Tiefenschärfe

Für andere Verwendungen siehe Feldtiefe (Disambiguation).
A Makrofoto Veranschaulichung der Wirkung der Feldtiefe auf ein gekipptes Objekt.
Dieses Foto wurde mit einer Blende von F/22 aufgenommen, die einen meist fokussierten Background erstellten.
Das gleiche Foto, aber mit einer Blende von 1: 1,8. Beachten Sie, wie viel mehr verschwommener der Hintergrund auf diesem Foto ist.

Das Tiefenschärfe (DOF) ist der Abstand zwischen den nächsten und den am weitestensten Objekten, die in einem mit a aufgenommenen Bild in akzeptabel scharfem Fokus stehen Kamera.

Faktoren, die die Tiefe des Feldes beeinflussen

Wirkung der Blende auf Unschärfe und DOF. Die Punkte im Fokus (2) Projektpunkte auf die Bildebene (5), aber auf unterschiedliche Entfernungen verweist (1 und 3) project verschwommene Bilder oder Verwirrungskreise. Verringern der Aperturgröße (4) Reduziert die Größe der Unschärfeflecken für Punkte, die nicht in der fokussierten Ebene nicht sind, so dass die Unschärfe nicht wahrnehmbar ist und alle Punkte innerhalb des DOF ​​liegen.

Für Kameras, die sich jeweils nur auf einen Objektabstand konzentrieren können, ist die Feldtiefe der Abstand zwischen den nächsten und den am weitesten entfernten Objekten, die sich in einem akzeptabel scharfen Fokus befinden.[1] "Akzeptabel scharfer Fokus" wird unter Verwendung einer Eigenschaft namens The "definiert"Verwirrungskreis".

Die Feldtiefe kann durch bestimmt werden durch Brennweite, Entfernung zum Subjekt, der akzeptable Kreis der Verwirrungsgröße und Blende.[2] Die Einschränkungen der Feldtiefe können manchmal mit verschiedenen Techniken und Ausrüstungen überwunden werden. Die ungefähre Feldtiefe kann gegeben werden durch:

Für einen gegebenen Kreis der Verwirrung (c), fokale Länge (f), Fnummer (N) und Entfernung zu Subjekt (u).[3][4]

Wenn der Abstand oder die Größe des akzeptablen Verwirrungskreises zunimmt, nimmt die Feldtiefe zu; Eine Erhöhung der Blende oder Erhöhung der Brennweite verringert jedoch die Feldtiefe. Die Tiefe des Feldes ändert sich linear mit F-Number und Verwirrungskreis, verändert sich jedoch proportional zum Quadrat der Brennweite und dem Abstand zum Subjekt. Infolgedessen haben Fotos, die im extrem engen Bereich aufgenommen wurden, eine proportionaler viel geringere Feldtiefe.

Die Sensorgröße beeinflusst DOF auf kontraintuitive Weise. Weil der Verwirrungskreis direkt an die Sensorgröße gebunden ist und die Größe des Sensors verringert und gleichzeitig die Brennweite und die Aperturkonstante halten wird Verringerung Die Tiefe des Feldes (durch den Erntefaktor). Das resultierende Bild hat jedoch ein anderes Sichtfeld. Wenn die Brennweite verändert wird, um das Sichtfeld zu erhalten Zunahme Die Tiefe des Feldes (auch nach dem Erntefaktor).[5][6][7][8]

Einfluss der Linsenöffnung

Für ein bestimmtes Subjektrahmen und eine Kameraposition wird der DOF durch den Durchmesser der Linsenöffnung gesteuert, der normalerweise als die angegeben ist Fnummer (Das Verhältnis der Fokuslänge der Linsen zu Aperturdurchmesser). Reduzierung des Aperturdurchmessers (Erhöhung der Erhöhung der f-nummer) erhöht den DOF, da nur das Licht, das in flacheren Winkeln fährt, durch die Blende verläuft. Da die Winkel flach sind, sind die Lichtstrahlen innerhalb der akzeptablen Verwirrungskreis für eine größere Entfernung.[9]

Für eine gegebene Größe des Bildbildes in der Brennebene ergibt das gleiche F-Number auf jeder Brennweite die gleiche Feldtiefe.[10] Dies zeigt sich aus der DOF -Gleichung, indem er feststellt, dass das Verhältnis u/f ist konstant für konstante Bildgröße. Wenn sich beispielsweise die Brennweite verdoppelt, wird auch der Subjektabstand verdoppelt, um das Thema Bildgröße gleich zu halten. Diese Beobachtung steht im Gegensatz zu der gemeinsamen Vorstellung, dass "die Fokuslänge doppelt so wichtig ist, um defokus zu werden wie f/stop",[11] Dies gilt für einen konstanten Subjektabstand im Gegensatz zur konstanten Bildgröße.

Kinobilder nutzen nur eine begrenzte Nutzung der Aperturkontrolle. Um eine konsistente Bildqualität von Schuss bis zu Schuss zu erzeugen, wählen Kinematographen normalerweise eine einzelne Blendeneinstellung für Innenräume und eine andere für Äußere und passen die Belichtung durch die Verwendung von Kamerafiltern oder Lichtstufen ein. Blendeneinstellungen werden häufiger in immer noch Fotografie eingestellt, wobei Variationen der Feldtiefe verwendet werden, um eine Vielzahl von Spezialeffekten zu erzeugen.

Apertur = f/1,4. DOF = 0,8 cm
Apertur = f/4.0. DOF = 2,2 cm
Apertur = f/22. DOF = 12,4 cm
Feldtiefe für verschiedene Werte der Apertur unter Verwendung von 50 mM Objektivobjektiv und DSLR-Kamera mit Vollbild. Der Fokus ist auf der Spalte der ersten Blöcke.[12]

Wirkung des Verwirrungskreises

Genauer Fokus ist nur in genauem Abstand von der Linse möglich;[a] In dieser Entfernung erzeugt ein Punktobjekt ein Punktbild. Andernfalls erzeugt ein Punktobjekt einen unscharfen Fleck, der wie das geformt ist Öffnung, normalerweise und ungefähr ein Kreis. Wenn dieser kreisförmige Fleck ausreichend klein ist, ist er von einem Punkt visuell nicht zu unterscheiden und scheint sich im Fokus zu befinden. Der Durchmesser des größten Kreises, der von einem Punkt nicht zu unterscheiden ist Akzeptabler Kreis der Verwirrungoder informell einfach als Kreis der Verwirrung. Punkte, die einen unscharfen Fleck erzeugen, der kleiner als dieser akzeptable Kreis der Verwirrung ist, werden als akzeptabel scharf angesehen.

Der akzeptable Kreis der Verwirrung hängt davon ab, wie das endgültige Bild verwendet wird. Es wird allgemein als 0,25 mm für ein Bild in einer Entfernung von 25 cm anerkannt.[13]

Zum 35 mm Kinobilder, der Bildbereich des Films ist ungefähr 22 mm mal 16 mm. Die Grenze des tolerierbaren Fehlers wurde traditionell auf einen Durchmesser von 0,05 mm (0,002 Zoll) festgelegt 16 mm Film, wo die Größe etwa halb so groß ist, ist die Toleranz strenger, 0,025 mm (0,001 Zoll).[14] Die modernere Praxis für 35 -mm -Produktionen legte den Kreis der Verwirrungsgrenze bei 0,025 mm (0,001 Zoll).[15]

Kamerabewegungen

Siehe auch: Kamera anzeigen

Der Begriff "Kamerabewegungen" bezieht sich auf Schwenk- (Swing and Tilt, in der modernen Terminologie) und die Verschiebungsanpassungen des Linsenhalters und des Filmhalters. Diese Funktionen werden seit dem 19. Jahrhundert verwendet und werden noch heute in Blickwaren, technischen Kameras, Kameras mit Neigung/Verschiebung oder Perspektivkontrolllinsen usw. verwendet. und bewirkt auch, dass das Gebiet des akzeptablen Fokus mit dem POF schwenkt; und abhängig von den DOF -Kriterien, um auch die Form des Bereichs des akzeptablen Fokus zu ändern. Während die Berechnungen für DOF von Kameras mit auf Null eingestellter Drehscheibe erörtert, formuliert und dokumentiert wurden, scheinen die Berechnungen für Kameras mit Drehschirmen ohne Null im Jahr 1990 zu dokumentieren.

Mehr als im Fall der Null-Schwenkkamera gibt es verschiedene Methoden zur Bildung von Kriterien und zur Einrichtung von Berechnungen für DOF, wenn Drehgelenk ungleich Null ist. Es gibt eine allmähliche Verringerung der Klarheit in Objekten, wenn sie sich vom POF entfernen, und auf einer virtuellen flachen oder gekrümmten Oberfläche wird die verringerte Klarheit inakzeptabel. Einige Fotografen machen Berechnungen oder verwenden Tabellen, andere verwenden Markierungen für ihre Ausrüstung, andere beurteilen das Bild.

Wenn der POF gedreht ist, können die nahen und fernen Grenzen des DOF ​​als keilförmig angesehen werden, wobei der Spitze des Keils der Kamera am nächsten liegt. oder sie können als parallel zum POF betrachtet werden.[16][17]

Objektfeldberechnungsmethoden

In der Praxis können herkömmliche Formeln des Feldtiefe schwer zu verwenden sein. Alternative kann die gleiche effektive Berechnung ohne Rücksicht auf die Brennweite und die Fnum erfolgen.[b] Moritz von Rohr und später beobachten Merklinger, dass der effektive absolute Aperturdurchmesser unter bestimmten Umständen für eine ähnliche Formel verwendet werden kann.[18]

Darüber hinaus nehmen herkömmliche Formeln der Feldtiefe gleich akzeptable Verwirrungskreise für nahe und ferne Objekte an. Merklinger[c] schlugen vor, dass entfernte Objekte oft viel schärfer sein müssen, um eindeutig erkennbar zu sein, während engere Objekte, die im Film größer sind, nicht so scharf sein müssen.[18] Der Detailverlust in entfernten Objekten kann besonders bei extremen Vergrößerungen auffällig sein. Das Erreichen dieser zusätzlichen Schärfe in entfernten Objekten erfordert normalerweise die Fokussierung über das hinaus Hyperfokalabstand, manchmal fast in unendlich. Zum Beispiel beim Fotografieren eines Stadtbilds mit a Verkehrsbollard Im Vordergrund bezeichnete dieser Ansatz die Objektfeldmethode Von Merklinger würde sich empfehlen, sich sehr nahe an Infinity zu konzentrieren, und halten Sie an, um den Poller scharf genug zu machen. Mit diesem Ansatz können Vordergrundobjekte nicht immer perfekt geschafft werden, aber der Schärfenverlust in nahezu Objekten kann akzeptabel sein, wenn die Erkennbarkeit entfernter Objekte von größter Bedeutung ist.

Andere Autoren wie z. Ansel Adams haben die entgegengesetzte Position eingenommen und behaupten, dass eine leichte Unschärfe in Vordergrundobjekten normalerweise störender ist als leichte Unschärfen in entfernten Teilen einer Szene.[19]

DOF -Einschränkungen überwinden

Einige Methoden und Geräte ermöglichen es, den scheinbaren DOF zu verändern, und andere erlauben sogar, dass der DOF nach dem Erstellen des Bildes bestimmt werden kann. Zum Beispiel, Fokusstapel Kombiniert mehrere Bilder, die sich auf verschiedene Ebenen konzentrieren und zu einem Bild mit einer größeren (oder weniger, falls gewünschten) scheinbaren Feldtiefe führen als jedes der einzelnen Quellbilder. Ebenso, um zu rekonstruieren die dreidimensionale Form eines Objekts, a Tiefenkarte kann aus mehreren Fotos mit unterschiedlichen Feldtiefen erzeugt werden. Xiong und Shafer kamen zum Teil zu dem Schluss: "... die Verbesserungen zu Präzisionen des Fokusbereichs und des Defokusbereichs können zu effizienten Formwiederherstellungsmethoden führen."[20]

Ein anderer Ansatz ist Focus Sweep. Die Fokusebene wird während einer einzelnen Exposition über den gesamten relevanten Bereich gekehrt. Dies schafft ein verschwommenes Bild, aber mit einem Faltungskern, der nahezu unabhängig von der Objekttiefe ist, so dass die Unschärfe nach einer rechnerischen Dekonvolution fast vollständig entfernt wird. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Bewegungsunschärfe dramatisch reduziert wird.[21]

Andere Technologien verwenden eine Kombination aus Objektivdesign und Nachbearbeitung: Wellenfrontcodierung ist eine Methode, mit der kontrollierte Aberrationen zum optischen System hinzugefügt werden, sodass der Fokus und die Feldtiefe später im Prozess verbessert werden können.[22]

Das Objektivdesign kann noch mehr geändert werden: in Farbe Apodisierung Das Objektiv ist so modifiziert, dass jeder Farbkanal eine andere Linsenöffnung hat. Zum Beispiel kann der rote Kanal sein f/2.4, grün kann sein f/2.4, während der blaue Kanal sein kann f/5.6. Daher hat der blaue Kanal eine größere Feldtiefe als die anderen Farben. Die Bildverarbeitung identifiziert verschwommene Regionen in den roten und grünen Kanälen und kopiert in diesen Regionen die schärferen Kantendaten aus dem blauen Kanal. Das Ergebnis ist ein Bild, das die besten Funktionen aus den verschiedenen kombiniert f-Neufer.[23]

Extrem, a Plenoptikkamera erfasst 4D -Lichtfeld Informationen über eine Szene, sodass der Fokus und die Feldtiefe nach dem Aufnehmen des Fotos geändert werden können.

Beugung und DOF

Beugung führt dazu, dass Bilder bei hohen F-Zahlen die Schärfe verlieren, und begrenzt daher die potenzielle Feldtiefe.[24] Im Allgemeinen ist dies selten ein Problem; Weil groß f-Neufers erfordern normalerweise lange Belichtungszeiten, Bewegungsunschärfe kann einen höheren Schärfverlust verursachen als der Verlust durch Beugung. Die Beugung ist jedoch ein größeres Problem bei der Nahaufnahmefotografie, und der Kompromiss zwischen DOF und allgemeine Schärfe kann sich sehr bemerkbar machen, da Fotografen versuchen, die Tiefe des Feldes mit sehr kleinen Öffnungen zu maximieren.[25][26]

Hansma und Peterson haben diskutiert, die kombinierten Effekte von Defokus und Beugung unter Verwendung einer Wurzelquadrat-Kombination der einzelnen Unschärfeflecken zu bestimmen.[27][28] Hansmas Ansatz bestimmt den f-nummer, die die maximal mögliche Schärfe verleiht; Petersons Ansatz bestimmt das Minimum f-Anzahl, der die gewünschte Schärfe im endgültigen Bild verleiht und eine maximale Feldtiefe ergibt, für die die gewünschte Schärfe erreicht werden kann.[d] In Kombination können die beiden Methoden als maximal und minimal angesehen werden f-Nummer für eine bestimmte Situation, wobei der Fotografen freien Wert innerhalb des Bereichs auswählen kann, wie die Bedingungen (z. B. potenzielle Bewegungsunschärfe) zulassen. Gibson gibt eine ähnliche Diskussion, die zusätzlich verwischende Effekte von Aberrationen der Kameralinsen, die Vergrößerung der Linsenbeugung und der Aberrationen, der negativen Emulsion und des Druckpapiers berücksichtigt.[24][e] Couzin gab eine Formel im Wesentlichen die gleiche wie die von Hansma für optimaler f-nummer, diskutierte aber nicht seine Ableitung.[29]

Hopkins,[30] Stokseth,[31] und Williams und Becklund[32] haben die kombinierten Effekte mit dem diskutiert Modulationstransferfunktion.[33][34]

DOF -Skalen

Detail von einem Objektiv auf f/11. Der Punkt auf halbem Weg zwischen 1 m und 2 m Mark, der DOF begrenzt bei f/11 repräsentiert den Fokusabstand von ungefähr 1,33 m (der gegenseitige Mittelwert des Reziprocals von 1 und 2 4/3).
DOF -Skala auf Tessina Focusing Dial Dial

Viele Objektive umfassen Skalen, die den DOF für eine bestimmte Fokusentfernung anzeigen und f-Nummer; Das 35 -mm -Objektiv im Bild ist typisch. Dieses Objektiv enthält Entfernungsskalen in Fuß und Metern; Wenn ein deutlicher Abstand gegenüber der großen weißen Indexmarke eingestellt ist, wird der Fokus auf diese Entfernung gesetzt. Die DOF -Skala unterhalb der Entfernungsskalen enthält Markierungen auf beiden Seiten des Index, die entsprechen f-Neufer. Wenn das Objektiv auf eine bestimmte festgelegt ist f-nummer, der DOF erstreckt sich zwischen den Entfernungen, die mit dem übereinstimmen f-Numbermarkierungen.

Fotografen können die Linsenskalen verwenden, um von der gewünschten Feldtiefe rückwärts zu arbeiten, um die erforderliche Fokusentfernung und Blende zu finden.[35] Für das gezeigte 35 -mm -Objektiv würde der Fokus so eingestellt f/11.[f]

Auf einer View -Kamera, der Fokus und f-Nummer kann erhalten werden, indem die Feldtiefe gemessen und einfache Berechnungen durchgeführt werden. Einige Ansichtskameras umfassen Dof -Taschenrechner, die auf den Fokus hinweisen und f-Number ohne die Berechnungen des Fotografen erforderlich.[36][37]

Hyperfokalabstand

Zeiss Ikon kontessa mit roten Markierungen für Hyperfokalabstand 20 Fuß bei f/8
Dieser Abschnitt ist ein Auszug aus Hyperfokalabstand.
Minox LX -Kamera mit hyperfokalen roten Punkt
Nikon 28mm 1: 2,8 Objektiv mit Markierungen für die Feldtiefe. Das Objektiv ist für f/22 auf die Hyperfokalentfernung eingestellt. Die Orangenmarke, die F/22 entspricht). Der Fokus ist von unter 0,7 m bis unendlich akzeptabel.
Minolta 100-300 Zoomobjektiv. Die Tiefe des Feldes und damit die hyperfokale Entfernung ändert sich mit der Brennweite sowie der F/Stop. Dieses Objektiv ist mit einer Brennweite von 100 mm auf die hyperfokale Entfernung für f/32 eingestellt.

Im Optik und Fotografie, Hyperfokalabstand ist eine Entfernung, über die alle Objekte in eine "akzeptable" gebracht werden können Fokus. Da der hyperfokale Abstand der Fokusabstand ist, der die maximale Feldtiefe ergibt, ist es der wünschenswerteste Abstand, den Fokus von a zu setzen Kamera mit fester Fokus.[38] Die hyperfokale Entfernung hängt vollständig davon ab, welcher Schärfenniveau als akzeptabel angesehen wird.

Die hyperfokale Entfernung hat eine Eigenschaft namens "aufeinanderfolgende Tiefen des Feldes", in der sich ein Objektiv auf ein Objekt konzentriert H wird eine Tiefe des Feldes von halten H/2 bis unendlich, wenn das Objektiv auf die Fokussierung ist H/2 Die Feldtiefe erstreckt sich von H/3 bis H; Wenn das Objektiv dann auf die Fokussierung ist H/3 Die Feldtiefe erstreckt sich von H/4 bis H/2 usw.

Thomas Sutton und George Dawson schrieb 1867 erstmals über hyperfokale Distanz (oder "Fokusbereich").[39] Louis Derr war 1906 möglicherweise der erste, der eine Formel für die hyperfokale Entfernung ableitete. Rudolf Kingslake schrieb 1951 über die beiden Methoden zur Messung der hyperfokalen Entfernung.

Einige Kameras haben ihren hyperfokalen Abstand auf dem Fokus -Zifferblatt markiert. Zum Beispiel auf der Minox LX Focusing Dial Es gibt einen roten Punkt zwischen 2 m und unendlich; Wenn das Objektiv auf den roten Punkt eingestellt ist, dh auf die hyperfokale Entfernung fokussiert, erstreckt sich die Feldtiefe von 2 m bis unendlich. Einige Objektive haben Markierungen, die den Hyperfokalbereich für spezifische Angaben anzeigen F-Stops.

In der Nähe: weit verteilte Verteilung

Der DOF jenseits des Subjekts ist immer größer als der DOF vor dem Subjekt. Wenn sich das Subjekt in hyperfokaler Entfernung oder darüber hinaus befindet, ist der FAR DOF unendlich, so dass das Verhältnis 1: ∞ beträgt; Wenn der Subjektabstand abnimmt, nimmt nahe: FAR DOF -Verhältnis zu und nähert sich der Einheit bei hoher Vergrößerung. Bei großen Öffnungen bei typischen Porträtabständen liegt das Verhältnis immer noch nahe bei 1: 1.

DOF -Formeln

Dieser Abschnitt deckt eine zusätzliche Formel zur Bewertung der Feldtiefe ab. Sie sind jedoch alle erhebliche Vereinfachungsannahmen ausgesetzt: Zum Beispiel nehmen sie das an Paraxiale Näherung von Gaußsche Optik. Sie sind für praktische Fotografie geeignet, Objektivdesigner würden wesentlich komplexere verwenden.

Fokus und f-nummer von dof limits

Für gegebene und ferne DOF -Grenzen und , das Erforderliche f-Nummer ist kleinste, wenn der Fokus auf darauf eingestellt ist

das harmonische Mittel der nahen und fernen Entfernungen. In der Praxis entspricht dies dem arithmetisches Mittel Für die geringen Tiefen des Feldes.[40] Manchmal beziehen sich die Kamera -Benutzer an den Unterschied als die Fokus verbreitete.[41]

Vordergrund und Hintergrund unscharf

Wenn ein Thema in der Ferne ist und der Vordergrund oder der Hintergrund ist in der Ferne Lassen Sie den Abstand zwischen dem Subjekt und dem Vordergrund oder dem Hintergrund durch angezeigt werden

Der Unschärfedurchmesser von einem Detail in der Entfernung Aus dem Subjekt kann als Funktion der Subjektvergrößerung ausgedrückt werden , Brennweite , f-Nummer oder alternativ die Öffnung , entsprechend

Das Minuszeichen gilt für ein Vordergrundobjekt und das Pluszeichen für ein Hintergrundobjekt.

Die Unschärfe nimmt mit dem Abstand vom Subjekt zu; Wenn ist weniger als der Kreis der Verwirrung, das Detail liegt innerhalb der Feldtiefe.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ streng in genauem Abstand von einer Ebene
  2. ^ Ungeachtet dessen, dass die F-Nummer von der Brennweite abgeleitet ist
  3. ^ Englander beschreibt einen ähnlichen Ansatz in seiner Zeitung Scheinbare Tiefe des Feldes: Praktische Verwendung in der Landschaftsfotografie; Conrad diskutiert diesen Ansatz unter verschiedenen Verwirrungskreisen für nahezu und ferne Grenzen der Feldtiefe und der Objektfeldmethode in Tiefe der Tiefe
  4. ^ Peterson gibt zum Minimum keinen Ausdruck mit geschlossenem Form f-nummer, obwohl ein solcher Ausdruck aus einer einfachen algebraischen Manipulation seiner Gleichung 3 erhält
  5. ^ Der analytische Abschnitt am Ende von Gibson (1975) wurde ursprünglich als "Vergrößerung und Detailtiefe in der Photomakrographie" in der Zeitschrift der Photographic Society of America, Vol. 26, Nr. 6, Juni 1960
  6. ^ Der Fokusabstand, um den DOF zwischen gegebener und weitem Objektabstieg zu verlängern, ist der harmonische Mittelwert der Objektkonjugate. Die meisten helikoidorientierten Objektive sind mit Bildebene zu Subjektabständen markiert, sodass der aus der Linsenentfernungsskala bestimmte Fokus nicht genau der harmonische Mittel der markierten und fernen Entfernungen ist.

Verweise

Zitate

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Quellen

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  • Savazzi, Enrico (2011). Digitale Fotografie für Wissenschaft (Hardcover). Lulu.com. ISBN 978-0-557-91133-2.[Selbstveröffentlichte Quelle?]

Weitere Lektüre

  • Hummel, Rob (Herausgeber). 2001. Amerikanischer Kameramannhandbuch. 8. ed. Hollywood: ASC Press. ISBN0-935578-15-3

Externe Links