4 шага к пониманию фокусных расстояний

Фокусное расстояние также определяет размеры объективов — чем больше это расстояние, тем тяжелее и более громоздкий будет оптический прибор / Фото: unsplash.com

Оптика в техническом зрении. Лекция 1: Объектив

Приветствую вас, меня зовут Андрей. Я специализируюсь на оптических системах и являюсь инженером-конструктором в данной области.

На протяжении нескольких лет я занимаюсь разработкой и применением оптических систем в роли единственного специалиста в нашей компании. Со своей позиции я наблюдаю, как работают коллеги из отдела, занимающегося нейросетями и распознаванием изображений. Это позволило мне сформировать четкое представление о том, какие аспекты оптики необходимы для их работы и в каких случаях требуется поддержка квалифицированного специалиста.

На основе такого подхода был разработан данный курс. Изначально он предназначался для внутреннего обучения начинающих и средних специалистов в области распознавания изображений. В этом курсе собраны те знания, с которыми CV-разработчики сталкиваются в процессе работы с макетами и объективами. Я стремился создать компактный и лаконичный ресурс, который мог бы служить шпаргалкой по вопросам оптики, чтобы сотрудники реже обращались ко мне с простыми вопросами.

На вопрос, зачем писать этот курс, если есть интернет-ресурсы, можно ответить так: оптика — это сложная научная дисциплина. Попытка самостоятельно найти информацию в интернете зачастую приводит к трудностям, поскольку неопытному пользователю сложно отделить полезные данные от ошибок или недостоверной информации. Я неоднократно исследовал существующие статьи по теме оптики в сети и, к сожалению, часто сталкивался с откровенно неверными данными. В англоязычном сегменте интернет такой проблемы меньше, хотя и там много статьи написаны непрофессионалами — либо фотографами-любителями, которые допускают ошибки, либо астрономами, чьи материалы слишком специфичны и не всегда применимы к практическим задачам, либо просто случайными авторами, которые пишут на тему охотничьих прицелов и излагают весьма странные идеи.

Правильная информация обычно доступна только в специализированных статьях или объемных научных трудах. Однако большая часть аудитории не готова углубляться в столь глубокие детали. Поэтому я решил написать этот курс, который будет максимальней простым и понятным, сохраняя при этом необходимую техническую основу, и который будет целиком посвящен аппаратным аспектам для начинающих разработчиков в области компьютерного зрения.

Курс значительно сокращен и упрощен, поэтому в некоторых местах я свожу к минимуму строгость классической оптической теории. Пожалуйста, прошу профессионалов не придираться к использованным формулировкам.

Объектив как аппаратная часть технического зрения

Говоря о обработке изображений, необходимо учитывать один ключевой вопрос: как мы получаем первоначальное изображение. Даже те фотографии, которые размещены в интернете, кто-то должен был сделать и загрузить их в сеть.

Системы технического зрения, исходя из самой сути слова «зрение», работают, воспринимая реальные объекты окружающего мира аналогично тому, как это делает глаз. Для того чтобы превратить изображения окружающего мира в формат, удобный для обработки компьютером, необходимо два ключевых элемента: объектив и камера. Эти элементы являются аппаратными компонентами, без которых невозможно передать изображение реального мира в компьютер.

Как фокусное расстояние объектива влияет на изображение?

Давайте рассмотрим, как фокусное расстояние объектива может повлиять на изображение, используя в качестве примера фотографии, сделанные Екатериной Пикулиной, которая фотографировала свою дочь с расстояния около трех метров.

На широкоугольных объективах на первый план выходит красота пейзажей и архитектуры, в то время как человек на фотографии становится лишь дополнением кадра, подчеркивающим масштаб окружающего пространства. Обратите внимание на вертикальные линии: пространство кажется так вытянутым, что искажения становятся заметны даже невооруженным глазом.

Приблизительно такой угол обзора у человеческого глаза.

А пропорции и перспективу мы воспринимаем примерно так.

Портретные объективы, как правило, создают наиболее эстетичные размытия фона.

На фокусных расстояниях, превышающих 105 мм, при съемке с расстояния трех метров даже маленький ребенок не поместится в кадр.

Влияние фокусного расстояния на масштаб снимаемого объекта при неизменном расстоянии до объекта можно визуально представить так:

Фокусное расстояние человеческих глаз

humaineJeansвКаждой из наших глаз имеет способности охватывать пространство на 125 градусов по вертикали и на 150 градусов по горизонтали, когда оба глаза открыты. Если перевести эти показатели в фокусное расстояние в миллиметрах, то получим значение около 22,3 мм, на чем сошлись большинство исследователей. По углу обзора человеческие глаза напоминают широкоугольный объектив, однако восприятие перспективы и пространственных отношений между объектами происходит ближе к тому, как это видит портретный объект (примерно 43 мм).

Однако даже при желании изучить все аспекты фокусного расстояния, все равно возникают вопросы: какой объектив с каким фокусным расстоянием выбрать? Какое фокусное расстояние является наиболее универсальным? И что лучше: зум или фикс?

Фикс — это объектив с фиксированным фокусным расстоянием, например, только 85 мм или только 135 мм. Чтобы изменить масштаб изображения, придется передвигаться, отходя или подходя к объекту съемки.

Плюсы фиксов:

• Светосила — в объективов с фиксированным фокусным расстоянием может быть светосила от f 1,4 (а у топовых моделей даже от f 0,95), тогда как у зумов она обычно начинается с уровня f 2,8 (хотя есть несколько исключений, которые стоят попросту запредельно).
• Вес — фиксы гораздо легче зумов, что делает их более удобными в использовании.
• Стоимость — фиксы на порядок дешевле зумов аналогичного качества и светосилы.
• Качество изображения — фиксы обеспечивают хорошую контрастность, впечатляющую резкость, минимальные искажения, эффективное подавление бликов и засветок, а также минимальные хроматические аберрации.
• Срок службы — поскольку в фиксах нет подвижных линз, они меньше подвержены поломкам.
• Использование фильтров — высокая светосила фиксов позволяет использовать разнообразные творческие фильтры.

Минусы фиксов:

• Необходимость перемещаться при съемке вместо того, чтобы просто крутить кольцо зумирования на объективе.
• Необходимость приобретать дополнительные объективы для охвата всех нужных фокусных расстояний.
• Необходимость иметь один зум для путешествий, чтобы избежать перегруженности с комплектом фиксированных объективов.
• Необходимость менять объективы во время съемки, когда перемещение не поможет.
• Необходимость использовать нейтрально-серый фильтр при хорошей светосиле объектива и открытой диафрагме в солнечные дни.
• Необходимость быстрой замены объектива в условиях съемки вне студии, что чревато загрязнением оптики.

Зум — это объектив с переменным фокусным расстоянием в заданном диапазоне, например, 18–55 мм или 24–70 мм.

Плюсы зумов:

• Удобство при съемке: нет нужды перемещаться вперед или назад, чтобы запечатлеть общие или крупные планы.
• Универсальность: не нужно возить с собой множество объективов для разных планов и жанров.

Минусы зумов:

• Большой вес – совокупность линз для различных фокусных расстояний делает такие объективы достаточно тяжелыми, что затрудняет съемку с рук.
• Низкая светосила – из-за количества линз, проходящих через зум-объектив, светопропускная способность снижена, и это критично для съемок в помещения и в темное время суток.
• Отсутствие резкости — много подвижных линз в зум-объективах не позволяет добиться такой резкости, как у фикс-объективов.
• Высокая стоимость — сложно произвести зумы, поэтому они стоят дороже аналогичных фиксов по качеству.
• Скорый износ — по сравнению с фиксовыми, зумы быстрее выходят из строя из-за большего количества подвижных деталей.

Шаг 2 – Различные фокусные расстояния и их использование

Сверхширокоугольный 12-24 мм

Эти объективы считаются специализированными и нечасто используются простыми фотографами. Они позволяют достичь такого широкого угла обзора, что изображения могут выглядеть искажённо, поскольку наши глаза не привыкли воспринимать такой диапазон. Они часто используются для съёмок событий и архитектуры, а также в ограниченных пространствах. Широкоугольные объективы помещают фотографа в эпицентр событий, превращая его из наблюдателя в участника и создавая эффект присутствия, что не подходит для портретной съемки, поскольку это может привести к значительному искажению черт лица.

Широкоугольный 24-35 мм

Здесь находятся множество комплектных объективов для полнокадровых камер, начинающихся с фокусного расстояния 24 мм, когда угол остается достаточно широким, но искажения при этом не так отчетливо выражены. Эти объективы популярны в репортажной фотографии и среди фотожурналистов, так как обеспечивают достаточный угол для включения большого количества элементов в кадр с минимальными искажениями.

Стандартный 35-70 мм

В этом диапазоне фокусных расстояний, особенно в районе 45-50 мм, угол зрения объектива примерно соотносится с тем, как видят наши глаза (за исключением бокового зрения). Лично я предпочел бы использовать этот диапазон для уличной съемки или встреч с друзьями в уютных заведениях.

Стандартный объектив, как, например, 50 мм f/1.8, является отличным вариантом, доступным по цене и обеспечивающим хорошие результат. Объектив с фиксированным фокусным расстоянием обеспечит лучшее качество изображения по сравнению с зумом, так как заточен под выполнение одной задачи.

Начальное телефото 70-105 мм

Этот диапазон обычно является конечным для стандартных комплектных объективов и представляет собой начало телеобъективов и фикс-объективов, выпускаемых для портретной съемки (порядка 85 мм). Это отличный выбор для портретной фотографии, так как позволяет снимать крупные портретные снимки без искажений, а также отделять объект от фона.

Теле 105-300 мм

Объективы в этом диапазоне часто используются для съёмок на дальние расстояния, например, далеких объектов, таких как здания или горы. Они не очень подходят для пейзажной съемки из-за сжатия перспективы. Линзы с большим фокусным расстоянием, как правило, используются в спортивной съемке или съемке дикой природы.

Шаг 3 – Как фокусное расстояние влияет на перспективу?

Я уже упоминал об этом в предыдущем разделе, но, чтобы дать вам более полное представление о влиянии фокусного расстояния на перспективу, я сделал 4 фотографии одних и тех же предметов, используя различные фокусные расстояния для сравнения. На каждой фотографии три предмета (банки с супом) находились в одном и том же положении, с расстоянием в 10 см друг от друга. Замечу, что съемка проводилась на кроп-камеру, поэтому фактическое фокусное расстояние в значительной степени увеличивается.

Теперь давайте обсудим, что такое кроп-фактор. Это означает, что при установке любого объектива для полнокадровой камеры (EF, FX и т.д.) на кроп-камеру, часть изображения будет обрезана. Обычно коэффициент обрезки составляет около 1.6. В реальности это значит, что если вы используете объектив 35 мм, то получите аналог результата, будто вы снимали с объективом 50 мм.

Как это выглядит, можно увидеть на следующих рисунках. Это своего рода зуммированное изображение, что сужает угол обзора объектива.

Даже на объективах, сконструированных для кроп-камер (EF-S, DX), все равно будет иметь место подобный эффект, поскольку фокусные расстояния указываются для полнокадровых камер. Просто эти объективы на полнокадровом сенсоре будут выдавать сильное виньетирование из-за неполного проецирования изображения на всю площадь кадра.

На этом все! А теперь держите два совершенно различных снимка, сделанных на разных фокусных расстояниях. Первый — на 24 мм, второй — на 300 мм (оба на камере с кроп-сенсором).

Комментарии: 30

Утверждение автора о том, что «кроп-фактор фактически представляет собой зуммирование», является глубоко ошибочным и распространенным заблуждением.
На самом деле, так называемое «зуммирование» зависит исключительно от фокусного расстояния объектива и размера пикселей камеры.

Фокусное расстояние — это неизменная величина объектива, и на камерах с любым коэффициентом обрезки, 50 мм останется 50 мм. Поэтому утверждения вроде «если вы снимаете объективом 35 мм, то будет результат как при использовании 50 мм» ошибочны и могут ввести в заблуждение.

Запомните, кроп-фактор не дает никакого «увеличения» или «зуммирования» изображения; он лишь изменяет угол зрения.

Если для кого-то этот факт стал открытием, вы можете легко это проверить. Для этого возьмите две камеры с одинаковыми размерами пикселей, одну с КФ=1, а другую с КФ=1,6 (например, 5Ds и 7D Mark II) и сделайте две фотографии с одинаковым объективом.
При просмотре на мониторе в 100% размере объекты на обеих фотографиях будут одинакового линейного размера.

P.S. Честно говоря, я был весьма удивлен увидеть такое утверждение на столь авторитетном ресурсе.

Почему же 85 мм — это наиболее оптимальное фокусное расстояние для портретной фотографии?
Я считаю и слышал, что наши глаза видят в диапазоне от 85 до 135 мм.

Сергей, 25 августа 2016 года, 18:41:08. Некоторые термины в обсуждении f/2 не совсем понятны в контексте перехода между фокусным расстоянием (f) и диаметром линзы при расчете площади апертуры. То есть, если f=130, то о диаметре какой линзы идет речь?

Широкоугольные объективы

На основе фокусного расстояния объективы можно делить на несколько категорий: широкоугольные, стандартные, портретные и телеобъективы. Это деление условно, но помогает лучше ориентироваться в широчайшем ассортименте объективов.

Итак, объективы с фокусным расстоянием от 4 до 35 мм считаются широкоугольными. У них достаточно широкий угол обзора — от 55 градусов и выше. Если говорить простым языком: стандартная камера практически любого смартфона — это умеренный широкоугольный объектив, а съемка в режиме 0.6 — это выраженный широкоугольный объектив.

Широкоугольные объективы прекрасно подходят для репортажной съемки, особенно в ограниченных помещениях; их часто применяют для съемки архитектуры и сложных панорам. Часто широкоугольные объективы можно увидеть в арсенале свадебных фотографов. При умении работать с ракурсами на такие объективы можно создать динамичные и интересные кадры.

При съемке на широкоугольный объектив желательно помещать героев в центр кадра / Фото: mywed.com/Andy Vox

Одной из характерных особенностей широкоугольных объективов является то, что перспективные искажения становятся очевидными по краям кадра. Это можно использовать как художественный прием, придающий фотографиям более динамичный вид.

Одной из подкатегорий широкоугольных объективов являются фишай, или так называемые рыбьи глаза. Их искажения по краям настолько выраженные, что они имеют округленную форму.

Типичный снимок, сделанный с помощью фишай: прямые линии архитектуры скругляются / Фото: unsplash.com

При съемке с использованием широкоугольного объектива вы неизбежно столкнетесь с тем, что передняя линза быстро пачкается, так как у этого класса объективов она довольно крупная и выпуклая. Чтобы избежать порчи снимков из-за грязи и пыли, важно поддерживать чистоту линз. Чистить их можно, например, используя специальный пенал или мягкие микрофибровые салфетки.

Штатные и универсальные объективы

Продвигаясь далее по диапазону фокусных расстояний, мы попадаем в категорию штатных и универсальных объективов.

Штатные обычно подразумевают те объективы, которые идут в комплекте с камерой. Как правило, это зум-объективы с диапазоном фокусных расстояний от умеренного ширика до начального портретника. Например, популярны линзы с фокусным расстоянием 24-70 мм. Такие объективы довольно универсальны: они не имеют выраженной специализации, что позволяет снимать практически любые сюжеты. Однако добиться выдающегося результата с их помощью бывает затруднительно.

Fujifilm X-T10 со штатным зумом / Фото: unsplash.com

В более дорогом сегменте можно встретить универсальные объективы с широким диапазоном фокусных расстояний — например, 24-200 мм. Эти модели отлично подходят для репортажной съемки, поскольку позволяют снимать разные сюжеты, не меняя позиции. Если вы используете дорогостоящий объектив, следует задуматься о защите линз — например, о том, чтобы использовать ультрафиолетовый фильтр, который предотвратит появление пыли и царапин на стеклах.

Каково фокусное расстояние человеческого глаза?

Фотографы и видеографы часто стремятся запечатлеть естественную перспективу, то есть сцену, соответствующую той, что видит человеческий глаз. Однако такое сравнение усложняется тем, что сетчатка глаза имеет изгиб, а зрение бинокулярно. Поле зрения каждого глаза составляет около 120–200°. Это именно диапазон, так как по краям мы чаще всего замечаем лишь движение, а не детали. Поле зрения обоих глаз перекрывается в пределах около 130°, но центральная зона зрения равна 40–60°. Принято считать, что объектив 50 мм создает перспективу, наиболее близкую к тому, что видит человеческий глаз, однако и поле зрения, конечно, несколько отличается.

Разные объективы на разных камерах и даже с разными экстендерами могут иметь широкий спектр эффективных фокусных расстояний, некоторые из которых обеспечивают перспективу, схожую с человеческим глазом.

Объектив Canon RF 5.2mm F2.8L DUAL FISHEYE решает эту проблему с другой стороны. Это специализированный объектив, относящийся к системе Canon EOS VR, который объединяет два фишай объектива. Центры двух элементов находятся на расстоянии примерно 60 мм друг от друга — это среднее расстояние между центрами зрачков человека, что позволяет создавать естественный эффект стереоскопического просмотра. На совместимой полнокадровой камере, поддерживающей запись видео в 8K, такой как EOS R5, эти объективы записывают материал для обоих глаз в виде единого VR 180° файла. После обработки такого материала получаются потрясающие VR-опыты с эффектом погружения, позволяющие зрителю с совместимой гарнитурой перемещаться в любых направлениях, включая вверх, вниз, в стороны, что дает полный угол обзора 180°.

Телеобъективы и супертелеобъективы являются превосходным выбором для съемки спортивных событий, поскольку позволяют заполнить кадр объектом, не находясь при этом близко к нему. Снимок был выполнен на камеру Canon EOS R с объективом Canon RF 600mm F11 IS STM при следующих параметрах: 1/1600 сек., f/11 и ISO 800.

О широкоугольных, стандартных и телеобъективах

Объективы можно классифицировать на три основные категории в зависимости от их фокусного расстояния: широкоугольные, стандартные и телеобъективы.

• Широкоугольные объективы, которые охватывают более широкий угол зрения по сравнению с человеческим глазом, имеют фокусное расстояние примерно до 35 мм. Они полезны для создания больших групповых портретов, а также съемки архитектуры и масштабных пейзажей. Эти объективы особенно популярны среди видеоблогеров, которые хотят захватить как можно больше окружающей среды в своем кадре. Объективы с фокусным расстоянием менее 24 мм (полнокадровый эквивалент) иногда называют сверхширокоугольными.
• Стандартные объективы — это модели с фокусным расстоянием около 50 мм; часто сюда попадают модели в диапазоне от 35 до 85 мм. Как уже было отмечено, такие фокусные расстояния предоставляют натуральную перспективу, схожую с тем, что видит человеческий глаз, что делает их популярным выбором для путешествий и портретной съемки, а также универсальным инструментом для тех, кто хочет избегать оптических искажений.
• Телеобъективы, или объективы с фокусным расстоянием свыше 85 мм, предлагают более узкую перспективу по сравнению с человеческим глазом, что позволяет эффективно снимать удаленные объекты с больших расстояний. Это может быть съемка людей на общественных мероприятиях или создание портретов на улице. Объективы с фокусным расстоянием свыше 300 мм часто именуют супертелеобъективами. Например, модели RF 600mm F4L IS USM и RF 800mm F5.6L IS USM находят активное применение у фотографов, занимающихся спортом и дикой природой, так как без них сложно запечатлеть объекты крупным планом. Чем длиннее фокусное расстояние, тем ближе можно запечатлеть объект или даже снимать его на расстоянии.

Некоторые зум-объективы имеют диапазон, позволяющий относить их одновременно к нескольким категориям, включая широкоугольные и телеобъективы, как в случае универсальной модели Canon RF 24-240mm F4-6.3 IS USM.

Супертелеобъективы, которые раньше были доступны только профессиональным фотографам и выглядели как ненужная роскошь для большинства пользователей, стали гораздо более доступными благодаря новым инженерным и технологическим решениям. Например, модель RF 600mm F11 IS STM идеально подходит для фотографирования животных и любительской съемки дикой природы, к примеру, в вашем саду — всё благодаря малому минимальному расстоянию фокусировки и меньшим затратам по сравнению с другими объективами в категории 600 мм. То же касается RF 800mm F11 IS STM, который отлично подходит для путешествий и дикой природы, включая ниши, такие как фотосъемка птиц и авиации.

Canon также производит экстендеры для объективов RF (слева) и EF (справа), которые позволяют увеличить их фокусное расстояние вдвое. Эти устройства станут идеальным выбором, если вам нужно путешествовать налегке, так как они значительно компактнее, чем второй объектив.