ГРИП и её природа

Новиков М.Г.
22.09.2008

Содержание

Вступление

Люди, имеющие довольно отдалённое представление о фотоделе, из соображений престижа или в погоне за качеством фотографии переходящие с компактных цифровых фотоаппаратов на зеркальные, встречаются с очень неприятным для них фактом — их зеркальный аппарат может навести резкость только на объект съёмки, а фон, находящийся на некотором удалении, обычно получается нерезким (не в фокусе), тогда как на «цифрокомпактах» резкой была вся картинка. Почему же так получается?

Дело тут не в «зеркальности» фотоаппарата, а в том, что в такие аппараты обычно ставят более крупную матрицу (матрица — аналог плёнки в плёночных фотоаппаратах) и соответствующий ей объектив с более длинным фокусным расстоянием (о фокусном расстоянии мы узнаем далее). Размер матрицы в зеркальных фотоаппаратах приближается, а в некоторых профессиональных моделях равен размеру кадра плёнки (36x24 мм). Объективы у них тоже соответственно больше. Поэтому и резкость в таком аппарате имеет то же самое поведение, что и в обычных плёночных фотоаппаратах. Там тоже резким зачастую получается только объект съёмки и считанные метры до него и после.

Расстояние от передней до задней границы резкости называется глубиной резкости изображаемого пространства (ГРИП). О природе самой ГРИП, а также о причинах разной ГРИП у фотоаппаратов с матрицами разного размера и с соответствующими им объективами, имеющими разное фокусное расстояние, мы поговорим позже, а пока давайте разберёмся, плюс это или минус — малая ГРИП?

С точки зрения обычной фиксации событий (то есть для большинства людей, не связанных с фотоделом) это, безусловно, минус. Любой фрагмент нерезкости оценивается ими как брак. Однако при профессиональной съёмке ГРИП превращается в мощнейший инструмент акцентирования внимания на объекте съёмки, или же для придания фотографии объёма. Кроме того, если уж хочется получить всю картинку резкой, ГРИП на зеркальном фотоаппарате можно увеличить практически до уровня «цифрокомпакта», просто сильно прикрыв диафрагму.

Итак, давайте исследуем природу ГРИП.

[Вернуться в начало]

Глубина резкости изображаемого пространства

Из моей статьи об объективе мы знаем, что теоретически на фокальной плоскости (плоскости сопряжённого фокуса, то есть там, где формируется сфокусированное изображение объекта) могут быть сфокусированы только те точки объекта, которые находятся на одинаковом от объектива расстоянии. Если какая-либо точка будет ближе или дальше этого расстояния, то она сфокусируется перед матрицей, расположенной в фокальной плоскости, или попытается сфокусироваться за ней. В результате, на матрице отобразится уже не точка, а небольшое пятнышко:

На схеме показаны три точки слева от линзы (зелёная, жёлтая и красная), и их сфокусированные отображения справа от линзы. В фокальной плоскости изображения зелёной и красной точек будут размазаны в пятна.

Поскольку таких точек, как изображённые слева зелёная или красная, бесконечно много даже на маленьком фрагменте кадра, находящимся вне основного расстояния, эти пятна налезают друг на друга, что в итоге создаёт ощущение размытости фотографии. Количество точек бесконечно, потому что на самом деле нет отдельных точек (это условность, модель), а есть лишь общий световой фронт, идущий от предмета, поверхность которого состоит из бесконечного числа точек. Но для упрощения понимания материала можно рассматривать отдельные точки предмета, что мы и делаем.

На практике человеческий глаз даже с расстояния наилучшего зрения (25—30 см) не в состоянии определить размеры точки, если её диаметр менее 0,1 мм. То есть, если на готовой фотографии пятна не будут превышать 0,1 мм, то такая фотография будет казаться нам абсолютно резкой.

Эта особенность человеческого глаза даёт нам некоторый запас на размер пятна, зависящий от итогового размера готовой фотографии (чем сильнее будет увеличена фотография, тем, естественно, меньше должно быть пятно) ну и, конечно, от размера матрицы фотоаппарата (чем меньше матрица, тем пятно также должно быть меньше, пропорционально её размеру).

Теперь сформулируем определение ГРИП: диапазон расстояний реального мира, точки с которых образуют на матрице пятна, не превышающие допустимых размеров, называется глубиной резкости изображаемого пространства (ГРИП). Допустимый размер в каждом конкретном случае будет свой, и будет зависеть от размера матрицы, от размера итоговой фотографии и от расстояния, с которого на эту фотографию будут впоследствии смотреть. Другими словами, глубиной резкости изображаемого пространства называется расстояние от передней до задней границы зоны кажущейся резкости.

Из этих определений явствует, что понятие глубины резкости довольно условно, и она в сильной степени зависит от того, как мы в дальнейшем собираемся использовать отснятое изображение.

Теперь давайте исследуем распределение глубины резкости вокруг объекта, поскольку оно неравномерно. Если мы внимательно посмотрим на предыдущую схему, то заметим, что при одинаковом размере пятна нерезкости ab, две порождающие его крайние точки находятся на разном расстоянии от центра фокусировки. Дальняя (зелёная) точка A объекта съёмки располагается гораздо дальше от жёлтой точки B, на которую наведён фокус, чем ближняя (красная) C. То есть AB > BC. Вы можете повторить построение с более высокой точностью на миллиметровой бумаге и с использованием (упомянутой в первой главе моей статьи об объективе) формулы тонкой линзы (1/S + 1/f = 1/F), чтобы убедиться, что это действительно так. Именно по таким законам оптики линза фокусирует свет, падающий с разных расстояний.

Кстати, всё это можно увидеть и графически: очевидно, что чем дальше от объектива фотографируемая точка, тем меньше её отдаление влияет на угол попадающих от неё в объектив лучей. А значит, тем меньше её фокус отклоняется от фокальной плоскости, что позволяет отдалить её существенно больше, нежели приблизить.

В результате, распределение глубины резкости вокруг объекта будет следующим: приблизительно две трети резко отображаемого пространства находится позади объекта, и одна треть — спереди. Этот факт надо учитывать при фотосъёмке.

[Вернуться в начало]

Параметры, влияющие на ГРИП

На ГРИП влияет два фактора, каждый из которых мы сейчас рассмотрим.

1. Диафрагма (регулирует рабочий диаметр линзы). Представляет собой мембрану с отверстием переменного диаметра, находящуюся рядом с линзой. Чем сильнее закрыта диафрагма (меньше отверстие), тем больше ГРИП.

Причину такой зависимости легко понять из приведённого ниже рисунка:

Лучи от точки, лежащей вне зоны фокусировки, которым удалось пройти сквозь линзу (отмечены зелёным цветом), при фокусировании создают более острый конус, и отображаются на матрице в виде пятна меньшего размера, чем это получилось бы у лучей, отмеченных жёлтым цветом, если бы не было диафрагмы. В результате итоговое изображение оказывается более резким.

В то же время, очевидно, что при уменьшении диафрагмы уменьшается и количество попадающего на матрицу света (часть лучей отсекается диафрагмой), поэтому, уменьшая диафрагму, надо пропорционально увеличивать выдержку или чувствительность матрицы.

2. Геометрический размер матрицы и фокусного расстояния объектива. Каждый из этих параметров в отдельности не влияет на ГРИП, но при одновременном их изменении ГРИП меняется. Это заметно при сравнении ГРИП карманных «цифрокомпактов» и больших зеркальных аппаратов. ГРИП у «цифрокомпактов» будет больше из-за более маленькой матрицы и соответственно уменьшенного фокусного расстояния объектива. В следующей главе мы подробно исследуем причины этого явления.

[Вернуться в начало]

ГРИП и размер матрицы

До сих пор не утихают жаркие споры по поводу влияния размера матрицы на ГРИП, хотя вместо того, чтобы спорить, достаточно вооружиться формулой тонкой линзы, линейкой и миллиметровкой и выполнить небольшие построения.

Итак, сначала вспомним формулу тонкой линзы, и выведем из неё формулу расчёта расстояния от линзы до матрицы:

1/S + 1/f = 1/F,

где S — расстояние от линзы до объекта;
f — расстояние от линзы до сопряжённого фокуса;
F — главное фокусное расстояние линзы.

Отсюда:

f = 1 / (1/F − 1/S) = (F*S) / (S−F)

Теперь нам нужно произвести расчёты для двух фотоаппаратов, имеющих разные матрицы, и сравнить результаты.

Для наглядности возьмём фотоаппарат Canon EOS 50D с его матрицей 14,9 мм высотой и объективом с фокусным расстоянием 31 мм, и условный фотоаппарат с матрицей вдвое меньшей высоты 7,45 мм и соответствующим ей объективом с вдвое меньшим фокусным расстоянием 15,5 мм. Пусть на объективах будет выставлена одинаковая диафрагма, например, 2,8 и расстояние до фотографируемого объекта равняется, например, трём фокусным расстояниям аппарата EOS 50D, то есть 31 * 3 = 93 мм. Именно три фокусных расстояния до объекта взято мной для того, чтобы с одной стороны ограничить схему по размеру, а с другой стороны избежать особого режима «макро» (два фокусных расстояния).

Упомянутые объективы и матрицы дадут почти один и тот же кадр, глубину резкости которого нам и нужно будет сравнить:

Небольшое замечание по вышеприведённой схеме. Внимательный читатель заметит слово «почти» в предыдущем абзаце и увидит, что изображение на большой матрице получилось чуть больше её размера. Так вышло потому, что эта система находится в состоянии, близком к «макро», где большая величина углов падения лучей на линзу вынуждает фокальную плоскость нелинейно отдалиться, вследствие чего масштаб изображения на ней слегка увеличится. При отдалённых от «макро» режимах разница в углах становится несущественной, и этот эффект практически сходит к нулю. Поэтому не будем обращать на него внимания, у нас сейчас другая задача.

Итак:

1. Используя выведенную в начале этой главы формулу, посчитаем расстояние от линзы до матрицы у первого объектива, если он сфокусирован на 93 мм, а потом, если он сфокусирован на 10 мм дальше (т.е. на 103 мм). Затем вычислим разность подсчитанных расстояний от линзы до матрицы, то есть посмотрим, на сколько сдвигается точка сопряжённого фокуса, если мы фокусируемся на 10 мм дальше. Те же самые значения посчитаем и для второго объектива.

2. Посмотрим, насколько больше или меньше сдвигается точка сопряжённого фокуса во время фокусировки на 10 мм дальше при использовании разных аппаратов.

3. Повторим всё описанное 4 раза для разных расстояний до объекта, увеличивая их каждый раз на порядок. Тем самым мы проверим поведение ГРИП на довольно большом диапазоне расстояний.

Для удобства выполним все вычисления в Excel:


Проанализировав результаты, мы увидим, что при увеличении фокусного расстояния объектива и диагонали матрицы в 2 раза, сопряженный фокус при изменении расстояний до объекта на фиксированную величину сдвигается в 4 раза сильнее, чем на прежнем фокусном расстоянии и малой матрице, а при расстояниях до объекта, близких к «макро», даже в 6 и более раз. То есть, пятно нерезкости у системы с большой матрицей при одинаковом изменении расстояния до объекта получается минимум в 4 раза больше, чем у системы с маленькой.

Поскольку диагональ большой матрицы в 2 раза больше, чем маленькой, то и диаметр пятна на большой матрице допускается в 2 раза больший. А он (диаметр пятна) больше в 4 раза, что и накладывает в 2 раза более жёсткие требования к дистанции до объекта, то есть на ГРИП.

Таким образом, мы выяснили, что ГРИП у аппаратов с более крупной матрицей меньше, чем у «цифрокомпактов». Впрочем, то же самое можно было понять и без расчётов, просто внимательно посмотрев на схему. Ведь чем дальше находится объект, тем более параллельно оптической оси идут крайние, попадающие в объектив, идущие от него лучи. Тем на меньший угол они отклоняются при фиксированном изменении расстояния до него. А значит, тем меньше сдвижка сопряжённого фокуса относительно матрицы.

В случае же системы с малой матрицей мы получаем те же углы лучей, что и на системе с большой матрицей при более далёких расстояниях до объекта (а на более далёких расстояниях ГРИП больше). ГРИП на системе с малой матрицей, фокусирующейся на более близких объектах, соответствует ГРИПу на системе с большой матрицей, фокусирующейся на пропорционально более далёких объектах. Так что всё дело в волшебных пузырьках углах падения и преломления лучей.

Общий вывод: на ГРИП влияет одновременное пропорциональное уменьшение диагонали матрицы и фокусного расстояния объектива. В отдельности же эти два параметра на ГРИП не влияют, поскольку их отдельное изменение влечёт за собой изменение компоновки кадра, что делает сравнение ГРИП у таких кадров бессмысленным.

Кстати, замечу, что хотя фокусное расстояние само по себе не влияет на ГРИП, оно тем не менее влияет на размытость фона вследствии других факторов, к ГРИП не имеющих никакого отношения. Так, более длиннофокусные (другими словами узкоугольные) объективы размывают фон сильнее короткофокусных (широкоугольных), что и провоцирует многих фотографов приписывать этот эффект к ГРИП, хотя он имеет совсем другую природу.

Рекомендуемые статьи других авторов по теме: http://afanas.ru/video/photo.htm

[Вернуться в начало]