Teknik olarak, neden daha büyük bir diyafram kullanırken odak dışı alan neden daha bulanık?

Teknik olarak, neden daha büyük bir diyafram kullanırken odak dışı alanların neden ve nasıl daha fazla bulanıklaştığını merak ediyorum. Uzun zamandır beni deli eden bir problem çıkarırsam çok yardımcı olacağını düşünüyorum:

İnsan gözünün f sayısının çok parlak ışıkta yaklaşık f / 8.3 ila karanlıkta yaklaşık f / 2.1 arasında değiştiğini okudum. Ancak test ettiklerimden, daima aynı bulanıklığa sahip odak dışı alanları görüyorum.

Bu da bana sormamı sağladı: bu diyafram açıklığı nasıl çalışıyor, teknik açıdan neden bulanıklık yaratıyor ve gözler için de geçerli mi yoksa geldiğimiz kamera lenslerinde sadece bir "başarısızlık" mı var? beğenmek ve "düzeltmek" istemedi?

Cevabımdan diyafram ile ilgili daha önceki bir soruya değineceğim :

Açıklık çok küçük olduğunda, kabul edilen ışık, "tüm ışınlar birbirlerine güzel bir şekilde paraleldir" demenin süslü bir yolu olan yüksek oranda "çarpıştırılmıştır". Bu, gelen tüm ışık için net bir odaklanma sağlar. Açıklık daha açık olduğunda, yalnızca odak noktasına yakın olan ışınlar toplanır - bu, odaklandığınız şeyin keskin olduğu, ancak daha uzak veya daha yakın kısımlar olduğu anlamına gelir. sahnenin giderek daha bulanık olacaktır.

Temel olarak, diyafram ne kadar küçükse, ışık o kadar odaklanmaya sınırlandırılır. Daha büyük bir açıklık daha fazla ışığa izin verir, ancak “fiyat” daha az kontrol edilmesidir.

Wikimedia'dan aşağıdaki şema yardımcı olabilir:

Solda, geniş diyafram açıklığı yalnızca ortalanmış, odaklanmış ♡ kartla keskin bir şekilde sonuçlandı. Sağdaki daha dar açıklık, daha az toplanan ışığı odak dışı ♠ ve ♣ kartlardan dışlar ve böylece daha net bir görüntü elde edilir.

Şemadaki kırmızı / yeşil / mavi noktalı çizgilerin bir ışık ışınları konisinin dışını çizdiğini unutmayın. Soldaki daha geniş diyafram açıklığı ile yapılan görüntüde daha odaklı ışık da bulunur, ancak görüntü sensörü (veya filmi) hangisinin hangisi olduğunu söyleyemez, bu nedenle sonuç, ortaya çıkan ışınlar dışında daha fazla bulanıklaşır tam odak noktasında.

Bu kesinlikle insan gözünde de bir mercek olarak oluyor. Sanırım denemenizi kontrol etmek gerçekten zor, çünkü aslında yan yana karşılaştırmak için bir resim çekemiyorsunuz. Akşam ve öğlen arasındaki saatte - ya da yarım saatte bile, gözlerinizi karanlık bir odaya alıştırmak - götürür - orada ne kadar bulanıklaştığının mükemmel hafızasını kaybedersiniz. Bu, beyninizin gözlerdeki tüm kusurları düzeltmek için çok çalıştığı ve tüm dünyadaki zihinsel bir modeli mükemmel bir odaklanma içinde göstermesiyle daha da karmaşıklaşıyor. (İnsan görüş sisteminin beyin kısmı öyle yapar .)

Sadece bir noktaya bakmak çok zor; gözünüz bilinçaltı etrafında titrer ve merkezde gerçekten keskin olan birinden mükemmel bir görüntü oluşturur. Bu, başka bir büyük komplikasyon ekliyor - sadece göz merceği değil, çok sapmaları olan nispeten basit bir sistem değil, sensör düzensiz. Veya daha doğrusu, oldukça uzmanlaşmıştır. Merkezi alana fovea adı verilir ve bu sadece 1 mm çapındadır - ve en keskin kısım olan foveola , sadece 0,2 mm'dir . Gerçekten keskin görüşün geldiği yer burasıdır. Ancak bu bölge herhangi bir çubuk içermez (loş ışığa duyarlı hücreler), bu nedenle bu keskin alan loş ışıkta olduğunuzda hiç bir zaman karışmaz. Bu kamera sistemleriyle basit bir karşılaştırma yapmayı imkansız hale getirir.

Bunun da ötesinde, temel varsayımlarınızda başka bir kusur var - insan gözünün aynı miktarda hareket bulanıklığı gördüğü fikri, ışık miktarı ne olursa olsun. Aslında, giriş aslında zamanla bütünleşir ve düşük ışık seviyelerinde zaman miktarı artar . Ve “maruz kalma” aslında başka bir yolla kontrol edilir: karanlıkta hassasiyet artırılır - otomatik ISO değerinin etkili eşdeğeri.

Dolayısıyla, doğrudan soruya ulaşmak için: Optiğin doğası ve bu yüzden gözümüz için de geçerli. Fakat gözlerimiz kamera ve lenslerden farklı bir sistemdir. İnsan görme sistemi, basit bir lens, karmaşık bir sensör, çok karmaşık anlık işleme sonrası ve inanılmaz derecede karmaşık bir saklama ve geri alma sistemine sahiptir. Bir kamera genellikle sofistike bir lens, nispeten basit bir sensör matrisi ve nispeten basit bir post-işlem kullanır (hesaplamalı fotoğrafçılık kendi başına gelene kadar - Lytro'nun bu yıl veya bundan beş yıl sonra başarabilmesi için). Ve hafıza sistemi bit için mükemmeldir - en azından insan hafızası gibi değil.

Bu farkın "sevdiğimiz" bir şey olup olmadığı ve düzeltmek istemediği bir yorumlama meselesidir. Elbette, alan derinliği fikri toplum olarak sanatsal / görsel sözlüğümüzdedir; yüz yıl içinde bu şekilde kalacak olup olmadığı bir spekülasyon meselesidir. Tahminime göre teknoloji değişse bile evet .

Lytro'da kullanılana benzer farklı bir sensör tipine sahip bir kamera , gelen ışık ışınlarının yönünü kaydedebilir . Bu ek veriler, bu kameraların çok geniş bir diyafram açıklığında bile tamamen keskin bir görüntü oluşturmasını sağlar. Ancak, Lytro şirketinin sattığı şey bu değil: bunun yerine, onların hile, anında hesaplanan odak noktasını değiştirmek için tıklayabileceğiniz görüntüler. Hepsi değil bu rotayı seçtiler.

Geniş diyafram açıklığı neden arka planı daha fazla bulanıklaştırıyor?

Wikipedia figürü ile başlayalım:

Yukarıda açık geniş bir açıklığa sahibiz. Sadece 2. nokta odakta. 1 ve 3 numaralı noktalar net değil. Geniş diyafram açıklığı nedeniyle, onlardan merceğin farklı bölümlerinden gelen ışınlar, ekran 5'i (bir film veya dijital sensör) farklı noktalarda keser. Bu ışınların ekrandan önce (kırmızı) veya ötesinde (yeşil) bir nokta (kesişen) oluşturduğunu da söyleyebiliriz. Karşılık gelen ışık konileri, ekranla kesişir ve ekranda elips benzeri bir görüntü oluşturur. Daha geniş diyafram açıklığı, daha geniş bir ışık konisine izin verir (böylece daha fazla ışık toplamasına ve daha fazla bulanıklaştırmasına izin verir).

Etkili bir odak dışı nokta bir karışıklık çemberi oluşturur. Buna bulanıklık veya bokeh diyebiliriz.

Aşağıdaki küçük diyafram açıklığı için merkezden çok uzaktaki ışınlar kesilir, bu nedenle odak dışı nokta çemberi daha küçüktür.

Karışıklık çemberi, film taneciklerinden veya sensör alt pikselinden daha küçükse, odak noktasının hiç odaklanmadığını söyleyemeyiz ve o durumda olmasa bile odakta odak noktası belirir. Böylece sonlu açıklıkta, hepsinin odakta olduğu gibi görünen bir dizi mesafe vardır. Bu aralığın derinliği alan derinliği (DoF) olarak adlandırılır. Küçük diyaframlar için daha büyüktür.

Açıklık gerçekten çok küçükse, sadece merkezi ışınlar geçebilir ve ne olursa olsun sonsuz alan derinliğine sahibiz. Yakın veya uzaktaki her nokta, görüntüde bir nokta olarak gösterilir. Bu nasıl kamera iğne deliği çalışır. Ayarlanabilir diyafram aralarında herhangi bir şey olmasına izin verir.

Nasıl görünüyor

Küçük f / 32 diyafram açıklığında :

Daha büyük f / 5 diyafram açıklığında , odak dışı bir arka plan daha fazla harmanlanır:

(görüntüler yine Vikipedi'den alınmıştır)

Odaklanan konudan gelen ışık ışınları mercekten geçerken kırılmakta ve sensöre (film) çarpmaktadır. Tek bir noktadan çıkan ışınlar, merceğin açık dairesi olan tabanı olan bir koni oluşturur. Diyafram ne kadar büyük olursa, koni tabanı o kadar büyük olur. Daha sonra, ikincil bir koni oluşur ve ışınlar tekrar odak noktasında toplanır.

Objektiften farklı mesafedeki nesnelerden kaynaklanan ışınlar farklı uzunluklarda koniler oluşturur (yükseklikler, daha kesindir). Daha uzun koniler için (odaklanan nesnenin ötesindeki nesneler), ikincil koniler daha kısadır. Daha kısa koniler için (önündeki nesneler), ikincil koni daha uzundur. İkincil koninin uzunluğu, birincil koninin uzunluğu ile belirlenir.

Bu nedenle, odaklanmamış nesne üzerindeki bir noktadan gelen ışık sensöre yaklaştığında görüntü, tek bir noktadan ziyade küçük bir çemberdir (gerçekten bir elipsin fazlasıdır, ancak bunu ihmal etmemize izin verir).

Açıklık büyüdüğünde, iki külahın tabanı büyür ve dolayısıyla kafa açıları artar. Uzunluk değişmeden kaldığından, görüntü çemberi büyür. Bu nedenle açıklık daha geniş olduğunda daha fazla bulanıklık elde edersiniz.

Başvuru için ve yukarıdaki tüm mambo-jumbo'yu gerçekten açıklayan bir şematik için bu makaleyi okuyun .

Diğer cevaplar, bulanıklık efektini bazı objektif özellikleriyle yanlış ilişkilendirir. Görüntünün mercek tarafından nasıl oluştuğu veya hatta bir merceğin olduğu hakkında bir şey varsaymanız gerekmez.

Sahne sadece diyafram açıklığındaki farklı konumlardan biraz farklı görünüyor.

Resimde görebileceğiniz gibi, kırmızı nesneyi her açıklık noktası için aynı konumda tutmayı seçtiyseniz, yeşil nesnenin aynı konumda kalması mümkün değildir. Bu, bulanıklık yaratır, çünkü son görüntü tüm bu bireysel görünümleri birleştirir.

Bu, teorik olarak (ve kırınımı görmezden gelmek), her şeyin odakta olabileceği tek durumun, görüntüyü tek bir noktadan yaratan iğne deliği olduğu anlamına gelir. Gerçek hayatta, küçük ancak nokta gibi olmayan bir açıklık, kırınım ve artan ışık miktarı nedeniyle daha iyidir, ancak bu başka bir soru.

Konuyu daha da ileri götürerek, "kim" aslında neyin odaklandığını seçer?

Neden kırmızı olanı değil yeşil olanı? Geometri, yalnızca hem odakta olamayacağını hem de odaklanma miktarının açıklığa bağlı olduğunu belirler ve bu DOF etkisinin temel nedenidir.

Kesin görüntünün kısmi bakış açılarından nasıl birleştirildiği aslında? Bu "mavi kutu" cihaza bağlıdır. Gerçek hayatta, "mavi kutu" elbette ki mercek. Şimdiye kadar, odak dışı fenomenin lens özelliklerinden değil, geometriden ortaya çıktığını göstermek için görüntünün nasıl birleştirildiği hakkında hiçbir şey bilmiyormuş gibi davrandık .

Ancak lens olmak zorunda değildir. Bunun yerine, diyafram yüzeyine binlerce iğne deliği kaydedici yerleştirebilir ve binlerce ayrı resim elde edebiliriz. Sonra, sadece bu görüntüleri üst üste bindirerek aynı DOF efektini elde ederiz - tamamen açıklığa bağlı olarak. Ve merceğin aksine, daha sonra yeşil nesneyi sabit tutarken (kırmızı olanı açıkça bulanıklaştıracak) aynı görüntüleri farklı şekilde kaplayabiliriz.

Işık sensöre çarptığında, açıklık ile aynı şekli oluşturur ancak kaynak nesnenin odak düzleminden gerçek dünyaya olan uzaklığına bağlı olarak bir nokta oluşturur. Açıklık bir daire ise, bir daire alırsınız, açıklık kare ise bir kare alırsınız. Açıklık ne kadar büyükse, şekil o kadar büyüktür, bu nedenle komşu şekillerle daha fazla örtüşür ve size daha fazla bulanıklık verir.

Odak düzlemine yaklaştıkça, algılayıcıya yansıtılan şeklin boyutu o kadar küçük olur ki noktadan ayırt edilemez. Bu mesafeler eğer alan ise derinliği tanımlar.

Gözün tamamen aynı şekilde çalışıyor, ama beyin çılgınca bir işlem yaptığında gördüklerine güvenmiyorum! Her gözün ortasındaki ufak bir noktada sadece detay görüyorsunuz. Beyniniz sahneyi "taramak" için her bir gözü çok hızlı hareket ettirir ve siz hiç bilmeden hepsini birleştirir!

Şuna bu şekilde bak. Yeterince küçük bir açıklık ile, bir lense bile ihtiyacınız olmaz! Buna iğne deliği kamerası denir.

Objektif belirli bir mesafedeki nesneleri odaklar, çünkü ışığı bükerek çalışır.

Bir iğne deliği (en azından ideal olanı), mesafeden bağımsız olarak, ışığın noktalarını farklı açılardan filmdeki ilgili açılara eşleyerek çalışır. (Gerçek iğne delikleri sınırlamaları vardır. Çok küçük bir iğne deliği, kırınım nedeniyle ışığı saçar.)

Bir merceğin önündeki bir açıklık, iğne deliğinin özelliklerinden bazılarını getirir. Açıklığı ne kadar küçük yaparsanız, kameranızı o kadar verimli bir şekilde iğne deliği kamera haline getirirsiniz. Bu, geniş bir alan derinliği odağı avantajı ve ayrıca iğne deliğinin dezavantajlarından bazılarını da beraberinde getirir: daha az ışık toplama gücü, çok yüksek durdurma sayılarında kırınım artefaktları.

Bu teknik bir açıklama değil, deney. Aşağıdaki metin Ben Long'un kitabından kopyalandı. Tam dijital fotoğrafçılık:

Gözlüğe ihtiyaç duyacak kadar yakınsanız, bu kısa alan derinliği denemesini deneyin. Gözlüğünüzü çıkarın ve işaret parmağınızı baş parmağınıza yaslayın. Parmağınızı, parmağınızın eğrisinde küçük bir delik açacak kadar sıkı kıvırmanız gerekir. Gözlüğünüz olmadan delikten bakarsanız, muhtemelen her şeyin odakta olduğunu göreceksiniz . Bu delik çok küçük bir diyaframdır ve bu nedenle çok derin bir alan derinliği sağlar - aslında derin , vizyonunuzu düzeltebilecek kadar derin . Olumsuz tarafı, çok fazla ışığın geçmesine izin vermiyor, bu yüzden parlak gün ışığında olmadıkça, odakta olup olmadığını belirlemek için yeterince iyi bir şey göremeyebilirsiniz. Bir dahaki sefere, diyaframın alan derinliği ile olan ilişkisi konusunda kafanız karışırsa, bu testi hatırlayın

Bunu denedim ve gerçekten işe yarıyor. Senden 100 metre uzakta olan bir metne bakmaya çalış. Kısa görüşlü gözlük kullanıyorum.

Bulanıklık daha büyüktür, çünkü optik sistemin darbe tepkisi daha büyük bir açıklık kullanılarak ters şekilde değiştirilir. Bununla birlikte, eğer açıklık daha küçük yapılırsa (bazı lenslerde nominal olarak f / 11 veya f / 16), o zaman kırınım etkilerinden kaynaklanan bozulma daha baskın hale gelir. Bu yüzden ideal bir dürtü yanıtı ve bir lensin kırınım sınırlamaları arasında bir yerde olan optimal bir açıklık vardır.

Nokta yayma fonksiyonu, optik dürtü yanıt fonksiyonunun Fourier Dönüşümü olan optik transfer fonksiyonudur.

MTF (modülasyon transfer fonksiyonu), fazı görmezden gelmesi dışında OTF'ye benzer. Tutarlı olmayan fotoğrafçılık uygulamalarında oldukça benzer sayılabilirler.

Temel olarak, OTF, MTF, nokta yayılma fonksiyonu, optik sistemin yanıt verebilirliğini açıklar.

Bir lens geniş açıkken, ışığın yolu yolda daha fazla değişkenlik gösterir, böylece tam netleme noktasından uzakta, görüntünün bulanıklaşmasına neden olan daha büyük bir nokta yayma işlevine sahiptir.

Aşağıda son zamanlarda benzer bir soruya verdiğim bir cevap var. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

Alan derinliği HVS'yi (insan görsel sistemi) etkileyen faktörler algı olgusudur. Bu gerçekten "sakıncalı hale gelinceye kadar ne kadar bulanıklaştırabiliriz?" Oyunudur. Odaklanan sadece bir "düzlem" (genellikle gerçekten bir kürenin segmenti) vardır. Bu noktada, görüntüleme sistemi atmosferik ve lensin MTF (modülasyon transfer fonksiyonu) gibi kayıplara uygun olarak çalışır.

Bir nesne o düzlemden uzaklaştığı zaman, hemen "odak dışı" olur ve "kargaşaya çemberi" adı verilen bazı dairelerde (punto amaçlanmamış) olan ve büyüyen bir diski tanımlayan bir nokta yayma işlevi vardır.

Lensin orta kısımlarını kullanan daha küçük delikler, ışığın lens boyunca daha kısa (ve daha tutarlı) bir yol almasına neden olur. Bu, karışıklık çemberini (ve her zaman bir çemberi değil) tanımlayan nokta yayma işlevini azaltmaya yardımcı olur. Bir optik sistemin nokta yayma işlevi aynı zamanda dürtü yanıtı olarak da adlandırılır.

Elde edilen görüntü, hedef görüntünün evrişimi ve nokta yayılma fonksiyonudur. En azından tutarlı olmayan görüntüleme için. Böylece alan derinliği algısı f-stop ve fokus uzunluğu ile doğrusaldır.

Ne yazık ki, alan derinliği sınırlıdır ve çok küçük bir açıklık neredeyse sonsuz alan derinliği sağlamayacaktır, çünkü kırınım, açıklık küçüldükçe görüntünün bulanıklaştırılmasında daha büyük bir rol oynamaktadır.

Dolayısıyla, alan derinliği ile ilgili gerçekten olan şey, nesnelerin gerçekten odaklanmış düzlemde odaklanmadığı, ancak bulanıklığın önemsiz olduğu kabul edilir. Bunu şu şekilde düşünün: küçük bir fotoğraf net görünebilir, ancak 8x10 inç boyutunda bir fotoğraf olarak genişletildiyse, kabul edilemez derecede bulanık olabilir. gözlemci, optik sistem (atmosferik, lens, sensör / film ve oluşturma / baskı işlemi) ve algı perspektifi (görüntülenen görüntünün ne kadar büyük olduğu) göz önüne alındığında.

Pratik uygulamada, bir mercek üzerindeki hiper odak ayarı denilen bir küçük formatlı ekranda veya baskıda görüntülendiğinde bir sahnenin kabul edilebilir bir görüntüsünü verebilir, ancak genişletilmiş veya büyütüldüğünde olduğu gibi daha bulanık bir görünüm verir gerçeklik "alan derinliği" ile tamamen odaklanmamıştır.

Yorumlarınızı bekliyoruz ve belki de bu ortak soruyu ele almak için daha evrensel olması için her iki yanıtı da yeniden yazabilirim.