Введение

Расстояние между ближайшим и дальним объектами, находящимися в фокусе на изображении.

Глубина резкости (DOF) – это расстояние между ближайшим и дальним объектами, которые выглядят достаточно резкими на изображении, полученном с помощью камеры.

Влияние диафрагмы линзы

Для заданного кадра и положения камеры, глубина резкости контролируется диаметром диафрагмы объектива, который обычно указывается как число f (отношение фокусного расстояния объектива к диаметру диафрагмы). Уменьшение диаметра диафрагмы (увеличение числа f) увеличивает глубину резкости, поскольку через диафрагму проходит только свет, идущий под более пологими углами, и только конусы лучей с более пологими углами достигают плоскости изображения. Иными словами, круги нерезкости уменьшаются, что и увеличивает глубину резкости. Для заданного размера изображения объекта в фокальной плоскости, одно и то же число f на объективе с любой фокусной длиной обеспечит одинаковую глубину резкости. Это очевидно из приведенного выше уравнения глубины резкости, поскольку отношение u/f остается постоянным при постоянном размере изображения. Например, если фокусное расстояние удваивается, расстояние до объекта также удваивается, чтобы сохранить размер изображения объекта неизменным. Это наблюдение противоречит распространенному мнению о том, что "фокусное расстояние в два раза важнее для размытия, чем диафрагма", что справедливо для постоянного расстояния до объекта, а не для постоянного размера изображения. В кинопроизводстве контроль диафрагмы используется ограниченно; для обеспечения постоянного качества изображения от кадра к кадру операторы обычно выбирают одну настройку диафрагмы для интерьерных съемок (например, сцен внутри здания) и другую для экстерьерных (например, сцен на открытом воздухе), регулируя экспозицию с помощью светофильтров или уровня освещения. Настройки диафрагмы регулируются чаще в фотографии, где изменения глубины резкости используются для создания различных специальных эффектов.

Эффект круга путаницы

Точный фокус возможен только на определенном расстоянии от линзы; на этом расстоянии точечный объект создаст небольшое точечное изображение. В противном случае точечный объект создаст большее или размытое пятно, которое обычно и приблизительно имеет форму круга. Когда этот круг достаточно мал, он визуально неотличим от точки и кажется сфокусированным. Диаметр наибольшего круга, который неотличим от точки, известен как допустимый круг рассеяния, или, неформально, просто как круг рассеяния. Допустимый круг рассеяния зависит от того, как будет использоваться конечное изображение. Обычно принимается круг рассеяния 0,25 мм для изображения, просматриваемого с расстояния 25 см. Для 35-мм кинопленки площадь изображения на пленке составляет примерно 22 мм на 16 мм. Традиционно предел допустимой погрешности устанавливался в диаметр, а для 16-мм пленки, где размер примерно вдвое меньше, допуск более строгий. Современная практика для 35-мм производства устанавливает предел круга рассеяния в .

Движения камеры

Термин "движения камеры" относится к вращательным (в современной терминологии – наклонным и сдвиговым) и смещающим настройкам держателя объектива и держателя пленки. Эти функции используются с 1800-х годов и до сих пор применяются на камерах с видоискателем, технических камерах, камерах с объективами наклона/сдвига или контроля перспективы и т.д. Вращение объектива или сенсора приводит к вращению плоскости фокусировки (ПФФ), а также к вращению поля допустимой резкости вместе с ПФФ; и в зависимости от критериев ГРИП (глубины резкости), также изменяет форму поля допустимой резкости. В то время как расчеты для ГРИП (глубины резкости) камер с вращением, установленным в ноль, обсуждались, формулировались и документировались еще до 1940-х годов, документирование расчетов для камер с ненулевым вращением, по-видимому, началось в 1990 году. В большей степени, чем в случае камеры с нулевым вращением, существует множество методов формирования критериев и настройки расчетов для ГРИП (глубины резкости) при ненулевом вращении. Наблюдается постепенное снижение резкости объектов по мере их удаления от ПФФ (плоскости фокусировки), и на некоторой воображаемой плоской или изогнутой поверхности снижение резкости становится неприемлемым. Некоторые фотографы выполняют расчеты или используют таблицы, другие полагаются на разметку на оборудовании, а третьи оценивают по предварительному просмотру изображения. Когда ПФФ (плоскость фокусировки) вращается, ближние и дальние границы ГРИП (глубины резкости) можно представить в виде клиновидных, с вершиной клина, ближайшей к камере, или как параллельные ПФФ (плоскости фокусировки).

Методы расчета объекта

Традиционные формулы глубины резкости могут быть сложны в практическом применении. В качестве альтернативы, тот же эффективный расчет можно выполнить, не принимая во внимание фокусное расстояние и число f. Мориц фон Рор, а позднее Мерклингер, отметили, что эффективный абсолютный диаметр отверстия диафрагмы можно использовать для аналогичной формулы в определенных случаях. Кроме того, традиционные формулы глубины резкости предполагают одинаковые допустимые круги нерезкости для ближних и дальних объектов. Мерклингер предположил, что удаленные объекты часто должны быть значительно более резкими, чтобы быть четко различимыми, в то время как ближние объекты, будучи больше по размеру на пленке, не требуют такой же резкости. Потеря деталей в удаленных объектах может быть особенно заметна при сильном увеличении. Для достижения большей резкости удаленных объектов обычно требуется фокусировка за пределы гиперфокального расстояния, иногда почти на бесконечность. Например, при съемке городского пейзажа с дорожным ограждением на переднем плане, этот подход, названный Мерклингером методом поля объектов, рекомендует фокусироваться очень близко к бесконечности и прикрыть диафрагму, чтобы ограждение было достаточно резким. При таком подходе объекты на переднем плане не всегда могут быть идеально резкими, но потеря резкости ближних объектов может быть приемлемой, если узнаваемость удаленных объектов является приоритетной. Другие авторы, такие как Ансель Адамс, придерживались противоположной точки зрения, считая, что небольшая нерезкость объектов переднего плана обычно более заметна и неприятна, чем небольшая нерезкость удаленных частей сцены.

Преодоление ограничений DOF

Некоторые методы и оборудование позволяют изменять видимую глубину резкости, а некоторые даже позволяют определить глубину резкости после создания изображения. Они основаны или поддерживаются процессами вычислительной визуализации. Например, метод фокусировки по слоям объединяет несколько изображений, сфокусированных на разных плоскостях, в результате чего получается изображение с большей (или меньшей, если это необходимо) видимой глубиной резкости, чем у любого из исходных изображений. Аналогично, для восстановления трехмерной формы объекта можно создать карту глубины на основе нескольких фотографий с разной глубиной резкости. Сюн и Шафер пришли к выводу, что "улучшение точности определения фокусировки и дефокусировки может привести к эффективным методам восстановления формы". Другой подход – сканирующая фокусировка. Фокусная плоскость последовательно перемещается по всему необходимому диапазону в течение одной экспозиции. Это создает размытое изображение, но со сверточным ядром, почти не зависящим от глубины объекта, что позволяет практически полностью устранить размытость после вычислительной деконволюции. Это также значительно снижает размытость, вызванную движением. Другие технологии используют комбинацию конструкции объектива и постобработки: кодирование волнового фронта – это метод, при котором в оптическую систему вводятся контролируемые аберрации, чтобы улучшить фокусировку и глубину резкости на последующих этапах. Конструкцию объектива можно изменить еще больше: при цветовой аподизации объектив модифицируется таким образом, что каждый цветовой канал имеет разную диафрагму. Например, для красного канала может быть использована одна диафрагма, для зеленого – другая, а для синего – третья. Следовательно, синий канал будет иметь большую глубину резкости, чем другие цвета. Обработка изображения определяет размытые области в красном и зеленом каналах и копирует в них более четкие данные о границах из синего канала. В результате получается изображение, сочетающее в себе лучшие характеристики различных значений диафрагмы. В крайнем случае пленоптическая камера захватывает информацию о световом поле в четырех измерениях, что позволяет изменять фокусировку и глубину резкости после съемки.

Дифракция и DOF

Дифракция приводит к потере резкости изображения при высоких значениях числа f (то есть при малых значениях диафрагмы). Это, в свою очередь, ограничивает потенциальную глубину резкости. (Этот эффект не учитывается в приведенной выше формуле для приблизительного расчета ГРИ (глубины резкости).) В обычной фотографии это редко представляет собой проблему, поскольку высокие значения числа f обычно требуют длительных выдержек для получения приемлемой яркости изображения, и размытие из-за движения может привести к большей потере резкости, чем потеря от дифракции. Однако дифракция становится более значимой проблемой при макросъемке, и общая четкость изображения может снижаться, поскольку фотографы стремятся максимизировать глубину резкости, используя очень малые диафрагмы. Хансма и Петерсон обсуждали определение комбинированного влияния расфокусировки и дифракции, используя комбинирование квадратных корней отдельных пятен размытия. Метод Хансмы определяет значение числа f, которое обеспечит максимальную возможную резкость, а метод Петерсона – минимальное значение числа f, которое обеспечит желаемую резкость в конечном изображении и даст максимальную глубину резкости, при которой может быть достигнута эта резкость. В совокупности эти два метода можно рассматривать как определение максимального и минимального значения числа f для конкретной ситуации, позволяя фотографу выбирать любое значение в пределах этого диапазона, в зависимости от условий (например, вероятности размытия из-за движения). Гибсон представил аналогичное обсуждение, дополнительно учитывающее размытие, вызванное аберрациями объектива камеры, дифракцией и аберрациями увеличивающего объектива, светочувствительной эмульсией и фотографической бумагой. Кузин привел формулу, по сути аналогичную формуле Хансмы для оптимального числа f, но не рассматривал ее вывод. Хопкинс, Стоксет, Уильямс и Беклунд обсуждали комбинированное влияние с использованием функции передачи модуляции.

Шкала DOF

Многие объективы имеют шкалы, показывающие глубину резкости (DOF) для заданного расстояния фокусировки и значения диафрагмы; 35-мм объектив на изображении является типичным примером. Этот объектив имеет шкалы расстояний в футах и метрах; когда отмеченное расстояние устанавливается напротив большой белой индексной метки, фокус устанавливается на это расстояние. Шкала глубины резкости (DOF), расположенная ниже шкалы расстояний, содержит отметки по обе стороны от индекса, соответствующие значениям диафрагмы. Когда объектив установлен на определенное значение диафрагмы, глубина резкости (DOF) простирается между расстояниями, совпадающими с отметками значений диафрагмы. Фотографы могут использовать шкалы объектива для обратного расчета необходимого расстояния фокусировки и диафрагмы, исходя из желаемой глубины резкости. Для показанного 35-мм объектива, если требуется, чтобы глубина резкости (DOF) простиралась от 1 м до 2 м, фокус следует установить так, чтобы индексная метка находилась посередине между отметками этих расстояний, а диафрагма была установлена на… На фотокамере с видоискателем фокус и значение диафрагмы можно определить, измерив глубину резкости и выполнив простые вычисления. Некоторые фотокамеры с видоискателем оснащены калькуляторами глубины резкости (DOF), которые показывают фокус и значение диафрагмы без необходимости каких-либо вычислений со стороны фотографа.

Близкое:дальнее распространение

Глубина резкости за объектом всегда больше, чем глубина резкости перед объектом. Когда объект находится на гиперфокальном расстоянии или дальше, дальняя глубина резкости бесконечна, поэтому соотношение составляет 1:∞; при уменьшении расстояния до объекта, соотношение между ближней и дальней глубиной резкости увеличивается, приближаясь к единице при большом увеличении. Для больших значений диафрагмы на типичных портретных дистанциях это соотношение все еще близко к 1:1.

Формулы DOF

В этом разделе рассматриваются некоторые дополнительные формулы для оценки глубины резкости, однако все они основаны на значительных упрощениях: например, они используют параксиальное приближение гауссовой оптики. Они пригодны для практической фотографии, в то время как конструкторы объективов применяют значительно более сложные формулы.