Skärpedjup

Skärpedjup ( DOF ), skärpedjup - avståndet längs linsens optiska axel mellan två plan i objektets utrymme , inom vilket objekt visas subjektivt skarpt i det konjugerade fokalplanet [1] . Det beror direkt på de viktigaste egenskaperna hos det optiska systemet: den huvudsakliga brännvidden och relativa bländaren , samt på fokuseringsavståndet . I det här fallet visas endast objekt som befinner sig i samma plan i objektutrymmet, motsvarande fokuseringsavståndet [2] , absolut skarpt .

I dagligt tal betecknas begreppet skärpedjup med det kortare uttrycket "skärpedjup". Men inom optiken betecknar den senare en annan storhet, som mäts i bildrymden [1] . Dess praktiska utvärdering av fotografer och kameramän utförs inte, men den spelar en viktig roll inom tillämpade områden. Uppskattning av djupet på det skarpt avbildade utrymmet kan göras visuellt på det frostade glaset på en direkt- eller reflexkamera , såväl som på monitorn på en elektronisk sökare eller enligt motsvarande skala på linshylsan och tabeller som sammanställs när beräkning av det optiska systemet [3] .

Kriterier för skärpedjup

Skärpedjup är inte ett absolut värde, eftersom det bestäms baserat på linsens minsta upplösning , såväl som på observationsförhållandena för den resulterande bilden och förmågan hos mänsklig syn [4] . Kriteriet för djupet av skarpt avbildat utrymme är spridningscirkeln , som överstiger diametern på linsens luftiga skiva, eftersom ljusspridningen av den fotografiska emulsionen , vilket minskar upplösningen, tas med i beräkningen. I sin tur beror storleken på spridningscirklarna som bildar bilden av motivet på avståndet mellan det och fokuseringsplanet. Ju större förskjutning från siktningsplanet, desto större diameter har en sådan cirkel och desto lägre skärpa är bilden. Punkter på objekt som ligger utanför fokusplanet kan subjektivt avbildas skarpt om diametrarna för motsvarande spridningscirklar inte överstiger tröskelvärdet [5] .

Detta värde är valt baserat på hänsynen att när det ses från ett avstånd med bästa syn på 25 centimeter, uppfattar det mänskliga ögat bilden som skarp om spridningscirkeln är mindre än 0,1 mm [6] . Diametern tas som en tröskel för storformatsnegativ avsedda för kontakttryck [3] . Små fotografiska negativ avsedda för förstoring tillåter en diameter på 0,03–0,05 mm, eller 1/1000 av bilddiagonalen [7] . För 6×6 cm mellanformatsnegativ får spridningscirkeln inte överstiga 0,075 mm. Detta värde beräknas för fotoutskrifter av mellanstorlekarna 13×18 och 18×24 cm. Vid högre förstoringar kan objekt som befinner sig inom det beräknade skärpedjupet visa sig vara suddiga på grund av att ett tröskelvärde överskrids som inte är märkbart för ögat [ 4] . Detta kompenseras dock av att stora bilder ses på avstånd.

För ett 35 mm filmnegativ , enligt sovjetiska standarder, var värdet på spridningscirkeln inte mer än 0,03 mm och för 16 mm - 0,015 mm [8] . I bredbildsfilm anses samma spridningscirkel vara densamma som på standard 35 mm film . Större storlekar av spridningscirkeln accepterades utomlands: i USA var de 0,05 mm (0,002 tum ) för 35 mm film och 0,025 mm (0,001 tum) för 16 mm [8] . Alla dessa värden beräknas också utifrån förutsättningarna för att se den färdiga bilden, som beror på storleken på auditoriet och standardskärmarna.

Djupfaktorer

Skärpedjupet är omvänt proportionellt mot objektivets brännvidd och direkt proportionellt mot bländarvärdet [3] . Skärpedjupet för zoomobjektiv ändras samtidigt med brännvidden. Dessutom är skärpedjupet direkt proportionellt mot det avstånd på vilket objektivet är fokuserat. Det maximala skärpedjupet kan uppnås i oändligheten, vilket för de flesta objektiv börjar på 15-20 meter. Tvärtom, när man siktar på objekt med nära avstånd, kan ett stort skärpedjup uppnås med svårighet. Detta märks särskilt vid makrofotografering , när det skarpa bildområdet kan vara bråkdelar av en millimeter även med stark bländare.

Från skärpedjupets direkta beroende av brännvidden och fokuseringsavståndet följer en annan, indirekt: skärpedjupet är omvänt proportionell mot ökningen av bilden av motivet i brännplanet, det vill säga skalan med som den visas. Du kan zooma in både genom att närma dig motivet som fotograferas och genom att använda en lins med längre brännvidd , vilket i båda fallen resulterar i att utrymmet som visas skarpt minskar. Samtidigt gör en liten ökning att du kan få ett stort skärpedjup.

Vid praktisk fotografering och filmning styrs skärpedjupet ofta med hjälp av ett bländare med variabel bländare. Genom att använda objektivet kan du öka skärpedjupet, allt annat lika [9] . Att få ett litet skärpedjup är möjligt på relativt korta fotograferingsavstånd med hjälp av optik med hög bländare och öppen bländare. Möjligheten att "separera" objektet från bakgrunden på stora avstånd på 50-100 meter ges endast av snabba teleobjektiv , speciellt framtagna för sportfotografering.

Ju större format negativt (sensorn) har, desto svårare är det att uppnå ett stort skärpedjup på samma bildskala, eftersom du måste använda en lins med längre brännvidd. Storformatskameror kräver en stark bländare för att få ett porträtt som skarpt visar hela huvudet samtidigt, medan på ett negativt i litet format är detta möjligt även med medelstora bländarvärden. Videokameror med en miniatyr CCD-sensor ger ett enormt skärpedjup även när du tar närbilder. Fenomenet förklaras av beroendet av den brännvidd som krävs för att få en bild med en viss synfältsvinkel på storleken på ramfönstret. Genom att minska ramstorleken för att fylla den med bilden av samma motiv kan du använda ett objektiv med kortare brännvidd.

Därför har två bilder av samma objekt, tagna av kameror i olika format i samma skala från samma avstånd, med samma relativa bländare för linserna, olika skärpedjup. En kamera med mindre ramstorlek ger ett längre skärpedjup eftersom ett kortare brännviddsobjektiv används för att uppnå samma zoom.

Påverkan av kamerarörelser

De beskrivna principerna för beroende av skärpedjupet är endast giltiga när linsens optiska axel är strikt vinkelrät mot det fotografiska materialets eller matrisens plan. Axellutningen som ett resultat av skiftningar ändrar bilden av fördelningen av skärpa på grund av oöverensstämmelsen mellan planet för den skarpa bilden och ramfönstret. Detta kan användas både för att utöka bildytan som visas skarpt och för att på konstgjord väg begränsa den [10] .

Möjligheten att kontrollera skärpedjupet med hjälp av skift är typiskt för kardankameror och kameror utrustade med en tilt-shift-lins . Överensstämmelse med Scheimpflug-principen gör att du kan visa skarpa föremål placerade på olika avstånd utan linsbländare [11] . Skärpedjupet ökar dock inte, utan det område av rymden som visas rör sig kraftigt. Objekt utanför denna zon verkar suddiga, även om de är på samma avstånd som skarpa. Lutningen av den optiska axeln ger effekten av ett grunt skärpedjup i avlägsna landskap, vanligtvis skarpt över hela bildens fält. Som ett resultat, verkar stora ämnen subjektivt miniatyr, liknande en modell eller en leksak [12] .

Funktioner för digital fotografering

Skärpedjupsskalorna som skrivs ut på ramarna på de flesta utbytbara fotografiska linser beräknas för fotografisk film , vars emulsion har ljusspridning som minskar bildens skärpa. Fotomatriser påverkar upplösningen i mycket mindre utsträckning, vilket gör att du bättre kan använda kapaciteten hos samma optik som används med moderna digitala SLR-kameror . De senaste DSLR- objektivstandarderna är 1,5 gånger strängare och baseras på en cirkel av förvirring som är 1/1500 av diagonalen för en fullformatssensor, dvs 28 mikrometer [13] . Skärpedjupet som bestäms av sådana skalor är ganska överensstämmande med det mest populära fotoutskriftsformatet på 10 × 15 cm. För större bilder och bilder på en datorskärm visar det sig vara överskattat, eftersom moderna sensorer ger en högre upplösning än film [13] . I ännu större utsträckning manifesteras avvikelsen mellan sådana skalor när man använder fotomatriser med reducerad storlek APS-C och Nikon DX . För att ta hänsyn till modern teknisk kapacitet kan alternativa skärpedjupskalkylatorer användas, beräknade utifrån storleken på matrispixeln [14] .

Tekniken för digital fotografering gör att du kan öka skärpedjupet avsevärt genom att kombinera flera fotografier tagna med olika fokusavstånd för objektivet ( fokusvariation ). Särskilda datortillämpningar gör det möjligt att "klistra ihop" bilder med variabel fokus [15] [16] [17] . Denna teknik  kallas Fokusstapling har blivit utbredd inom tillämpad vetenskaplig fotografering, främst inom makro- och mikrofotografering , eftersom den endast är lämplig för fotografering av stationära objekt. Den senaste tekniken för ljusfältskameran gör att du kan justera fokuseringsavståndet och skärpedjupet för bilden redan efter tagning med mjukvarumetoder [18] .

De senaste Nokia - smarttelefonerna sedan 2013 har utrustats med en inbyggd kamera med möjlighet att styra skärpedjupet, som har fått handelsnamnet "Refocus" [19] . I det här fallet kan fokus ändras efter fotografering, vilket är särskilt effektivt för scener med långa djup.

IPIG-beräkning

De främre och bakre gränserna för det skarpt avbildade utrymmet kan bestämmas med formlerna [8] :

; ,

var

 - avstånd till den främre gränsen för det skarpt avbildade utrymmet;  - fokuseringsavstånd;  - avstånd till den bakre gränsen för det skarpt avbildade utrymmet;  - objektivets bakre huvudbrännvidd i meter;  - nämnaren för linsens geometriska relativa bländare eller f-nummer ;  - diametern på förvirringscirkeln eller den tillåtna spridningscirkeln, för negativ med formatet 24 × 36 mm, lika med 0,03-0,05 mm (värdet i meter ersätts i formeln).

Värden , , räknas från kamerans fokalplan (där det fotografiska materialet eller fotomatrisen finns). Skärpedjupet bestäms av skillnaden mellan fältets bak- och framkant:

Hyperfokalt avstånd

Avståndet på vilket objektivet är fokuserat när den bakre kanten av synfältet ligger på "oändlighet" för en given geometrisk relativ bländare kallas "hyperfokal" [20] [21] [22] [3] . Konceptet med hyperfokalt avstånd är viktigt i praktisk fotografering och filmning eftersom det ger största möjliga skärpedjup från oändlighet till halva fokusavståndet.

När du fotograferar landskap med kortfokusoptik uppnås den bästa skärpan när objektivet inte är fokuserat på oändlighet, utan på hyperfokalt avstånd. Förenklat uppnås detta genom att kombinera fokusskalans "oändlighets"-symbol med uppdelningen av skärpedjupsskalan som motsvarar den aktuella bländaren [23] . Då kommer den främre gränsen för det skarpt avbildade utrymmet att ligga på ett avstånd som är lika med halva hyperfokala avståndet [22] . När du fotograferar objekt inte är närmare än detta avstånd, kommer hela det avbildade utrymmet på fotografiet att vara praktiskt taget skarpt, med hänsyn till storleken på spridningscirkeln. De flesta vidvinkelobjektiv för småformatskameror och 35 mm filmkameror visar skarpa föremål på nästan alla avstånd när de fokuserar på hyperfokalt avstånd. Innan tillkomsten av effektiva autofokussystem användes detta fenomen i reportage och sportfotografering, när det inte fanns tillräckligt med tid för exakt fokusering.

Kompakta enheter med små ramstorlekar och korta linser, som webbkameror , actionkameror , kameratelefoner och säkerhetskameror , kräver ofta inte fokusering genom att fixera linsen med fast fokus på hyperfokalavståndet. Detsamma gäller de enklaste kamerorna och filmkamerorna. Hyperfokalavståndet för varje lins är individuellt och beror på det aktuella f-numret . Beräknat enligt formeln:

[21] ,

var

 — hyperfokalt avstånd;  - brännvidd ;  är nämnaren för den relativa bländaren;  är diametern på spridningscirkeln.

För praktiska beräkningar kan du använda en förenklad formel:

I praktiken är det tillräckligt att beräkna signifikanta siffror med en noggrannhet på 1–2, eftersom diametern på spridningscirkeln vanligtvis anges med samma noggrannhet. Värden blir tydligare och lättare att komma ihåg när de avrundas till standard f-tal (för att approximera exponentiella tal med en nämnare ). I tabellen ovan motsvarar hyperfokala avstånd en cirkel med spridningsdiameter på cirka 0,02 mm på en 24×36 mm ram.

Brännvidd
,
mm 		Hyperfokalt avstånd, m, vid bländare
f/2 f/2,8 f/4 f/5,6 f/8 f/11 f/16
arton åtta 5.6 fyra 2.8 2 1.4 ett
24 16 elva åtta 5.6 fyra 2.8 2
35 32 22 16 elva åtta 5.6 fyra
femtio 65 45 32 22 16 elva åtta
70 130 90 65 45 32 22 16
100 250 180 130 90 65 45 32

När du fotograferar oändligheten förenklar användningen av hyperfokalt avstånd formlerna för att beräkna gränserna för det skarpt avbildade utrymmet [24] :

; ,

var

 - den främre gränsen för det skarpt avbildade utrymmet;  - avståndet vid vilket fokusering utförs;  - den bakre gränsen för det skarpt avbildade utrymmet.

Det följer av formlerna att skärpazonen är större i längd från siktplanet till skärpans bakkant än från siktningsplanet till skärpans främre kant. Så när du fokuserar linsen på ett avstånd av H / 2, kommer längden på skärpezonen att vara från H / 3 till H , när du fokuserar på H / 3  - från H / 4 till H / 2 , och så vidare.

För att bestämma sikteplanet för givna främre och bakre skärpa gränser, använd formeln:

Den praktiska betydelsen av skärpedjup

Det stora skärpedjupet som krävs för att exakt visa detaljer ses inte alltid som en fördel i en bild. Att lyfta fram huvudmotivet med skärpa i konstnärlig fotografi och film används traditionellt som ett uttrycksmedel, tillsammans med tonalt och linjärt perspektiv [25] .

För klassiska foto- och filmkameror med stor bildstorlek är ett grunt skärpedjup karakteristiskt, vilket gör det möjligt att effektivt använda denna teknik. Särskilt praktiska i detta avseende är digitala SLR-kameror i fullformat och digitala biokameror i Super-35- formatet . Specialporträttobjektiv tillhör gruppen teleobjektiv och har ett grunt skärpedjup. Tvärtom kännetecknas miniatyriseringen av tekniken och spridningen av mobilografi av en tendens att öka skärpedjupet, lätt att uppnå vid korta brännvidder. Detta gör att de flesta av dessa enheter klarar sig utan att fokusera, men påverkar bildens estetik , utan volym.

Skärpedjupssimulering används ofta i 3D-grafik och datorspel för att ge en bild ett riktigt "optiskt" utseende. Dessutom hjälper det att fokusera spelarens uppmärksamhet på huvudobjektet eller karaktären. På specialiserade platser brukar denna effekt kallas den engelska motsvarigheten till termen "depth of field" - Depth of Field, DOF [26] .

Samtidigt visar modern kinematografi, som utvecklas i riktning mot ökad underhållning på grund av 3D-teknikens allestädes närvarande , en tendens att överge ett så uttrycksfullt sätt som att framhäva med skärpa på dess grunda djup. Överföringen av volym uppnås i stereobio på andra sätt som inte kräver "klassiska" uttrycksfulla medel. Detta tillvägagångssätt gör det svårt att iscensätta komplexa scener, till exempel när du filmar filmen " Stalingrad " med den senaste IMAX 3D-tekniken, när bilden togs med förväntan att uppnå maximalt skärpedjup för hela bilden [27] . Bilden av den fantastiska " Avatar " [28] skapades på ett liknande sätt . Den moderna kameraskolan kommer från det faktum att ett stort skärpedjup gör att du fullt ut kan använda fördelarna med tredimensionella bilder och öka effekten av närvaro. .

I traditionell "platt" kinematografi föredrar kameramän att använda relativt långfokuserade filmobjektiv, vilket gör att de kan framhäva motivet med skärpa. . Kompakta videokameror med en liten sensor kan använda ramen för sådan optik helt med hjälp av DOF-adaptrar med en mellanbild.

Se även

Källor

  1. ↑ 1 2 Photokinotechnics, 1981 , sid. 64.
  2. ↑ Allmän fotografikurs, 1987 , sid. 23.
  3. ↑ 1 2 3 4 Allmän fotografikurs, 1987 , sid. 24.
  4. ↑ 1 2 Skärpedjup . Linser . Zenith kamera. Hämtad 7 juli 2014. Arkiverad från originalet 14 juli 2014.
  5. ↑ Volosov, 1978 , sid. 65.
  6. ↑ Optisk-mekanisk industri, 1961 , sid. 9.
  7. ↑ En kort guide för amatörfotografer, 1985 , sid. 37.
  8. ↑ 1 2 3 Gordiychuk, 1979 , sid. 156.
  9. ↑ Hedgecoe, 2004 , sid. 16.
  10. ↑ Tilt/Shift: Kontroll av skärpedjup . Cambridge i färg . Hämtad 15 april 2013. Arkiverad från originalet 22 april 2013.
  11. ↑ D. Korn. formatera kameror. slut . Artiklar om fotoutrustning . Photomaster DCS. Hämtad 1 maj 2014. Arkiverad från originalet 18 januari 2013.
  12. ↑ Tiltadaptrar . Artiklar . Fotorox. Hämtad 24 april 2014. Arkiverad från originalet 27 april 2014.
  13. ↑ 1 2 Vladimir Medvedev. Cirkel av förvirring. Nytt utseende (länk ej tillgänglig) . Artiklar . Personlig blogg. Datum för åtkomst: 26 januari 2014. Arkiverad från originalet den 6 juli 2013. 
  14. ↑ Ny skärpedjupskalkylator (inte tillgänglig länk) . Medvedev. Hämtad 4 juli 2014. Arkiverad från originalet 15 november 2014. 
  15. ↑ ImageFocus Stacking-mjukvara  (engelska)  (nedlänk) . CMOS-kameror . Holländska mikroskop "Euromex". Hämtad 5 juli 2014. Arkiverad från originalet 29 juni 2014.
  16. ↑ Utökat  skärpedjup . demos . Biomedicinsk bildbehandlingsgrupp. Tillträdesdatum: 5 juli 2014. Arkiverad från originalet 26 juni 2014.
  17. ↑ Focus Stacking Software Module för QuickPHOTO-  program . Djupfokusmodul . Promicra. Hämtad 5 juli 2014. Arkiverad från originalet 23 december 2017.
  18. ↑ ANNE STREHLOW. Datavetare skapar en "ljusfältskamera " som förvisar suddiga foton  . Stanford News (3 november 2005). Tillträdesdatum: 5 juli 2014. Arkiverad från originalet 14 juli 2014.
  19. ↑ Brad Molen. Nokia Kamera och Refocus Lens  . Nokia Lumia 1520 recension . Engadget. Hämtad 5 juli 2014. Arkiverad från originalet 12 januari 2014.
  20. ↑ Photokinotechnics, 1981 , sid. 63.
  21. ↑ 1 2 Gordiychuk, 1979 , sid. 157.
  22. ↑ 1 2 Volosov, 1978 , sid. 67.
  23. ↑ En kort guide för amatörfotografer, 1985 , sid. 39.
  24. ↑ Gordiychuk, 1979 , sid. 158.
  25. ↑ Vad är skärpedjup i fotografi? . "Pro Photo". Hämtad 6 mars 2012. Arkiverad från originalet 27 maj 2012.
  26. ↑ Joe Demers. Kapitel 23. Skärpedjup: En undersökning av  tekniker . NVIDIA Developer Zone. Hämtad 6 mars 2012. Arkiverad från originalet 27 maj 2012.
  27. ↑ MediaVision, 2013 , sid. arton.
  28. ↑ Avatar. 3D IMAX . LiveJournal (30 december 2009). Hämtad 6 juli 2014. Arkiverad från originalet 22 januari 2010.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger