Добро пожаловать на наш астрономический форум! Здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали. Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил.

ГРИП

Базовые понятия и термины астрономической оптики
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11102
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

ГРИП

Сообщение Ernest » 03 июл 2018, 08:38

У вас ГРИП? - Будьте здоровы!

ГРИП это такая аббревиатура: Глубина Резко Изображаемого Пространства. Это понятие весьма важное для подбора фокусного расстояния объектива и диафрагмы при съемке сцены на которой сюжетно важные объекты расположены на разном расстоянии от камеры. К примеру, снимок группы людей, портрет с радикальным размытием не только фона но и ушей портретируемого.

При использовании достаточно светосильного и длиннофокусного объектива можно заметить, что предметы фона более далекие чем объект съемки, также как и более близкие (переднего плана) немного или даже очень сильно не в фокусе - изображены не резко. Это происходит из-за того, что объектив фотокамеры способен оптически сопрягать с плоскостью фотоприемника только одну плоскость в пространстве предметов (объектов съемки). Все что попадает в эту плоскость фокусировки (обычно перпендикулярную оси симметрии объектива) изображается на фотоснимке резко (если не обращать внимание на аберрации объектива и дифракцию света), прочие более близкие и далекие детали изображаются с расфокусировкой-размытием тем большим чем больше расстояние этой детали от плоскости фокусировки. Если величина отступления изображаемой детали от плоскости фокусировки невелика, то резкость изображения страдает не сильно, если отступление велико, то изображение фона и переднего плана размывается, становится нерезким. То есть к плоскости фокусировки примыкает зона достаточно резко изображаемого пространства, эта зона имеет ограниченную протяженность по глубине, которую и называют ГРИП.

Практика показывает, что ГРИП тем тоньше, чем выше светосила и длиннее фокусное расстояние фотообъектива. При тонкой ГРИП фокусировку приходится делать особенно тщательно, понимая что достаточно резко будут изображены только те части сцены (предмета фотосъемки), которые попадут в ГРИП - промежуток между ближней и дальней границей резко изображаемого пространства.
ГРИП.PNG
Теперь немного математики. При расстоянии до сюжетно важной детали объекта съемки (точнее той детали, по которой фотограф производит фокусировку) L можно ввести понятия Lбл. - расстояние до ближней к камере границы резко изображаемого пространства и Lдаль. - расстояние до дальней границы. Если задаться неким допустимым диаметром пятна расфокусировки dy' на фотоприемнике, то нетрудно вывести упрощенную формулу для определения глубины резко изображаемого пространства dL = Lдаль. - Lбл.:

dL = 2*k*(L/F)2*dy', (1)

где k - диафрагменное число (диафрагма) или относительное фокусное расстояние фотообъектива, а F - фокусное расстояние фотообъектива.

К примеру, при допустимом диаметре пятна расфокусировки dy' = 0.01 мм, диафрагме k = 2, расстоянии до предмета съемки 1000 мм (один метр) и фокусном расстоянии объектива F = 50 мм глубина резко изображаемого пространства составит всего dL = 2*0.01*2*(1000/50)2 = 16 мм! То есть при съемке портрета в таких условиях придется попотеть вписывая глубину рельефа лица в эти 16 мм!

Несложный анализ формулы (1) показывает, что ГРИП очень сильно (квадратично) зависит от отношения расстояния до объекта к фокусному расстоянию объектива и пропорциональна dy' (пределу разрешения на кадре) и диарфагменному числу k. Хотите большой объем резко изображаемого пространства - в первую очередь используйте короткофокусные объективы, а во вторую - поджимайте диафрагму. И наоборот, хотите посильнее размыть фон - снимайте более длиннофокусным объективом на максимальной диафрагме.

Уточнение
Существуют точные, хотя и более громоздкие, формулы для расчета ГРИП:

Lбл. = L*F2/(F2-k*(L-F)*dy')) (2)

Lдаль. = L*F2/(F2+k*(L-F)*dy')) (3)

dL=L*F2/(F2+k*(L-F)*dy')) - L*F2/(F2-k*(L-F)*dy')) (4)

Эти формулы включают те-же переменные, но с более не очевидным их влиянием на результат.

Как правильно задать dy'?
Если все остальные составляющие, которые влияют на ГРИП более-менее понятны, то с определением dy' есть проблемы.

Обычно задают предел разрешения на фотоприемнике. Если размер по горизонтали (матричного) приемника вашей фотокамеры X (мм), а максимальное число пикселей по горизонтали N, то dy = m*X/N, где m - коэффициент связанный с восприятием расфокусировки. Если фотографируем резкий полный мелких деталей объект то m можно положить равным 3..4. Если фотографируем гладкий предмет с плавными градиентами m = 7..10.

Например, при использовании в качестве камеры Canon 100D размер приемника по горизонтали X = 22.3 мм, число пикселей по горизонтали N = 5184. То есть размер пикселя приемника 22.3/5184 = 0.0043 мм. А dy' для особенно резких снимков составит 0.0043*3 = 0.013 мм, а по более градиентным и размытым объектам достигать 0.0043*10 = 0.043 мм

Но можно подойти и со стороны предела разрешения на предмете съемки - взять за ориентир диаметр пятна расфокусировки приведенного к предмету dy = dy'*L/F. Что вроде-бы более натурально. Заметим, что L/F - ни что иное как коэффициент уменьшения размера изображения на кадре к размеру изображаемого предмета. Тогда формула (1) даже немного и упростится:

dL = 2*k*L*dy/F (5)

Получается, что глубина резко изображаемого пространства пропорциональна диаметру пятна расфокусировки в масштабе изображаемого предмета, диафрагменному числу, дистанции до предмета и обратно пропорционально фокусному расстоянию объектива.

Например, при съемке портрета с дистанции 1000 мм (метр), объективом с фокусным расстоянием 50 мм, диафрагмой 2 и допустимым размытием в деталей портрета в 1.5 мм ГРИП будет равен dL = 2*1.5*2*1000/50 = 120 мм.

Гиперфокальное расстояние
Если сфокусироваться по астрономически - на "бесконечность", то все предметы далее некоторого расстояния от камеры будут выглядеть более-менее резко. Это расстояние H называется гиперфокальным. Его нетрудно оценить:

H = F2/(k*dy') = F*D/dy' (6)

где D (мм) - апертура фотообъектива.

Например, для объектива с F=50 мм и диафрагмой k=2, при допуске на расфокусировку dy' = 0.01 гиперфокальное расстояние составит H = 50*50/(2*0.01) = 125000 мм или 125 метров

Получается что при такой съемке глубина резко изображаемого пространства от H и до "бесконечности". Но имеется искусственный прием, который позволяет увеличить это пространство вдвое. Для этого надо фокусироваться не на "бесконечность", а по предмету расположенному на гиперфокальном расстоянии. Тогда предметы на "бесконечности" будут изображаться с кружком нерезкости диаметром dy' - также как и предметы находящиеся вдвое ближе чем H, а точно в фокусе будут предметы расположенные на расстоянии H. При таком способе фокусировки резко изображаемое пространство начнется с половины гиперфокального H0.5 = H/2. Чтобы сфокусироваться на гиперфокальное расстояние надо сначала сфокусироваться на "бесконечность", а потом ввести расфокусировку (смещая приемник от объектива) равную dz' = F*dy'/D = k*dy'.

Для расчета гиперфокального расстояния можно исходить не из dy', а из кружка рассеивания на предмете заданного в угловой мере например в угловых секундах dφ" или минутах dφ'. Очевидна следующая связь допуска на пятно расфокусировки на изображении (приемнике) и на предмете съемки:

dy' = F*dφ"/200000 = F*dφ'/3500 (7)

Получаем

H = F*D/(F*dφ"/200000) = 200000*D/dφ" = 3500*D/dφ' (8)

где D (мм) - апертура фотообъектива.

Например, для объектива с входной апертурой 80 мм, при угловом диаметре допустимого пятна расфокусировки dφ" = 2 угл. сек. гиперфокальное расстояние составит H = 200000*550/2 = 55000000 мм или 55000 метров или 55 км. Половина гиперфокального расстояния H0.5 составит 27.5 км

ГРИП дифракционно ограниченной оптики
Даже при отличной совершенно безаберрационной фотографической оптике диаметр светового пятна, которым "рисуется" изображение, из-за дифракции не может быть меньше dy' = 1.34*k (диаметр пятна Эйри в мкм). То есть мы вполне можем задаться пятном dy' расфокусировки не большим, чем диаметр пятна Эйри и в формулах расчета ГРИП станет меньше входных данных:

dL = 2*k*(L/F)2*1.34*k/1000 = (k*L/F)2/370 = (L/D)2/370 (9)
и
H = F*D/(1.34*k/1000) = 750*D2 (10)

Заметим, что это довольно жесткое условие - ГРИП будет очень узким, а L, F, D в этих формулах, так-же как и результат dL и H - значения в мм (для перевода H в метры или километры результат надо будет делить на 1000 или 1000000.

К примеру, при съемке птичек объективом с входной апертурой D = 80 мм на дистанции L = 20 метров (20000 мм) дифракционно ограниченная ГРИП составит (20000/80)2/370 = 169 мм - не так и много на такой большой дистанции! А при фотографии пролетающего журавлиного клина на фоне диска Луны телескопом с апертурой 200 мм гиперфокальное расстояние составит 750*2002 = 30000000 мм или 30 км. То есть, скорее всего, и силуэты журавлей, и Луна одинаково предельно резкими на снимке не получатся. Едва-ли журавли будут пролетать дальше 30 км (и даже 15 км - половины гиперфокального расстояния) от объектива телескопа.

Аватара пользователя
Vital
Сообщения: 681
Зарегистрирован: 13 дек 2016, 16:11
Откуда: Latvia / Riga
Контактная информация:

Re: ГРИП

Сообщение Vital » 07 июл 2018, 16:14

Для подсчёта ГРИП есть хороший калькулятор с учётом всех популярных камер:
http://www.fotodvor.com/dof_files/dof.html
Bresser 7x50, SW 120/600, SW 130/650 PDS, SW 200/1000 PDS, NEQ-5

Ответить