Что такое глубина резкости?

Глубина резкости, или сокращенно DOF, — это эффект возникающий в природе в человеческом глазу и фотографическом оборудовании. Первое, что надо рассмотреть, — чем является DOF и как он возникает. Взгляните на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Фотография, показывающая эффект глубины резкости

Как видно на рисунке, элементы, расположенные близко к камере и далеко от нее, отображаются размытыми. Я уверен, что раньше вы уже замечали этот эффект расфокусировки. Для другого примера посмотрите вдаль и поместите ваш палец близко к глазу; он также будет казаться нечетким и размытым. Вы можете спросить почему это происходит. Причина возникновения эффекта легко объясняется, если более подробно разобраться в том, как человеческий глаз или камера фиксируют изображение.

На рис. 6.2 показана установленная камера с объектом съемки, линзой и приемником. Описываемые здесь принципы работают и для человеческого глаза, поскольку камера создана на основе тех же самых принципов.

Рис. 6.2. Диаграмма, показывающая как камера захватывает изображение

Если вы пристально взглянете на рис. 6.2, первая вещь, которую вы отметите, — это то, что камера получает изображение объекта, захватывая отраженные им лучи света. Свет отражается от объекта во всех направлениях и, в конечном итоге, достигает линзы камеры. Линза предназначена для управления увеличением объекта и гарантирует, что свет, прошедший через линзу, попадет в диафрагму. Диафрагма — это небольшое отверстие, контролирующее сколько света попадает на приемник. Приемник — роговица, пленка или ПЗС — получает энергию световых лучей и преобразует ее в цвета (ПЗС означает «прибор с зарядовой связью»).

В теории, если отверстие диафрагмы бесконечно мало, приемника достигают только лучи абсолютно точно попадающие в диафрагму и изображение будет абсолютно четким для всех расстояний. Однако такой вариант также означает, что до приемника доходит очень мало света. Большинство камер не позволяет делать бесконечно малое отверстие диафрагмы, поскольку приемнику для захвата изображения требуется больше света.

Из-за этого возникает побочный эффект, когда приемника достигают лучи, прошедшие не через центр диафрагмы. Именно этот достигающий приемника свет и вызывает нежелательное размытие и искажение. Вы можете спросить, откуда берется этот лишний свет. В получении ответа вам поможет рис. 6.3.

Рис. 6.3. Пример расхождения лучей для расположенного близко к камере объекта

Если вы взглянете на расположенный близко к камере объект, то заметите нечто странное. Через линзу может пройти часть лучей, которые отражаются от объекта, но не направлены прямо в камеру. Линза преломляет поступающие перпендикулярно ей лучи света таким образом, чтобы они сходились в диафрагме. Однако, если объект расположен близко к линзе, на нее попадают и неперпендикулярные лучи. Эти лучи преломляются так же, как и все остальные, но из-за их направления они не попадают точно в центр диафрагмы. Если отверстие диафрагмы действительно мало, эти лучи блокируются, но в данном случае этого не происходит.

Раз один луч ведет себя так, так же будут вести себя и миллионы других лучей, и в результате расположенный близко к камере объект будет выглядеть нечетким и размытым. Это вызвано тем, что поступивший под неправильным углом свет также внесет свой вклад в изображение, хотя и не будет должным образом сфокусирован. Я не буду вдаваться в детали, но такое же явление происходит и когда объект находится далеко от камеры.

Из-за этого недостатка в наших глазах и камерах, существует область, зависящая от параметров линзы и размера диафрагмы, для которой большинство полученных лучей будут прямыми и изображение объектов будет четким. Но если выйти за эту область, то изображение по мере удаления будет все более размываться и искажаться. Глубина резкости, или DOF, описывает область фокусировки. Существует множество способов вычислить фокусные расстояния, используемые для DOF. На рис. 6.4 показаны формулы, которые можно использовать для вычисления расстояний DOF для различных камер.

Рис. 6.4. Формулы, используемые при вычислении дальней и ближней плоскости области глубины резкости для различных камер

Получив базовое представление о том, как эффект DOF возникает в оптических устройствах, можно начать исследовать различные подходы к его реализации. В следующем разделе мы посмотрим как можно сфальсифицировать глубину резкости, и различные техники, которые для этого используются.