Технічно, чому область поза фокусом більше розмита при використанні більшої діафрагми?

Мені цікаво технічно, чому і як сильніше розмиваються ділянки поза фокусом при використанні більшої діафрагми. Я думаю, що це б дуже допомогло, якби я представив проблему, яка давно мене зводить нанівець:

Я читав, що f-число людського ока коливається від приблизно f / 8,3 при дуже яскравому світлі до приблизно f / 2,1 в темряві. Але з того, що я тестував, я завжди бачу зони поза фокусом з однаковою кількістю розмитості.

Що змушує мене запитати: як працює ця діафрагма, чому вона створює розмиття з технічної точки зору, і чи стосується вона також очей, чи це просто "збій" в об'єктивах камери, які ми прийшли? подобатися і ніколи не хотілося «виправляти»?

Я збираюся розповісти про свою відповідь на попереднє запитання про діафрагму :

Коли діафрагма дуже мала, пропускається світло сильно "коліматується", що є фантазійним способом сказати "всі промені добре паралельні один одному". Це призводить до різкого фокусування всього світла, яке надходить. Коли діафрагма більш відкрита, коліматуються лише промені, які тісно відповідають точці фокусування - це означає, що все, на що ви зосереджувались, є гострим, але далі чи ближчі частини сцени будуть дедалі розмитішими.

В основному, чим менша діафрагма, тим більше фокус у фокусі. Більша діафрагма дає більше світла, але "ціна" полягає в тому, що вона менш керована.

Наступна схема Вікімедії може допомогти:

Ліворуч широка діафрагма призводить до того, що різко відображена лише центральна, зосереджена ♡ карта. Більш вузька діафрагма праворуч виключає менш колімаційне світло з нефокусованих ♠ і ♣ карт, що призводить до отримання чіткішого зображення в цілому.

Пам'ятайте, червоні / зелені / сині пунктирні лінії на діаграмі простежують зовні конус світлових променів. Більш сфокусований світло також включений у зображення, зроблене з ширшою діафрагмою зліва, але датчик зображення (або плівка) не може визначити, що було, тому результат більше розмитий, за винятком променів, які трапляються саме у вогнищі.

Це неодмінно трапляється і з людським оком як лінзою. Я думаю, що просто контролювати свій експеримент дуже важко, оскільки ви насправді не можете створити зображення для порівняння. У час між вечором та полуднем - а то й за півгодини, коли очі потрібно акліматизуватися до темної кімнати - ви втрачаєте ідеальну пам’ять про те, скільки там було розмиття. Це ще більше ускладнюється тим, що ваш мозок дуже наполегливо працює над тим, щоб виправити всі дефекти очей і представити ментальну модель всього світу в ідеальному фокусі. (Це те , що частина мозку системи бачення людського робить .)

Дуже важко дивитись лише на одне місце; ваше око мерехтить підсвідомо, і створює ідеальне зображення з того, яке насправді лише різке по центру. Це додає ще одне величезне ускладнення - не тільки кришталик ока порівняно проста система з великою кількістю аберацій, датчик нерегулярний. А точніше - вузькоспеціалізована. Центральну область називають фовеєю , і це діаметром лише близько 1 мм - а сама гостра частина - фовеола - лише 0,2 мм. Ось звідки походить справді різкий зір. Але ця область не містить стрижнів (комірок, чутливих до тьмяного світла), тому ця гостра область взагалі не задіяна, коли ви знаходитесь у слабкому світлі. Це робить просте порівняння з системами камер в принципі неможливим.

Крім цього, у ваших основних припущеннях є ще один недолік - думка про те, що людське око бачить однакову кількість розмитості руху, незалежно від кількості світла. Насправді вхід фактично інтегрований з часом, а кількість часу збільшується при меншому рівні освітлення . І «експозиція» насправді контролюється іншим способом: чутливість підвищується в темряві - ефективний еквівалент авто-ISO.

Отже, щоб перейти до прямого питання: це природа оптики, і тому це стосується і наших очей. Але наші очі - це система іншого типу, ніж камера та об'єктив. Система зору людини має просту лінзу, складний датчик, дуже складну миттєву післяобробку та неймовірно складну систему зберігання та пошуку. Камера, як правило, використовує складний об'єктив, порівняно просту матрицю сенсорів і порівняно просту післяобробку (поки обчислювальна фотографія не стане власною - чи вдасться Літро в цьому році чи хтось ще п’ять років). А система пам’яті біт-на-біт ідеальна - як мінімум не схожа на людську пам’ять.

Чи є ця різниця тим, що нам "подобається", і ми не хочемо їх виправляти - це питання тлумачення. Безумовно, ідея глибини різкості є в нашій художній / візуальній лексиці як суспільстві; чи залишиться так через сто років - це питання спекуляцій. Думаю, так , навіть коли змінюються технології.

Камера з іншим типом датчиків, як, наприклад, у Lytro, може насправді записувати напрямок вхідних променів світла. Ці додаткові дані дозволяють цим камерам створювати цілком чіткі зображення навіть при дуже великій діафрагмі. Але це не так, як продає компанія Lytro: натомість їх трюк - це зображення, де можна натиснути, щоб змінити обчислену точку фокусування на льоту. Щоб вони обрали цей маршрут, а не все-

Чому широка діафрагма більше розмиває фон

Дозвольте розпочати з фігури Вікіпедії:

Зверху маємо широку відкриту діафрагму. У фокусі лише точка 2. Точки 1 і 3 не в центрі уваги. Завдяки широкій діафрагмі промені, що надходять від них через різні частини об'єктива, перетинають екран 5 (плівку або цифровий датчик) у різних точках. Ми також можемо сказати, що ці промені утворюють точку (перетинаються) перед (червоним) або за межами (зеленим) екраном. Відповідні конуси світла перетинаються з екраном і утворюють еліпсоподібне зображення на екрані. Ширша діафрагма дозволяє отримати ширший конус світла (тому він дозволяє збирати більше світла і більше розмивається).

Ефективно, точка зосередження уваги створює коло плутанини. Це те, що ми можемо назвати розмиттям або боке.

Для меншої діафрагми внизу проміння занадто далеко від центру обрізаються, тому коло точки поза фокусом менше.

Якщо коло плутанини менше, ніж плівкове зерно чи сенсорний субпіксель, ми не можемо визначити, чи він взагалі поза фокусом, і тоді точка з’являється як у фокусі, навіть якщо його немає. Таким чином, з кінцевою діафрагмою існує діапазон відстаней, який виглядає як у фокусі. Глибину цього діапазону називають глибиною різкості (DoF). Він більший для менших отворів.

Якщо діафрагма дійсно, насправді невелика, то можуть проходити лише центральні промені, і ми маємо нескінченну глибину різкості незалежно від того. Кожна точка, близька чи далека, зображена як точка на зображенні. Ось як працює дверна камера . Регульована діафрагма дозволяє мати щось середнє.

Як це виглядає

При меншій діафрагмі f / 32 :

При більшій діафрагмі f / 5 фон поза фокусом більше затьмарений:

(зображення знову з Вікіпедії)

Світлові промені, що надходять від зосередженого предмета, заломлюються при проходженні крізь лінзу та потраплянні на датчик (плівку). Промені, що походять від однієї точки, утворюють конус, основою якого є відкрите коло в лінзі. Чим більша діафрагма, тим більша основа конуса. Потім утворюється вторинний конус і промені знову зустрічаються у вогнищі.

Промені, що походять від предметів, що знаходяться на різній відстані від лінзи, утворюють конуси різної довжини (щоб бути точнішими). Для довших конусів (об'єкти поза фокусованим предметом) вторинні конуси коротші. Для коротших конусів (предметів перед ним) вторинний конус довший. Довжина вторинного конуса визначається довжиною первинного конуса.

Через це, коли світло від точки на нефокусованому об'єкті наближається до датчика, зображення є невеликим колом, а не однією точкою (це дійсно більше еліпса, але дозволяє нехтувати цим).

Коли діафрагма збільшується, основа двох конусів збільшується, а значить, і кут їх голови. Оскільки довжина залишається незмінною, коло зображення стає більшим. Ось чому ви отримуєте більше розмиття, коли діафрагма ширша.

Для довідки та схеми, яка дійсно пояснює всі мамбо-джамбо вище, читайте цю статтю .

Інші відповіді неправильно пов'язують ефект розмиття з деякими властивостями лінз. Не потрібно припускати нічого про те, як об’єктив формується зображення або навіть про те, що об’єктив існує.

Сцена просто дещо відрізняється від різних місць по діафрагмі.

Як ви бачите на малюнку, якщо ви вирішите зберегти червоний об’єкт у тому ж положенні для кожної точки діафрагми, зелений об’єкт не може залишитися в тому ж положенні. Це створює розмитість, оскільки підсумкове зображення поєднує всі ці окремі погляди.

Це означає, що теоретично (і ігноруючи дифракцію) єдиний випадок, коли все може бути у фокусі, - це щілина, створюючи зображення з однієї точки. У реальному житті невелика, але не точкова діафрагма краще, через дифракцію та збільшення кількості світла, але це вже інше питання.

Займаючись даною темою, "хто" насправді вибирає те, що зосереджено?

Чому червоний об’єкт, а не зелений? Геометрія визначає лише те, що вони не можуть бути як у фокусі, так і величина розфокусування залежить від діафрагми, і це є основною причиною ефекту DOF.

Як насправді кінцеве зображення поєднується з частковими поглядами? Це залежить від пристрою "синього ящика". У реальному житті «синя скринька» - це звичайно об’єктив. Досі ми робили вигляд, що нічого не знаємо про те, як поєднується зображення, щоб показати, що явище поза фокусом виникає з геометрії, а не з властивостей об'єктива .

Але це не повинно бути об’єктивом. Натомість ми можемо розмістити тисячі реєстрових зображень на вершинах діафрагми та отримати тисячі окремих зображень. Потім, просто накладаючи ці зображення, ми отримуємо той же ефект DOF - залежно від діафрагми. І на відміну від лінз, ми можемо потім накладати одні і ті ж зображення по-різному, зберігаючи зелений об’єкт нерухомим (що очевидно розмиває червоний).

Коли світло потрапляє на датчик, він створює пляму такої ж форми, як діафрагма, але за розміром, що залежить від реальної відстані вихідного об'єкта від площини фокусування. Якщо діафрагма - це коло, ви отримуєте коло, а діафрагма - квадрат, ви отримуєте квадрат. Чим більша діафрагма, тим більша форма, таким чином вона більше перекриватиметься із сусідніми формами та надаватиме вам більше розмитості.

Коли ви наближаєтесь до фокусної площини, розмір форми, проектованої на датчик, настільки малий, що його не можна відрізняти від крапки. Ці відстані визначають глибину, якщо поле.

Ваше око працює точно так само, але я б не довіряв тому, що ви бачите, як мозок робить шалену кількість обробки! Ви бачите деталі лише в крихітному місці в центрі кожного ока. Ваш мозок дуже швидко рухає кожним оком, щоб "сканувати" сцену і складати її разом, не знаючи ніколи!

Подивіться на це так. Маючи досить малу діафрагму, вам навіть не потрібна лінза! Це називається пінхолевою камерою.

Лінза фокусує предмети на певній відстані, оскільки вона працює, вигинаючи світло.

Дірчастий отвір (принаймні ідеальний) працює, відображаючи точки світла під різними кутами до відповідних кутів на плівці, незалежно від відстані. (У справжніх прорізів є обмеження. Занадто мала щілина просто розсіюватиме світло за рахунок дифракції.)

Діафрагма перед об'єктивом містить деякі характеристики наконечника. Чим менше ви зробите діафрагму, тим більше ви ефективно перетворите свою камеру в наконечник. Це приносить перевагу широкому фокусу на глибині поля, але також і деякі недоліки наконечника: менша потужність збору світла, дифракційні артефакти при дуже високих числах зупинки.

Це не технічне пояснення, але це експеримент. Наступний текст скопійований з книги Бен Лонга Повна цифрова фотографія:

Якщо вам достатньо короткого огляду, вам потрібні окуляри, спробуйте цей швидкий невеликий експеримент з глибиною різкості. Зніміть окуляри і загорніть вказівний палець на великий палець. Ви повинні мати змогу закрутити палець досить щільно, щоб створити криву маленьку дірочку в кривій вказівному пальці. Якщо ви подивитеся через отвір без окулярів, ви, мабуть, побачите, що все у фокусі . Цей отвір є дуже крихітною апертурою, а тому забезпечує дуже глибоку різку глибину поля - насправді досить глибоку , що може виправити ваше бачення. З іншого боку, він не пропускає багато світла, тому, якщо ви не перебуваєте при яскравому денному світлі, ви, можливо, не зможете побачити щось досить добре, щоб визначити, чи знаходиться в ньому фокус. Наступного разу, коли ви заплутаєтесь у тому, як діафрагма стосується глибини різкості, запам'ятайте цей тест

Я спробував це, і це справді працює. Спробуйте подивитись на якийсь текст, який знаходиться приблизно в 100 м від вас. Я ношу короткозорі окуляри.

Розмиття більше, тому що імпульсна характеристика оптичної системи негативно змінюється за допомогою більшого діафрагми. Однак якщо діафрагма зменшена (номінально f / 11 або f / 16 у деяких лінзах), то деградація внаслідок ефектів дифракції стає більш домінуючою. Отже, існує оптимальна діафрагма, яка знаходиться десь між ідеальною імпульсною характеристикою та дифракційними обмеженнями лінзи.

Функція розподілу точок - це функція оптичного перенесення, яка є перетворенням Фур'є функцією відгуку оптичного імпульсу.

MTF (функція передачі модуляції) схожа на OTF, за винятком того, що вона ігнорує фазу. У некогерентних програмах фотографії їх можна вважати досить схожими.

По суті, OTF, MTF, функція поширення точок, описують чуйність оптичної системи.

Коли лінза широко відкрита, шлях світла має більшу мінливість на шляху, так що поза точною точкою фокусування, вона має більшу функцію розтікання точки, яка в міру того, як він перетворюється на зображення, стає розмитою.

Нижче наведена відповідь, яку я нещодавно надав на подібне запитання. https://physics.stackexchange.com/questions/83303/why-does-aperture-size-affect-depth-of-field-in-photography

Глибина різкості - це явище сприйняття, яке впливає на HVS (зорову систему людини). Це дійсно гра "на скільки ми можемо розмитись, поки це не стане заперечним?" Є лише одна «площина» (зазвичай це дійсно сегмент сфери), яка знаходиться у фокусі. У цей момент система візуалізації працює відповідно до втрат, таких як атмосфера та MTF (функція передачі модуляції) об'єктива.

Коли об'єкт відходить від цієї площини, він одразу стає «поза фокусом», і виникає функція поширення точки, яка описує зростаючий диск, який у деяких колах (не призначений для каламбуру) називається «колом плутанини».

Менші отвори, що використовують центральну частину лінзи, мають світло, що проходить коротший (і більш послідовний) шлях через лінзу. Це допомагає зменшити функцію поширення точки, яка описує коло плутанини (і не завжди коло). Функція розподілу точки в оптичній системі також називається імпульсною реакцією.

Отримане зображення - це те, що є згорткою цільового зображення та функцією розведення точки. Принаймні для некогерентних зображень. Отже сприйняття глибини різкості лінійне з f-стоп і фокусною відстанню.

На жаль, глибина різкості має свої межі, і дуже дуже маленька діафрагма не забезпечить майже нескінченну глибину різкості, оскільки дифракція грає більшу роль у розмиванні зображення, оскільки діафрагма стає меншою.

Тож, що насправді відбувається з глибиною різкості, це те, що об’єкти насправді не перебувають у фокусі від зосередженої площини, а радше розмиття вважається незначним. Подумайте про це так: мініатюрна фотографія може виглядати чітко, але якщо її розгорнути на фотографію 8х10 ", вона може бути неприпустимо нечіткою. Тож прийнятна глибина різкості - це визначення ефекту впливу вимкнено зосередженого зображення на спостерігач, враховуючи оптичну систему (атмосфера, об'єктив, датчик / плівку та процес візуалізації / друку) та перспективу сприйняття (наскільки велике зображення, що переглядається).

У практичному застосуванні, так звана гіперфокальна установка на об'єктиві, може дати прийнятне зображення сцени при перегляді на дисплеї невеликого формату чи друку, але при збільшенні чи збільшенні буде мати більш нечіткий вигляд, як у реальність не повністю зосереджена через "глибину різкості".

Коментарі вітаються, і, можливо, я можу переписати обидві відповіді, щоб бути більш універсальними для вирішення цього поширеного питання.