О пейзажной фотографии, глубине резкости, реальном разрешении и камерах разных размеров

Для сравнения "пейзажных" возможностей 12-ти Мп камер Canon и форматных камер 4х5 / 8х10 дюймов составлена таблица гиперфокальных расстояний (напомню, при наводке на гиперфокальное расстояние ближняя граница резкости начинается с половины гиперфокального расстояния, а дальняя лежит в бесконечности). Данные для цифровых камер в ней рассчитаны исходя из эквивалентных (в пересчете на кадр 24х36 мм) фокусных расстояний, примерно, 35 и 200 мм. Для форматных камер - под объективы 135 мм (камера 4х5) и 270 мм (камера 8х10). Так же в таблицу внесены данные о дистанции до ближнего плана, который еще попадает в кадр при горизонтальной установке камеры на высоте 1,7 м.

При вычислении гиперфокального расстояния диаметр кружка рассеяния для цифровых камер вычислялся исходя из размера элемента матрицы. В первой части статьи было показано, что его можно принять равным ~3 элементам матрицы. И считать таковым, пока диаметр кружка дифракционного рассеяния не станет близким размеру отдельного элемента матрицы.

Размер кружка рассеяния для форматных камер возьмем 10 линий/мм, что, соответствует возможностям задиафрагмированной старой "форматной" оптики, а так же требованиям контактной печати (при рассматривании отпечатка на дистанции 25 см его детализация, соответствующая разрешению 10 линий/мм или кружку нерезкости 0,1 мм, "потребует" максимальных возможностей зрения, а значит изображение будет казаться "очень резким"). При принятом кружке рассеяния 0,1 мм меньшая форматная камера будет эквивалентна идеальной (кружок рассеяния приходится на два соседних штриха - черный и белый и на различающие их два соседних элемента матрицы) ~5 Мп цифровой камер (~12 Мп реальной, с линейным разрешением 1,5 пикселя), большая - ~20 Мп (~45 Мп реальной). Это оценка снизу, по кружку рассеяния. В зоне фокусировки, разумеется, разрешение выше. Если установить на такую камеру цифровой задник с большим разрешением, мы скорее всего, получим большую детализацию в зоне фокусировки (если дифракция не испортит картинку). Но для пейзажной фотографии этот локальный избыток разрешения ничего не дает - чтобы его заметить придется увеличивать "отпечаток" и тогда станет заметным падение разрешение вне фокуса.

Желтым цветом в таблице выделены ячейки, для которых дифракционное рассеяние (1,22*l*k, где l - длина волны, к - диафрагменное число) станет больше размера ячейки (для цифровых камер) или больше половины линейного разрешения (для форматных камер ~ 50 мкм; но это произойдет только после f/96, что в таблицу уже не вошло) и уже будет заметно влиять на изображение. Красным, когда разрешение будет определяться исключительно дифракционным рассеянием (2,44*l*k больше трех элементов матрицы; напомню, при этом совпадают минимумы соседних дифракционных пятен). В этой ситуации вычислять гиперфокальное расстояние по размеру кружка рассеяния в три элемента матрицы уже нельзя - допустимый кружок нерезкости определяется исключительно оптикой (дифракцией) - 2,44*l*k растет, а с ним и глубина резкости. Парадокса в этом нет - просто реальное разрешение падает и нет смысла вычислять глубину резкости по заведомо завышенному критерию точности. А раз так, глубина резкости растет. Это то же самое, что смотреть на маленький отпечаток - на нем все резко и глубина резкости большая. Гиперфокальное расстояние, вычисленное для увеличивающегося с диафрагмированием кружка рассеяния, указано за косой чертой в красных ячейках. Красные ячейки соответствуют ситуации, в которой увеличение разрешения матрицы никак не повлияет на реально разрешение.

Таблица иллюстрирует то, что было описано в первой части. Маленькая камера при некоторой диафрагме имеет такую же глубину резкости, как зеркалка при диафрагмировании на 4-5 ступеней больше. При этом, к сожалению, 12 Мп компактные камеры даже при самых открытых диафрагмах уже работают в условиях, когда дифракция существенно влияет на изображение и имеющиеся у них диафрагмы, меньшие f/5,6, снижают их реальное разрешение. Для зеркалок эта граница сдвинута до f/11-f/16.

При установке самого минимального фокусного расстояния (экв. ~35 мм для полнокадровой камеры), установке дистанции фокусировки на гиперфокус и съемке компактами с уровня головы в поле кадра все объекты воспроизводятся резко при любой диафрагме, а для зеркалок диафрагму нужно прикрыть до f/4-f/5,6 чтобы на снимке не было не резких объектов. При увеличении фокусного расстояния гиперфокальное расстояние растет быстрее (~f*f), чем сужается угол зрения (~1/f) и при съемке пейзажей не обойтись без заваливания камеры или поиска возвышающейся над местностью точки. В этом смысле, преимущества широкоугольной оптики и маленьких матриц для пейзажной фотографии очевидны.

4-5 ступеней, на которые нужно изменить диафрагму "больших" камер, чтобы по глубине резкости они догнали "маленькие", соответствуют изменению экспозиции в 16-32 раза. И если еще нужно сохранить длительность выдержки, то компенсируется это изменением экспозиции в те же 16-32 раза. ISO 80 компактов будет соответствовать ISO 1300 - 2600 больших камер. В этом контексте интересно сравнить шумы камер. Если при чувствительности 1300 - 2600 шум на изображении, полученном "большой" камерой, меньше шума "маленькой" при минимальной чувствительности, то можно говорить об эквивалентности камер при съемке сюжетов с одинаковой динамикой (скоростью движения объектов). Оказывается, при такой постановке сравнения, большие камеры немного уступают компактам.

Для сравнения шумов съемка проводилась при свете галогенной лампы накаливания. Поэтому синий канал самый шумный. Снимки всеми камерами сделаны в RAW и преобразованы в программе UFRaw с интерполяцией VNG. Все виды коррекции были выключены. В таблице приведены средние значения яркости и стандартного отклонения (для цветных каналов, обозначенных соответствующим цветом, и суммарной яркости).

Шум обратно пропорционален числу падающих фотонов, попадающих за одну экспозицию на светочувствительный элемент. Для зеркальных камер эта гипотеза хорошо согласуется с практикой. Увеличение площади в два раза позволяет при тех же шумах поднять чувствительность вдвое. А вот минимальная чувствительность в 50 ISO у EOS 5D, доступная при включении расширенного диапазона чувствительности, заметного на фоне ошибок измерений выигрыша в шумах не дает. Площадь пикселя у A650 в 18 раз меньше, чем у EOS 5D, и можно было ожидать худшего результата (шум у EOS 5D при 1600 ISO выше, чем у A650 при ISO 80; реально ISO 80 у этой камеры соответствует ISO 800 у EOS 5D, ISO 200 соответственно ISO 3200). Уменьшение размера снимков до 3 Мп позволяет сделать шумы маленькой матрицы при ISO 80 сопоставимыми с ISO 400 у EOS 5D. Конечно линейная интерполяция не самый эффективный способ борьбы с шумами, но дает представление о масштабах бедствия. Обращает внимание тот факт, что при переходе от ISO 800 к 1600 у A650 шумы даже уменьшаются, но при этом разрешение падает катастрофически. Т.е. создается впечатление, что система регистрации/обработки давит не шумы, а мелкие детали изображения.

Через кружок рассеяния легко оценить размер отпечатка, который можно получить, используя ту или иную камеру. Масштаб увеличения - отношение допустимого кружка нерезкости для отпечатка, к тому, который был выбран для оценки глубины резкости при съемке, фактически к реальному линейному разрешению камеры. Как уже отмечалось, кружок нерезкости не является некой строго определяемой величиной, реально соответствующей порогу разрешения глаза. Он зависит от методики определения. Поэтому далее в таблице приведены размеры отпечатков, вычисленные исходя из разных размеров кружка, соответствующего разрешению глаза при "лабораторных" измерениях (0,1 мм) и практически допустимому, при котором снимок с соответствующей детализацией еще кажется резким - (0,3 мм).

Вычисленные размеры отпечатков соответствуют случаю, когда дифракция еще не сильно уменьшает разрешение (диафрагма до f/5,6 на компактах, до f/11-f/16 у зеркалок). Не стоит особенно доверять обещаниям производителей камер, что с помощью их техники можно сделать фотографию А2 и больше! Напечатать то ее можно, но рассматривать придется не с 25 см, а с метра, чтобы изображение не казалось "мыльным". И еще нужно понимать, что разрешение матрицы определяет размер отпечатка, только если линейное разрешение оптики меньше расстояния между элементами. Мп и сантиметры связаны только для больших диафрагм (малых диафрагменных чисел) и больших матриц.

Сравнение снимков

Мы (авторы статьи) сравнили реальные "пейзажные" возможности камер EOS 5D, EOS 450D, PowerShot A650 IS PowerShot G9, проведя синхронную съемку нескольких сюжетов. Съемка выполнялась со штатива. Для каждой установки съемочных параметров делалось два-три снимка, из которых потом выбирался лучший. Формат съемки -RAW. Обработка выполнялась в конвертере Raw Therapee с одинаковыми установками существенных параметров. Шумоподавление и повышение резкости были выключены. Так как камеры оснащены разной оптикой, да и снимали мы с двух (разных) пар рук, то сравнение наше не совсем строгое. Отсутствие некоторых фрагментов в таблицах означает, что по ошибке некоторые снимки, кто-нибудь из авторов не сделал.

Съемка при минимальном фокусном расстоянии

Canon PowerShot G9, f=7,4 мм	Canon PowerShot A650IS f=7,4 мм	Canon EOS 5D, Sigma 24-70 мм f/2,8 EX DG, f=36 мм	Canon EOS 450D, Sigma 24-70 мм f/2,8 EX DG, f=24 мм
f/2,8, ISO 80, 1/1000 c	f/2,8, ISO 80, 1/1250 c	f/2,8, ISO 100, 1/1600 c	f/5,6, ISO 100, 1/320 c
f/5, ISO 80, 1/320 c	f/5,6, ISO 80, 1/400 c	f/14, ISO 100, 1/100 c	f/11, ISO 100, 1/80 c
	f/8, ISO 80, 1/160 c	f/14, ISO 1600, 1/1250 c	f/11, ISO 1600, 1/1250 c

Оказалось, что объектив Sigma 24-70 мм f/2,8 EX DG и камера EOS 450D (возможно, конкретные экземпляры камеры и объектива) совместимы не очень хорошо и при их использовании на самом коротком фокусном расстоянии случается систематическая ошибка фокусировки. Тем не менее, фрагменты Sigma 24-70 мм f/2,8 EX DG + EOS 450D оставлены, так как иллюстрируют, как диафрагмирование увеличивает глубину резкости.

Глубины резкости компактных камер при самой открытой диафрагме достаточно для того, чтобы резко воспроизвести все объекты в поле кадра. Эквивалентной им глубины резкости Canon EOS 5D достигает при f/14. При необходимости обеспечить длительность выдержки, как у компактов при максимальной (открытой) диафрагме, светочувствительность Canon EOS 5D приходится повышать до 1600 единиц.

Конечно, для данного случая выдержка 1/1250 с - избыточно короткая. И казалось бы, установив зеркалку на более массивный штатив мы получили бы при меньшем ISO на более длительных выдержках менее шумную картинку. Но съемка иллюстрирует не частный случай, а возможности камер вообще. Условия съемки определяют именно диафрагму (глубина резкости) и выдержку (стабилизация камеры и "замораживание" движения объекта), а чувствительность устанавливается уже после выбора этих параметров. Поэтому для сравнения выбраны именно снимки с совпадающими выдержками.

Для удобства сравнения фрагменты пары снимков для Canon PowerShot A650 f/2,8 1/1250 c ISO 80 (левый столбец картинки, приведенной ниже) и EOS 5D f/14 1/1250 c ISO 1600 (правый) сведены на одном изображении. Фрагменты увеличены вдвое (для А650 в 2,2 раза, так как его снимок охватывает чуть больше пространства), а так же немного обработаны (контраст снимка камеры A650 немного повышен).

Как видно, принципиальной разницы между снимками нет. Встроенный объектив компакта имеет большие хроматические аберрации, но это устранимо. Фрагменты EOS 5D более шумные и, отчасти, это придает им большую визуальную резкость. A650 чуть проигрывает по степени детализации, но это, действительно, чуть-чуть и проигрыш можно объяснять, дифракционными эффектами, несовершенством оптики и, даже, меньшим шумом. Конечно, следующий шаг диафрагмы (f/5,6) для A650 уже заметно ухудшает степень детализации - сказываются дифракционные эффекты.

Съемка при максимальном фокусном расстоянии

Canon PowerShot G9, f=44,4 мм	Canon PowerShot A650IS f=44,4 мм	Canon EOS 5D, Canon EF 70-300 мм f/4-f/5,6 IS, f=200 мм	Canon EOS 450D, Canon EF 70-300 мм f/4-f/5,6 IS, f=135 мм
f/4,8, ISO 80, 1/320 c	f/4,8, ISO 80, 1/500 c	f/5, ISO 100, 1/800 c	f/5, ISO 100, 1/800 c
f/5,6, ISO 80, 1/250 c	f/5,6, ISO 80, 1/400 c	f/25, ISO 100, 1/30 c	f/22, ISO 100, 1/30 c
f/8, ISO 80, 1/125 c	f/8, ISO 80, 1/200 c	f/25, ISO 1600, 1/640 c	f/22, ISO 1600, 1/500 c

Как и в случае самого короткого фокусного расстояния, глубины резкости компактов, зеркалкам удается достичь при сильном диафрагмировании. При этом снимать приходится при выдержках, требующих тяжелых штативов и предварительного подъема зеркала (шевеленка при 1/30 с заметна для обеих зеркалок, не смотря на штатив и выбор лучшего кадра в серии). Максимальную резкость в зоне фокусировки имеет камера с самой большой матрицей, но сохранить это разрешение для всего кадра при сильном диафрагмировании удается только ценой повышения светочувствительности (а с ней и шумов) или ухищрениям с утяжелением штативов и подъемом зеркала.

Съемка при максимальном для компактов фокусном расстоянии, сюжет с близким передним планом

Canon PowerShot G9, f=44,4 мм	Canon PowerShot A650IS f=44,4 мм	Canon EOS 5D, Canon EF 70-300 мм f/4-f/5,6 IS, f=190 мм	Canon EOS 450D, Canon EF 70-300 мм f/4-f/5,6 IS, f=130 мм
f/4,8, ISO 80, 1/200 c	f/4,8, ISO 80, 1/200 c	f/5,6, ISO 100, 1/250 c	f/5,6, ISO 100, 1/320 c
f/5,6, ISO 80, 1/160 c	f/5,6, ISO 80, 1/200 c	f/25, ISO 100, 1/25 c	f/22, ISO 100, 1/20 c
f/8, ISO 80, 1/80 c	f/8, ISO 80, 1/100 c	f/32, ISO 100, 1/13 c
	f/8, ISO 200, 1/250 c	f/29, ISO 1600, 1/250 c	f/22, ISO 1600, 1/320 c

В этом случае даже компактам и при самом сильном диафрагмировании не удается "уложить" весь кадр в зону резкости, если фокусироваться не на гиперфокус, а на бесконечность и если у камеры "фирменная" прошивка. Если обратится к таблице, то станет понятно почему - гиперфокус для фокусного расстояния 44,4 мм (для компактов) и 130/190 мм (для зеркалок) даже в желтой и красной зонах лежит дальше ветки для диафрагм больше f/8. Сделать хорошую фотографию при такой разности в дистанции до разных планов можно либо жертвуя разрешением, либо меняя перспективу и снимая с короткофокусной оптикой.

Зато с альтернативной прошивкой - CHDK (подробнее здесь) с помощью A650 можно снимать и с диафрагмой f/11, а значит получать глубину резкости, достаточную для всего поля кадра (к сожалению, еще и за счет падения разрешения - красная зона).

При увеличении глубины резкости падает разрешение. Иллюстрация, приведенная выше, была сначала уменьшена в 2,5 раза, а затем увеличена до прежних размеров. Если на последнем (справа) фрагменте "пропал" фактически только шум, то на первых трех исчезли и детали. А линейное уменьшение в 2,5 раза делает 12 Мп снимок всего лишь 2 Мп - это и есть цена диафрагмирования. Не нужно думать, что это особенность только маленьких матриц. Чтобы получить ту же глубину резкости на EOS 5D пришлось бы уменьшить диафрагму, как минимум до f/64 и мы бы получили ту же третью ступень красной зоны для этой "большой" камеры и те же 2 Мп!