孫海萍,邵 云

(1. 南京市文樞初級中學(xué) 初二年級組,江蘇 南京 210006;2. 南京曉莊學(xué)院 電子工程學(xué)院,江蘇 南京 211171)

大多數(shù)人通常比較熟悉空氣中的照相及其相片特征,可能不甚了解水下照相及其相片特征,其實水下照相蘊含眾多光學(xué)知識。

1 水下照相的光學(xué)知識

圖1 防水相機

圖2 水下相機、防水殼及高光強LED閃光燈

圖3 未使用(左)和使用(右)偏振濾片的照片對比圖

圖4 水下平面鏡頭罩

圖5 水下球面鏡頭罩

圖6 水下使用平面鏡頭罩拍攝的視張角

水下拍攝必須考慮水對可見光的吸收。通常水對長波長光線如紅光、橙光的吸收能力較強,其中紅光大約只能穿透3 m的水層[2],水下稍遠(yuǎn)處的物體多呈現(xiàn)藍(lán)色、青色、青綠色(參見圖7 12色相環(huán),其中青色為紅色的對角色也即補色)。使用高光強LED閃光燈可彌補水下物體在顯色上的損失。

圖7 12色相環(huán)

另外,拍攝水面分割照片(如圖8和圖9所示)時,因水面上、下的光線強度不等,可使用漸變?yōu)V片[1],或者后期的HDR處理技術(shù)[3],以降低水上曝光,同時增強水下的景物呈現(xiàn)度。

圖8 水面處分割拍攝照片(近景)

圖9 水面處分割拍攝照片(遠(yuǎn)景)

2 平面鏡頭罩下的水下照相

平面鏡頭罩下的水下照相與頭戴泳鏡的水下潛泳者朝前看到的景象基本一致(注：潛泳者可通過泳鏡側(cè)面有機玻璃看到更多的側(cè)面景象)。它們成像原理一致,正如從水面上方透過水面看水下物體的虛像,均屬于水到空氣的平面界面折射成像。

從空氣中看水下圓環(huán)的成像光路示意圖如圖10所示[4],物點P和Q分別成虛像于點P′和Q′。設(shè)物點P的深度為h,水的折射率為n水,i為入射角,j為折射角,由文獻(xiàn)[4]可知點P′的坐標(biāo)為

圖10 水下的水平圓環(huán)及其經(jīng)水面折射所成的虛像

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水下h=1 m處物點P的虛像點P′的位置隨視角(即折射角)j的變化,如圖11所示。水下迎面物體的虛像對鏡頭所成的視張角比實物的視張角大,即虛像看上去比實物大,而且虛像上各虛像點相對于物點大小不等地移近了許多[5],再結(jié)合大視角下的像散因素[6]即可斷定：使用平面鏡頭罩拍攝水下較大物體或景物,照片會有所失真,且邊角處會略顯模糊。故平面鏡頭罩多用于水下近景拍攝,水下較大景物及廣角視野的拍攝宜采用球面鏡頭罩。

圖11 水下h=1 m處物點P的虛像點P′的位置隨視角j的變化

采用平面鏡頭罩從水下拍攝水面上方物體的虛像由圖12左可見,這類似于在空氣中從玻璃磚正面透過玻璃磚觀察背面物體[7],照片除了會出現(xiàn)一定的視角放大、失真和邊角模糊外,最大的特征便是四周景物相對于實物均向外整體平移,同時還呈現(xiàn)放大和靠近拍攝者的狀態(tài)。由圖12右可見,這時相機斜向水上的拍攝相當(dāng)于在空氣中透過一個頂角任意的三棱鏡觀察其背后物體;有入射光線在鏡頭罩平面處(圖12中虛線)發(fā)生全反射時,其虛像則看不到,照片上會形成視野暗區(qū),可稱全反射區(qū)。

圖12 采用平面鏡頭罩從水下拍攝水面上方的物體

3 球面鏡頭罩下的水下照相

圖13 球面鏡頭罩界面成像原理示意圖

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這個成像系統(tǒng)相當(dāng)于一個凹透鏡,其像方焦距可令式(3)中的物距s→∞得到,即

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這就是說,水下較遠(yuǎn)處的物體幾乎成像在一個距離鏡頭4r的虛像焦球面上,如圖14所示。

圖14 球面鏡頭罩及其虛像焦球面

采用球面鏡頭罩進(jìn)行水下拍攝時,聚焦的問題并不大,但進(jìn)行水面上、下分割拍照時(見圖8和圖9),宜采用手動聚焦,可以單選對水上或水下聚焦,也可以采用“傻瓜式”折中聚焦方案。

另外,采用球面鏡頭罩從水下向水上拍攝(見圖15—圖17)或在水面進(jìn)行分隔拍攝(見圖9)時,會出現(xiàn)“視錐”現(xiàn)象(其中是水上的全視野景象,與圖6中的視張角不同)。這一特點與采用平面鏡頭罩拍攝截然不同：如在圖12中,將相機朝正上方拍攝時,相當(dāng)于透過一塊平行的“水磚塊”看天空,因不存在視角限制而不會出現(xiàn)“視錐”現(xiàn)象;將相機朝斜上方拍攝時,如同透過一塊“水三棱鏡”看天空,照片上有可能出現(xiàn)全反射的盲區(qū),視野受到限制,其性質(zhì)類似于圖6。

圖15 從游泳池水下朝正上方仰拍

圖17 水下斜仰拍看到的全反射現(xiàn)象

綜上,采用球面鏡頭罩從水下拍攝水下景物拍到的是4倍鏡頭罩半徑遠(yuǎn)處的焦球面上的虛像;采用球面鏡頭罩從水下拍攝水面上方的景物時會出現(xiàn)圓形的“視錐”現(xiàn)象,相片中的水面處可以是一個完整的圓形或一段圓弧分界線,內(nèi)側(cè)是透光區(qū),外側(cè)是全反射區(qū),從圖17中清晰可見這種全反射現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

相機水下拍攝技巧非常多,絕大多數(shù)與光學(xué)知識有關(guān),如圖16中不僅蘊含水下看水上的成像問題[6],還呈現(xiàn)平面反射與漫反射的強烈對比(植物莖葉的反射屬于漫反射)。

正常裸眼在水面之下不可能看清水下物體,如圖18所示,因為人眼角膜的前表曲率半徑為7.8 mm[9],水下遠(yuǎn)處的物體將成虛像在角膜前

圖18 水下“鎮(zhèn)靜”的裸眼

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