Диапазон расстояний на телевизионном изображении, в котором объекты воспринимаются резкими, называется глубиной резко изображаемого пространства (ГРИП). Глубина резкости варьируется в зависимости от используемой ТВ‑камеры (размера светочувствительного элемента), фокусного расстояния, величины апертуры диафрагмы и расстояния фокусировки до объекта.
Любой объект или группа точек, занимающих в поперечнике не более 0,1 мм с расстояния 25–30 см, глаз воспринимает как одну точку. Границы предельного размытия точки, после которых она воспринимается как нерезкая, называются кружком нерезкости или пятном рассеяния. Кружок нерезкости возникает в связи с погрешностями оптической системы, такими как дифракция, аберрация и астигматизм.
Рисунок 1. Визуальное представление кружка нерезкости (рассеяния).
При съёмке объектов на разных дистанциях наиболее резким получается тот объект, на который произведена наводка объектива на резкость (точка фокусировки). Однако в связи с допустимой нерезкостью практически резкими оказываются объекты, расположенные несколько ближе и дальше от неё, то есть в пределах границ, между которыми находится резко изображаемое пространство. Вследствие этого в наводке объектива на резкость может быть допущена некоторая погрешность. Допустимое смещение объектива относительно положения точки фокусировки (соответствующей наилучшей резкости изображения), при котором изображение остаётся практически резким, называется глубиной резкости объектива. Глубина резко изображаемого пространства может варьировать от нескольких миллиметров до бесконечно больших расстояний, а глубина резкости объектива практически не превышает десятых долей миллиметра.
Рисунок 2. Cхематичное представление глубины резкости.
Глубина резкости для одного и того же объектива в разных случаях съемки неодинакова и зависит от величины расстояния от точки фокусировки до объекта съемки, действующего относительного отверстия объектива (диафрагмы) и фокусного расстояния объектива.
Чем больше расстояние, на которое произведена наводка объектива, тем больше и глубина резко изображаемого пространства. Она уменьшается с приближением плоскости наводки к точке съемки. Чем ближе будет располагаться камера к объекту съемки, тем меньшей будет глубина резкости, независимо от фокусного расстояния и величины диафрагмы объектива. К примеру, глубина резкости объектива с фокусным расстоянием от 50 мм с диафрагмой F/16 сфокусированного на 2 м, будет гораздо меньшей чем при фокусировке того же объектива на 10 м. Поэтому при работе на близких расстояниях (минимальной дистанции фокусировки) очень важна точная фокусировка, чтобы объект на который сфокусирована камера был в зоне глубины резкости.
Рисунок 3. Глубина резкости уменьшается по мере приближения к объекту съемки.
Величина глубины резкости также находится в непосредственной зависимости от относительного отверстия объектива. Чем меньше относительное отверстие, тем больше глубина резко изображаемого пространства, и наоборот. При установке малых значений диафрагмы (большого диафрагменного числа) световой луч, проходящий через линзы объектива, очень сильно сужается и даже, если резкость была наведена недостаточно тщательно, свет, исходящий от объектива, будет не так сильно рассеян, как при использовании большего относительного отверстия. В результате изображение видится достаточно резко. Широко открытая диафрагма объектива F/1.4 или F/2.0 — покрывает только глубину объекта, а при малом открытии диафрагмы F/11 или F/16 — она расширяется до бесконечности (расстояние до самой дальней визуально наблюдаемой точки). И здесь, хочется упомянуть про такой термин, как гиперфокальное расстояние. Гиперфокальным расстоянием объектива называется такое расстояние, начиная с которого при ЛЮБОМ значении диафрагмы все предметы становятся максимально резкими. Другими словами, это расстояние до ближайшей резкой точки, при настройке объектива на бесконечность.
Необходимо учитывать, что:
— чем больше значение диафрагмы тем больше гиперфокальное расстояние;
— чем более широкий угол у объектива, тем меньше гиперфокальное расстояние. Для сверхширокоугольных объективов гиперфокальное расстояние начинается очень близко – с двух-трех метров, в то время как у длиннофокусных может начинаться со ста и более.
Рисунок 4. Зависимость глубины резкости от значения относительного отверстия объектива.
Необходимо запомнить, что при любом фиксированном значении относительного отверстия (диафрагмы) глубина резкости тем меньше, чем больше фокусное расстояние. Если требуется очень большая глубина резкости, которую невозможно получить с данным объективом при полном заполнении кадра выбранным сюжетом, можно перейти на объектив с более коротким фокусным расстоянием (он даёт большую глубину резкости) или, если на ТВ-камере используется объектив с переменным фокусным расстоянием, уменьшить фокусное расстояние. При съёмке двумя объективами одинаковой светосилы глубина резкости больше у объектива с меньшим фокусным расстоянием, так как в этом случае диаметр действующего отверстия у короткофокусного объектива меньше, чем у длиннофокусного. Если светосила различается, глубина резкости будет больше у объектива с меньшей светосилой. Таким образом, при увеличении фокусного расстояния и одновременном открытии диафрагмы до максимума глубина резкости на изображении уменьшается.
Как рассчитать глубину резкости математическим способом?
Рисунок 5. Графическое представление к расчету глубины резкости.
Плоскость в пространстве предметов, на которую сфокусирован объектив, называется плоскостью наводки. Ближайшая к объективу плоскость, в которой предметы еще выглядят резкими согласно принятому критерию резкости и соответствующему ему кружку рассеяния, называется передней границей глубины резкости, а наиболее удаленная – задней границей глубины резкости. Сама глубина резкости вычисляется как расстояние между передней и задней границами.
где: Lпер и Lзад – расстояние до передней и задней границ глубины резкости, соответственно; L – расстояние до плоскости наводки; f – фокусное расстояние объектива; K – значение диафрагмы (диафрагменное число); Z – диаметр пятна рассеяния на матрице, о котором мы подробно говорили выше.
Итоговое выражение для глубины резкости имеет следующий вид:
Диаметр пятна рассеяния может быть различен в зависимости от размера единичного пикселя матрицы ТВ камеры и может быть рассчитан исходя из следующей формулы: Z = N x 1.414, где Z – диаметр пятна рассеяния, N – размер пикселя камеры,1.414 – диагональный размер пикселя. Необходимо отметить, что предложенный способ вычисления диаметра пятна рассеивания подразумевает использование максимального доступного разрешения вашей ТВ камеры, а также последующий просмотр изображения при 100% увеличении.