stringtranslate.com

Глубина резкости

Макрофотография , показывающая эффект расфокусировки малой глубины резкости на наклоненной странице текста.
Эта фотография была сделана с диафрагмой f/22, поэтому фон в основном сфокусирован.
Та же сцена, что и выше, с диафрагмой f/1,8. Обратите внимание, насколько размытым выглядит фон на этой фотографии.

Глубина резкости ( ГРИП ) — это расстояние между ближайшим и самым дальним объектами, которые находятся в приемлемо резком фокусе на изображении, снятом камерой .

Факторы, влияющие на глубину резкости

Влияние диафрагмы на размытие и ГРИП (глубину резкости). Точки в фокусе ( 2 ) проецируют точки на плоскость изображения ( 5 ), а точки на разных расстояниях ( 1 и 3 ) проецируют размытые изображения или круги нерезкости . Уменьшение размера диафрагмы ( 4 ) уменьшает размер пятен размытия для точек, не находящихся в плоскости фокусировки, так что размытие становится незаметным, и все точки находятся в пределах ГРИП.

Для камер, которые могут одновременно фокусироваться только на одном объекте, глубина резкости — это расстояние между ближайшим и самым дальним объектами, которые находятся в приемлемо резком фокусе на изображении. [1] «Приемлемо резкий фокус» определяется с помощью свойства, называемого « кругом нерезкости ».

Глубину резкости можно определить по фокусному расстоянию , расстоянию до объекта (изображаемого объекта), приемлемому размеру круга нерезкости и диафрагме. [2] Ограничения глубины резкости иногда можно преодолеть с помощью различных методов и оборудования. Приблизительную глубину резкости можно определить по формуле:

для заданного максимально допустимого круга нерезкости ( c ), фокусного расстояния ( f ), числа f ( N ) и расстояния до объекта ( u ). [3] [4]

По мере увеличения расстояния или размера приемлемого круга нерезкости глубина резкости увеличивается; однако увеличение размера диафрагмы (т. е. уменьшение числа f) или увеличение фокусного расстояния уменьшает глубину резкости. Глубина резкости изменяется линейно в зависимости от числа f и круга нерезкости, но изменяется пропорционально квадрату расстояния до объекта и обратно пропорционально квадрату фокусного расстояния. В результате фотографии, сделанные с очень близкого расстояния (т. е. настолько маленького u ), имеют пропорционально гораздо меньшую глубину резкости.

Перестановка уравнения глубины резкости показывает, что на глубину резкости влияет соотношение расстояния и фокусного расстояния;

Обратите внимание, что поперечное увеличение представляет собой отношение размера бокового изображения к латеральному размеру объекта. [5]

Размер датчика изображения влияет на глубину резкости нелогичным образом. Поскольку круг нерезкости напрямую связан с размером сенсора, уменьшение размера сенсора при сохранении постоянного фокусного расстояния и диафрагмы приведет к уменьшению глубины резкости (на кроп-фактор). Однако полученное изображение будет иметь другое поле зрения. Если фокусное расстояние изменяется для сохранения поля зрения, изменение фокусного расстояния будет противодействовать уменьшению глубины резкости от меньшего датчика и увеличит глубину резкости (также за счет кроп-фактора). [6] [7] [8] [9]

Влияние диафрагмы объектива

Для данного кадра объекта и положения камеры глубина резкости контролируется диаметром апертуры объектива, который обычно указывается как число f (отношение фокусного расстояния объектива к диаметру апертуры). Уменьшение диаметра апертуры (увеличение числа f ) увеличивает глубину резкости, поскольку через апертуру проходит только свет, распространяющийся под меньшими углами, поэтому плоскости изображения достигают только конусы лучей с меньшими углами. Другими словами, круги нерезкости уменьшаются или увеличиваются ГРИП. [10]

Для данного размера изображения объекта в фокальной плоскости одно и то же число f на любом объективе с фокусным расстоянием даст одинаковую глубину резкости. [11] Это видно из приведенного выше уравнения глубины резкости, если отметить, что соотношение u / f является постоянным для постоянного размера изображения. Например, если фокусное расстояние увеличивается вдвое, расстояние до объекта также увеличивается вдвое, чтобы сохранить размер изображения объекта прежним. Это наблюдение контрастирует с распространенным представлением о том, что «фокусное расстояние в два раза важнее для расфокусировки, чем диафрагма» [12] , которое применимо к постоянному расстоянию до объекта, а не к постоянному размеру изображения.

В видеороликах управление диафрагмой используется ограниченно; Чтобы обеспечить постоянное качество изображения от кадра к кадру, кинематографисты обычно выбирают одну настройку диафрагмы для интерьеров (например, сцен внутри здания) и другую для экстерьера (например, сцен за пределами здания) и регулируют экспозицию с помощью фильтров камеры или уровней освещенности. Настройки диафрагмы регулируются чаще при фотосъемке, где изменения глубины резкости используются для создания различных специальных эффектов.

Глубина резкости при различных значениях диафрагмы с использованием объектива 50 мм и полнокадровой цифровой зеркальной камеры. Точка фокуса находится в первом столбце блоков. [13]

Эффект круга неразберихи

Точная фокусировка возможна только на точном расстоянии от объектива; [a] на этом расстоянии точечный объект создаст небольшое точечное изображение. В противном случае точечный объект создаст увеличенное или размытое изображение пятна, которое обычно имеет форму круга. Когда это круглое пятно достаточно маленькое, оно визуально неотличимо от точки и кажется, что оно находится в фокусе. Диаметр наибольшего круга, неотличимого от точки, известен как приемлемый круг нерезкости или, неофициально, просто круг нерезкости.

Допустимый круг нерезкости зависит от того, как будет использоваться окончательное изображение. Общепринятым считается круг нерезкости 0,25 мм для изображения, видимого с расстояния 25 см. [14]

Для кинофильмов формата 35 мм площадь изображения на пленке составляет примерно 22 на 16 мм. Предел допустимой погрешности традиционно устанавливался на уровне 0,05 мм (0,0020 дюйма) в диаметре, тогда как для пленки толщиной 16 мм , размер которой примерно в два раза меньше, допуск более строгий - 0,025 мм (0,00098 дюйма). [15] Более современная практика для производства диаметром 35 мм устанавливает предел круга нерезкости на уровне 0,025 мм (0,00098 дюйма). [16]

Движения камеры

Термин «движения камеры» относится к повороту (повороту и наклону, в современной терминологии) и регулировке смещения держателя объектива и держателя пленки. Эти функции использовались с 1800-х годов и до сих пор используются в камерах обзора, технических камерах, камерах с объективами с управлением наклоном/сдвигом или перспективой и т. д. Поворот объектива или датчика приводит к повороту плоскости фокуса (POF). а также заставляет поле приемлемого фокуса поворачиваться вместе с POF; и в зависимости от критериев ГРИП также менять форму поля приемлемой фокусировки. Хотя расчеты глубины резкости камер с нулевым поворотом обсуждались, формулировались и документировались еще до 1940-х годов, документирование расчетов для камер с ненулевым поворотом, похоже, началось в 1990 году.

Более того, чем в случае с камерой с нулевым поворотом, существуют различные методы формирования критериев и настройки вычислений для глубины резкости, когда поворот ненулевой. Наблюдается постепенное снижение четкости объектов по мере их удаления от POF, а на какой-то виртуальной плоской или изогнутой поверхности пониженная четкость становится неприемлемой. Некоторые фотографы делают расчеты или используют таблицы, некоторые используют маркировку на своем оборудовании, некоторые судят по предварительному просмотру изображения.

Когда POF вращается, ближний и дальний пределы глубины резкости можно рассматривать как клиновидные, причем вершина клина находится ближе всего к камере; или их можно рассматривать как параллельные POF. [17] [18]

Методы расчета объектно-поля

Традиционные формулы глубины резкости могут быть трудно использовать на практике. В качестве альтернативы тот же эффективный расчет можно выполнить без учета фокусного расстояния и числа f. [b] Мориц фон Рор , а затем и Мерклингер отмечают, что эффективный абсолютный диаметр апертуры может использоваться для аналогичной формулы при определенных обстоятельствах. [19]

Более того, традиционные формулы глубины резкости предполагают равные допустимые круги нерезкости для ближних и дальних объектов. Мерклингер [c] предположил, что удаленные объекты часто должны быть намного резче, чтобы их можно было четко распознать, тогда как более близкие объекты, поскольку на пленке они крупнее, не должны быть такими резкими. [19] Потеря детализации удаленных объектов может быть особенно заметной при сильном увеличении. Достижение этой дополнительной резкости на удаленных объектах обычно требует фокусировки за пределами гиперфокального расстояния , иногда почти на бесконечности. Например, при фотографировании городского пейзажа с дорожным столбом на переднем плане этот подход, названный Мерклингером методом поля объекта , рекомендует сфокусироваться очень близко к бесконечности и остановиться, чтобы столбик стал достаточно резким. При таком подходе объекты переднего плана не всегда можно сделать идеально резкими, но потеря резкости у близких объектов может быть приемлемой, если распознаваемость удаленных объектов имеет первостепенное значение.

Другие авторы, такие как Ансель Адамс , заняли противоположную позицию, утверждая, что небольшая нерезкость объектов на переднем плане обычно более тревожна, чем небольшая нерезкость в отдаленных частях сцены. [20]

Преодоление ограничений глубины резкости

Некоторые методы и оборудование позволяют изменять видимую глубину резкости, а некоторые даже позволяют определять глубину резкости после создания изображения. Они основаны или поддерживаются процессами компьютерного построения изображений. Например, наложение фокуса объединяет несколько изображений, сфокусированных в разных плоскостях, в результате чего получается изображение с большей (или меньшей, если это желательно) видимой глубиной резкости, чем у любого из отдельных исходных изображений. Аналогичным образом, чтобы восстановить трехмерную форму объекта, карта глубины может быть создана из нескольких фотографий с разной глубиной резкости. Сюн и Шафер, в частности, пришли к выводу: «...улучшение точности определения фокуса и расфокусировки может привести к созданию эффективных методов восстановления формы». [21]

Другой подход – это развертка фокуса. Фокальная плоскость перемещается по всему соответствующему диапазону за одну экспозицию. Это создает размытое изображение, но с ядром свертки, которое почти не зависит от глубины объекта, так что размытие почти полностью удаляется после вычислительной деконволюции. Это дает дополнительное преимущество, заключающееся в значительном уменьшении размытия при движении. [22]

Другие технологии используют комбинацию конструкции линз и постобработки: кодирование волнового фронта — это метод, с помощью которого в оптическую систему добавляются контролируемые аберрации, чтобы можно было улучшить фокус и глубину резкости на более позднем этапе процесса. [23]

Конструкция линзы может быть изменена еще больше: при цветовой аподизации линза модифицируется таким образом, что каждый цветовой канал имеет разную апертуру линзы. Например, красный канал может иметь значение f /2,4, зеленый — f /2,4, а синий канал — f /5,6. Поэтому синий канал будет иметь большую глубину резкости, чем другие цвета. Обработка изображения определяет размытые области в красном и зеленом каналах и в этих областях копирует данные с более резкими краями из синего канала. В результате получается изображение, сочетающее в себе лучшие характеристики разных диафрагменных чисел. [24]

В крайнем случае, пленоптическая камера фиксирует четырехмерную информацию о световом поле сцены, поэтому фокус и глубину резкости можно изменить после того, как фотография будет сделана.

Дифракция и глубина резкости

Дифракция приводит к тому, что изображения теряют резкость при больших числах F (т. е. при узких размерах диафрагменного отверстия) и, следовательно, ограничивают потенциальную глубину резкости. [25] (Этот эффект не учитывается в приведенной выше формуле, дающей приблизительные значения глубины резкости.) В обычной фотографии это редко является проблемой; поскольку большие числа f обычно требуют длительной выдержки для достижения приемлемой яркости изображения, размытие при движении может вызвать большую потерю резкости, чем потеря из-за дифракции. Однако дифракция является более серьезной проблемой при съемке крупным планом, и общая резкость изображения может ухудшиться, поскольку фотографы пытаются максимизировать глубину резкости при очень маленькой диафрагме. [26] [27]

Хансма и Петерсон обсудили определение комбинированных эффектов расфокусировки и дифракции с использованием квадратичной комбинации отдельных пятен размытия. [28] [29] Подход Хансмы определяет f -число, которое обеспечит максимально возможную резкость; Подход Петерсона определяет минимальное число f , которое обеспечит желаемую резкость конечного изображения, и максимальную глубину резкости, при которой может быть достигнута желаемая резкость. [d] В сочетании эти два метода можно рассматривать как получение максимального и минимального числа f для данной ситуации, при этом фотограф может выбирать любое значение в пределах диапазона, насколько позволяют условия (например, возможное размытие изображения при движении). Гибсон дает аналогичное обсуждение, дополнительно рассматривая эффекты размытия, вызванные аберрациями объектива камеры, дифракцией и аберрациями увеличения объектива, негативной эмульсией и бумагой для печати. [25] [e] Кузен дал формулу, по существу такую ​​же, как формула Хансмы для оптимального f -числа, но не обсуждал ее вывод. [30]

Хопкинс [31] , Стоксет [32] и Уильямс и Беклунд [33] обсудили комбинированные эффекты с использованием передаточной функции модуляции . [34] [35]

Шкалы глубины резкости

Деталь объектива, установленного наf/11. Точка на полпути между отметками 1 м и 2 м, глубина резкости ограничиваетсяf/11, представляет собой фокусное расстояние примерно 1,33 м (обратная величина обратных величин 1 и 2 равна 4/3).
Шкала глубины резкости на диске фокусировки Tessina

Многие объективы имеют шкалы, указывающие глубину резкости для заданного фокусного расстояния и числа f ; объектив 35 мм на изображении типичен. Этот объектив включает в себя шкалу расстояний в футах и ​​метрах; когда отмеченное расстояние установлено напротив большой белой метки, фокус устанавливается на это расстояние. Шкала глубины резкости под шкалой расстояний включает метки по обе стороны от индекса, соответствующие f -числам. Когда объектив установлен на заданное число f , глубина резкости увеличивается между расстояниями, совпадающими с отметками числа f .

Фотографы могут использовать шкалы объектива, чтобы двигаться назад от желаемой глубины резкости, чтобы найти необходимое расстояние фокусировки и диафрагму. [36] Для показанного объектива с фокусным расстоянием 35 мм, если бы хотелось, чтобы глубина резкости увеличилась с 1 м до 2 м, фокус был бы установлен так, чтобы указательная метка находилась по центру между отметками для этих расстояний, а диафрагма была бы установлена ​​на ж /11. [ф]

На обзорной камере фокус и число f можно получить, измерив глубину резкости и выполнив простые вычисления. Некоторые камеры обзора оснащены калькуляторами глубины резкости, которые указывают фокус и число f без необходимости каких-либо вычислений со стороны фотографа. [37] [38]

Гиперфокальное расстояние

Zeiss Ikon Contessa с красными метками для гиперфокального расстояния 20 футов приж/8
Камера Minox LX с гиперфокальной красной точкой
Никон 28ммf/2,8объектив с маркировкой глубины резкости. Объектив устанавливается на гиперфокальное расстояние дляf/22. Оранжевая отметка, соответствующаяf/22находится на отметке бесконечности ( ). Фокус приемлем из-подОт 0,7 м до бесконечности.
Зум-объектив Минолта 100-300. Глубина резкости и, следовательно, гиперфокальное расстояние изменяются в зависимости от фокусного расстояния, а также от диафрагмы. Этот объектив настроен на гиперфокальное расстояние дляf/32на фокусном расстоянии100 мм .

В оптике и фотографии гиперфокальное расстояние — это расстояние от объектива, за которым все объекты могут быть приведены в «приемлемый» фокус . Поскольку гиперфокальное расстояние — это расстояние фокусировки, дающее максимальную глубину резкости, это наиболее желательное расстояние для фокусировки камеры с фиксированным фокусом . [39] Гиперфокальное расстояние полностью зависит от того, какой уровень резкости считается приемлемым.

Гиперфокальное расстояние обладает свойством, называемым «последовательной глубиной резкости», при котором линза, сфокусированная на объекте, расстояние от которого до линзы составляет гиперфокальное расстояние H , будет сохранять глубину резкости от H /2 до бесконечности, если линза сфокусирована. до H /2 , глубина резкости будет от H /3 до H ; если затем объектив сфокусировать на H /3 , глубина резкости будет от H /4 до H /2 и т. д.

Томас Саттон и Джордж Доусон впервые написали о гиперфокальном расстоянии (или «фокальном расстоянии») в 1867 году. [40] Луи Дерр в 1906 году, возможно, был первым, кто вывел формулу гиперфокального расстояния. Рудольф Кингслейк написал в 1951 году о двух методах измерения гиперфокального расстояния.

На некоторых камерах гиперфокальное расстояние отмечено на диске фокусировки. Например, на диске фокусировки Minox LX между2 м и бесконечность; когда объектив установлен на красную точку, то есть сфокусирован на гиперфокальном расстоянии, глубина резкости простирается от2 м до бесконечности. На некоторых объективах имеется маркировка, указывающая гиперфокальный диапазон для определенных диафрагм .

Ближнее:дальнее распределение

ГРИП за объектом всегда больше, чем ГРИП перед объектом. Когда объект находится на гиперфокальном расстоянии или за его пределами, дальняя глубина резкости бесконечна, поэтому соотношение составляет 1: ∞; по мере уменьшения расстояния до объекта соотношение глубины резкости для ближнего и дальнего света увеличивается, приближаясь к единице при большом увеличении. Для больших диафрагм на типичных портретных расстояниях соотношение по-прежнему близко к 1:1.

Формулы ГРИП

В этом разделе рассматриваются некоторые дополнительные формулы для оценки глубины резкости; однако все они подчиняются значительным упрощающим допущениям: например, они предполагают параксиальное приближение гауссовой оптики . Они подходят для практической фотографии, дизайнеры объективов использовали бы существенно более сложные.

Фокус и f -число от пределов глубины резкости

Для заданных пределов глубины резкости для ближнего и дальнего света и требуемое число f является наименьшим, когда фокус установлен на

среднее гармоническое ближнего и дальнего расстояний. На практике это эквивалентно среднему арифметическому для малой глубины резкости. [41] Иногда пользователи камер обзора называют эту разницу разбросом фокуса . [42]

Размытие переднего плана и фона

Если объект находится на расстоянии , а передний план или фон находятся на расстоянии , пусть расстояние между объектом и передним планом или фоном обозначается как

Диаметр диска размытия детали на расстоянии от объекта может быть выражен как функция увеличения объекта , фокусного расстояния , f -числа или, альтернативно, диафрагмы , согласно

Знак минус применяется к объекту переднего плана, а знак плюс — к объекту фона.

Размытие увеличивается по мере удаления от объекта; когда меньше круга нерезкости, деталь находится в пределах глубины резкости.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ строго, на точном расстоянии от плоскости
  2. ^ несмотря на то, что число f определяется фокусным расстоянием.
  3. ^ Ингландер описывает аналогичный подход в своей статье «Видимая глубина резкости: практическое использование в пейзажной фотографии»; Конрад обсуждает этот подход в разделах «Различные круги путаницы для ближних и дальних пределов глубины резкости» и «Метод поля объекта» в разделе «Глубина резкости в глубине».
  4. ^ Петерсон не дает выражения в замкнутой форме для минимального f -числа, хотя такое выражение получается в результате простой алгебраической манипуляции с его уравнением 3.
  5. Аналитический раздел в конце книги Гибсона (1975) первоначально был опубликован как «Увеличение и глубина детализации в фотомакрографии» в Журнале Фотографического общества Америки , Vol. 26, № 6, июнь 1960 г.
  6. ^ Расстояние фокусировки, при котором глубина резкости увеличивается между заданными расстояниями до ближнего и дальнего объекта, представляет собой среднее гармоническое значение сопряженных объектов . На большинстве объективов с геликоидной фокусировкой отмечены расстояния от плоскости изображения до объекта, поэтому фокус , определенный по шкале расстояний объектива, не является точно средним гармоническим значением отмеченных ближнего и дальнего расстояний .

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Сальваджио и Штробель 2009, стр. 110-.
  2. ^ Барбара Лондон; Джим Стоун; Джон Аптон (2005). Фотография (8-е изд.). Пирсон. п. 58. ИСБН 978-0-13-448202-6.
  3. ^ Элизабет Аллен; Софи Триантафиллиду (2011). Руководство по фотографии. Тейлор и Фрэнсис. стр. 111–. ISBN 978-0-240-52037-7.
  4. ^ «Глубина резкости». Graphics.stanford.edu .
  5. ^ Хехт, Юджин (2017). «5.2.3 Тонкие линзы». Оптика (5-е изд.). Пирсон. п. 172. ИСБН 978-1-292-09693-3.
  6. ^ Нассе, HH (март 2010 г.). «Глубина резкости и боке (официальный документ Zeiss)» (PDF) . Lenspire.zeiss.com .
  7. ^ «Размеры сенсоров цифровой камеры: как это влияет на вашу фотографию» . www.cambridgeincolour.com .
  8. ^ «Размер датчика, перспектива и глубина резкости» . Фотография Жизнь . 5 мая 2015 г.
  9. Винсон, Джейсон (22 января 2016 г.). «Чем меньше размер сенсора, тем меньше глубина резкости». Фстоперы .
  10. ^ «Почему маленькая диафрагма увеличивает глубину резкости?». 18 мая 2012 г.
  11. ^ «DOF2, 13 января 2009 г., Майкл Райхманн, Светящийся пейзаж» . 13 января 2009 г.
  12. ^ «Кен Роквелл».
  13. ^ «Фотоскоп: Уроки интерактивной фотографии» . 25 апреля 2015 г.
  14. ^ Савацци 2011, с. 109.
  15. ^ Фильм и его методы. Издательство Калифорнийского университета. 1966. с. 56 . Проверено 24 февраля 2016 г. .
  16. ^ Томас Оганян и Натали Филлипс (2013). Цифровое кинопроизводство: меняющееся искусство и ремесло создания кинофильмов. ЦРК Пресс. п. 96. ИСБН 9781136053542. Проверено 24 февраля 2016 г. .
  17. ^ Мерклингер 1993, стр. 49–56.
  18. ^ Тильманнс 1997, с. 71.
  19. ^ аб Мерклингер 1992.
  20. ^ Адамс 1980, с. 51.
  21. ^ Сюн, Ялин и Стивен А. Шафер. «Глубина от фокусировки и дефокусировки». Компьютерное зрение и распознавание образов, 1993. Труды CVPR'93., 1993 Конференция IEEE Computer Society. ИИЭР, 1993.
  22. ^ Бандо и др. «Почти инвариантное размытие глубины и двумерное движение с помощью анализа изменяющегося во времени светового поля». Транзакции ACM в графике, Vol. 32, № 2, статья 13, 2013 г.
  23. ^ Мэри, Д.; Рош, М.; Тейс, К.; Эм, К. (2013). «Введение в кодирование волнового фронта для некогерентной визуализации» (PDF) . Серия публикаций EAS . 59 : 77–92. Бибкод : 2013EAS....59...77R. дои : 10.1051/eas/1359005. ISSN  1633-4760. S2CID  120502243. Архивировано (PDF) из оригинала 14 июня 2022 г.
  24. ^ Кей 2011.
  25. ^ Аб Гибсон 1975, с. 64.
  26. ^ Гибсон 1975, с. 53.
  27. ^ Лефковиц 1979, с. 84.
  28. ^ Хансма 1996.
  29. ^ Петерсон 1996.
  30. ^ Кузен 1982.
  31. ^ Хопкинс 1955.
  32. ^ Стоксет 1969.
  33. ^ Уильямс и Беклунд 1989.
  34. ^ «Глубина резкости в глубине», Джефф Конрад
  35. ^ "Учебное пособие по фотографическим объективам", Дэвид М. Джейкобсон, 26 октября 1996 г.
  36. ^ Рэй 1994, с. 315.
  37. ^ Тильманнс 1997, с. 67-68.
  38. ^ Рэй 1994, с. 230-231.
  39. ^ Кингслейк, Рудольф (1951). Объективы в фотографии: Практическое руководство по оптике для фотографов . Гарден-Сити, Нью-Йорк: Garden City Press.
  40. ^ Саттон, Томас; Доусон, Джордж (1867). Словарь фотографии. Лондон: Сэмпсон Лоу, Сын и Марстон.
  41. ^ Конрад, Джефф. «Глубина резкости в глубине» (PDF) . Информация о широкоформатной фотографии . Проверено 10 февраля 2023 г.
  42. ^ Хансма 1996, с. 55.

Источники

дальнейшее чтение

Внешние ссылки