Глубина резкости - Depth of field

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 круга 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

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 диафрагмы ( 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. «Приемлемо резкий фокус» определяется с помощью свойства, называемого кружком нерезкости .

Глубина резкости может определяться фокусным расстоянием , диафрагмой , расстоянием до объекта и допустимым размером кружка нерезкости. Приблизительную глубину резкости можно определить следующим образом:

для данного кружка нерезкости (c), диафрагмы (D), фокусного расстояния (f) и расстояния до объекта (u).

По мере увеличения расстояния или размера допустимого круга нерезкости увеличивается глубина резкости; однако увеличение размера диафрагмы или фокусного расстояния уменьшает глубину резкости. Глубина резкости изменяется линейно с кружком нерезкости, обратной величиной фокусного расстояния и диафрагмы, и пропорционально квадрату 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).

Влияние диафрагмы объектива

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 небольшие, световые лучи находятся в пределах допустимого круга нерезкости на большем расстоянии.

Для заданного размера изображения объекта в фокальной плоскости одно и то же число f на любом объективе с фокусным расстоянием даст одинаковую глубину резкости. Это очевидно из уравнения глубины резкости, если отметить, что отношение u / f является постоянным для постоянного размера изображения. Например, если фокусное расстояние увеличивается вдвое, расстояние до объекта также увеличивается вдвое, чтобы размер изображения объекта оставался неизменным. Это наблюдение контрастирует с распространенным представлением о том, что «фокусное расстояние вдвое важнее для расфокусировки, чем f / ступень», которое применяется к постоянному расстоянию до объекта, а не к постоянному размеру изображения.

Движущиеся изображения используют только ограниченное управление диафрагмой; 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 спецэффектов.

Диафрагма = f / 1,4. Глубина резкости = 0,8 см
Диафрагма = f / 4,0. Глубина резкости = 2,2 см
Диафрагма = f / 22. Глубина резкости = 12,4 см
Глубина резкости для различных значений диафрагмы с использованием объектива 50 мм и полнокадровой зеркальной камеры. Точка фокусировки находится в столбце первых блоков.

Эффект круга замешательства

Точная фокусировка возможна только на точном расстоянии от объектива; на таком расстоянии точечный объект создаст точечное изображение. В противном случае точечный объект создаст пятно размытия в форме диафрагмы , обычно приблизительно в виде 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 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.

Для 35-миллиметровых фильмов площадь изображения на пленке составляет примерно 22 на 16 мм. Предел допустимой погрешности традиционно устанавливался 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). Более современная практика для 35-миллиметровых изделий устанавливает предел смешения в 0,025 мм (0,001 дюйма).

Движение камеры

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 управления 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 изогнутой 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 рассматривать как клиновидные, с вершиной клина, ближайшей к камере; или их можно рассматривать как параллельные POF.

Методы расчета объектного поля

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. Мориц фон Рор и позже Мерклингер отмечают, что эффективный абсолютный диаметр апертуры можно использовать для аналогичной формулы при определенных обстоятельствах.

Более того, традиционные формулы глубины резкости предполагают одинаковые допустимые круги нерезкости для ближних и дальних объектов. Мерклингер 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 обязательно должны быть такими резкими. Потеря деталей на удаленных объектах может быть особенно заметна 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 столбиком на переднем плане этот подход, названный Мерклингером методом поля объекта , рекомендовал бы фокусироваться очень близко к бесконечности и останавливаться, 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 в отдаленных частях сцены.

Преодоление ограничений глубины резкости

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) кажущейся глубиной резкости, чем любое из отдельных исходных изображений. Точно так же, 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 фокуса и диапазона расфокусировки может привести к эффективным методам восстановления формы».

Другой подход - это свипирование 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, заключающееся в значительном уменьшении размытости при движении.

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 дальнейшем в процессе можно было улучшить фокусировку и глубину резкости.

Дизайн объектива можно изменить 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.

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

Дифракция и глубина резкости

Дифракция приводит к потере резкости изображений при высоких значениях F-числа и, следовательно, ограничивает потенциальную глубину резкости. 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 макросъемке, и компромисс между глубиной резкости и общей резкостью может стать весьма заметным, поскольку фотографы пытаются максимизировать глубину резкости с очень маленькими диафрагмами.

Хансма и Петерсон обсудили определение комбинированных эффектов расфокусировки и дифракции с использованием квадратно-квадратичной комбинации отдельных пятен размытия. Подход Хансмы определяет число f , которое даст максимально возможную резкость; Подход Петерсона определяет минимальное число f , которое даст желаемую резкость в окончательном изображении, и дает максимальную глубину резкости, для которой может быть достигнута желаемая резкость. В сочетании эти два метода можно рассматривать как дающие максимальное и минимальное f-число для данной ситуации, при этом фотограф может выбирать 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. Кузен дал формулу, по существу такую ​​же, как формулу Хансмы для оптимального f-числа , но не обсуждал ее вывод.

Хопкинс, Стоксет, Уильямс и Беклунд обсудили комбинированные эффекты, используя передаточную функцию модуляции .

Шкала глубины резкости

Деталь от объектива, установленного на f / 11. Точка на полпути между отметками 1 м и 2 м, предел глубины резкости при f / 11, представляет собой фокусное расстояние приблизительно 1,33 м (величина, обратная среднему значению обратных величин 1 и 2, составляет 4/3).
Шкала глубины резкости на циферблате фокусировки Tessina

Многие линзы включают шкалы, которые показывают глубину резкости для заданного фокусного расстояния и числа f ; 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 настроен на заданное число f, глубина резкости простирается 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. Для показанного 35-миллиметрового объектива, если требуется, чтобы глубина резкости увеличивалась от 1 м до 2 м, фокус был бы установлен таким образом, чтобы индексная метка была центрирована между метками для этих расстояний, а диафрагма была бы установлена ​​на f / 11. .

На обзорной камере фокус и f-число 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 необходимости каких-либо расчетов со стороны фотографа.

Гиперфокальное расстояние

Zeiss Ikon Contessa с красными отметками для гиперфокального расстояния 20 футов при f / 8
Камера Minox LX с гиперфокальной красной точкой
Объектив Nikon 28mm f / 2.8 с маркировкой глубины резкости. Объектив настроен на гиперфокальное расстояние для f / 22.

В оптике и фотографии , Гиперфокальное расстояние это расстояние , после которого все объекты могут быть приведены в «приемлемый» фокус . Поскольку гиперфокальное расстояние - это расстояние фокусировки, обеспечивающее максимальную глубину резкости, это наиболее желательное расстояние для установки фокуса камеры с фиксированным фокусом . Гиперфокальное расстояние полностью зависит от того, какой уровень резкости считается приемлемым.

Гиперфокальное расстояние имеет свойство, называемое «последовательными глубинами резкости», когда линза, сфокусированная на объекте, расстояние которого находится на гиперфокальном расстоянии H, будет удерживать глубину резкости от H / 2 до бесконечности, если линза сфокусирована на H / 2, глубина резкости увеличится от H / 3 до H ; если затем объектив сфокусировать на H / 3, глубина резкости увеличится 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. 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 указано на шкале фокусировки. Например, на шкале фокусировки Minox LX есть красная точка между 2 м и бесконечностью; когда объектив установлен на красную точку, то есть сфокусирован на гиперфокальном расстоянии, глубина резкости увеличивается от 2 м до бесконечности. На некоторых объективах есть маркировка, указывающая гиперфокальный диапазон для определенных значений диафрагмы .

Рядом: дальнее распространение

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 соотношение все еще близко к 1: 1.

Формулы DOF

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

Для данных ближнего и дальнего DOF пределов и , требуемая е -номер является наименьшим , когда фокус установлен на

средняя гармоническая из ближних и дальних расстояний. На практике это эквивалентно среднему арифметическому для малой глубины резкости. Иногда пользователи камеры зрения относятся к разнице в качестве распространения фокуса .

Размытие переднего и заднего плана

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

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

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.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Цитаты

Источники

  • Сальваджо, Нанетт; Штробель, Лесли (2009). Основные фотографические материалы и процессы . Тейлор и Фрэнсис. С. 110–. ISBN 978-0-240-80984-7.
  • Адамс, Ансель (1980). Камера . Нью-Йоркское графическое общество. ISBN 9780821210925. Адамс, Ансель. 1980. Камера .
  • Кузин, Деннис. 1982. Глубины резкости. SMPTE Journal , ноябрь 1982 г., 1096–1098. Доступно в формате PDF по адресу https://sites.google.com/site/cinetechinfo/atts/dof_82.pdf .
  • Гибсон, Х. Лу. 1975. Крупный план и фотомакрография . 2-е объединенное изд. Публикация Kodak № N-16. Рочестер, штат Нью-Йорк: Компания Eastman Kodak, Том II: Фотомакрография. ISBN  0-87985-160-0
  • Хансма, Пол К. 1996. Просмотр фокусировки камеры на практике. Фототехника , март / апрель 1996 г., стр. 54–57. Доступно в виде изображений GIF на странице большого формата .
  • Хопкинс, HH 1955. Частотная характеристика расфокусированной оптической системы. Труды Королевского общества A , 231: 91–103.
  • Лефковиц, Лестер. 1979 Руководство по макросъемке . Гарден-Сити, Нью-Йорк: Амфото. ISBN  0-8174-2456-3
  • Мерклингер, Гарольд М. 1992. Входные и выходные точки фокусировки: альтернативный способ оценки глубины резкости и резкости фотографического изображения . Версия 1.0.3. Бедфорд, Новая Шотландия: Seaboard Printing Limited. ISBN  0-9695025-0-8 . Версия 1.03e доступна в формате PDF по адресу http://www.trenholm.org/hmmerk/ .
  • Мерклингер, Гарольд М. 1993. Фокусировка обзорной камеры: научный способ сфокусировать обзорную камеру и оценить глубину резкости . Версия 1.0. Бедфорд, Новая Шотландия: Seaboard Printing Limited. ISBN  0-9695025-2-4 . Версия 1.6.1 доступна в формате PDF по адресу http://www.trenholm.org/hmmerk/ .
  • Петерсон, Стивен. 1996. Резкость изображения и фокусировка камеры обзора. Фототехники , март / апрель 1996 г., стр. 51–53. Доступно в виде изображений GIF на странице большого формата .
  • Рэй, Сидни Ф. 1994. Фотографические линзы и оптика . Оксфорд: Focal Press. ISBN  0-240-51387-8
  • Рэй, Сидни Ф. 2000. Геометрия формирования изображения. В Руководстве по фотографии: фотографические и цифровые изображения , 9-е изд. Эд. Ральф Э. Якобсон, Сидни Ф. Рэй, Джеффри Г. Аттеридж и Норман Р. Аксфорд. Оксфорд: Focal Press. ISBN  0-240-51574-9
  • Рэй, Сидни Ф. 2002. Прикладная фотографическая оптика . 3-е изд. Оксфорд: Focal Press. ISBN  0-240-51540-4
  • Шипман, Карл. 1977. Справочник фотографа SLR . Тусон: Книги HP. ISBN  0-912656-59-X
  • Стоксет, Пер А. 1969. Свойства расфокусированной оптической системы. Журнал Оптического общества Америки 59:10, октябрь 1969, 1314–1321.
  • Штробель, Лесли. 1976. Техника просмотра камеры . 3-е изд. Лондон: Focal Press. ISBN  0-240-50901-3
  • Tillmanns, Urs. 1997. Творческий большой формат: основы и приложения . 2-е изд. Фейертхален, Швейцария: Sinar AG. ISBN  3-7231-0030-9
  • фон Рор, Мориц . 1906. Die optischen Instrumente . Лейпциг: Б.Г. Тойбнер
  • Уильямс, Чарльз С., и Беклунд, Орвилл. 1989. Введение в оптическую передаточную функцию . Нью-Йорк: Вили. Перепечатано в 2002 г., Беллингхэм, Вашингтон: SPIE Press, 293–300. ISBN  0-8194-4336-0
  • Уильямс, Джон Б. 1990. Четкость изображения: фотография с высоким разрешением . Бостон: Focal Press. ISBN  0-240-80033-8
  • Эндрю Кей, Джонатан Мэзер и Гарри Уолтон, «Увеличенная глубина резкости за счет цветной аподизации», Optics Letters, Vol. 36, выпуск 23, стр. 4614–4616 (2011).
  • Савацци, Энрико (2011). Цифровая фотография для науки (в твердом переплете) . Lulu.com. ISBN 978-0-557-91133-2.

дальнейшее чтение

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

внешние ссылки