Искажения изображения. Как измеряется волновой фронт

Что такое дисторсия в фотографии

Очень многие фотографы и любители в самом начале своего творческого пути сталкиваются с такой неприятной штукой на фотографии, как дисторсия. Данная статья поможет вам разобраться, что такое дисторсия, почему она возникает и как можно предотвратить ее появление

Часто бывает так, что изображение на фотографии отличается от того, какое мы видим собственными глазами. Эти отличия выражаются в изменении геометрии объектов и перспективы, затемнении кадра по краям или появлении цветовых ореолов. Такие недостатки связаны с оптическими искажениями объективов, ведь любые стекла или зеркала немного искажают картинку. Поэтому, как это ни странно, но оптические искажения объектива практически невозможно полностью устранить, можно лишь уменьшить их проявление на готовой фотографии.

Зачастую в небольших искажениях объектива никакой особой проблемы нет, они совершенно незаметны на снимке. Но в некоторых случаях оптические искажения серьезно меняют характер снимка, и тут уже приходится задумываться над тем, как же бороться с искажениями снимков, сформированных системой оптики.

Тип и характер оптических искажений напрямую зависят от используемого объектива. Как известно, все объективы имеют такие важные характеристики, как фокусное расстояние, резкость, угол обзора и глубина резкости. Резкость оптики – это способность объектива различить и передать самую маленькую деталь в сцене. При отсутствии резкости говорят, что объектив «мылит». Сам по себе объектив представляет собой сложную оптическую систему, которая требует высокой точности и качества изготовления. Вследствие этого даже объективы из одного модельного ряда и с одинаковыми характеристиками могут отличаться друг от друга по качеству.

Большинство объективов характеризуются присутствием всевозможных аберраций, то есть оптическими искажениями на снимке, которые напрямую связаны с системой оптики. Эти аберрации по своему происхождению могут быть хроматическими или геометрическими. Многие фотографы-любители, впрочем, и не замечают этих искажений, просто потому что не знают, на что нужно смотреть, чтобы заметить аберрации.

Хроматические аберрации

Хроматические аберрации – это довольно распространенный вид оптических искажений объектива, который характеризуется появлением ненужных цветных ореолов и контуров на границах цветов. Хроматические аберрации вызваны не идеальностью оптики фотокамер, когда белый свет в линзах вначале расщепляется на цветовые составляющие, а затем соединяется назад в пучок. Но некоторая неточность этого соединения приводит к неприятным искажениям на снимке.

Хроматические (цветовые) аберрации на границе контрастных сред

Яркие разноцветные контуры, обрамляющие контрастные объекты — это и есть хроматическая аберрация. Такие искажения редко видны в центре кадра, зато они становятся заметны у объектов, расположенных ближе к краям изображения. Чаще всего этот вид оптических искажений можно наблюдать при использовании зум-объективов. Но на самом деле в той или иной степени хроматические аберрации присущи любому объективу.

В принципе, хроматические аберрации не так сильно портят снимок, ведь они проявляются, главным образом, по краям изображения. К тому же, зачастую они просто не слишком заметны. Но иногда, особенно при съемке контрастных объектов, подобные оптические искажения на готовой фотографии начинают резко бросаться в глаза.

Для того, чтобы снизить возможность возникновения неприятных хроматических аберраций, сегодня используются особые ахроматические линзы, состоящие из двух различных сортов стекла – крона и флинта. Если крон характеризуется низким коэффициентом преломления, то флинт, наоборот, высоким. Соответственно, грамотное сочетание этих двух материалов в оптической системе позволяет снизить вероятность появления хроматических аберраций практически до нуля.

Геометрические аберрации

Если хроматические аберрации связаны с искажениями цвета, то геометрические характеризуют свойство объектива искажать геометрию снимаемых объектов. Начинающие фотографы наверняка сталкивались с таким явлением, когда на фотографиях прямые линии вдруг выгибаются наружу, а стены неожиданно становятся кривыми. Все это геометрические искажения или дисторсия , бороться с которой можно при помощи регулировки диафрагмы. Уменьшая диаметр диафрагмы, фотограф, тем самым, уменьшает количество световых лучей, попадающих на края объектива.

Однако если слишком сильно прикрыть диафрагменное отверстие, то возникает другой оптический эффект, называемый дифракцией . Дифракция ограничивает детальность снимка вне зависимости от установленного разрешения изображения. То есть чрезмерное уменьшение диаметра диафрагмы приводит к тому, что достигнутая резкость перекрывается сглаживающим действием дифракции, вследствие чего уже возникают проблемы с детализацией изображения.

Геометрические аберрации делятся на два отдельных вида — бочкообразные и подушкообразные. Бочкообразные искажения характерны для широкоугольных объективов, когда центр кадра расположен ближе, чем края, вследствие чего центральная часть приобретает более выпуклую форму, а прямые линии выгибаются наружу.

Обратное «бочке» явление – это подушкообразные искажения, когда прямые линии, наоборот, выгибаются внутрь, вследствие чего кадр становится «вогнутым». Подушкообразные искажения характерны, в частности, для телевиков. Появлению бочкообразной дисторсии на фотографии способствует применение фотографом минимального значения зума, а подушкообразной – максимального зума. Чем больше кратность зум-объектива, тем более заметной на снимке выглядит дисторсия. Также на заметность геометрических аберраций влияет и дистанция до снимаемого объекта. В частности, близкий объект съемки может быть более подвержен геометрическим искажениям в кадре.

Различные проявления дисторсии объективов, то есть искривления прямых линий на снимке, можно убирать или корректировать с помощью средств современных графических редакторов. Профессиональные фотографы для этой цели обычно используют специальные программы для коррекции искажений, в числе которых можно назвать AdobeCamera RAW, Lightroom, Aperture и PTLens. Кроме того, в том же Photoshop существует инструмент LensCorrection с помощью которого можно корректировать оптические искажения.

Правда, к коррекции аберраций в графических редакторах необходимо подходить внимательно и осторожно, ведь при неаккуратной коррекции одни искажения будут просто меняться на другие, что может привести только к ухудшению снимка. Кроме того, не стоит забывать о том, что небольшие оптические искажения объектива и связанное с этим несовершенство снимка, в конечном счете, может пойти фотографии даже на пользу.

Иногда в практике фотографов встречаются и такие оптические искажения, как кривизна поля изображения. Этот эффект характеризуется, например, появлением размытых углов и нечетких краев. То есть в фокусе может находиться только либо центр изображения, либо его края. Нередко на фотографиях можно наблюдать и искажения перспективы, которые проявляются в сходимости на снимке двух исходно параллельных прямых. Такие искажения возникают, главным образом, из-за положения камеры, то есть линия зрения фотоаппарата не перпендикулярна параллельным прямым.

Наконец, довольно редко можно встретить эффект, называемый виньетированием . Это искажения, которые характеризуются падением яркости изображения от центра к краям, то есть затемнением картинки по краям кадра. Подобный эффект встречается при использовании широкоугольного объектива и максимально открытой диафрагме.

Итак, оптических искажений, вызванных особенностями оптической системы, большое количество. Тут важно понимать, что не существует ни одного объектива без каких-либо аберраций. Даже самые дорогие объективы от известных производителей могут демонстрировать некоторые искажения изображения. Это, в свою очередь, означает, что при выборе оптики не стоит ориентироваться исключительно на высокую цену объектива, полагая, что чем дороже, тем качественнее. Не стоит гнаться и за новыми, разрекламированными моделями объективов, если Вы уже являетесь обладателем оптики, которая Вас полностью устраивает.

Конечно, в дорогостоящих объективах, как правило, реализована более сложная конструкция с уникальной схемой расположения линз и множества дополнительных элементов, что должно свести к минимуму возникновение всевозможных оптических искажений. Однако, как мы уже отметили, ни один из объективов не может похвастаться тем, что он полностью лишен вышеупомянутых недостатков. Поэтому нужно выбирать оптику, которая нравится только Вам и соответствует Вашему ощущению фотографического качества. Стоит верить не техническим характеристикам объектива, заявленным компанией-производителем, а только хорошим, качественным фотографиям.

Но даже если Вы стали обладателем объектива, который иногда демонстрирует некоторые искажения изображений – это не беда. Ведь если досконально изучить особенности «поведения» конкретного объектива, то все его недостатки можно умело компенсировать своим фотографическим мастерством. В любом случае большинство оптических искажений объектива не так сильно портит картинку и их можно легко устранить программными средствами при обработке отснятых фотоизображений.

Вы считаете, что мой дорогой объектив не идеален?

Все объективы имеют оптические дефекты, поэтому они создают образы, которые не являются совершенными копиями фотографируемых предметов. Но производители упорно пытаются создать безупречную оптику, не смотря на то, что пока не существует способа изготовления объектива, который не страдал бы в какой-то степени от искажений и хроматических аберраций.

Если я куплю более дорогой объектив, то буду получать менее искаженную картину?

Стоимость не обязательно является показателем качества. Количество искажений в объективе в значительной степени зависит от типа объектива и его конструкции. Цена играет роль, но не менее важны такие факторы, как фокусное расстояние.

Например, чем шире угол объектива, тем труднее прямой линии не оказаться изогнутой. Уменьшение фокусного расстояния также способствует искажению, потому что невозможно корректировать аберрации при каждом фокусном расстоянии.

Никто не утверждает, что премьер-объектив безупречен, но чем больше диапазон зума, тем более заметны становятся эти искажения.

Я никогда не замечал никаких проблем со своим объективом.

И это вполне может быть правдой для многих потребителей. Дело в том, что строение объективов за последние годы значительно улучшилось. Стремительная эволюция новейших цифровых датчиков с высокой точностью ускорила и прогресс в конструкции объектива. Сочетание мощного сенсора с качественным объективом сводит искажения к минимуму, но они все же остаются.

Неужели раньше не было такого качества?

Это бесспорно. Но есть проблемы, которые не утратили своей актуальности. Например, потемнение в углу изображения по-прежнему остается неразрешимой задачей в современной фотографии, так же, как это было во времена зарождения фотоискусства. Этот эффект, называемый виньетированием, не настолько настойчиво проявляется в наши дни, но все же имеет место. Мы действительно вынуждены констатировать, что фотографии немного темнее по краям, но не значительно. Так что даже не все это замечают, а некоторые преднамеренно делают темные углы, используя Photoshop для усиления эффекта.

Сфотографируйте равномерно освещенную белую поверхность и внимательно посмотрите на нее на мониторе вашего компьютера. Вы сможете разглядеть едва заметную яркость в центре и затенение в углах. Этот эффект потемнения может быть устранен с помощью пользовательских настроек, которые предусмотрены в некоторых камерах, либо с помощью стандартного программного обеспечения для редактирования изображений.

Сколько есть различных типов оптических искажений?

Существуют десятки этих дефектов, в том числе астигматизм, но есть два-три, на которые стоит обратить особенное внимание.

Начнем с самых простых для понимания

Начнем с криволинейных искажений. Они бывают нескольких различных типов, но самое распространенное, это бочкообразное искажение. Легко возникает при использовании ультра-широкоугольного объектива, и вызывает выпуклость прямых линий. Этот эффект еще более очевиден при съемке объективом «рыбий глаз», где такие деформации остаются неисправленными, так как дизайнеры стремятся к ним преднамеренно. Они используют этот прием, чтобы получить как можно более широкое поле зрения.

Какие еще существуют криволинейные искажения?

Подушкообразное искажение часто возникает при использовании длинных телеобъективов. Линии при этом становятся вогнутыми. Эффект, как правило, едва заметен, если вы фронтально фотографируете прямоугольный предмет. Некоторое масштабирование способно спровоцировать признаки искажений, где изображение может показаться подушкообразным или бочкообразным.

Чего еще я должен остерегаться?

Самая большая проблема в фотографии с современной зеркальной фотокамерой это хроматические аберрации. Поскольку мы изменяем масштаб во время съемки, то на изображениях возникает цвет окантовки, особенно в тех местах кадра, где имеется большой цветовой контраст. Для пленочного фотоаппарата такое искажение не настолько характерно и могло проявиться лишь при сильном увеличении снимка.

Где я, скорее всего, увижу хроматические аберрации?

Это свойственно объективам всех фокусных расстояниях, но более выраженным будет на максимальном фокусном расстоянии, причем с недорогой моделью. Также стоит взглянуть на тесты этого явления, проведенные с разными объективами, потому что хроматические аберрации для некоторых моделей характерны в большей степени, чем для других. Вы обнаружите их по краям предметов, а также вдоль края изображения. Проще всего увидеть их там, где у вас есть белая линия, пересекающая темную область, например, оконная рама.

Что я могу с этим сделать?

Да, вы можете исправить это во время редактирования. Даже, ваша камера может поставляться с программой, которая поможет вам решить такую проблему. Photoshop CS имеет несколько хороших инструментов для минимизации влияния аберраций на ваши фотографии. Пользователям Elements 8 меньше повезло, но отдельные коррекции искажения все же доступны. Неплохо подходит PTLens и стоит всего $ 25.

Виды искажений объектива

Ниже приведены примеры самых распространенных видов искажений объектива иллюстрирующие, как они влияют на ваши композиции.

Бочкообразное искажение

Бочкообразное искажение создает образ, в котором линии отклоняются наружу к краям (выпуклость). Что делает прямоугольники бочкообразными.

Подушкообразное искажение

Подушкообразное искажение создает вогнутость линии к центру. Прямоугольники выглядят, как контуры подушки.

Хроматическая аберрация

Хроматическая аберрация (или ахроматизм) обычно наблюдается в виде цветной окантовки. Она создает на линии и по краям в изображении не характерный для оригинала цвет.

Виньетирование

Все типы объективов создают образ, который темнее по краям, чем в центре. Такое явление известно как виньетирование, и может быть намеренно использовано как стилистический прием.

Без искажений

Нет искажений объектива. Все линии прямые, как в реальности. Здесь нет затемнения по краям, и все цвета сосредоточены в одной точке.

Почему возникают хроматические аберрации?

Цель объектива - преломлять свет, направлять прямой путь лучей в сторону датчика.

К сожалению, световые волны различной длины, поэтому преломляются не в одной точке, а это означает, что путь красного цвета поворачивается на угол, отличный от синего цвета, который также не совпадает с преломлением зеленого цвета.

Затем различные цвета сосредотачиваются в различных точках, так что это создает цветную окантовку.

Производители объективов на многое идут, чтобы свести к минимуму влияние этого неизбежного закона физики. Некоторые элементы объектива используются в комбинации для устранения, возникающих аберраций.

Есть два типа хроматической аберрации. Траверс (боковая) хроматическая аберрация, которая создает цветную окантовку. Она вызвана тем, что увеличение изображения изменяется в зависимости от длины волны.

Продольная (осевая) хроматическая аберрация вызывается волнами различной длины, сосредоточенными на различных расстояниях.

Основы фотографии. Оптические искажения объектов.

Я думаю, многие читатели не раз замечали, что изображение на фотографии отличается от того, что мы видим своими глазами. Отчасти это связано с особенностями передачи перспективы при разном фокусном расстоянии. Об этом подробнее можно почитать в статье про . Помимо этого, на изображении могут появляться дефекты в виде цветовых ореолов на контрастных участках, затемнения кадра по краям и изменения геометрии объектов. Эти недостатки можно смело отнести к оптическим искажениям объективов, вот о них и поговорим в сегодняшней статье.

Дисторсия

Дисторсия - это геометрическое искажение прямых линий, когда они выглядят искривленными. Не стоит путать дисторсию и искажение перспективы, в последнем случае прямые параллельные линии становятся сходящимися, но не искривляются. Существует два типа дисторсии по виду воздействия на картинку: подушкообразная - когда линии вогнутые и бочкообразная - когда они выпуклые.

Подушкообразная дисторсия, нормальное изображение и бочкообразная дисторсия

Конечно на практике изображение редко принимает такие уродливые формы, как на схеме. Более реальным примером эффекта может служить фотография в начале статьи с небольшой бочкообразной дисторсией.

В первую очередь дисторсия видна на зум-объективах, причем чем больше кратность зума, тем сильнее она заметна. Обычно в широкоугольном положении можно наблюдать “бочку”, а в теле - “подушку”. Между крайними положениями объектива недостатки оптики становятся не такими заметными. Кроме этого уровень искажений может изменятся и от дистанции до объекта, в некоторых случаях близкий объект может быть им подвержен, а отдаленный получится на фотографии нормально.

Хроматически аберрации

Второй вид оптических искажений, которые мы рассмотрим - это хроматические аберрации, довольно часто можно встретить сокращенное “ХА”. Хроматические аберрации вызваны разложением белого света на цветовые составляющие, из-за чего объект на снимке имеет немного разные размеры в разных цветах и как следствие по его краю появляются цветные контуры. Часто невидимые в центре кадра, они становятся заметны у объектов расположенных ближе к краям изображения. ХА не зависят ни от значения фокусного расстояния, ни от диафрагмы, но чаще и сильнее проявляются опять же в зум-объективах. Это обусловлено необходимостью внесения в оптическую схему дополнительных элементов для устранения эффекта, что для объективов с переменным фокусным расстоянием заметно сложнее, чем для фиксов.

На снимке слева ХА особенно заметны на волосах (фиолетовый контур) и на решетке окон (бирюзовый).

Нельзя сказать, что хроматические аберрации сильно портят снимок, но на конрастных объектах, особенно в контровой подсветке они становятся весьма заметны и довольно сильно бросаются в глаза.

Виньетирование

Последний пункт - виньетирование, иными словами затемнение областей по краям кадра. Обычно его можно заметить на широкоугольных объективах при максимально открытой диафрагме. Этот эффект встречается довольно редко.

Не стоит путать виньетирование вызванное недостатками оптики и появившееся из-за дополнительных аксессуаров. На картинке выше края получились черными из-за нескольких достаточно толстых светофильтров накрученных на объектив. Аналогичный эффект может получится и при навинчивании длинной бленды.

Изначально все оптические искажения напрямую зависят от класса и типа оптики, которую вы используете. Дорогие серии объективов имеют сложные схемы расположения линз и множество дополнительных элементов, что сводит к минимуму подобные нежелательные эффекты. Более дешевые объективы, особенно зумы, вследствие упрощения конструкции, намного сильнее подвержены подобным проблемам.

Спешу разочаровать читателей, объективов полностью лишенных вышеперечисленных проблем просто нет. В той или иной степени даже дорогие модели оптики с постоянным фокусным расстоянием все равно искажают картинку, правда заметно это в основном по краям кадра. Хорошая новость в том, что в большинстве своем эти эффекты не очень сильно портят картинку и довольно легко могут быть устранены программно (об этом поговорим в следующей статье). Кроме этого на камерах с неполноформатной матрицей, а это все любительские зеркалки, края изображения в любом случае обрезаются и при использовании хорошей оптики видимые искажении минимальны.

Материал взят на сайте .

Оптические искажения появились вместе с объективами, это как бы их маленькое свойство. Но если оно действительно маленькое – проблем с не будет. Чтобы свести к минимуму проблему оптического искажения, читайте нашу статью!

Дорогой объектив – не значит идеальный

Любой объектив имеет оптический дефект, именно поэтому он не создает точную копию объекта, который мы фотографируем. Конечно, производители с каждым годом стараются создать оптику все более идеальной, несмотря на то, что пока не существует способа изготовления объектива, который не страдал бы в какой-то степени от искажений.

Действительно, высокая цена не всегда означает качество в отношении оптических дефектов. А что же важно? Это тип и конструкция оптики. Цена играет роль, но куда важнее фокусное расстояние.

К примеру, чем шире угол объектива, тем труднее прямой линии не оказаться изогнутой. Уменьшение фокусного расстояния также способствует искажению, потому что невозможно корректировать отклонения при каждом фокусном расстоянии.

Никто не утверждает, что премьер-объектив безупречен, но чем больше диапазон зума, тем более заметны становятся эти искажения.

Тест на искажение

Зеркала в автомобиле делают выгнутыми, так они расширят угол обзора, отдаляя все, что в них отражается. Что-то подобное происходит и в объективе – в качестве теста можно сфотографировать лист бумаги “в клеточку” и затем рассмотреть его в фотошопе (для этого вам нужно включить линейки Ctrl-R и с них “перетащить” мышкой направляющие синего цвета – так легче будет увидеть кривизну получившихся клеток)

Виды искажений

Есть достаточно много видов искажений, но мы остановимся на особо важных.

Криволинейные. Их существует несколько подвидов, из которые самое частое – бочкообразное. Как оно возникает? Если вы используете ультра-широкий объектив, то линии, что были прямыми, становятся выпуклыми. Сейчас есть тренд, снимать на “рыбий глаз”, так это и есть данное искажение, просто используемое в усиленном виде и как фишка.

Подушкообразное. В основном проявляется в длинных телеобъективах. Оно противоположно предыдущему, то есть линии вогнуты внутрь. В принципе, это малозаметно, но если масштабировать объект во время съемки или обработки – будет видно.

Хроматические аберрации. Это огромнейшая проблема в современной фотографии. Ее суть в том, что на снимках возникает цвет окантовки, особенно заметен и без увеличения фотографии. Такое случается с объективами любого фокусного расстояния, но особенно с самыми дешевыми моделями или же с “мыльницами”.

Виньетирование, иными словами затемнение областей по краям кадра. Обычно его можно заметить на широкоугольных объективах при максимально открытой диафрагме. Этот эффект встречается довольно редко.

Редактор в помощь

Adobe Photoshop имеет хорошие инструменты для спасения искаженной фотографии.

Напрямую с оригинальным фоном не работаем (думаю, вы в курсе). Так что первое, что мы наклацаем – это Дублировать слой / Duplicate Layer .

После: Filter/Фильтры > Distort/Искажение > Lens Correction/Оптические искажения. Нажав, вы увидите окно с кучами настроек, из которых нам нужен только верхний блок справа, сразу под клавишами.

Там мы передвигаем вручную ползунок до получения желаемого результата. Двигать нужно очень аккуратно, так как, как правило, сильнее -7 искажает очень мало объективов. Значит править нужно до появления значения +4 или +5, что, в большинстве случаев, достаточно для многих компактных цифровых фотоаппаратов. Можно также эти цифры вбить от руки, контролируя результат по сетке, находящейся в поле предпросмотра самого фильтра. Можно поступить еще проще, нажав в левом верхнем углу кнопку и затем “нарисовав” воображаемую линию от края к центру (опять же, очень аккуратно).

Попытаемся сделать несколько попыток коррекции и по достижении результата нажмем “ОК”. Казалось бы, всё…

Есть, однако, небольшая проблема: фильтр появился только в CS2. Если вы пользуетесь более ранними версиями фотошопа, увеличьте на 30% размер холста (Image/Изображение > Canvas Size/Размер холста > в процентах 130 по вертикали и горизонтали ) и откройте Filters/Фильтры > Distort/Искажение > Spherize :

В нем, напротив, ползунок нужно передвинуть в отрицательное положение (в нашем случае, -5). Жмем ОК.

После правки у вас могут “провиснуть” края изображения, поэтому вам нужно будет воспользоваться инструментом “кадрирование”.

Сравним результат:

После

Есть и альтернативные, зато совсем недешевые варианты правки оптических искажений. Так, Томас Ниман в свое время выпустил плагин ptLens , который оставался бесплатным до выхода на проектную мощность. Сегодня стоит около $15. Преимущество – встроенные профили объективов и фотоаппаратов, автоматическое их определение по данным exif файла изображения и правка прочих искажений, таких как виньетирование (затемнение к краям кадра) и хроматическая аберрация (синие или красные ореолы вокруг высококонтрастных объектов). Стоит скачать и, как минимум, попробовать исправить не более 10 кадров. Есть также набор более дорогих фильтров от DxO optics, которые, по слухам, работают лучше.