Глава 6. Глубина резкости. Гиперфокальное расстояние


Открыть содержание курса

Распространенное мнение ‑ хорошо бы все было резким. Нас приучали к этому художники, работавшие в фигуративной манере. Но, у живописцев и графиков есть возможность «не замечать» того, что кажется излишним. У фотографа такой возможности нет, хотя он может попытаться найти ракурс, где лишние детали окажутся за пределами кадра. Есть еще один способ ослабить влияние никчемных подробностей ‑ оставить их в нерезкости.

Существует формальный критерий резкости, выражающийся через понятие разрешающая способность. Разрешающая способность оценивается двояко: либо в линиях на миллиметр, либо через диаметр кружка нерезкости. Для определения разрешающей способности используются специальные тестовые шкалы – миры (ударение на первом слоге).

image160

Перед нами ‑ штриховая мира ГОИ. Она состоит из 25 элементов, в каждом из коих – четыре группы штрихов, ориентация которых меняется через 45º. Штрихами можно считать как черные полосы на белом фоне, так и белые полосы на черном фоне: ширина их одинакова. Раньше, когда фотография осуществлялась только съемкой на фотопленку (либо на стеклянные пластины), это было совершенно очевидно и справедливо, поскольку изображение, полученное в результате съемки, оказывалось негативным. Так что уместно говорить о паре штрихов. От первого до последнего элемента штрихи увеличивают частоту. Так что все 25 элементов охватывают 4-х кратный диапазон частот. Количество линий на миллиметр – это пространственная частота (то есть частота, не во времени, а в двумерном пространстве, то есть в плоскости). Она выражает, сколько различимых линий намм обеспечивает фотокамера. Но в камере мы имеем дело с пленкой (или матрицей) и объективом. Если плоха любая их этих составляющих, тем самым зачеркиваются достоинства всей системы. Применительно к малоформатным камерам считается, что в идеале они должны обеспечивать разрешение 300 лин/мм. На практике, если вы приносите в редакцию интересный снимок с десятикратно худшим качеством, думаю, ни один редактор не откажется от него по причине низкого разрешения.

На мой взгляд, это число мало что может сказать нам без учета дальнейшего масштабирования. Считается, что требования к подробности проработки деталей возрастают по мере увеличения снимка. Это особенно справедливо до формата, примерно равного обычному листу А4 (при дальнейшем увеличении критичность зрителя растет уже не так сильно). Иными словами, правильнее было бы заботиться не столько о разрешении в камере, сколько о конечном виде фотоизображения. Однако, традиция предписывает судить о качестве применительно к пленочному негативу.

У этой миры есть недостатки. Главный из них состоит в том, что она предназначалась для фотоэмульсий, а микрозерна, образующие там изображение, распределены хаотично: в зависимости от локальной засветки. Иногда такое распределение называют причинным растром, тогда как в матрице мы имеем дело с растром, имеющим регулярную ортогональную структуру. Если свет ложится на светочувствительную ячейку, она реагирует на прицельное попадание, а если световой лучик прошел совсем рядом, матрица его игнорирует.

image162

Возникает явление, очень похожее на то, что мы в обиходе называем «муар». Вспомните, как выглядят две сетки, расположенные одна за другой, например, когда разглядываешь на просвет тонкие женские чулки.

Но существует и другая мира ГОИ, которая называется радиальной.

image164

Она обладает рядом преимуществ перед штриховой мирой, где линии меняют ориентацию через 45º, тогда как радиальные секторы (черный или белый) имеет угловую величину 5º, благодаря чему с ее помощью можно обнаружить астигматизм с точностью до 10º. Сужающиеся к центру линии позволяют установить радиальную миру в любой интересующей нас точке, тогда как штриховая мира была настолько обширна, что «попасть» нужным ее элементом в нужную точку изображения весьма проблематично.

Радиальная мира позволит нам разобраться в сути другого способа измерения разрешающей способности, определяемой через понятие кружок нерезкости (или кружок размытости). Диаметр кружка, в котором уже невозможно различить секторов и есть количественный параметр, дающий представление о том, каково разрешение системы.

Что же лежит в основе понятия резкости? Где проходит граница между резким и нерезким?

Следует признать, что она не вполне определенна и подчас субъективна.

Когда я работал в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова, мне время от времени приходились анализировать результаты тестовых съемок мир. И тут я заметил, что когда внимательнее приглядываешься к изображению (а рассматриваются негативы с изображениями мир через микроскоп), замечаешь штрихи и там, где только что они, кажется, сливались в серую массу.

Тут следует добавить, что продвинутыми специалистами используется понятие «частотно контрастная характеристика». Дело в том, что рубеж восприятия штрихов определяется не только в зависимости от частоты штрихов, но и от их контраста. Из-за того что и черные штрихи, и белые паузы оказываются серыми, их различимость снижается.

Те подробности изображения, которые не превышают допустимого предела, считаются резкими. То есть все детали, которые в пространстве изображения втискиваются в конус между предельно допустимым кружком нерезкости и точкой фокуса, считаются резкими. Заметим, что здесь имеют место два конуса с общей вершиной. Значит, в зону резкости попадают объекты в пространстве предметов, находящиеся и ближе и дальше плоскости идеально точной фокусировки.

image166

На схеме видно, что при одинаковом фокусном расстоянии глубина резкости больше у того объектива, полезный световой диаметр которого – меньше. Поэтому при диафрагмировании глубина резкости возрастает.

Боюсь, что у той части моих уважаемых читателей, которые сочли достаточным просто перелистать картинки предыдущей лекции, не вникая в ее содержание, понимания того, о чем говорится здесь, не возникнет. Непонимание будет возрастать и дальше. Поэтому рекомендую вернуться назад и прочесть, что там было написано. Уверяю, никаких поводов для того, что бы усомниться в своих способностях там нет. «Элементарно, Ватсон»

Таблица соответствий двух разных параметров разрешающей способности.

разрешение – лин/мм                               кружок нерезкости – мм

14                                                                    0,82

20                                                                    0,57

25                                                                    0,46

30                                                                    0,38

40                                                                    0,29

45                                                                    0,26

50                                                                    0,23

60                                                                    0,19

76                                                                    0,15

100                                                                  0,115

115                                                                  0,1

229                                                                 0,05

382                                                                 0,03

Чтобы понять, откуда берется это соответствие, приведу эту схему:

image168

Развертка нижнего периметра кружка диаметром 1,15 мм дает штрихи с частотой 10 лин/мм, при этом внутренний (осветленный) кружок диаметром 0,1 мм при развертке даст 100 лин/мм. Кстати сказать, этот ряд из сотни штрихов выглядит здесь размытым именно по причине недостаточного разрешения. Ребенок, одолевший пять классов нашей очень средней школы способен посчитать любые другие соотношения.

Однажды я делал публичный доклад, в процессе которого должен был показать эту картинку, но вышло так, что плашка из сотни штрихов совпала с пространственной частотой матрицы проектора, причем все черные линии совместились с паузами между пикселами, так что вся эта полоса совсем исчезла. Когда я несколько «сбил» положение картинки, эта же полоса стала черной. Попытки менять масштаб приводила к тому, что возникал чудовищный «муар», группирующий отдельные штрихи толстенными черными и белыми прямоугольниками. В конце концов, я нашел более-менее приемлемый масштаб, но моя борьба с техникой очень всех развеселила.

В прошлой лекции уже говорилось о том, что зоны нерезкости – асимметричны относительно точки (вернее сказать, плоскости, перпендикулярной оптической оси) идеальной фокусировки. (В каждом конкретном случае положение и протяженность этих зон с учетом величины кружка нерезкости несложно посчитать с помощью правил арифметики, исходя из формулы Ньютона.)

Чем дальше расположены объекты съемки в пространстве предметов, тем глубже в линейном масштабе зона резкости. Поэтому в фотографии было введено понятие гиперфокального расстояния. Существует даже формула его расчета. Привожу ее здесь, хотя и считаю, что сегодня она малополезна.

Gimage170 где

k ‑ знаменатель относительного отверстия (то есть значение диафрагмы),

d ‑ диаметр допустимого кружка нерезкости (в долях мм),

f ‑ фокусное расстояние объектива, мм.

Гиперфокальное расстояние выражает дистанцию от «∞» до некоторой удаленной дистанции, которая зависит от фокусного расстояния объектива. Из формулы видно, чем короче фокусное расстояние, тем ближе передняя граница резко-изображаемого пространства. Поэтому говорят, что у широкоугольников глубина резкости больше, чем у телеобъективов. А поскольку у цифровых фотоаппаратов кадр меньше, то и эквивалентные объективы более короткофокусны. Вследствие этой причины здесь подчас возникают проблемы, обратные тем, с которыми сталкивались фотографы раньше: глубина резкости оказывается слишком велика, так что выделить более важные детали за счет сужения резкого пространства не удается.

Однако все описанные выше (в том числе в прошлой лекции) свойства оптики остаются справедливыми. Ради доказательства этого обстоятельства приведу несколько «кукольных» фотографий.

image172

Здесь настройка резкости осуществлялась по стоящей посередине красной машинке, и хотя расстояние между автомобильчиками одинаково, видно, что дальний из них оказывается более резким, нежели ближний.

Для сравнения привожу два других варианта.

image174

image176

В верхнем, отфокусированном на ближнюю игрушку, нерезкость красного автомобильчика не так заметна, как в нижнем, где наводка на резкость делалась на дальнюю модель.

Названную особенность следует учитывать при съемке.

Настоятельно рекомендую не только обратить на это внимание, но и вернуться к предыдущей лекции. Особенно важно сие для тех, кто решил, что пятая лекция не содержит в себе ничего, кроме желания автора выпендриться перед читателем. На самом деле вся приводимая мной здесь информация важна с точки зрения сознательного формирования кадра. Если же кто-то решит, что главное ‑ побольше снимать, он обречен на случайность результата. Я же вижу свою задачу в том, чтобы человек с фотоаппаратом не восклицал: «Ух ты, что вышло!», а целенаправленно шел к реализации своего замысла. Забегая несколько вперед, позволю себе заявить: в художественном произведении на первый план выступает форма. Если пластика фотокартины неадекватна замыслу, проседает и теряется ее содержание. Мы еще будем говорить о композиции, но говорить о ней абстрактно – бессмысленное занятие. Всякое изображение (а тем паче фотография) формируется из подробностей и деталей, а неверно собранное изделие вряд ли окажется работоспособным.

Сознательное использование возможностей оптики является одной из граней фотографического творчества.

Ради подтверждения это немудреной мысли приведу здесь еще две чисто технические картинки, подтверждающие заявленный в предыдущей лекции постулат о том, как влияет на пластику фотоизображения выбор оптики.

image178

Эта картинка снята телеобъективом

image180

А эта – широкоугольником

И там и тут снято одно и тоже здание, но особое внимание обращаю на то, что и там и тут съемка осуществлена в одном и том же масштабе (возьмите линеечку и проверьте). Конечно, осуществить это можно только по отношению к какой-то одной детали. Строящееся здание, запечатленное широкоугольным объективом, «заваливается» (согласно законам перспективы) и выступает острым углом, так что дальние детали «убегают», заметно сокращаясь, в то время как на фотографии, снятой телеобъективом, все смотрится как бы в одном уплощенном плане. Привожу здесь эти фотографии ради того чтобы еще раз акцентировать обсуждаемые на этой лекции проблемы, связанные с разрешающей способностью и глубиной резкости.

Первое: когда мы касаемся разрешающей способности, то важно знать, что она непостоянна: в середине кадра разрешение выше, а на периферии – хуже. У всех объективов разрешающая способность от центра к краю снижается. Некоторое улучшение в плане выравнивания (и улучшения резкостной картины) имеет место при диафрагмировании. Как правило, лучшее разрешение достигается при значениях диафрагмы 8 – 11.

Что касается цифровых камер, в них разрешение константно абсолютно на всех участках, и в центре, и на периферии, поскольку оно обусловлено матрицей.

Но есть еще одно обстоятельство, о котором нигде ничего не говорится. Общеизвестно, что глубина резкости меняется в зависимости от фокусного расстояния (об этом упоминалось выше, когда речь шла о формуле гиперфокальной резкости). Так вот. Это справедливо применительно к шкале дистанций. При этом очевидно, что при зумировании в сторону уменьшения фокусного расстояния масштаб изображения уменьшается. Теперь – самое главное. 

Внимание! При соблюдении одинакового масштаба глубина резкости от фокусного расстояния не зависит. Проверьте сами. Или посчитайте, используя для этого приведенную в предыдущей лекции формулу Ньютона (специальных знаний это не потребует, вполне достаточно того, что проходят на уроках арифметики в нашей очень средней школе).

И еще одна подробность. Размытие уходящего в нерезкость изображения происходит в обе стороны от зоны резкости (это очевидно), но при этом (!) имеет место изменение масштабов. Те детали, которые находятся дальше, размываясь, увеличиваются, а приближающиеся – уменьшаются. Так что обычное перспективное изменение масштабов нарушается.

image182

Вот таким образом реализуется в фотографии «обратная перспектива», которую долгие столетия презирали художники академической школы, считая, что перспектива может быть только прямой, хотя в православной иконе обратная перспектива преобладает.

Совершенно иначе та же шахматная доска будет выглядеть, если сфотографировать ее сверхширокоугольником-отоскопом, то есть объективом, который не создает дисторсии, иными словами, будучи сверхширокоугольником, не является фиш-айем (опять вынужден сделать ссылку на материал предыдущей лекции).

Шахматистам приношу свои искренние извинения за самодеятельный уровень сочиненной «из головы» эндшпильной композиции. Как говорится в известном анекдоте: «Музыканты просят в оркестр не стрелять – играем, как можем». Но обратите внимание на глубину резкости.

image184

Надеюсь, что взглянув на эти две картинки, вы больше не захотите употреблять по отношению к оптике выражение, что телеобъектив приближает, а широкоугольник отдаляет. Мне важно, что бы почувствовали (и усвоили), влияние «сменной» оптики на пластику формообразования снимка.

И наступило время, когда уже невозможно больше тянуть с вопросом о реальной разрешающей способности фотоаппаратуры в абсолютных значениях, то есть, в линиях на миллиметр.

Применительно к пленочной малоформатной аппаратуре предельно допустимым кружком размытия считался 0,03ммчто соответствует 382 лин/мм. На мой взгляд, эта величина является только добрым пожеланием из протокола о намерениях, которое практически не выполняется. Редкие объективы подпускают к этому рубежу при съемке на пленку Микрат-300 ( и деликатной ее проявке), при диафрагмировании до 11, да и то лишь в центральной зоне кадра (и при съемке с тяжелого жесткого штатива). Так что, очень хорошо, если мы имеем по факту сотню линий на миллиметр. При увеличении изображения до формата А4 это будет на отпечатке что-то около 10 лин/мм.

Цифровая фотоаппаратура на такие победные цифры и не претендует. Большая часть современной любительской техники обеспечивает в целом кадре лишь около 12-16 миллионов пиксел. (Эта цифра приблизительна.) Мне думается, что в большинстве случаев нам достаточно было бы иметь 1,5 megapixel, а с учетом возможности некоторого кадрирования «ножницами» (то есть, отсекания излишки с краев) ‑ 2 mp. Недавно я побывал на одной профессиональной фотовыставке. Представленные там фотопортреты были исполнены с такой проработкой фактуры кожи на лицах, что в там легко обнаруживались мельчайшие пупырышки. Эстетическим достижением это мне не показалось.

Что же означает фактически наличие в матрице десятка с лишним мегапиксел? Мерить эту разрешающую способность в линиях на миллиметр здесь бессмысленно. Какая нам разница велики или малы при этом геометрические размеры матрицы. Поэтому я перевожу эти цифры на размер отпечатка. Если мы прикинем сколько это получится на формате А4, то окажется, что это – без малого 14 точек на миллиметр. По-моему, этого хватит за глаза и за уши.

Перед вами репортажно снятый портрет молящейся девочки-католички.

image186

Эта картинка «весит» меньше 40 Kb. Скажите, что в ней мешает увидеть суть изображенного? Даже такие детали, как ее прическа (где волосы не производят впечатления шапочки) и мохнатость шубки ‑ не вызывают сомнений. Но существенна здесь в первую очередь ее сосредоточенность. А она-то передается. Делайте выводы.

Наконец выскажусь насчет того, с чего начал: что максимальная резкость,

якобы, – предпочтительное свойство фотоизображения. На мой взгляд, неравномерное распределение резкого и нерезкого в кадре подчас может повысить выразительность снимка, особенно в тех сюжетах, где важный для нас объект настолько узнаваем, что показывать его в подробностях, нет надобности.

image188

Астигматизм – неодинаковая резкость в разных направлениях. Будучи дефектом, астигматизм, однако встречается довольно часто, в том числе и у человека. Так некоторые люди могут лучше различать вертикальные тонкие линии, или наоборот ‑ горизонтальные.


Открыть содержание курса