Глубина резкости

Макро фотография , иллюстрирующая эффект глубины резкости на наклонном объекта.

Для многих камер глубина резкости ( DOF ) - это расстояние между ближайшими и самыми дальними объектами, которые находятся в приемлемо резком фокусе на изображении. Глубину резкости можно рассчитать на основе фокусного расстояния , расстояния до объекта, допустимого размера кружка нерезкости и диафрагмы. Определенная глубина резкости может быть выбрана для технических или художественных целей. Ограничения глубины резкости иногда можно преодолеть с помощью различных методов / оборудования.

Факторы, влияющие на глубину резкости [ править ]

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

Для камер, которые могут фокусироваться только на одном расстоянии до объекта за раз, глубина резкости - это расстояние между ближайшим и самым дальним объектами, которые находятся в приемлемо резком фокусе. ^[1] «Приемлемо четкий фокус» определяется с помощью свойства, называемого кружком нерезкости .

Глубину резкости можно определить по фокусному расстоянию , расстоянию до объекта, допустимому размеру нерезкости и диафрагме. ^[2] Приблизительную глубину резкости можно определить следующим образом:

${\ displaystyle {\ text {DOF}} \ приблизительно {\ frac {2u ^ {2} Nc} {f ^ {2}}}}$

для данного круга нерезкости (c), фокусного расстояния (f), числа f (N) и расстояния до объекта (u). ^{[3] [4]}

По мере увеличения расстояния или размера допустимого круга нерезкости увеличивается глубина резкости; однако увеличение размера апертуры или фокусного расстояния уменьшает глубину резкости. Глубина резкости изменяется линейно с F-числом и кружком нерезкости, но изменяется пропорционально квадрату фокусного расстояния и расстояния до объекта. В результате фотографии, сделанные с очень близкого расстояния, имеют пропорционально меньшую глубину резкости.

Размер сенсора влияет на глубину резкости нелогичным образом. Поскольку круг нерезкости напрямую связан с размером сенсора, уменьшение размера сенсора при сохранении постоянных 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 на кроп-фактор). ^{[5] [6] [7] [8]}

Влияние апертуры объектива [ править ]

Для заданного кадрирования объекта и положения камеры глубина резкости определяется 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, потому что через апертуру проходит только свет, движущийся под меньшими углами. Поскольку углы малы, световые лучи находятся в пределах допустимого круга нерезкости на большем расстоянии. ^[9]

Движущиеся изображения используют этот элемент управления только ограниченно; Чтобы обеспечить стабильное качество изображения от кадра к кадру, кинематографисты обычно выбирают одну настройку диафрагмы для интерьера и другую для экстерьера и регулируют экспозицию с помощью фильтров камеры или уровней освещенности. Настройки диафрагмы регулируются чаще при фотосъемке, когда вариации глубины резкости используются для создания различных специальных эффектов.

Диафрагма = f / 4,0. Глубина резкости = 2,2 см

Диафрагма = f / 22. Глубина резкости = 12,4 см

Глубина резкости для разных значений диафрагмы с использованием объектива 50 мм и полнокадровой зеркальной камеры. Точка фокусировки находится в столбце первых блоков. ^[10]

Эффект круга замешательства [ править ]

Точная фокусировка возможна только на точном расстоянии от объектива; ^[a] на таком расстоянии точечный объект создаст точечное изображение. В противном случае точечный объект создаст пятно размытия в форме апертуры , как правило, примерно в виде круга. Когда это круглое пятно достаточно маленькое, оно визуально неотличимо от точки и кажется в фокусе. Диаметр наибольшего круга, неотличимого от точки, известен как допустимый круг замешательства или, неофициально, просто как круг замешательства. Точки, образующие пятно размытия меньше этого допустимого круга нерезкости, считаются приемлемо резкими.

Допустимый круг нечеткости зависит от того, как будет использовано окончательное изображение. Обычно принято значение 0,25 мм для изображения, просматриваемого с расстояния 25 см. ^[11]

Для 35-мм движущихся изображений область изображения на пленке составляет примерно 22 мм на 16 мм. Предел допустимой погрешности традиционно был установлен на уровне 0,05 мм (0,002 дюйма) в диаметре, в то время как для пленки толщиной 16 мм , где размер примерно вдвое меньше, допуск более строгий, 0,025 мм (0,001 дюйма). ^[12] Более современная практика для 35-миллиметрового производства устанавливает предел смешения в 0,025 мм (0,001 дюйма). ^[13]

Движение камеры [ править ]

Термин «движения камеры» относится к повороту (поворот и наклон, 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 вызывает поворот плоскости фокуса (POF), а также заставляет поле приемлемого фокуса поворачиваться вместе с POF; и, в зависимости от критериев глубины резкости, также изменять форму поля приемлемого фокуса. В то время как расчеты глубины резкости камер с поворотом, установленным на ноль, 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 камеры с нулевым поворотом, существуют различные методы для формирования критериев и настройки вычислений для глубины резкости, когда поворот не равен нулю. Происходит постепенное снижение четкости объектов по мере их удаления от POF, и на некоторой виртуальной плоской или криволинейной поверхности снижение четкости становится неприемлемым. Некоторые фотографы проводят расчеты или используют таблицы, некоторые используют маркировку на своем оборудовании, некоторые судят по предварительному просмотру изображения.

Когда POF вращается, ближний и дальний пределы DOF можно представить себе как клиновидные, причем вершина клина находится ближе всего к камере; или их можно рассматривать как параллельные POF. ^{[14] [15]}

Методы расчета объектного поля [ править ]

Традиционные формулы глубины резкости трудно использовать на практике. В качестве альтернативы такой 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 можно использовать для аналогичной формулы при определенных обстоятельствах. ^[16]

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, будучи крупнее на пленке, не должны быть такими резкими. ^[16] Потеря деталей на удаленных объектах может быть особенно заметна при сильном увеличении. Для достижения этой дополнительной резкости удаленных объектов обычно требуется фокусировка за пределами гиперфокального расстояния , иногда почти на бесконечность. Например, при фотографировании городского пейзажа с дорожным столбиком на переднем плане этот подход называется методом поля объекта.от Мерклингера, рекомендовал бы сфокусироваться очень близко к бесконечности и остановиться, чтобы сделать столбик достаточно резким. При таком подходе объекты переднего плана не всегда могут быть идеально резкими, но потеря резкости на ближних объектах может быть приемлемой, если узнаваемость удаленных объектов имеет первостепенное значение.

Другие авторы, такие как Ансель Адамс , заняли противоположную позицию, утверждая, что небольшая нерезкость объектов переднего плана обычно больше беспокоит, чем небольшая нерезкость удаленных частей сцены. ^[17]

Преодоление ограничений глубины резкости [ править ]

Некоторые методы и оборудование позволяют изменять видимую глубину резкости, а некоторые даже позволяют определять глубину резкости после создания изображения. Например, наложение фокуса объединяет несколько изображений, сфокусированных на разных плоскостях, в результате получается изображение с большей (или меньшей, если желательно) глубиной резкости, чем любое из отдельных исходных изображений. Аналогичным образом, чтобы восстановить трехмерную форму объекта, карта глубины может быть создана из нескольких фотографий с разной глубиной резкости. Ксион и Шафер, в частности, пришли к выводу, что «... улучшение точности определения дальности фокусировки и диапазона расфокусировки может привести к эффективным методам восстановления формы». ^[18]

Другой подход - переключение фокуса. Фокальная плоскость перемещается 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 дает дополнительное преимущество - резкое уменьшение размытости при движении. ^[19]

В других технологиях используется комбинация конструкции объектива и постобработки: кодирование волнового фронта - это метод, с помощью которого в оптическую систему добавляются контролируемые аберрации, чтобы в процессе можно улучшить фокусировку и глубину резкости. ^[20]

Дизайн объектива может быть изменен еще больше: при аподизации цвета объектив видоизменяется таким образом, что каждый цветовой канал имеет разную диафрагму. Например, красный канал может быть f / 2,4, зеленый может быть f / 2,4, а синий канал может быть f / 5,6. Следовательно, 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 черты различных f- чисел. ^[21]

В крайнем случае, пленоптическая камера фиксирует 4D информацию о световом поле сцены, поэтому фокус и глубина резкости могут быть изменены после того, как фотография сделана.

Дифракция и глубина резкости [ править ]

Дифракция приводит к потере резкости изображений при высоких значениях F-числа и, следовательно, ограничивает потенциальную глубину резкости. ^[22] В обычной фотографии это редко бывает проблемой; поскольку большие числа f обычно требуют длительного времени экспозиции, размытость при движении может привести к большей потере резкости, чем потеря из-за дифракции. Однако дифракция является более серьезной проблемой при съемке крупным планом, и компромисс между глубиной резкости и общей резкостью может стать весьма заметным, поскольку фотографы пытаются максимизировать глубину резкости с очень малой диафрагмой. ^{[23] [24]}

Хансма и Петерсон обсудили определение комбинированных эффектов расфокусировки и дифракции, используя комбинацию квадратов отдельных пятен размытия. ^{[25] [26]} Подход Хансмы определяет f -число, которое даст максимально возможную резкость; Подход Петерсона определяет минимальное f-число , которое даст желаемую резкость в окончательном 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 f-число для данной ситуации, при этом фотограф может выбрать любое значение в пределах диапазона, если позволяют условия (например, потенциальное размытие при движении). Гибсон дает аналогичное обсуждение, дополнительно рассматривая эффекты размытия аберраций объектива камеры, увеличивающую дифракцию объектива и аберрации, негативную эмульсию и бумагу для печати. ^{[22] [e]} Кузин дал формулу, по существу такую ​​же, как формулу Хансмы для оптимального f-числа , но не обсуждал ее вывод. ^[27]

Hopkins, ^[28] Stokseth, ^[29] и Williams и Becklund ^[30] обсудили комбинированные эффекты с использованием передаточной функции модуляции . ^{[31] [32]}

Шкала глубины резкости [ править ]

Многие объективы включают шкалы, которые показывают глубину резкости для данного фокусного расстояния и f-числа ; объектив 35 мм на изображении типичен. Эта линза включает шкалу 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, соответствующие числам f . Когда объектив установлен на заданное число f, глубина резкости проходит между расстояниями, которые совпадают с отметками числа f .

Фотографы могут использовать шкалы объектива, чтобы работать в обратном направлении от желаемой глубины резкости, чтобы найти необходимое фокусное расстояние и диафрагму. ^[33] Для показанного 35-миллиметрового объектива, если требуется, чтобы глубина резкости увеличивалась от 1 м до 2 м, фокус был бы установлен так, чтобы индексная метка находилась по центру между метками для этих расстояний, а диафрагма была установлена ​​на f / 11. ^[f]

На обзорной камере фокус и число f можно получить, измерив глубину резкости и выполнив простые вычисления. Некоторые камеры обзора включают в себя калькуляторы глубины резкости, которые указывают фокус и число диафрагмы без каких-либо расчетов фотографом. ^{[34] [35]}

Гиперфокальное расстояние [ править ]

Рядом: дальнее распространение [ править ]

Глубина резкости за пределами объекта всегда больше, чем глубина резкости перед объектом. Когда объект находится на гиперфокальном расстоянии или за его пределами, дальняя глубина резкости бесконечна, поэтому соотношение равно 1: ∞; по мере уменьшения расстояния до объекта отношение глубины резкости близко: далеко увеличивается, приближаясь к единице при большом увеличении. Для больших диафрагм на типичных портретных расстояниях это соотношение все еще близко к 1: 1.

Формулы DOF [ править ]

В этом разделе рассматриваются некоторые дополнительные формулы для оценки глубины резкости; Однако все они подвержены значительные упрощающие допущения: например, они предполагают параксиальное приближение в гауссовой оптике . Они подходят для практической фотографии, дизайнеры объективов использовали бы значительно более сложные.

Фокус и f-число от пределов глубины резкости [ править ]

Для данных ближнего и дальнего DOF пределов и , требуемая е -номер является наименьшим , когда фокус установлен на${\ Displaystyle D _ {\ mathrm {N}}}$${\ Displaystyle D _ {\ mathrm {F}}}$

${\ displaystyle s = {\ frac {2D _ {\ mathrm {N}} D _ {\ mathrm {F}}} {D _ {\ mathrm {N}} + D _ {\ mathrm {F}}}},}$

средняя гармоническая из ближних и дальних расстояний. На практике это эквивалентно среднему арифметическому для малой глубины резкости. ^[38] Иногда пользователи камеры зрения относятся к разнице в качестве распространения фокуса . ^[39]${\ displaystyle v _ {\ mathrm {N}} -v _ {\ mathrm {F}}}$

Размытие переднего и заднего плана [ править ]

Если объект находится на расстоянии, а передний план или фон находятся на расстоянии , пусть расстояние между объектом и передним планом или фоном будет обозначено${\ displaystyle s}$${\ displaystyle D}$

${\ Displaystyle х _ {\ mathrm {d}} = | Ds |.}$

Диаметр диска нерезкости из деталей на расстоянии от объекта съемки может быть выражен в виде функции от предмета увеличения , фокусное расстояние , ф -номер , или , альтернативно , в отверстии , в соответствии с${\ displaystyle b}$${\ Displaystyle х _ {\ mathrm {d}}}$${\ Displaystyle м _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle f}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle d}$

${\displaystyle b={\frac {fm_{\mathrm {s} }}{N}}{\frac {x_{\mathrm {d} }}{s\pm x_{\mathrm {d} }}}=dm_{\mathrm {s} }{\frac {x_{\mathrm {d} }}{D}}.}$

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

Размытие увеличивается по мере удаления от объекта; когда меньше круга нечеткости, детализация находится в пределах глубины резкости.${\displaystyle b}$

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Источники [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Хаммел, Роб (редактор). 2001. Руководство американского кинематографиста . 8-е изд. Голливуд: ASC Press. ISBN 0-935578-15-3 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме глубины резкости .

В Wikibook Maple есть страница по теме: Глубина резкости для оптических линз.

• Глубина резкости в фотографии - Руководство для начинающих
• Онлайн-калькулятор глубины резкости Простой калькулятор глубины резкости и гиперфокального расстояния
• photoskop: Интерактивные уроки фотографии - Интерактивная глубина резкости
• Имитатор боке и калькулятор глубины резкости Интерактивный калькулятор глубины резкости с функцией имитации размытия фона
• Сравнение объективов: Nikon 50mm f / 1.4D и 50mm f / 1.4G. Демонстрация различных значений диафрагмы по глубине резкости.
• Глубина резкости для начинающих - краткое поясняющее видео для DOF