Глубина резкости ( ГРИП ) — это расстояние между ближайшим и самым дальним объектами, которые находятся в приемлемо резком фокусе на изображении, снятом камерой . См. также тесно связанную глубину резкости .
Для камер, которые могут фокусироваться только на одном объекте одновременно, 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 « кружком нерезкости ».
Глубина резкости может быть определена фокусным расстоянием , расстоянием до объекта (объекта, который будет сфотографирован), приемлемым размером кружка нерезкости и диафрагмой. [2] Ограничения глубины резкости иногда можно преодолеть с помощью различных методов и оборудования. Приблизительная глубина резкости может быть задана следующим образом:
для заданного максимально допустимого кружка нерезкости c , фокусного расстояния f , числа f N и расстояния до объекта u . [3] [4]
По мере увеличения расстояния или размера приемлемого кружка нерезкости глубина резкости увеличивается; однако увеличение размера диафрагмы (т. е. уменьшение числа f ) или увеличение фокусного расстояния уменьшает глубину резкости. Глубина резкости изменяется линейно с числом f и кружком 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 малого u ), имеют пропорционально гораздо меньшую глубину резкости.
Переформулирование уравнения ГРИП показывает, что на ГРИП влияет соотношение между расстоянием и фокусным расстоянием ;
Обратите внимание, что это поперечное увеличение , которое представляет собой отношение поперечного размера изображения к поперечному размеру объекта. [5]
Размер сенсора изображения влияет на глубину резкости нелогичным образом. Поскольку кружок нерезкости напрямую связан с размером сенсора, уменьшение размера сенсора при сохранении фокусного расстояния и апертуры постоянными приведет к уменьшению глубины резкости (на кроп-фактор). Однако полученное изображение будет иметь другое поле зрения. Если фокусное расстояние изменяется для сохранения поля зрения, при сохранении числа f постоянным , изменение фокусного расстояния будет противодействовать уменьшению глубины резкости от меньшего сенсора и увеличит глубину резкости (также на кроп-фактор). Однако, если фокусное расстояние изменяется для сохранения поля зрения, при сохранении диаметра апертуры постоянным , глубина резкости останется постоянной. [6] [7] [8] [9]
Для заданного кадрирования 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 более мелкими углами, поэтому плоскости изображения достигают только конусы лучей с более мелкими углами. Другими словами, уменьшаются круги нерезкости или увеличивается глубина резкости . [10]
Для заданного размера изображения объекта в фокальной плоскости одно и то же число f на любом фокусном расстоянии объектива даст одинаковую глубину резкости. [11] Это очевидно из приведенного выше уравнения ГРИП , если отметить, что отношение u / f является постоянным для постоянного размера изображения. Например, если фокусное расстояние удваивается, расстояние до объекта также удваивается, чтобы сохранить размер изображения объекта прежним. Это наблюдение контрастирует с распространенным представлением о том, что «фокусное расстояние в два раза важнее для расфокусировки, чем f/stop», [12], которое применяется к постоянному расстоянию до объекта, в отличие от постоянного размера изображения.
В кинофильмах управление диафрагмой используется ограниченно; для получения постоянного качества изображения от кадра к кадру кинематографисты обычно выбирают одну настройку диафрагмы для интерьеров (например, сцены внутри здания) и другую для экстерьеров (например, сцены в области за пределами здания) и регулируют экспозицию с помощью фильтров камеры или уровней освещенности. Настройки диафрагмы регулируются чаще в неподвижной фотографии, где изменения глубины резкости используются для создания различных спецэффектов.
Точная фокусировка возможна только на точном расстоянии от линзы; [a] на этом расстоянии точечный объект даст маленькое пятно изображения. В противном случае точечный объект даст большее или размытое пятно изображения, которое обычно и приблизительно является кругом. Когда это круглое пятно достаточно мало, оно визуально неотличимо от точки и кажется находящимся в фокусе. Диаметр наибольшего круга, который неотличим от точки, известен как приемлемый кружок нерезкости или неформально просто как кружок нерезкости.
Приемлемый кружок нерезкости зависит от того, как будет использоваться конечное изображение. Обычно принимается кружок нерезкости в 0,25 мм для изображения, рассматриваемого с расстояния 25 см. [14]
Для 35- мм фильмов область изображения на пленке составляет примерно 22 мм на 16 мм. Предел допустимой ошибки традиционно устанавливался на уровне 0,05 мм (0,0020 дюйма) в диаметре, в то время как для 16-мм пленки , где размер примерно вдвое больше, допуск более строгий, 0,025 мм (0,00098 дюйма). [15] Более современная практика для 35-мм постановок устанавливает предел кружка нерезкости на уровне 0,025 мм (0,00098 дюйма). [16]
Термин «движения камеры» относится к повороту (повороту и наклону, в современной терминологии) и регулировке сдвига держателя объектива и держателя пленки. Эти функции использовались с 1800-х годов и до сих пор используются в камерах просмотра, технических камерах, камерах с наклоном/сдвигом или объективами с управлением перспективой и т. д. Поворот объектива или датчика приводит к повороту плоскости фокусировки (POF), а также к повороту поля приемлемой фокусировки вместе с POF ; и в зависимости от критериев ГРИП также к изменению формы поля приемлемой фокусировки. В то время как расчеты ГРИП камер с поворотом, установленным на ноль, обсуждались, формулировались и документировались еще до 1940-х годов, документирование расчетов для камер с ненулевым поворотом, по-видимому, началось в 1990 году.
В большей степени, чем в случае с камерой с нулевым поворотом, существуют различные методы формирования критериев и настройки расчетов для ГРИП , когда поворот не равен нулю. Наблюдается постепенное снижение четкости объектов по мере их удаления от POF , а на некоторой виртуальной плоской или изогнутой поверхности снижение четкости становится неприемлемым. Некоторые фотографы выполняют расчеты или используют таблицы, некоторые используют маркировку на своем оборудовании, некоторые судят, просматривая изображение.
При вращении POF ближний и дальний пределы ГРИП можно рассматривать как имеющие форму клина, вершина которого находится ближе всего к камере; или их можно рассматривать как параллельные POF . [ 17] [18]
Традиционные формулы глубины резкости могут быть сложны в использовании на практике. В качестве альтернативы, тот же эффективный расчет может быть выполнен без учета фокусного расстояния и числа f . [b] Мориц фон Рор и позже Мерклингер отмечают, что эффективный абсолютный диаметр апертуры может быть использован для аналогичной формулы в определенных обстоятельствах. [19]
Более того, традиционные формулы глубины резкости предполагают равные приемлемые кружки нерезкости для близких и далеких объектов. Мерклингер [c] предположил, что удаленные объекты часто должны быть намного резче, чтобы быть четко распознаваемыми, тогда как более близкие объекты, будучи больше на пленке, не должны быть такими резкими. [19] Потеря деталей на удаленных объектах может быть особенно заметна при экстремальном увеличении. Достижение этой дополнительной резкости на удаленных объектах обычно требует фокусировки за пределами гиперфокального расстояния , иногда почти на бесконечности. Например, если фотографировать городской пейзаж с дорожным столбиком на переднем плане, этот подход, названный Мерклингером методом объектного поля , рекомендовал бы фокусироваться очень близко к бесконечности и прикрывать диафрагму, чтобы сделать столбик достаточно резким. При таком подходе объекты на переднем плане не всегда можно сделать идеально резкими, но потеря резкости на близких объектах 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]
Некоторые методы и оборудование позволяют изменять видимую глубину резкости , а некоторые даже позволяют определять глубину резкости после создания изображения. Они основаны на или поддерживаются вычислительными процессами визуализации. Например, фокус-стекинг объединяет несколько изображений, сфокусированных на разных плоскостях, в результате чего получается изображение с большей (или меньшей, если это необходимо) видимой глубиной резкости, чем любое из отдельных исходных изображений. Аналогично, чтобы реконструировать трехмерную форму объекта, можно создать карту глубины из нескольких фотографий с разной глубиной резкости. Сюн и Шафер, в частности, пришли к выводу, что «... улучшение точности диапазона фокусировки и диапазона расфокусировки может привести к эффективным методам восстановления формы». [21]
Другой подход — это фокусировка. Фокальная плоскость сканируется по всему соответствующему диапазону во время одной экспозиции. 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 имеет дополнительное преимущество в виде резкого уменьшения размытия движения. [22]
Сканирующая фотомакросъемка (LSP) — еще один метод, используемый для преодоления ограничений глубины резкости в макро- и микрофотографии. Этот метод позволяет получать изображения с большим увеличением и исключительной глубиной резкости. LSP включает сканирование тонкой световой плоскости по объекту, установленному на подвижном столике перпендикулярно световой плоскости. Это гарантирует, что весь объект остается в резком фокусе от самых близких до самых дальних деталей, обеспечивая полную глубину резкости на одном изображении. Первоначально разработанный в 1960-х годах и далее усовершенствованный в 1980-х и 1990-х годах, LSP был особенно ценен в научной и биомедицинской фотографии до того, как цифровая фокусировка стала распространенной. [23] [24]
Другие технологии используют комбинацию дизайна линз и постобработки: волновое кодирование — это метод, с помощью которого в оптическую систему добавляются контролируемые аберрации, чтобы фокус и глубина резкости могли быть улучшены на более поздних этапах процесса. [25]
Конструкция объектива может быть изменена еще больше: при цветовой аподизации объектив модифицируется таким образом, что каждый цветовой канал имеет различную апертуру объектива. Например, красный канал может бытьдиафрагма /2.4, зеленый может бытьдиафрагма /2.4, в то время как синий канал может бытьж /5.6. Таким образом, синий канал будет иметь большую глубину резкости, чем другие цвета. Обработка изображения выявляет размытые области в красном и зеленом каналах и копирует в эти области более резкие данные о краях из синего канала. Результатом является изображение, которое сочетает в себе лучшие черты из разных чисел f . [26]
В крайнем случае пленоптическая камера фиксирует информацию о четырехмерном световом поле сцены, что позволяет изменять фокус и глубину резкости после того, как сделан снимок.
Дифракция приводит к потере резкости изображения при высоких числах f (т. е. узких размерах отверстия диафрагмы) и, следовательно, ограничивает потенциальную глубину резкости. [27] (Этот эффект не учитывается в приведенной выше формуле, дающей приблизительные значения ГРИП .) В обычной фотографии это редко является проблемой; поскольку большие числа f обычно требуют длительного времени экспозиции для получения приемлемой яркости изображения, размытость изображения может привести к большей потере резкости, чем потеря от дифракции. Однако дифракция является большей проблемой при съемке крупным планом, и общая резкость изображения может ухудшиться, поскольку фотографы пытаются максимизировать глубину резкости с очень малыми значениями диафрагмы. [28] [29]
Хансма и Петерсон обсудили определение комбинированных эффектов расфокусировки и дифракции с использованием квадратного корня из отдельных пятен размытия. [30] [31] Подход Хансмы определяет число f , которое даст максимально возможную резкость; подход Петерсона определяет минимальное число f , которое даст желаемую резкость на конечном изображении и дает максимальную глубину резкости, для которой может быть достигнута желаемая резкость. [d] В сочетании эти два метода можно рассматривать как дающие максимальное и минимальное число f для данной ситуации, при этом фотограф свободен выбирать любое значение в пределах диапазона, если позволяют условия (например, потенциальное размытие движения). Гибсон приводит похожее обсуждение, дополнительно рассматривая размытие эффектов аберраций объектива камеры, дифракцию и аберрации увеличивающейся линзы, негативную эмульсию и бумагу для печати. [27] [e] Кузин дал формулу, по сути, такую же, как у Хансмы, для оптимального числа f , но не обсудил ее вывод. [32]
Хопкинс [33] , Стоксет [34] , а также Уильямс и Беклунд [35] обсудили комбинированные эффекты с использованием функции передачи модуляции . [36] [37]
Многие объективы включают шкалы, которые указывают глубину резкости для заданного фокусного расстояния и числа f ; 35-миллиметровый объектив на изображении является типичным. Этот объектив включает шкалы расстояний в футах и метрах; когда отмеченное расстояние установлено напротив большой белой индексной метки, фокус устанавливается на это расстояние. Шкала глубины резкости под шкалами расстояний включает отметки по обе стороны от индекса, которые соответствуют числам f . Когда объектив установлен на заданное число f , глубина резкости простирается между расстояниями, которые совпадают с отметками числа f .
Фотографы могут использовать шкалу объектива, чтобы работать в обратном направлении от желаемой глубины резкости, чтобы найти необходимое фокусное расстояние и диафрагму. [38] Для показанного объектива 35 мм, если бы было желательно, чтобы глубина резкости увеличилась от 1 м до 2 м, фокус был бы установлен так, чтобы индексная метка была по центру между метками для этих расстояний, а диафрагма была бы установлена наж /11. [ж]
На видовой камере фокус и число f можно получить, измерив глубину резкости и выполнив простые вычисления. Некоторые видовые камеры включают калькуляторы ГРИП , которые указывают фокус и число f без необходимости каких-либо вычислений фотографом. [39] [40]
В оптике и фотографии гиперфокальное расстояние — это расстояние от объектива, за пределами которого все объекты могут быть приведены в «приемлемый» фокус . Поскольку гиперфокальное расстояние — это фокусное расстояние, дающее максимальную глубину резкости, это наиболее желательное расстояние для установки фокуса камеры с фиксированным фокусом . [41] Гиперфокальное расстояние полностью зависит от того, какой уровень резкости считается приемлемым.
Гиперфокальное расстояние имеет свойство, называемое «последовательными глубинами резкости», при котором объектив, сфокусированный на объекте, расстояние от которого до объектива равно гиперфокальному расстоянию H, будет сохранять глубину резкости от H /2 до бесконечности; если объектив сфокусирован на H /2 , глубина резкости будет от H /3 до H ; если затем объектив сфокусирован 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 «фокусном диапазоне») в 1867 году. [42] Луи Дерр в 1906 году, возможно, был первым, кто вывел формулу для гиперфокального расстояния. Рудольф Кингслейк писал в 1951 году о двух методах измерения гиперфокального расстояния.
У некоторых камер гиперфокальное расстояние отмечено на диске фокусировки. Например, на диске фокусировки Minox LX есть красная точка между2 м и бесконечность; когда объектив установлен на красную точку, то есть сфокусирован на гиперфокальном расстоянии, глубина резкости простирается отОт 2 м до бесконечности. Некоторые объективы имеют маркировку, указывающую гиперфокальный диапазон для определенных значений диафрагмы , также называемую шкалой глубины резкости . [43]ГРИП за пределами объекта всегда больше ГРИП перед объектом. Когда объект находится на гиперфокальном расстоянии или дальше, дальняя ГРИП бесконечна, поэтому соотношение равно 1:∞; по мере уменьшения расстояния до объекта соотношение ближней и дальней ГРИП увеличивается, приближаясь к единице при большом увеличении. Для больших диафрагм на типичных портретных расстояниях соотношение все еще близко к 1:1.
В этом разделе рассматриваются некоторые дополнительные формулы для оценки глубины резкости; однако все они подвержены значительным упрощающим допущениям: например, они предполагают параксиальное приближение гауссовой оптики . Они подходят для практической фотографии, проектировщики объективов использовали бы значительно более сложные.
Для заданных пределов ближней и дальней глубины резкости D N и D F требуемое число f будет наименьшим, когда фокус установлен на
гармоническое среднее ближнего и дальнего расстояния. На практике это эквивалентно арифметическому среднему для малой глубины резкости. [44] Иногда пользователи камер наблюдения называют разницу v N − v F фокусным расстоянием . [45]
Если объект находится на расстоянии s , а передний план или фон — на расстоянии D , то расстояние между объектом и передним планом или фоном обозначим как
Диаметр диска размытия b детали на расстоянии x d от объекта может быть выражен как функция увеличения объекта m s , фокусного расстояния f , числа f N или, альтернативно, диафрагмы d , согласно
Знак «минус» применяется к объекту переднего плана, а знак «плюс» — к объекту заднего плана.
Размытость увеличивается с расстоянием от объекта; когда b меньше кружка нерезкости, деталь находится в пределах глубины резкости.
Адамс, Ансель. 1980. Камера .