Что такое дисторсия?

12/28/2015 - 05:07
Дисторсия

Рис. 1. Искажения прямоугольной сетки. 1. Оригинальное изображение. 2. Бочковидная дисторсия. 3. Подушковидная дисторсия.

Дисторсия это последняя из аберраций Зейделя. Ее легко признали аберрацией, поскольку она деформирует изображение в целом. Она проявляется в том, что прямые линии в пространстве на матрице или пленке фотоаппарата проецируются как изогнутые, это явление еще часто называют криволинейной дисторсией. Рис. 1 иллюстрирует два основных вида дисторсии — бочковидная и подушковидная.

Прямые линии, которые искажаются по форме бочки это бочковидная дисторсия. А те, которые искажаются по форме подушки, это подушковидная дисторсия. При этом прямые линии, которые проходят через центр изображения, остаются прямыми, несмотря на то, что их длинна (радиус) изменяется по сравнению с крайними.

Canon EF 14mm F / 2.8L II USM ƒ/3.5 © Phil Roeder

Фотография сделана фишай объективом Canon EF 14mm F / 2.8L II USM. Несмотря на то, что объектив имеет сильную бочковидную дисторсию, линии, проходящие через центр кадра не искажаются.

А на этом фото, сделанным тем же объективом Canon EF 14mm F / 2.8L II USM, четко выражена бочковидная дисторсия прямых линий, находящихся вдали от центра кадра. Чем дальше такие линии, тем сильнее дисторсия.

 

Суть явления дисторсии

Основной причиной дисторсии является апертурный стоп в системе линз. Положение такого стопа определяет силу и характер дисторсии, как показано на Рис. 2 для простой положительной линзы.

виды дисторсии

Рис 2. Влияние положения апертурного стопа на дисторсию. Обратите внимание, что размер изображения h отличается для постоянного размера объекта у.

Положение точки изображения определяется пересечением главного луча (сплошная линия) с плоскостью изображения. Главный луч — это луч, который проходит через центр стопа, и определяет характер для световых конусов впереди и позади стопа.

Когда апертурный стоп находится в центре системы линз, т.е. когда главный луч входит через оптический центр линзы,  он выходит из нее под тем же углом, что и вошел. Такая система не искажает изображения и называется ортоскопической.

Если стоп находится впереди или сзади, главный луч преломляется. Расстояния до изображения на матрице и до объекта съемки измеряются вдоль главного луча, который в реальности отличается от ортоскопического примера. Соотношения этих расстояний определяет коэффициент изображения h/y, который меньше, если стоп впереди и больше, если сзади. Прямые линии будут искажены, если коэффициент h/y является функцией внеосевого расстояния у.

Если коэффициент h/y уменьшается по направлению к углам изображения, то это бочковидная дисторсия. А если увеличивается, то это подушковидная дисторсия.

Величина диафрагмы не влияет на дисторсию, поскольку главный луч не изменяет свой путь при изменении значения диафрагмы. Если допустить, что апертурный стоп отсутствует, то линза на Рис. 2 имеет такие аберрации, как сферические, кома, астигматизм и выдает нерезкое изображение для любой точки пространства.

 

Дисторсия в объективах

Сложные объективы, такие как ретрофокусные широкоугольные объективы, как правило, имеют бочковидную дисторсию, поскольку передняя группа элементов выступает в качестве апертурного стопа для положительной задней группы.

Телеобъективы имеют отрицательную заднюю группу линз, поэтому имеют подушковидную дисторсию.

В зум объективах сложно скорректировать дисторсию, которая переходит из бочковидной на коротком конце в подушковидную на длинном.

Минимальная дисторсия наблюдается у объективов с симметрической оптической схемой, благодаря симметрии она приближается к ортоскопической.

Как упоминалось выше, прикрывая диафрагму, невозможно исправить дисторсию, но зато диафрагма является инструментом для контроля всех других видов аберраций.

Если установить объектив через реверсивный макро адаптер (кольцо оборотное для макросъемки), то характер дисторсии также изменится, бочковидная дисторсия станет подушковидной и наоборот.

Если проецировать слайд с фотографией, искаженной дисторсией в реверсе через тот же объектив, которым снята эта фотография, или через объектив имеющий те же параметры дисторсии, то на проецируемом изображении дисторсия будет отсутствовать.

Как и другие аберрации, дисторсия зависит от дистанции к объекту съемки. При фокусировке на бесконечность или на ближние дистанции, один и тот же объектив будет давать разную степень дисторсии.

 

Дисторсия на практике

сетка дисторсии объектива Zeiss 21mm f/2.8 Distagon

Рис. 4 . Сетка дисторсии объектива Zeiss 21mm f/2.8 Distagon

пример дисторсии Zeiss 21mm f/2.8 Distagon

Рис. 5. Пример дисторсии на фотографии, снятой объективом Zeiss 21mm f/2.8 Distagon

 

Рис. 5 иллюстрирует фотографию снятую объективом Zeiss 21mm f/2.8 Distagon. Массив окон и красный карниз, параллельный крыше, соответствует кривизне на теоретической сетке Рис. 4. Но это не все. Во время экспозиции, близко к объективу внизу кадра была подставлена черная линейка. Хотя его край немного размыт, линейка ясно показывает, что дисторсия зависит еще и от расстояния до объекта.

На крыше при дистанции около 10 м наблюдается умеренная дисторсия типа «усы», в то время как линейка на расстоянии нескольких сантиметров показывает сильную бочковидную дисторсию.

 

Дисторсия и перспектива

Криволинейная дисторсия, рассмотренная выше, еще известна как оптическая дисторсия. Но ее не следует путать с другими эффектами, которые иногда ошибочно также называют дисторсией.

Перспектива в фотографии определяется расстоянием от точки съемки до объекта съемки. Близлежащие предметы оказываются больше, чем удаленные объекты того же размера, из-за этого возникает чувство глубины или сходимости линий, которые реально в пространстве параллельны.

Известным примером эффекта перспективы являются сходящиеся вертикали, которые возникают, когда здание фотографируется под наклоном (рис. 6). Перспектива не влияет на фокусное расстояние объектива. Она зависит только от точки съемки.

сходящиеся вертикали

Рис. 6. Сходящиеся вертикали. Снято объективом 18mm на полном кадре.

 

Обозначение «перспективная дисторсия» часто применяется, чтобы описать, сходящиеся вертикали и другие проявления перспективы, но это сомнительное определение. На самом же деле перспектива не имеет ничего общего с дисторсией.

Фотография на рис. 6, показывает естественную перспективу. Существуют шифт-объективы (perspective control lenses), c помощью которых можно скорректировать сходящиеся вертикали. Они создают иллюзию другой перспективы, но в реальности шифт-объективы отображают неестественную перспективу, не такую, какую отображают обычные объективы.

Строго говоря шифт-объектив ничего не исправляет. Он имеет специальную механичускую конструкцию, а также формирует большое пятно рассеивания, благодаря чему можно сдвигать оптическую ось отноносительно матрицы. Т.е. он может лишь сдвинуть изображение, чтобы вместить предмет в кадр пленки. Предпосылкой для несходящихся вертикалей есть то, что плоскость пленки располагается параллельно зданию.

Фотографии с несходящимися вертикалями иногда сталкиваются с психологическим сопротивлением зрителя, в то время как фотографии с сходящимися линиями, такими как дороги, которые сужаются к горизонту легко принимаются и даже рассматриваются как искусство перспективы. Помимо удовлетворения аудитории, нет никакой принципиальной разницы между этими двумя случаями.

 

«Геометрическая дисторсия»

Другим типом так называемой дисторсии является «геометрическая дисторсия», которая проявляется, когда трехмерный объект проецируется на плоскую поверхность, такую как сенсор камеры. Например, сфера по центру изображения должна проецироваться на сенсор в виде круглого диска, в то время как в реальности при широком угле обзора она эллиптически растянута по краям изображения.

геометрическая дисторсия

Рис. 7. Пример «геометрической дисторсии». Снято объективом 18mm на полном кадре.

 

Люди на периферии кадра, снятого широкоугольным объективом получаются деформированы (см. Рис. 7) и иногда получаются с яйцевидной формой головы. Этот геометрический эффект является естественным следствием наклонного проецирования и использование слова «дисторсия», для описания этой аномалии будет некорректным.

В отличии от оптической дисторсии, перспективные и геометрические искажения не являются аберрацией объектива. И причиной проявления этих аномалий является неправильная точка съемки. В идеале каждый фотограф должен выбирать точку съемки, которая соотносится с сюжетом, который он снимает.

Фотография, снятая телеобъективом лучше смотрится на расстоянии, а снятая широкоугольным объективом — вблизи.

Фотография со сходящимися вертикалями смотрится более естественно, если ее рассматривать с нижней точки. Точно также «яйцевидные головы» на фотографиях лучше рассматривать с близкого расстояния.

К сожалению человеческий глаз не охватывает такой широкий угол обзора, который дают широкоугольные объективы и рассматривая фотографии с широким углом обзора, человек смотрит на них с большего расстояния, нежели они сняты, и естественно замечает искажения, которые воспринимает как дисторсию.

 

© Paul van Walree 2001–2015
Источник: http://toothwalker.org/optics/distortion.html

Перевод: Иван Косареков


Понравилась статья? Поделись с друзьями.




Добавить комментарий