Základy fotografické optiky. Jana Dannhoferová Ústav informatiky PEF MZLU v Brně Digitální fotografie (DIF)

Transkript

1 Základy fotografické optiky Jana Dannhoferová Ústav informatiky PEF MZLU v Brně Digitální fotografie (DIF)

2 Co nás dnes čeká? objektiv a jeho základní parametry ohnisková vzdálenost obrazový úhel a formát obrazu crop factor druhy objektivů optické vady čoček objektivů pomůcky pro fotografování zblízka světelnost objektivu a clonové číslo hloubka ostrosti zaostřování hyperfokální vzdálenost rozptylový kroužek doostřování digitálně pořízených snímků

3 Optická soustava fotografických přístrojů = soubor optických prvků (čoček, hranolů, zrcadel, desek apod.), které jsou navzájem uspořádány tak, aby soustava plnila požadavky na ni kladené nejběžnějším prvkem ve fotografické optice je čočka má řadu optických vad (např. sférickou, barevnou atd.) kombinací různých čoček v jednom objektivu je možné tyto vady potlačit proto se kvalitní objektivy skládají ze soustavy čoček sdružených do skupin brousí se z různých druhů optického skla na přesně vypočítané poloměry zakřivení

4 Druhy čoček spojné čočky jsou tvořeny vypouklým diskem z leštěného skla, který ohýbá rozbíhavé světelné paprsky soustřeďují paprsky přicházející z nekonečna do jednoho bodu (ohnisko) jsou na okrajích tenčí než uprostřed rozptylné čočky rozptylují dopadající paprsky jsou na okrajích tlustší než uprostřed

5 Objektiv = soustava čoček, sloužící k zobrazení fotografovaného předmětu v rovině snímače (citlivé vrstvy fotografického filmu) parametry: ohnisková vzdálenost a obrazový úhel světelnost objektivu nejkratší zaostřovací vzdálenost počet prvků a skupin čoček typ uchycení (bajonet) rozměr a hmotnost

6 Stabilizátor obrazu pravidlo pro focení z ruky: udrží se přibližně převrácená hodnota ohniskové vzdálenosti stabilizátor dokáže částečně potlačit rozhýbání snímku vlivem chvění fotoaparátu nedokáže omezit rozostření vlivem pohybu chvění kompenzují speciální stabilizační čočky účinek se udává v jednotkách EV 1 EV (prodloužení času 2x) 2 EV (prodloužení času 4x) 3 EV (prodloužení času 8x)

7 Bajonet mechanické i elektronické propojení objektivu s tělem fotoaparátu

8 Ohnisko a ohnisková vzdálenost ohnisko je bod, kde se protínají všechny přímky prošlé čočkou ohnisková vzdálenost je vzdálenost ohniska od hlavní roviny (středu) čočky udává, jak daleko od objektivu musí být rovina filmu/snímače, aby se na něm všechny vzdálené předměty zobrazily ostře Ohnisková vzdálenost

9 Ohnisková vzdálenost udává se v milimetrech je rozhodující pro velikost zobrazení (u DSLR je nutné vynásobení tzv. crop factorem) moderní objektivy mají většinou k dispozici: výměnnou sadu objektivů s různými ohniskovými vzdálenostmi objektivy s proměnnou ohniskovou vzdáleností (tzv. transfokátory, zoomy) jaké ohnisko je považováno za normální?

10 Obrazový úhel obrazový (zorný, snímací) úhel je úhel, ve kterém je zachycena fotografovaná scéna obrazový úhel objektivu přímo závisí na ohniskové vzdálenosti (čím menší ohnisková vzdálenost, tím širší obrazový úhel) např. ohnisko 28 mm představuje obrazový úhel 74 Ohnisko 28 mm Obrazový úhel 74 Ohnisko 70 mm Obrazový úhel 34 Zdroj: Wikipedie Ohnisko 210 mm Obrazový úhel 10

11 Formát obrazu obrazový úhel fotografického přístroje je určen úhlopříčkou snímkového formátu (např. fotografie, pořízené z 35 mm filmu, jejíž rozměry jsou 24 x 36 mm je úhlopříčka 43 mm) čočky objektivu jsou kruhové, snímek je pravoúhlý a úhlopříčka odpovídá průměru kružnice

12 Ohnisková vzdálenost a formát obrazu ohnisková vzdálenost je vždy vztažena k úhlopříčce formátu obrazu! obrazový úhel objektivu je určen poměrem velikosti úhlopříčky obrazového formátu a ohniskové vzdálenosti objektivu ohnisková vzdálenost standardního objektivu je přibližně stejná jako velikost úhlopříčky formátu obrazu Ohnisková vzdálenost a formát obrazu

13 Ohnisková vzdálenost, obrazový úhel a hloubka ostrosti nejen obrazový úhel, ale také hloubka ostrosti závisí na ohniskové vzdálenosti objektivu čím má objektiv kratší ohniskovou vzdálenost, tím hlubší prostor zobrazí ostře (tím větší je zkreslení u krajů obrazu) Otázka: Proč se portréty fotí teleobjektivem? Ohnisková vzdálenost a obrazový úhel

14 Přepočet ohniskové vzdálenosti u digitálních přístrojů ohnisková vzdálenost je vztažena k úhlopříčce formátu obrazu u kinofilmu je formát vždy stejný u digitálních čipů není formát jednotný (zpravidla menší) digitální fotoaparát nevyužije vzhledem k menšímu snímači celý obrazový úhel objektivu a zachytí pouze poměrnou část promítnutého obrázku (výřez) relativní prodloužení ohniskové vzdálenosti (ve skutečnosti se mění zorný úhel a ne ohnisko) u digitálních přístrojů se velikost obrazového pole přepočítává na kinofilm koeficient přepočtu ohniskové vzdálenosti se nazývá crop faktor

15 Crop faktor crop faktor není vlastnost objektivu, ale důsledek nasazení objektivu na DSLR koeficient zvětšení: 1.5x 1.6x (násobek ohniskové vzdálenosti) má stejnou hodnotu jako poměr úhlopříčky filmu k úhlopříčce senzoru DSLR např. u objektivu s ohniskem 50 mm, který nasadíme na digitální zrcadlovku bude obrazový úhel pouze 30 (místo 46 ) crop faktor objektivů známých značek: 1.5 x (Nikon, Fuji, Pentax) 1.6 x (Canon) 1.7 x (Sigma)

16 Přepočet ohniskové vzdálenosti u digitálních přístrojů Příklad 1: čip má úhlopříčku 16 mm filmové políčko má úhlopříčku 43 mm čočka ohniskovou vzdáleností 50 mm 43 / 16 = 2.7, 2.7 x 50 mm = 135 mm Příklad 2: čip má úhlopříčku 10 mm použijeme 20 mm objektiv 43 / 10 = 4.3, 4.3 x 20 mm = 86 mm

17 Druhy objektivů: rybí oko (fisheye) ohnisková vzdálenost: 6 až 8 mm extrémně široký obrazový úhel: 180 až 220 funguje na principu jednoduché spojné čočky u okrajů obrazu dochází k optickým vadám čočky (silně zakřivuje všechny přímky vyjma těch, které procházejí středem) jas obrazu směrem od středu rychle slábne snímky vypadají velmi nepřirozeně

18 Druhy objektivů: širokoúhlé ohnisková vzdálenost: 18 až 35 mm obrazový úhel: 100 až 62 vhodné pro fotografování v těsných prostorách nebo v bezprostřední blízkosti objektu (architektura) zdůrazňují popředí a zvětšují blízké předměty vzhledem k těm vzdálenějším velká hloubka ostrosti (zaostřování na určitý předmět může být obtížné)

19 Druhy objektivů: standardní také normální nebo základní ohnisková vzdálenost: 50 mm obrazový úhel: 46 zobrazení prostoru a úhel záběru zhruba odpovídá vnímání prostoru lidským okem přirozená perspektiva snímků, největší světelnost ohnisková vzdálenost je přibližně rovna úhlopříčce formátu obrazu (cca 45 mm)

20 Druhy objektivů: dlouhoohniskové ohnisková vzdálenost: 85 až 300 mm obrazový úhel: 28 až 8 menší, lehčí, větší světelnost možné fotografování z ruky za přijatelných světelných podmínek větší hloubka ostrosti, méně stlačují perspektivu (čím je ohnisková vzdálenost delší, tím je efekt stlačení prostoru výraznější)

21 Druhy objektivů: teleobjektivy ohnisková vzdálenost: 400 až 1200 mm obrazový úhel: 6 až 2 přibližují a zvětšují velmi vzdálené a nedostupné předměty malá světelnost a hloubka ostrosti zkracují vzdálenost mezi předměty různě vzdálenými (dojem stlačení prostoru) těžké a velké (nebezpečí roztřesení kamery a neostrosti) délka teleobjektivu je výrazně kratší než jeho ohnisková vzdálenost

22 Změna ohniskové vzdálenosti použití sádkových objektivů objektiv, který lze rozebrat a jednostlivé části použít samostatně mění se přední člen použití zoomů (transfokátorů) plynulá změna ohniskové vzdálenosti mezi dvěma krajními hodnotami většinou bývají pevnou součástí přístrojů s průhledovým hledáčkem použití výměnných objektivů

23 Zoom větší konstrukční složitost a počet vzájemně pohyblivých součástí zoomy umožňují spojitou změnu ohniskové vzdálenosti pohybem ovládacího kroužku mění se poloha pohyblivého členu uvnitř objektivu (při tomto pohybu se nemění zaostření, zaostřený předmět zůstává stále ostrý)

24 Pevná skla nebo zoom? Proč pevná skla? kvalita kresby menší hloubka ostrosti menší bokeh světelnost (zkrácení expozičního času) zoomy: f/2.8, spíše f/3.5-f/4 pevná skla: až f/1.2 Proč zoom? rychlá změna ohniskové vzdálenosti

25 Shrnutí krátká ohnisková vzdálenost široký obrazový úhel (úhel záběru) umožňuje zobrazit větší část prostoru zvětšuje rozdíl mezi velikostí blízkých a vzdálených předmětů velká hloubka ostrosti někdy soudkovité sférické zkreslení dlouhá ohnisková vzdálenost úzký obrazový úhel, zvětšuje obraz malá hloubka ostrosti výrazný efekt stlačení prostoru a zploštění perspektivy někdy poduškovité sférické zkreslení

26 Optické vady čoček objektivů jednoduchá spojná čočka je zatížena všemi optickými vadami vady se většinou projeví jako rozostření v celé ploše nebo na okrajích vada chromatická okraj čočky působí jako hranol, který rozkládá bílé světlo na barevné složky různé barvy světla mají různou ohniskovou vzdálenost rozostření barev, fialová či zelená kontura na okrajích a přechodech mezi jasem a stínem achromatický objektiv (korekce pro 2 barvy) apochromatický objektiv (korekce pro 3 barvy) barevná vada roste s prodlužováním ohniskové vzdálenosti Jak ověřit barevnou vadu vašeho objektivu?

27 Optické vady čoček objektivů vada sférická paprsky se na okraji čočky lámou silněji než v blízkosti středu sférické zkreslení způsobuje deformaci přímek některé čočky zkreslují čtverec soudkovitě nebo poduškovitě

28 Optické vady objektivů vinětace projevuje se mírným ztmavením v okrajích výsledného snímku postihuje zejména širokoúhlé objektivy vyskytuje se také u dírkových komor

29 Optické vady objektivů bokeh snížení kvality v částech nacházejících se mimo rovinu ostrosti použití zrcadla prodlužuje dráhu světla v soustavě, neostré oblasti snímku se zobrazí do tvaru nepříjemného mezikruží vzhled a tvar tzv. rozptylových kroužků ovlivňuje celá řada faktorů (např. konstrukce objektivu, tvar a počet lamel clony, nastavené zaclonění atd.)

30 Optické vady objektivů difrakce difrakce = vlnění ohyb světla při průchodu clonou omezuje rozlišovací schopnosti optických soustav je důsledkem vlnové povahy světla k difrakci dochází na všech částech objektivu, které omezují chod paprsků (např. clonou) na difrakci nemá vliv kvalita objektivu a nelze ji jeho konstrukcí omezit světlo se rozptyluje a hrany pak září

31 Pomůcky pro fotografování zblízka reverzní kroužek umožňuje obrácené uchycení objektivu a jeho oddálení od snímače levné řešení předsádkové spojné čočky (makropředsádky) nasazují se na objektiv zkracují ohniskovou vzdálenost objektivu a tím umožňují zaostření na menší vzdálenost a přiblížení předmětu (vzdálenost mezi objektivem a čipem zůstává stejná) optická mohutnost se udává v dioptriích (převrácená hodnota dioptrií říká, na jakou vzdálenost v metrech bude možné zaostřit) při použití více čoček se jejich optické mohutnosti sčítají čím delší je ohnisková vzdálenost objektivu, tím účinnější je použití předsádkových čoček

32 Předsádkové čočky tisícinásobek převrácené hodnoty v mm Příklad 1: čočka o mohutnosti +1 dioptrie má ohniskovou vzdálenost 1000 mm (1 m) čočky o mohutnosti +1, +4 mají celkem +5 dioptrie (1/5 m, zaostření už na 20 cm) Příklad 2: čočka s ohniskovou vzdáleností 25 cm má optickou mohutnost 1000 / 250 = 4 dioptrie

33 Pomůcky pro fotografování zblízka sada mezikroužků vkládají se mezi objektiv a tělo přístroje (neobsahují optiku!) umožňují zaostření na kratší vzdálenost o stejnou hodnotu o jakou zvětší měřítko, tak zhorší kresbu výhoda: dostupná cena a použití s různými objektivy (nárůst zvětšení bude nejvýraznější u širokoúhlých objektivů a nejméně patrný u teleobjektivů) např. 12 mm, 20 mm, 36 mm nové_zvětšení = staré_zvětšení * (1 + délka_mezikroužku_mm / ohnisko_objektivu_mm) nevýhoda: úbytek světla (nutno prodloužit čas nebo snížit clonové číslo) násobení optických vad použitého objektivu pokles hloubky ostrosti

34 Pomůcky pro fotografování zblízka měchový rámec obdoba mezikroužků umožňuje plynulou změnu vzdálenosti mezi čipem a objektivem makroobjektivy nejkvalitnější výsledky (nejvyšší cena) dokonalé korekce zkreslení liší se ohniskovou vzdáleností, která určuje, při jaké vzdálenosti od objektu bude dosaženo maximálního měřítka 1:1 kratší makroobjektivy: větší zvětšení, musí být blízko delší makroobjektivy: menší zvětšení, nemusí být tak blízko v současnosti rozsah 50 až 200 mm (pevné ohnisko)

35 Další příslušenství k objektivům zadní a přední krytka sluneční clona konstrukce odpovídá zornému úhlu v rozích bývají vykrojeny (největší zorný úhel) telekonvertor určený pro prodloužení ohniskové vzdálenosti objektivu vkládá se mezi tělo fotoaparátu a objektiv nejlépe pracují s ohnisky mm nevýhoda: výrazná ztráta světelnosti, horší kresba filtry (samostatná přednáška) držák na stativ (u teleobjektivů) blesky (u teleobjektivů) makroblesky (uchycují se na přední část objektivu) kruhový blesk (kolem celé přední čočky objektivu)

36 Světelnost objektivu maximální schopnost objektivu propouštět světlo (minimální hodnota clonového čísla) čím větší otvor má objektiv, tím bude: vyšší světelnost kratší čas expozice méně světla se ztrácet při průchovu objektivem ohnisková vzdálenost / nejnižší clonové číslo = největší průměr otvoru clony největší světelnost udávána při zaostření na nekonečno světelné objektivy mají větší průměry, jsou mohutnější, výrobně náročnější a dražší

37 Proč je světelnost objektivu tak důležitá? světelný objektiv umožní dopravit na senzor více světla a tím zkrátit čas expozice i za špatných světelných podmínek clona je jediný parametr, který určuje hloubku ostrosti snímku bez vlivu na jeho kompozici každá DSLR se světelným objektivem ostří za špatných světelných podmínek lépe než s objektivem s nízkou světelností obraz v hledáčku bude se světelným objektivem mnohem jasnější snížení clonového čísla o 2 EV (např. z 5.6 na 2.8) zvýší množství světla 4x to umožní 4-násobné zkrácení expozičního času!

38 Clonové číslo poměr mezi ohniskovou vzdáleností objektivu a průměrem vstupního otvoru clony čím menší clonové číslo, tím větší otevření clony (a naopak) zdvojnásobením průměru clony se zečtyřnásobí množství světla plocha roste s druhou mocninou průměru clony plocha, kterou prochází světlo = 3.14 * r^2 chceme-li zdvojnásobit expozici, musíme otevřít clonu nikoliv 2x, ale 1.4x (což odpovídá 2) stupnice clonových čísel proto nejsou jen násobky dvou při zvětšování ohniska světla ubývá s druhou mocninou, protože plocha roste také s druhou mocninou

39 Clonové číslo Příklad: 300 mm objektiv při clonovém čísle 4 musí nastavit průměr clony na 75 mm 20 mm objektiv při clonovém čísle 4 musí nastavit průměr clony na 5 mm 1.0, 1.4, 2.0, 2.8, 4.0, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, (otevřená clona zavřená clona) odstraníme-li clonou okrajové paprsky, pak některé optické vady úplně zmizí

40 Hloubka ostrosti veličina, která určuje pole zaostřeného obrazu z technického hlediska jsou dokonale ostré pouze objekty v rovině zaostření, sebemenší odchylka již způsobuje rozostření hloubka ostrosti je rozsah vzdáleností (od senzoru k objektu), uvnitř kterých jsou objekty přijatelně ostré nejde o technickou veličinu, ale pouze o dohodu, co lze ještě považovat za ostré čím je objekt dále rovině zaostření, tím jeho rozostření stoupá

41 Hloubka ostrosti Co ovlivňuje hloubku ostrosti? clonové číslo (čím menší clonové číslo, tím menší hloubka ostrosti) ohnisková vzdálenost objektivu (čím menší ohnisková vzdálenost, tím větší hloubka ostrosti) vzdálenost od objektu (čím menší je vzdálenost od objektu, tím menší hloubka ostrosti)

42 Hloubka ostrosti Příklad s clonovým číslem: rozsah clonových čísel objektivu je 2.8 až 16 (při cloně f/2.8 je hloubka ostrosti minimální a při cloně f/16 je hloubka ostrosti maximální) při fotografování blízkých předmětů zvýšení clony z f/2.8 na f/5.6 (tedy o 2 EV) zdvojnásobí hloubku ostrosti

43 Hloubka ostrosti minimální hloubka ostrosti nejnižší clonové číslo dlouhá ohnisková vzdálenost minimální ostřící vzdálenost maximální hloubka ostrosti nejvyšší clonové číslo krátká ohnisková vzdálenost maximální ostřící vzdálenost (na )

44 Hloubka ostrosti u SLR a DSLR (příklady) Příklad 1: Fotíme objekt stejným objektivem a ze stejné vzdálenosti, jednou 35mm SLR a podruhé DSLR. Jaký to bude mít dopad na výsledné obrázky a jaký na hloubku ostrosti? Příklad 2: Fotíme objekt stejným objektivem, jednou 35 mm SLR a podruhé DSLR. U SLR bude objekt focen z menší vzdálenosti tak, abyste v hledáčku viděli u obou fotoaparátů to samé. Jaká bude hloubka ostrosti u výsledních snímků?

45 Zaostřování zaostřit znamená zvolit rovinu zaostření, která je rovnoběžná se senzorem, vše co prochází touto rovinou je ostré, vše před a za ní bude neostré minimální zaostřovací vzdálenost jak blízko může objekt být, aby objektiv ještě dokázal zaostřit

46 Zaostřování ohnisková vzdálenost je udávána pro zaostření na předmět ležící z optického hlediska v nekonečnu (je-li objektiv nastaven na nekonečno, rovná se jeho vzdálenost od roviny snímače právě ohniskové vzdálenosti) paprsky odražené od jednoho či více velmi blízkých bodů fotografovaného objektu se pomocí optiky protnou v rovině snímače otáčením zaostřovacím kroužkem objektivu dochází k posunu roviny ostrosti leží-li předmět blíže, protínají se paprsky až za ohniskovou rovinou a proto musí být objektiv vysunut směrem k předmětu (dále od roviny snímače)

47 Hyperfokální vzdálenost nejmenší vzdálenost, na kterou když při dané cloně zaostříme, tak objekty v nekonečnu budou stále ještě ostré přední hranice pásma ostrosti se v tomto případě nachází v polovině hyperfokální vzdálenosti, tj. v polovině mezi fotoaparátem a místem, kam je zaostřeno Příklad: hyperfokální vzdálenost 4 m znamená, že od 4 m do nekonečna bude obraz přijatelně ostrý přední hranice pásma ostrosti se bude nacházet ve 2 m (4 m / 2 = 2 m)

48 Hyperfokální vzdálenost Jak zjistit hyperfokální vzdálenost pro konkrétní objektiv? H = f 2 / N / c H hyperfokální vzdálenost f ohnisková vzdálenost objektivu N clonové číslo c kruh rozostření (DSLR mají c = 0.02, 35mm film má c = 0.03) Kalkulátor hloubky ostrosti: ( Kalkulátor hyperfokální vzdálenosti: (

49 Hyperfokální tabulka kombinace ohniskových vzdáleností a clony většinou dodávaná výrobci fotoaparátů a objektivů (jak nastavit zaostření fotoaparátu, abychom získali co největší hloubku ostrosti?)

50 Rozptylový kroužek předměty v rovině ostrosti se jeví jako ostré (světelný bod v rovině zaostření se na senzoru opět zobrazí jako bod a v důsledku toho se hrany zobrazí jako hrany) při nesprávném zaostření se světelný bod zobrazí na senzoru jako rozostřený kruh o určitém průměru (hrany se pak zobrazí jako plynulé přechody) průměr tohoto kruhu pak udává velikost rozostření jedná se o povolenou hodnotu rozostření na senzoru, která na výsledné fotografii nebude viditelná (nesmí přesáhnout 0,25 mm)

51 Doostřování digitálně pořízených fotografií doostření = zvýšení kontrastu existujících hran Proč je potřeba doostřovat digitální fotografie? digitální záznam je diskrétní nemůže být zaznamenán detail menší než 1 pixel současné senzory jsou konstruovány pomocí tzv. Bayerovy masky obrazový procesor snad každého fotoaparátu doostřuje doostřování kompakty vs. DSLR

52 Závěry 1. Za špatnou ostrostí snímku jen málokdy stojí objektiv! 2. Každý, byť sebelepší a sebedražší objektiv, není zcela zbaven optických vad! 3. Ikdyž objevíte barevnou vadu v rohu snímku, nezoufejte, většinou si ji nikdo nevšimne! 4. Nenechte se oklamat zdánlivou ostrostí snímků pořízených z digitálních kompaktů! 5. Nesvádějme naše neúspěchy na techniku!

53 Děkuji za pozornost