Про пейзажної фотографії, глибині різкості, реальному вирішенні і камерах різних розмірів

Частина 1

Одна з обов'язкових властивостей пейзажної фотографії - висока різкість по всьому полю кадру. Не залежно від того, де знаходиться предмет, на передньому чи задньому плані, він повинен бути в фокусі. Так ми дивимося на пейзаж в натурі, автоматично "підлаштовуючи" фокусування очі, і того ж вимагаємо від фотографії.

Камера Canon PowerShot G2, f = 9 мм (екв. 43 мм), d / 8. Тільки примусово встановивши мінімальну діафрагму, можна отримати різкий знімок по всьому кадру якщо в видошукач видно простір від власних ніг і до горизонту.

Щоб пейзажна фотографія сприймалася природно, потрібно забезпечити високу різкість по всьому полю кадру. Характеристика, що описує залежність різкості від дистанції до камери і положення зони фокусування - глибина різкості. Її визначають кілька чинників (докладніше про глибину різкості в описі Програми розрахунку глибини різкості , статті "З життя бджіл, або про макрозйомці на природі і глибині різкості" і в Загалом FAQ по цифровій фотографії ). Чим коротше фокусна відстань об'єктива (при сталості інших факторів), тим вище глибина різкості. Чим менше діафрагма (при сталості інших факторів), тим гостріше конус променів, які формують точку зображення в площині фокусування і вище глибина різкості. Чим менше збільшення зображення (при сталості інших факторів), тим більше глибина різкості. Чим більше дистанція наведення на різкість (при сталості інших факторів), тим вище глибина різкості.

Але чіткість і деталізація на знімку обумовлені не тільки ефектом глибини різкості (фактично, ефектом помилки фокусування). Дозвіл об'єктива падає до краю кадру, а аберації посилюються. У розрахунках збільшення знімка (або розрахунках масштабу перегляду) потрібно спиратися не на ідеальний центр, а на поганий край, щоб неідеальність оптики не стала явно помітною. А раз так, то і розрахунок глибини різкості слід вести виходячи не з максимального дозволу в центрі кадру, а з дозволу на краю.

Шкали глибин різкості можна знайти на будь-якому пристойному об'єктиві, а іноді і на фотоапараті. Зараз їх "вбудовують" в функції цифрових камер як деякі виробники, так і розробники альтернативних прошивок. При цьому, перш ніж ними користуватися, потрібно перевірити (по допустимому кухоль нерізкості), чи відповідають ці шкали вашої камері (передбачуваному масштабу перегляду / друку або максимуму деталізації, який ще можна вичавити з камери).

Знімати пейзаж без урахування глибини різкості - марна трата часу. Відбиток пейзажної фотографії з явним нефокусом справляє неприємне враження, яке не виправдати навіть "творчим задумом". Глибина в пейзажному знімку передається перспективою, зміною контрасту і відтінку в міру віддалення від переднього плану до заднього. Спосіб виділення планів фокусуванням (як в портретній фотографії) майже не застосовується. Виняток, коли є близький передній план і віддалений задній, а між ними порожнеча. Тоді можна сфокусуватися на передньому плані і при помірних значеннях діафрагмового числа підкреслити глибину перепадом по різкості між планами, симулюючи невеликим падінням різкості товщину шару повітря або щільності димки на задньому плані.

Canon EOS300D, f = 18 мм, f / d = 7,1 (гіперфокальна відстань трохи більше 2 м) .При наведенні на різкість по найближчих гілках дерево потрапляє в зону різкості, а задній план виявляється злегка розмитий. Це не заважає сприйняттю, так як середнього плану фактично немає.

Фотографи, знімки яких стали відомими, так і просто ті, хто заробляв фотографією на життя добре уявляли собі технічну сторону свого ремесла. Класик пейзажної фотографії - Ансель Адамс . На жаль, у мене немає його книг по зйомці, обробці і друку (The Camera, The Print, The Negative і інших). Тому про технології його роботи можу судити за непрямими даними. На сайті PBS , В розділі, присвяченому документального фільму про Адамса, можна знайти список апаратури, яким він користувався. У ньому форматні камери: 8 × 10 дюймів з оптикою діапазону 6 3/4 -10 дюймів, 4 × 5 дюймів з оптикою 4-12 дюймів і панорамний камера 7 × 17 дюймів. Судячи з наявних у мене копій відбитків, багато знімки зроблені нормальними (фокусна відстань об'єктива приблизно дорівнює діагоналі кадру) і ширококутними об'єктивами (фокусна відстань менше діагоналі кадру).

У 1932 році фотографи з Сан-Франциско (в їх числі і Адамс) організували об'єднання f.64 . Серед основних принципів, яким повинні були слідувати фотографи групи - "чиста фотографія". Це принцип, зокрема, противопоставлялся пікторіалізм, що привносить в фотографію естетику живопису. f.64 означало найменшу діафрагму, яка могла бути встановлена в використовуваних фотографами групи об'єктивах камер. Так само вона означала прагнення отримати на знімках найбільшу глибину різкості, щоб ефект малої глибини різкості не впливав на "чистоту фотографії". (Однак, великі числа не повинні вводити в оману. F / 64 на камері з розміром кадру 4 × 5 дюймів при зіставленні з сучасними компактами відповідають за глибиною різкості f / 2,8-f / 4! Так що власники компактів автоматично, але формально , потрапляють в f / 64.)

При аналізі глибини різкості зручно користуватися такою величиною, як гіперфокальна відстань. Це величина, яка називається ще «початком нескінченності", визначається як дистанція, на якій предмети ще сприймаються різко при наведенні об'єктива на нескінченність:

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

де f - фокусна відстань об'єктива, k - діафрагма, d - діаметр кружка розсіювання.

Проста закономірність виходить, якщо уявити масштабну ситуацію. Припустимо, що у нас є камера з деяким дозволом і її масштабна копія в масштабі N з тим же дозволом. У копії буде об'єктив з фокусною відстанню N * f, для збереження дозволу доведеться взяти діаметр кружка розсіювання N * к. Тоді, щоб у копії гіперфокальна відстань не змінилося, потрібно змінити її діафрагма в N раз. Так, наприклад, діафрагму дзеркалки з повнорозмірною матрицею доведеться зменшити (закрити) на 1 щабель, щоб вона мала таку ж глибину різкості (гіперфокальна відстань), як зеркалка з матрицею в 1,4-1,5 рази меншою і "еквівалентним" об'єктивом . Наприклад, між 12 Мп камерою 4 × 5 дюймів і APS зеркалкой з діагоналлю в 6 разів меншою буде різниця в диафрагменном числі в 6 разів (f / 64 стане f / 11).

Для пейзажної фотографії (дистанція наведення на різкість істотно більше фокусної відстані), через гіперфокальна яку можна обчислювати передню a п і задню a з кордону різкості при наведенні об'єктива на дистанцію a за формулами:

aп = H * a / (H + a)

AЗ = H * a / (Ha)

Якщо a = H тодістанція до переднього різкого плану буде дорівнює половині гіперфокальної відстані, а задній план виходить у безкінечність.

При пейзажної фотографії гіперфокальна відстань задає і висоту (h), на яку повинна бути встановлена камера при зйомці. У разі, коли зйомка ведеться з горизонтальної поверхні, дистанція до ближнього плану, що потрапляє в кадр, легко обчислюється. Вона дорівнює висоті камери над поверхнею, помноженої на відношення половини вертикальної сторони кадру (s) до фокусної відстані (f). Суттєво збільшити ваші шанси було все поле кадру, дистанція до переднього плану повинна бути не менше половини гіперфокальної відстані (при фокусуванні на гіперфокальна відстань H / 2), а висота камери h> s * H / 2f. Якщо задовольнити умова не виходить, доведеться завалювати камеру назад або піднімати над поверхнею (судячи з документальних знімків, Ансель Адамс іноді знімав з даху свого автомобіля).

Для обчислення гіперфокальної відстані крім однозначно визначених величин f і k, потрібно ще поставити величину гуртка розсіювання d. Гурток розсіювання в цьому випадку виконує роль допустимої помилки, в межах якої промах в фокусування не буде помітний.

Знаходження гуртка нерізкості для ока по світі. Поки товщина штрихів (білих або чорних) менше половини діаметра кружка нерізкості, штрихи здаються постійної товщини і зливаються. Коли товщина штрихів стає більше радіуса гуртка нерізкості, очей починає їх розрізняти.

Традиційно гурток розсіювання прирівнюється кухоль нерізкості і визначається з умов перегляду зображення, формованого оптичною системою на екрані (наприклад, на матовому склі форматної камери). У цьому випадку він визначається роздільною здатністю очі. Якщо розглядати зображення на дистанції ясного зору 25 см, то практично знайдений гурток розсіювання буде дорівнює 0,1 мм (теоретичний, який вираховується, наприклад, з міркувань відстані між сусідніми світлочутливими елементами в найбільш "щільною" області сітківки дає величину в 1 кутову хвилину для розрізнення двох однакових стимулів, розділених контрастним їм по яскравості стимулом). Що означає ця величина? Будь гурток-стимул з діаметром меншим 0,1 мм на дистанції більше 25 см людина сприймає, як точку. Якщо розглядати штриховую світу з чорних штрихів на білому тлі, то очей на дистанції 25 см розрізнить сусідні білі штрихи, якщо між їх центрами буде не менше 0,1 мм (це, наприклад, для друку відповідає "щільності" пікселів 20 на мм або 500 на дюйм!).

Таким чином, діаметр кружка нерізкості (або лінійне дозвіл очі) є зворотна величина дозволу, якщо за критерій дозволу вибирати початок розрізнення штрихів (при найменшому контрасті спостерігається картинки). В межах цього гуртка нерізкості можна помилятися в фокусуванні, не боячись, що очей помилку помітить.

Постановка процедури вимірювання, відмінність в можливостях зору різних спостерігачів сильно впливають на величину роздільної здатності ока, яка використовується для визначення гуртка нерізкості. У фотографії, найчастіше, використовується саме величина 0,1 мм для гуртка нерізкості при дистанції перегляду 25 см, теоретичною величиною вважається 0,07 мм, а найбільшою ще допустимої практично 0,3 мм ( "Довідник фотолюбителів", "Мистецтво", 1961 ). Як видно, свавілля не малий. Тому при обчисленні глибини різкості або використанні шкали глибини на об'єктиві потрібно пам'ятати про те, що цифри ці кілька умовні. Одна справа, якщо в процесі зйомки ми використовуємо світу, як об'єкт і так визначаємо глибину різкості камери з об'єктивом, інше - якщо знімається реальний пейзаж. Гіперфокальна відстань по ще допустимому максимальному кухоль розсіювання, застосовуваним до пейзажу, буде втричі більше розрахованого для гуртка 0,1 мм. Але це свавілля не заважає порівнювати камери між собою, якщо для обчислень ми використовуємо загальний критерій.

Як визначити гурток розсіювання для цифрової камери? Можна вибрати в якості нього, наприклад, розмір пікселя. Тоді помилка у фокусуванні слабо змінить зображення - буде лише злегка знижений контраст найвищих частот (що на тлі недосконалої оптики буде непомітно). Щоб залишатися в рамках припущень, закладених в процедуру обчислення гіперфокальної відстані, при визначенні гуртка нерізкості потрібно виходити з а) реального дозволу системи матриця-об'єктив і б) критерію "помітні в ідеалі штрихи стають невиразними при найбільшій помилці фокусування".

У разі коректної фокусування і ідеальної оптики сигнал на виході буде сходинкою (картинка зліва). Якщо помилка у фокусуванні перетворить точку в пляма діаметром з товщину зображення штриха, то сигнал на виході ще буде описувати характер, що знімається (картинка в центрі). Якщо гурток розсіювання через помилки фокусування стане розміром з два штриха, штрихи світи розрізнити вже не вдасться (картинка праворуч). Гурток нерізкості діаметром в два штриха (чорний і білий), добре помітних при ідеальної фокусуванні, і можна прийняти за гурток розсіювання для обчислення гіперфокальної відстані.

Дискретна природа сенсора не дозволяє безпомилково розпізнавати проекції штрихів світи, якщо їх щільність збігається з щільністю елементів матриці. Залежно від взаємного положення зображень штрихів на матриці і елементів матриці сигнал то є гребінку, то постійний ( "сірий", коли штрихи точно потрапляють на кордон між елементами матриці) по простору. Щоб дискретна природа матриці істотно не спотворювала сигнал, щільність осередків повинна бути як мінімум удвічі більше щільності штрихів на зображенні світи. Однак, просто щоб розпізнати всі штрихи, досить і меншої щільності.

Численні випробування хороших цифрових камер для системи "матриця-об'єктив" дають величину дозволу до 0,8 лінії / піксель для центру кадру і від 0,6 лінії / піксель для краю. Величина ця для центру кадру обумовлена ​​при самих відкритих діафрагмах саме дискретної структурою матриці і визначається по межі, за якою муар вже не помітний. Причому, при діафрагмуванні через дифракційних ефектів дозвіл по центру з деякою величини діафрагми (для компактів вже з другого-третього ступеня після найбільш відкритою, для дзеркалок з f / 11-f / 16) починає падати, а дозвіл по краю спочатку зростає, а потім падає, як і дозвіл по центру.

При бажанні забезпечити рівну по полю кадру різкість, що принципово для пейзажної зйомки, візьмемо для визначеності в якості дозволу величину ~ 0,7 лінії / піксель або ~ 1,5 пікселя на лінію, що в перерахунку на лінійне дозвіл для штриховий світи дасть ~ 3 пікселя між зображеннями сусідніх штрихів. Цю величину і приймемо за діаметр кружка розсіювання. Він і відповідає критерію, коли штрихи світи добре помітною в фокусі, на кордоні глибини різкості перестають бути помітними.

Згадуване падіння дозволу з диафрагмированием обумовлено дифракційним розсіюванням на отворі діафрагми об'єктива. Ідеальний об'єктив має найбільше дозвіл при самій відкритій діафрагмі. Щоб знизити вплив аберацій і вирівняти дозвіл по полю кадру доводиться діафрагму зменшувати, приблизно, до f / 5 для компактів і до f / 8-f / 16 для APS і повнорозмірних камер. При цьому дозвіл по центру вже починає падати.

Кутова відстань першого дифракційного мінімуму для точкового об'єкта спостереження і кругового отвору - 1,22 l / d (радіус гуртка Ейрі), де l - довжина хвилі (для розрахунків, зазвичай, вибирають лінію парів ртуті e - 546,1 нм), d - діаметр діафрагми. Лінійне, для випадку проектування на екран, що знаходиться на дистанції фокусної відстані (система сфокусована на нескінченність), 1,22lf / d = 1,22lk. Якщо відстань між краями зображення двох сусідніх штрихів, ще не спотвореного дифракцией, в площині плівки або матриці буде близько 1,22lk, то ці ж штрихи "розмиті" дифракцией будуть вже майже неможливо розрізнити (контраст від початкового ~ 1/4). В ідеалі (ідеальна оптика, зображення кожного штриха потрапляє на окрему клітинку, електроніка відновлює зображення по малоконтрастних картинці) яку можна прирівняти елементу матриці. Звідси нескладно зробити висновок, до якої величини можна підвищувати щільність осередків на матриці при бажанні використовувати це для підвищення дозволу.

7,3

У граничному випадку, коли на камері буде встановлений об'єктив f / 2, використовувати осередки з розміром менше 1,3 мікрон з метою підвищення деталізації зображення буде марно. Однак, підвищення деталізації - мета не єдина. Наприклад, більш щільна матриця буде точніше реєструвати колір, якщо після запису знімка його примусово зменшувати або, що те ж саме кілька сусідніх елементів матриці з різними кольоровими фільтрами записувати як один піксель.

За даними в таблиці можна судити і про реальному вирішенні камер при діафрагмуванні. Так компактна камера з матрицею 1 / 1,7 дюйма і розміром осередку 1,9 мкм втратить половину дозволу при f / 8, а її кадр з інформаційної ємності стане еквівалентним 3 Мп знімку ідеальної камери (або 3х1,5х1,5 ~ 7 Мп реальної ). З APS матрицею це станеться при f / 16, з полнокадровой - при f / 22-f / 32.

Як тільки радіус гуртка Ейрі стане розміром з елемент матриці, дозвіл буде визначати нещільність світлочутливих елементів, а цей дифракційну гурток. Постійне до цього лінійне дозвіл в ~ 3 пікселя при зменшенні отвору діафрагми почне рости (зрозуміло, зворотна величина - дозвіл в лініях на міліметр або на піксель - падати) і буде при виборі критерію високого контрасту (коли збігаються не мінімуму і максимум сусідніх гуртків Ейрі, а їх мінімуми) визначатися залежністю ~ 2,44 * lk.

Фрагменти знімків світи, зроблений при різніх діафрагмах. Масштаб 1: 1. Діфракція істотно зніжує Дозвіл. Степень ее впліву можна оцініті по зміні радіуса, з которого помітні штрихи. При цьому для малих діафрагм цей радіус потрібно відраховувати ні з кола, за якої всі штрихи помітні (як зазвичай ми і робимо при тестуванні камер, червона окружність), а з кола, на якій тільки з'являється муар (ми б не могли розрізнити муар, якщо б дифракція "розмила" штрихи, його утворюють).

Ми (з Володимиром Родіоновим, автором ідеї цієї статті) порівняли можливості, які представляють для пейзажної фотографії різні камери. Були випробувані 12-ти мегапіксельні компакти і зеркалки Canon: EOS 5D , EOS 450D , PowerShot A650 IS (З альтернативної прошивкою, що дозволяє знімати в RAW) і PowerShot G9 . У таблиці наведено важливі для оцінки "пейзажних" можливостей характеристики камер (розмір кадру в пікселях може не збігатися з заявленим виробником, так як вказано дозвіл, яке дозволяє отримати програма Raw Therapee з RAW файлів камер; втім, відмінність це не істотне):

26,7

До названих камерам (при використанні з зеркалками відповідної оптики) застосуємо масштабний принцип. І щоб зберегти гіперфокальна відстань доведеться збільшувати діафрагма EOS 5D в 43 / 9,5 = 4,5 рази, EOS 450D в 26,7 / 9,5 = 2,8 рази по відношенню до встановленого на "маленькі" камери. І оптимальна діафрагма (з точки зору сталості дозволу по полю кадру) для компактів f / 5 перетвориться в f / 22 на EOS 5D і f / 14 на EOS 450D. При цьому витримки удлинятся, приблизно, в 20 і 8 разів відповідно (що за відсутності штатива доведеться компенсувати збільшенням світлочутливості в той же кількість разів). Для форматної камери 4 × 5 дюймів з діагоналлю 162 мм масштабний коефіцієнт складе 162 / 9,5 = 17, а f / 5 перетвориться в ~ f / 85, якщо розмір зображення буде еквівалентно всього 12 Мп!

Чи можна стверджувати (при такому підході, тобто для пейзажної фотографії), що в одному класі (цифрові камери) великі камери гірше маленьких? Звичайно, ні. Перевага компактів для пейзажної зйомки було б реальним, якби розмір осередку у них спочатку не був в ті ж 20 (для повнорозмірних матриць) і 8 (для матриць APS розміру) раз по площі менше, що можна вважати в першому наближенні еквівалентним більш високої світлочутливості в "великих" камерах. Однак, якщо світла багато і шуми матриць не великі, то компактні камери дійсно, в деякому сенсі, краще підходять для пейзажної фотографії (а саме, для отримання більшої глибини різкості при досить коротких витягах).

Продовження статті у во второй части .