Мобильная лаборатория естествоиспытателя
ЛАБОРАТОРИЯ ОПТИКИ
Модуль длительных наблюдений в природе:
приложение для серийного фотографирования
Приложение для серийного фотографирования – автономный модуль, позволяющий фотографировать несколько изображений на общий кадр (на одну «фотопластинку») и проводить измерения по полученным фотографиям. В результате работы с приложением может быть получено статичное или анимированное изображение, созданное в результате слияния нескольких фотографий. Фотографии могут быть сделаны как с помощью камеры самого планшета, так и загружены в программу из внешних источников (в последнем случае отслеживать точность расположения камеры при длительных промежутках времени между съемками придется «вручную»). При съемке на камеру планшета желательно иметь покупную или самодельную подставку, позволяющую зафиксировать планшет для сохранения точки съемки неизменной (это важно при непродолжительных экспериментах с близко расположенными объектами, например, при определении астрономического времени или для оценки скорости распускания бутонов растений).
При фотографировании камерой планшета снимок помещается не в галерею планшета, а в созданный в лаборатории проект. Вместе со снимком сохраняется информация о времени съемки, GPS-координатах точки съемки и характеристиках положения планшета (данные с гироскопов) – их потом можно будет включить в итоговое изображение, получаемое при обработке проекта.
Первый снимок используется как основа для серии снимков проекта; последующие кадры помещаются в этот же проект, пока съемка серии снимков не будет закончена. Программа позволяет включить напоминание о съемке следующего кадра: в специальном диалоговом окне можно задать промежуток времени до съемки следующего кадра в минутах, часах и днях (для аналемм кадры обычно снимают с интервалом раз в 10-12 дней, для прорастания семян – раз в день, для определения астрономического времени – с интервалом в 2-3 минуты).
При обработке изображений можно из отдельных фотографий проекта создать итоговое статичное или анимированное изображение. Это выполняется в ходе ряда последовательных этапов обработки изображений.
Добавление меток
Редактор, позволяющий добавить на кадр метки даты съемки, времени съемки и координат, а также выноску – линию, соединяющую текст с элементом изображения. При добавлении текстовой метки есть возможность изменить ее положение так, чтобы она не закрывала значимые части изображения. В результате на кадре будет указано, когда и где получен элемент изображения, отмеченный выноской. Такие же метки пользователь может сделать на всех или некоторых кадрах проекта. Важно помнить, что надо изменять положение меток и выносок так, чтобы они не закрывали друг друга. Для этого удобно пролистать все изображения проекта подряд, чтобы оценить, как много надо сделать меток и продумать, как их лучше расположить (в качестве критериев может быть не только стремление избежать перекрывания текстов, но и соответствие цели проекта: например, при серийной съемке прорастания семян удобно делать горизонтальные выноски, позволяющие рассчитать длину проростков в определенные дни для построения графика). Пример удачного расположения на фотографиях выносок со временем съемки отдельных кадров приведен на рис. 1.
 |
Рис. 1. Выноски со временем съемки кадров положения Луны на сборной фотографии. |
Этот этап можно пропустить и не добавлять на фотографиях ничего – например, на групповых портретах метки не нужны.
Сборка изображений
Можно выбрать итоговый формат представления: фотография (статичное изображение) или анимация (stop-motion) – последовательный вывод изображений проекта с небольшой временной задержкой, которая заканчивается последним кадром с собранным статичным изображением.
Для проектов удобнее использовать именно статичные изображения, так как по ним можно строить кривые, проводить измерения и т. п. Для этого изображение можно открыть в редакторе планшета и с помощью стилуса нарисовать сглаженную кривую по точкам, построить рядом с изображением график или диаграмму и т. д.
Таким образом, приложение может быть использовано для самых разных проектов как инструмент мониторинга (фиксации наблюдений), анализа и представления данных. Например, с его помощью можно фиксировать положение ярких небесных тел (Солнца, Луны), скорость роста растений, изменения снежного покрова при таянии снега и многое другое. Как можно применить это приложение, рассмотрим на нескольких примерах.
1. Аналеммы
Аналемма (греч. ανάλημμα, «основа, фундамент») — кривая, соединяющая ряд последовательных положений Солнца на небосводе планеты в одно и то же время в течение года. Из восьми планет Солнечной системы аналеммы видны на шести, включая Землю. На Меркурии и Венере наблюдать аналеммы невозможно, так как их периоды обращения вокруг своей оси близки к периодам обращения вокруг Солнца (например, Венера совершает один оборот вокруг своей оси за 243,02 земных суток, а период обращения вокруг Солнца равен 224,7 земных суток).
Форма земной аналеммы (наклоненная «восьмерка») определяется наклоном земной оси к плоскости эклиптики и эллиптичностью земной орбиты. Наивысшее положение Солнца на аналемме соответствует летнему солнцестоянию, наинизшее — зимнему; положение в середине «восьмёрки» Солнце занимает два раза в год (см. рис. 2).
 |
Рис. 2. Форма земной аналеммы. |
Изображение аналемы довольно часто встречается на старинных глобусах и картах (рис. 3). Аналеммой также называли солнечные часы, на которых показывался зодиак. На таком приборе можно было с помощью длины тени определять вхождение Солнца в разные знаки зодиака и продолжительность светового дня. Аналемма также используется в точных солнечных часах для определения времени с точностью до минут (рис. 4).
 |
Рис. 3. Аналемма на старинном глобусе.
|
 |
Рис. 4. Солнечные часы с аналеммой.
|
Постройте аналемму для вашей местности. Ответьте на вопросы:
- Чем отличаются аналеммы, сделанные в одной местности, но для разного времени суток?
- Чем отличаются аналеммы, сделанные в разной местности?
Что больше влияет на вид аналеммы – широта местности или ее долгота? Почему?
Представляет также интерес аналемма лунного месяца (рис. 5). Автор фотографии, Рич Ричинс производил съемку Луны в Органских горах на юге штата Нью-Мексико, США. Для проведения наблюдений астроном выбрал лунный месяц, в который входит день летнего солнцестояния в северном полушарии. На представленном на рис. 5 составном изображении нижняя правая точка соответствует восходу полной Луны, а верхняя левая - новолунию. Примечательно, что в процессе съемки Ричинсу пришлось использовать специальные приемы, для того чтобы получить в светлое время суток фотографии тонкого полумесяца.
Истинное положение Луны отличается от среднего по той причине, что спутник движется по эллиптической орбите, наклоненной к плоскости эклиптики под углом в пять градусов. Построить лунную аналемму сложнее, так как фотографии придется делать не в одно время суток, а со сдвигом на 51 минуту для каждого следующего кадра; поэтому часть фотографий действительно придется делать в светлое время суток.
 |
Рис. 5. Аналемма лунного месяца. |
Конечно, расчет вида аналеммы – математическая задача, поэтому существует ряд компьютерных программ, позволяющих построить аналемму для конкретной местности. Назовем некоторые такие программы.
Программа "Гелиограф 3.6" (автор - Виктор Малыщиц) производит расчёт на заданное время расстояния до Солнца, его углового диаметра, расчёт моментов и азимутов точек восхода и захода, координат Солнца, и показывает положение Солнца на карте звёздного. Одной из дополнительных функций является расчёт вида аналеммы для заданного пункта на заданный момент (рис. 6). |
Рис. 6. Окно расчета вида аналеммы в программе Гелиограф 3. |
Программа Day-night (рис. 7) вычисляет положение Солнца и Луны для заданной точки на Земле в заданное время, график суточного хода Солнца и Луны в координатах азимут - подъем над горизонтом, положение границ тени и сумерек с отображением на карте Земли.
 |
Рис. 7. Окно программы Day-night v.2.6.2 |
На рис. 8 представлено рассчитанное программой Day-night положение Солнца (азимут и высота) для Москвы в течение года. Каждая аналемма-"восьмерка" соответствует конкретному времени суток. На аналемме-восьмерке, соответствующей 14 часам дня (лето), показаны 4 основные даты года - 2 солнцестояния (21 июня и 21 декабря) и 2 равноденствия (21 марта и 21 сентября). Например, если проследить за самой верхней точкой (красного цвета) всех восьмерок, то можно увидеть ход солнца в Москве в течение всего дня 21 июня. В частности, видно, что в этот день солнце восходит почти в 5 часов утра примерно на 45 азимуте (северо-восток).
 |
Рис. 8. Результат расчет вида аналемм для г. Москва для разного времени суток в программе Day-night v.2.6.2 |
 |
Рис. 9. Окно программы Analemma. |
2. Определение астрономического времени
Определение астрономического времени конкретной местности проводится в солнечный день. Для этого используется вертикально стоящий шест, и измеряется длина тени, которую он отбрасывает, при фиксации времени измерения. В ходе опыта с удобной точки (предпочтительно – верхней) производится с интервалом в 2-3 минуты съемка шеста и его тени. Время, когда длина будет наименьшей, и является астрономическим полднем данной местности. Для выполнения работы надо получить сборное изображение с метками, соответствующими времени съемки каждой из фотографий. Удобно точки окончания тени в разные моменты времени отметить с помощью стилуса, и по ним построить сглаженную кривую, определив с достаточной точностью время, которое соответствует минимальной длине тени. По точке на кривой определяется астрономическое время данной местности с точностью до минут.
3. Гальтоновы портреты
Гальтоновыми портретами называют сборные фотопортреты нескольких разных людей, снятые на одну фотопластинку. Автор методики, Френсис Гальтон (1822–1911), двоюродный брат Ч. Дарвина, был разносторонним ученым: он – основоположник анализа родословных, дерматоглифики (основы дактилоскопии – идентификации людей по отпечаткам пальцев), математических методов в биологии (ящик Гальтона), близнецового анализа, тестового метода исследования личности, эвгеники и т. д.
Ф. Гальтон предложил делать сборные фотопортреты: фотографировать на одну фотопластинку несколько фотографий родственников или земляков (рис. 10). Для этого предварительно сделанные фотопортреты согласовались по размерам, и располагались с выравниванием по вертикальной оси и горизонтальной линии глаз. При получении сборного изображения общие черты усиливались, а индивидуальные различия – стирались (рис. 11). Методом проб и ошибок он усовершенствовал детали этой фотографической техники (Composite Portraiture) в течение многих лет, с использованием аппарата собственной конструкции. Он был особенно заинтересован в использовании этих сборных фотографий для проверки, существует ли узнаваемый преступный тип внешности, однако его эксперименты в этом направлении показали, что, в пределах имевшихся данных, такой тип не проявился.
 |
Рис. 10. Съемка сборных портретов. |
 |
Рис. 11. Пример семейных портретов. |
В последние десятилетия в связи с развитием компьютерной графики идея Френсиса Гальтона проходит новый виток популярности.