О пейзажной фотографии, глубине резкости, реальном разрешении и камерах разных размеров


Часть 1

Одно из обязательных свойств пейзажной фотографии — высокая резкость по всему полю кадра. Не зависимо от того, где находится предмет, на переднем или заднем плане, он должен быть в фокусе. Так мы смотрим на пейзаж в натуре, автоматически "подстраивая" фокусировку глаза, и того же требуем от фотографии.


Камера Canon PowerShot G2, f=9 мм (экв. 43 мм), d/8. Только принудительно установив минимальную диафрагму, можно получить резкий снимок по всему кадру если в видоискатель видно пространство от собственных ног и до горизонта.

Чтобы пейзажная фотография воспринималась естественно, нужно обеспечить высокую резкость по всему полю кадра. Характеристика, описывающая зависимость резкости от дистанции до камеры и положения зоны фокусировки — глубина резкости. Ее определяют несколько факторов (подробнее о глубине резкости в описании Программы расчета глубины резкости, статье "Из жизни пчел, или о макросъемке на природе и глубине резкости" и в Общем FAQ по цифровой фотографии). Чем короче фокусное расстояние объектива (при постоянстве прочих факторов), тем выше глубина резкости. Чем меньше диафрагма (при постоянстве прочих факторов), тем острее конус лучей, формирующих точку изображения в плоскости фокусировки и выше глубина резкости. Чем меньше увеличение изображения (при постоянстве прочих факторов), тем больше глубина резкости. Чем больше дистанция наводки на резкость (при постоянстве прочих факторов), тем выше глубина резкости.

Но четкость и детализация на снимке обусловлены не только эффектом глубины резкости (фактически, эффектом ошибки фокусировки). Разрешение объектива падает к краю кадра, а аберрации усиливаются. В расчетах увеличения снимка (или расчетах масштаба просмотра) нужно опираться не на идеальный центр, а на плохой край, чтобы неидеальность оптики не стала явно заметной. А раз так, то и расчет глубины резкости следует вести исходя не из максимального разрешения в центре кадра, а из разрешения на краю.

Шкалы глубин резкости можно найти на любом приличном объективе, а иногда и на фотоаппарате. Сейчас их "встраивают" в функции цифровых камер как некоторые производители, так и разработчики альтернативных прошивок. При этом, прежде чем ними пользоваться, нужно проверить (по допустимому кружку нерезкости), соответствуют ли эти шкалы вашей камере (предполагаемому масштабу просмотра / печати или максимуму детализации, который еще можно выжать из камеры).

Снимать пейзаж без учета глубины резкости — пустая трата времени. Отпечаток пейзажной фотографии с явным нефокусом производит неприятное впечатление, которое не оправдать даже "творческим замыслом". Глубина в пейзажном снимке передается перспективой, изменением контраста и оттенка по мере удаления от переднего плана к заднему. Способ выделения планов фокусировкой (как в портретной фотографии) почти не применяется. Исключение, когда имеется близкий передний план и удаленный задний, а между ними пустота. Тогда можно сфокусироваться на переднем плане и при умеренных значениях диафрагменного числа подчеркнуть глубину перепадом по резкости между планами, симулируя небольшим падением резкости толщину слоя воздуха или плотности дымки на заднем плане.


Canon EOS300D, f=18 мм, f/d=7,1 (гиперфокальное расстояние чуть больше 2 м).При наводке на резкость по ближайшим веткам дерево попадает в зону резкости, а задний план оказывается слегка размыт. Это не мешает восприятию, так как среднего плана фактически нет.

Фотографы, снимки которых стали известными, да и просто те, кто зарабатывал фотографией на жизнь хорошо представляли себе техническую сторону своего ремесла. Классик пейзажной фотографии — Ансель Адамс. К сожалению, у меня нет его книг по съемке, обработке и печати (The Camera, The Print, The Negative и прочих). Поэтому о технологии его работы могу судить по косвенным данным. На сайте PBS, в разделе, посвященном документальному фильму об Адамсе, можно найти список аппаратуры, которым он пользовался. В нем форматные камеры: 8×10 дюймов с оптикой диапазона 6 3/4 —10 дюймов, 4×5 дюймов с оптикой 4-12 дюймов и панорамная камера 7×17 дюймов. Судя по имеющимся у меня копиям отпечатков, многие снимки сделаны нормальными (фокусное расстояние объектива примерно равно диагонали кадра) и широкоугольными объективами (фокусное расстояние меньше диагонали кадра).

В 1932 году фотографы из Сан-Франциско (в их числе и Адамс) организовали объединение f.64. Среди основных принципов, которым должны были следовать фотографы группы — "чистая фотография". Это принцип, в частности, противопоставлялся пикториализму, привносящему в фотографию эстетику живописи. f.64 означало наименьшую диафрагму, которая могла быть установлена в используемых фотографами группы объективах камер. Так же она означала стремление получить на снимках наибольшую глубину резкости, чтобы эффект малой глубины резкости не влиял на "чистоту фотографии". (Однако, большие числа не должны вводить в заблуждение. f/64 на камере с размером кадра 4×5 дюймов при сопоставлении с современными компактами соответствуют по глубине резкости f/2,8-f/4! Так что владельцы компактов автоматически, но формально, попадают в f/64.)

При анализе глубины резкости удобно пользоваться такой величиной, как гиперфокальное расстояние. Это величина, называемая еще "началом бесконечности", определяется как дистанция, на которой предметы еще воспринимаются резко при наводке объектива на бесконечность:

H = f*f/(k*d),

где f — фокусное расстояние объектива, k — диафрагменное число, d — диаметр кружка рассеяния.

Простая закономерность получается, если представить масштабную ситуацию. Предположим, что у нас имеется камера с некоторым разрешением и ее масштабная копия в масштабе N с тем же разрешением. У копии будет объектив с фокусным расстоянием N*f, для сохранения разрешения придется взять диаметр кружка рассеяния N*к. Тогда, чтобы у копии гиперфокальное расстояние не изменилось, нужно изменить ее диафрагменное число в N раз. Так, к примеру, диафрагму зеркалки с полноразмерной матрицей придется уменьшить (закрыть) на 1 ступень, чтобы она имела такую же глубину резкости (гиперфокальное расстояние), как зеркалка с матрицей в 1,4—1,5 раза меньшей и "эквивалентным" объективом. Например, между 12 Мп камерой 4×5 дюймов и APS зеркалкой с диагональю в 6 раз меньшей будет разница в диафрагменном числе в 6 раз (f/64 станет f/11).

Для пейзажной фотографии (дистанция наводки на резкость существенно больше фокусного расстояния), через гиперфокальное расстояние можно вычислять переднюю aп и заднюю aз границы резкости при наводке объектива на дистанцию a по формулам:

aп = H*a/(H+a)

aз = H*a/(H-a)

Если a=H то дистанция до переднего резкого плана будет равна половине гиперфокального расстояния, а задний план уходит в бесконечность.

При пейзажной фотографии гиперфокальное расстояние задает и высоту (h), на которую должна быть установлена камера при съемке. В случае, когда съемка ведется с горизонтальной поверхности, дистанция до ближнего плана, попадающего в кадр, легко вычисляется. Она равна высоте камеры над поверхностью, умноженной на отношение половины вертикальной стороны кадра (s) к фокусному расстоянию (f). Чтобы резким было все поле кадра, дистанция до переднего плана должна быть не меньше половины гиперфокального расстояния (при фокусировке на гиперфокальное расстояние H/2), а высота камеры h > s*H/2f. Если удовлетворить условие не получается, придется заваливать камеру назад или поднимать над поверхностью (судя по документальным снимкам, Ансель Адамс иногда снимал с крыши своего автомобиля).

Для вычисления гиперфокального расстояния помимо однозначно определяемых величин f и k, нужно еще задать величину кружка рассеяния d. Кружок рассеяния в этом случае выполняет роль допустимой ошибки, в пределах которой промах в фокусировке не будет заметен.


Нахождение кружка нерезкости для глаза по мире. Пока толщина штрихов (белых или черных) меньше половины диаметра кружка нерезкости, штрихи кажутся постоянной толщины и сливаются. Когда толщина штрихов становится больше радиуса кружка нерезкости, глаз начинает их различать.

Традиционно кружок рассеяния приравнивается кружку нерезкости и определяется из условий просмотра изображения, формируемого оптической системой на экране (к примеру, на матовом стекле форматной камеры). В этом случае он определяется разрешающей способностью глаза. Если рассматривать изображение на дистанции ясного зрения 25 см, то практически найденный кружок рассеяния будет равен 0,1 мм (теоретический, вычисляемый, к примеру, из соображений расстояния между соседними светочувствительными элементами в наиболее "плотной" области сетчатки дает величину в 1 угловую минуту для различения двух одинаковых стимулов, разделенных контрастным им по яркости стимулом). Что означает эта величина? Любой кружок-стимул с диаметром меньшим 0,1 мм на дистанции больше 25 см человек воспринимает, как точку. Если рассматривать штриховую миру из черных штрихов на белом фоне, то глаз на дистанции 25 см различит соседние белые штрихи, если между их центрами будет не менее 0,1 мм (это, к примеру, для печати соответствует "плотности" пикселей 20 на мм или 500 на дюйм!).

Таким образом, диаметр кружка нерезкости (или линейное разрешение глаза) есть обратная величина разрешения, если за критерий разрешения выбирать начало различения штрихов (при самом малом контрасте наблюдаемой картинки). В пределах этого кружка нерезкости можно ошибаться в фокусировке, не боясь, что глаз ошибку заметит.

Постановка процедуры измерения, различие в возможностях зрения разных наблюдателей сильно влияют на величину разрешающей способности глаза, которая используется для определения кружка нерезкости. В фотографии, чаще всего, используется именно величина 0,1 мм для кружка нерезкости при дистанции просмотра 25 см, теоретической величиной считается 0,07 мм, а наибольшей еще допустимой практически 0,3 мм ("Справочник Фотолюбителя", "Искусство", 1961). Как видно, произвол не малый. Поэтому при вычислении глубины резкости или использовании шкалы глубины на объективе нужно помнить о том, что цифры эти несколько условны. Одно дело, если в процессе съемки мы используем миру, как объект и так определяем глубину резкости камеры с объективом, другое — если снимается реальный пейзаж. Гиперфокальное расстояние по еще допустимому максимальному кружку рассеяния, применимому к пейзажу, будет втрое больше рассчитанного для кружка 0,1 мм. Но это произвол не мешает сравнивать камеры между собой, если для вычислений мы используем общий критерий.

Как определить кружок рассеяния для цифровой камеры? Можно выбрать в качестве него, к примеру, размер пикселя. Тогда ошибка в фокусировке слабо изменит изображение — будет лишь слегка понижен контраст самых высоких частот (что на фоне неидеальной оптики будет незаметно). Чтобы оставаться в рамках предположений, заложенных в процедуру вычисления гиперфокального расстояния, при определении кружка нерезкости нужно исходить из а) реального разрешения системы матрица-объектив и б) критерия "различимые в идеале штрихи становятся неразличимыми при самой большой ошибке фокусировки".


В случае корректной фокусировки и идеальной оптики сигнал на выходе будет ступенькой (картинка слева). Если ошибка в фокусировке превратит точку в пятно диаметром с толщину изображения штриха, то сигнал на выходе еще будет описывать характер снимаемого объекта (картинка в центре). Если кружок рассеяния из-за ошибки фокусировки станет размером с два штриха, штрихи миры различить уже не удастся (картинка справа). Кружок нерезкости диаметром в два штриха (черный и белый), хорошо различимых при идеальной фокусировке, и можно принять за кружок рассеяния для вычисления гиперфокального расстояния.

Дискретная природа сенсора не позволяет безошибочно распознавать проекции штрихов миры, если их плотность совпадает с плотностью элементов матрицы. В зависимости от взаимного положения изображений штрихов на матрице и элементов матрицы сигнал то представляет собой гребенку, то постоянен ("серый", когда штрихи точно попадают на границу между элементами матрицы) по пространству. Чтобы дискретная природа матрицы существенно не искажала сигнал, плотность ячеек должна быть как минимум вдвое больше плотности штрихов на изображении миры. Однако, просто чтобы распознать все штрихи, достаточно и меньшей плотности.

Многочисленные испытания хороших цифровых камер для системы "матрица-объектив" дают величину разрешения до 0,8 линии/пиксель для центра кадра и от 0,6 линии/пиксель для края. Величина эта для центра кадра обусловлена при самых открытых диафрагмах именно дискретной структурой матрицы и определяется по границе, за которой муар уже не заметен. Причем, при диафрагмировании из-за дифракционных эффектов разрешение по центру с некоторой величины диафрагмы (для компактов уже со второй-третье ступени после самой открытой, для зеркалок с f/11-f/16) начинает падать, а разрешение по краю сначала растет, а затем падает, как и разрешение по центру.

При желании обеспечить равную по полю кадра резкость, что принципиально для пейзажной съемки, возьмем для определенности в качестве разрешения величину ~0,7 линии/пиксель или ~1,5 пикселя на линию, что в пересчете на линейное разрешение для штриховой миры даст ~3 пикселя между изображениями соседних штрихов. Эту величину и примем за диаметр кружка рассеяния. Он и соответствует критерию, когда штрихи миры хорошо различимой в фокусе, на границе глубины резкости перестают быть различимыми.

Упоминавшееся падение разрешения с диафрагмированием обусловлено дифракционным рассеянием на отверстии диафрагмы объектива. Идеальный объектив имеет наибольшее разрешении при самой открытой диафрагме. Чтобы снизить влияние аберраций и выровнять разрешение по полю кадра приходится диафрагму уменьшать, примерно, до f/5 для компактов и до f/8-f/16 для APS и полноразмерных камер. При этом разрешение по центру уже начинает падать.

Угловое расстояние первого дифракционного минимума для точечного объекта наблюдения и кругового отверстия — 1,22 l/d (радиус кружка Эйри), где l — длина волны (для расчетов, обычно, выбирают линию паров ртути e — 546,1 нм), d — диаметр диафрагмы. Линейное, для случая проецирования на экран, находящийся на дистанции фокусного расстояния (система сфокусирована на бесконечность), 1,22lf/d =1,22lk. Если расстояние между краями изображения двух соседних штрихов, еще не искаженного дифракцией, в плоскости пленки или матрицы будет около 1,22lk, то эти же штрихи "размытые" дифракцией будут уже почти неразличимы (контраст от первоначального ~1/4). В идеале (идеальная оптика, изображение каждого штриха попадает на отдельную ячейку, электроника восстанавливает изображение по малоконтрастной картинке) это расстояние можно приравнять элементу матрицы. Отсюда не сложно сделать вывод, до какой величины можно повышать плотность ячеек на матрице при желании использовать это для повышения разрешения.

диафрагменное число, k 2 2,8 5,6 8 11 16 22 32 64
Предельный размер элемента матрицы, 1,22 lk, мкм 1,3 1,9 3,7 5,3

7,3

10,7 14,7 21,3 42,6

В предельном случае, когда на камере будет установлен объектив f/2, использовать ячейки с размером менее 1,3 микрон с целью повышения детализации изображения будет бесполезно. Однако, повышение детализации — цель не единственная. К примеру, более плотная матрица будет точнее регистрировать цвет, если после записи снимка его принудительно уменьшать или, что то же самое несколько соседних элементов матрицы с разными цветными фильтрами записывать как один пиксель.

По данным в таблице можно судить и о реальном разрешении камер при диафрагмировании. Так компактная камера с матрицей 1/1,7 дюйма и размером ячейки 1,9 мкм потеряет половину разрешения при f/8, а ее кадр по информационной емкости станет эквивалентным 3 Мп снимку идеальной камеры (или 3х1,5х1,5 ~ 7 Мп реальной). С APS матрицей это произойдет при f/16, с полнокадровой — при f/22—f/32.

Как только радиус кружка Эйри станет размером с элемент матрицы, разрешение будет определять не плотность светочувствительных элементов, а этот дифракционный кружок. Постоянное до этого линейное разрешение в ~3 пикселя при уменьшении отверстия диафрагмы начнет расти (разумеется, обратная величина — разрешение в линиях на миллиметр или на пиксель — падать) и будет при выборе критерия высокого контраста (когда совпадают не минимуму и максимум соседних кружков Эйри, а их минимумы) определяться зависимостью ~2,44*lk.


Фрагменты снимков миры, сделанных при разных диафрагмах. Масштаб 1:1. Дифракция существенно снижает разрешение. Степень ее влияния можно оценить по изменению радиуса, с которого различимы штрихи. При этом для малых диафрагм этот радиус нужно отсчитывать не с окружности, за которой все штрихи различимы (как обычно мы и поступаем при тестировании камер, красная окружность), а с окружности, на которой только появляется муар (мы бы не могли различить муар, если бы дифракция "размыла" штрихи, его образующие).

Мы (с Владимиром Родионовым, автором идеи этой статьи) сравнили возможности, которые представляют для пейзажной фотографии разные камеры. Были испытаны 12-ти мегапиксельные компакты и зеркалки Canon: EOS 5D, EOS 450D, PowerShot A650 IS (с альтернативной прошивкой, позволяющей снимать в RAW) и PowerShot G9. В таблице приведены важные для оценки "пейзажных" возможностей характеристики камер (размер кадра в пикселях может не совпадать с заявленным производителем, так как указано разрешение, которое позволяет получить программа Raw Therapee из RAW файлов камер; впрочем, различие это не существенное):

Камера Кадр, пикс Размер матрицы, мм Диагональ матрицы, мм Размер элемента, мкм
Canon EOS 5D 4378×2912 35,8×23,9 43 8,2
Canon EOS 450D 4282×2848 22,2×14,8

26,7

5,2
Canon PowerShot A650 IS 4016×3008 7,6×5,7 9,5 1,9
Canon PowerShot G9 IS 4024×3016 7,6×5,7 9,5 1,9

К названным камерам (при использовании с зеркалками соответствующей оптики) применим масштабный принцип. И чтобы сохранить гиперфокальное расстояние придется увеличивать диафрагменное число EOS 5D в 43/9,5=4,5 раза, EOS 450D в 26,7/9,5=2,8 раза по отношению к установленному на "маленькие" камеры. И оптимальная диафрагма (с точки зрения постоянства разрешения по полю кадра) для компактов f/5 превратится в f/22 на EOS 5D и f/14 на EOS 450D. При этом выдержки удлинятся, примерно, в 20 и 8 раз соответственно (что в отсутствие штатива придется компенсировать увеличением светочувствительности в то же количество раз). Для форматной камеры 4×5 дюймов с диагональю 162 мм масштабный коэффициент составит 162/9,5=17, а f/5 превратится в ~f/85, если разрешение снимка будет эквивалентно всего 12 Мп!

Можно ли утверждать (при таком подходе, то есть для пейзажной фотографии), что в одном классе (цифровые камеры) большие камеры хуже маленьких? Конечно нет. Преимущество компактов для пейзажной съемки было бы реальным, если бы размер ячейки у них изначально не был в те же 20 (для полноразмерных матриц) и 8 (для матриц APS размера) раз по площади меньше, что можно считать в первом приближении эквивалентным более высокой светочувствительности в "больших " камерах. Однако, если света много и шумы матриц не велики, то компактные камеры действительно, в некотором смысле, лучше подходят для пейзажной фотографии (а именно, для получения большей глубины резкости при достаточно коротких выдержках).

Продолжение статьи во второй части.






Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.