超过100万美金!这恐怕是潘那维申公司在专利申请方面花费最多的一笔钱,不过收益已经源源不断地流入公司的腰包。几乎在美国制作的半数商业广告片都使用了弗雷泽的镜头;而在故事影片圈子里工作的专业人员,如没有弗雷泽的镜头在摄影棚就什么都干不成。

    电影业的利润是巨额的。除了这种镜头本身无与伦比的能力之外,它还大大降低了摄制成本。原本需要3天拍摄的内容现在仅用一天就够了;因为弗雷泽的镜头完全不需要象以前那样动用大量人员在每次导演要求选择新摄制角度时,费劲地调试复杂的摄影机的拍摄位置。这种事已经简单到只消调整一下转体末端即可办到。

    但是这项专利却使弗雷泽倾家荡产,发明家落入美国专利法规定圈套,最终是GBO公司拯救了弗雷泽。

   这段经历在 2014-10-22 CCTV 世界地理频道 15:54 播出 《神奇的镜片》。


本案例研究是由澳大利亚知识产权编辑的。


附:镜头的景深

如果镜头没有一定的景深,即使是百万、千万像素仍然无法同时得到兼顾远、近景同时清晰图像,使得镜头的高解像力优势不能够得到充分发挥。由GBO公司设计生产的FrazierInfinityTM镜头,却打破传统镜头有限景深的限制,设计出了超景深百万像素镜头,实现了光学技术在监控领域的革新。

景深光学原理

根据监控实际需要,常常需要镜头同时拍摄位于不同距离上的多个监控对象,又由于监控主体的位置有时又是不断移动的,往往走出原?先对好的焦点,在此情况下,即使安装了变焦镜头也很难保证同时获得多个监控对象的清晰图像,这就要求在保证画?面清晰度的前提下,能够尽量增加镜头的景深范围。

从光学原理来讲,景深受到光圈、焦距等因素的影响,比如光圈大或者焦距大都会使得景深变小,因此,传统镜头的景深范围通常都是很有限的,这意味着在拍摄时镜头只能对焦于拍摄物的前景或者是背景,而不能够使前景与背景同时对焦,即不能够使拍摄对象的前景及背景同时清晰呈现在画面中。

在光学中,景深(depth of field,DOF)是一个描述在空间中可以清晰成像的距离范围。在摄取图像时,调节摄像机镜头,使距离摄像机一定距离的景物清晰成像的过程,叫做对焦(聚焦),景物所在的点,称为对焦点。远离此点影像则会逐渐模糊,但因为“清晰”并不是一个绝对的概念,因此,在某一个特定的距离内,影像模糊的程度是肉眼无法察觉的。所以,对焦点前(靠近摄像机)、后一定距离内的景物的成像都可以认为是清晰的,这个成像的最小模糊圈被叫做弥散圆,景物在焦平面成像的模糊程度在不超过弥散圆时都可以认为是清晰的,因此焦平面左右的一个小范围里形成一个清晰距离,称之为焦深;相应景物也对应一个前后清晰范围,叫做景深。意思是只要在这个范围之内的景物,都能“清楚”地拍摄到。


图1 景深原理简图


图2 弥散圈与景深的关系


图3 光圈与景深关系

图1为景深光学原理图。景深的大小通常与镜头的焦距有关,焦距长的镜头,景深小,焦距短的镜头景深大。
其次,景深与光圈有关,光圈越小,景深就越大;光圈越大景深就越小。
图2和图3分别是景深与弥散圈和光圈的关系。

景深的计算方法

通常,我们使用的景深计算公式如下:

前景深=(H×L)/(H+L-f)

后景深=(H×L)/(H-L-f)

景深=S2-S1

其中:H为镜头的超焦距,f为镜头的焦距,L为对焦距离,均以米为单位。

对焦距离就是你要拍摄的主体离开镜头的距离。可以看到,景深是依赖于镜头的超焦距、焦距和对焦距离。通过大量的实际测试,我们知道:

1)景深和对焦距离有极大的关系,对焦距离越近,景深越小;对焦距离越大,景深越大;而接近超焦距的前后是拍摄的最好距离,这时候景深最大。

2)对焦距离是一个十分重要的参数,它直接影响了景深的大小,必须充分利用超焦距对焦,使得景深达到充分大,以获得高质量的画面。

3)景深为负值时,表明物体距离足够远以至于超过景深范围,超过景深范围的任何物体都将被认为清晰的。

澳大利亚籍世界著名电影摄影师Jim Frazier根据其长期拍摄经验,并经过无数次的试验,终于取得了突破性的进展,设计出了由其名字命名的FrazierInfinityTM镜头,该镜头通过采用革命性的光学技术,能够提供大景深范围,可以使拍摄物体的前景与背景同时对焦,这意味着不同距离的物体都能够清晰地呈现在画?面中,而不会像传统镜头出现无法兼顾前景与背景的清晰度。GBO公司生产的FrazierInfinityTM镜头通过巧妙利用上述景深的变化原理,采用多镜片组合、衍射光学玻璃和非球面镜片技术,把不同距离的物体尽量聚焦于同一平面,从而获得大景深的远近物体共存的清晰图像,实现了摄像机光学领域的技术突破。

GBO镜头的景深计算见附表,数据显示了它们的超大景深。

下表中是GBO镜头的景深计算内容:


GBO镜头的景深计算内容

大景深镜头与传统镜头拍摄画面对比    不是所有的镜头都有超焦距特性的,GBO镜头具有超焦距特性,因此它具有优越的超景深特性,使其在安防监控行业中得到了广泛的应用。比如,在道路监控和车牌的识别应用中,它无需通?过调焦就可以在场景中捕获更多的实时细节信息;它的特性应用在ATM机上时,能够为客户提供完整的暗堡解决方案;在机场监控应用中,可以提供高解析度的视频,确保全方位、全天候的视频场景细节;在公共场所监控应用中,提供了革命性的解决方案,确保监控视野内近景与远景同时保持清晰可见。

GBO镜头配合500万像素CMOS摄像机拍摄的街景比传统镜头拍摄的街景在远处景物的清晰度方面明显较优,指路牌文字??放大后明显比较清楚,图像四角不存在盲区,而传统镜头拍摄的图像四角变黑。大景深和高清晰的获得取决于镜头的超焦距,而超焦距的获得取决于镜头设计,图4是大景深镜头与传统镜头拍摄画?面对比效果。


传统镜头拍摄的街景


GBO镜头拍摄的街景

图4  大景深镜头与传统镜头拍摄画面对比效果

高清晰、超景深的镜头

据有关资料显示,国际安防市场已经开始大规模使用百万像素IP摄像机,而国内市场,迄今为止,80%以上的安防摄像机仍是模拟的,其像素也通常在30万-50万之间,这已远远不能满足安防市场的需求,国内摄像机市场朝着数字化、高清晰方向发展是不可避免的。

GBO镜头在设计时就充分考虑镜头高清晰度的市场需要,在满足超焦距、超景深的同时,可以适用于高达320万像素(最高可达560万像素)分辨率的摄像机。图5为GBO镜头(焦距86mm)配合560万像素CMOS摄像机在马路上拍摄的不同距离汽车录像截图,50米以内的车牌号码放大后仍清晰可辨。


图5  CBO镜头配合560万像素摄像机所拍摄的效果

随着安防行业CCTV监控系统对设备要求的逐步提高,以及高解析度、高像素摄像机技术的进一步发展,相信作为支持高像素、大景深的高端镜头,必将在安防视频监控市场占有重要的地位。
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