Základy fotografické optiky Jana Dannhoferová | Ústav informatiky | PEF MZLU v Brně Digitální fotografie (DIF)
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
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
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
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
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)
Bajonet • mechanické i elektronické propojení objektivu s tělem fotoaparátu
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
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“?
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°
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
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
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
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
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)
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
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
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)
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)
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)
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
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
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)
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
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
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?
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
Optické vady objektivů – vinětace • projevuje se mírným ztmavením v okrajích výsledného snímku • postihuje zejména širokoúhlé objektivy • vyskytuje se také u dírkových komor
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.)
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“
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
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
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
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)
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 100-500 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)
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
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!
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
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
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
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)
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
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 ∞)
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?
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
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)
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)
Hyperfokální vzdálenost • Jak zjistit hyperfokální vzdálenost pro konkrétní objektiv? • H = f2 / 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: (http://www.dobre-svetlo.cz/dof.php?volba=1) • Kalkulátor hyperfokální vzdálenosti: (http://www.dofmaster.com/)
Hyperfokální tabulka • kombinace ohniskových vzdáleností a clony • většinou dodávaná výrobci fotoaparátů a objektivů (jak nastavit zaostření fotoaparátu, abychom získali co největší hloubku ostrosti?)
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)
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
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!
Děkuji za pozornost
