Как глубина резкости и круг путаницы связаны с размером пикселя на сенсоре?

Question

Я читал о глубине резкости и полагаю, что у меня есть достаточное понимание того, что это значит и как это связано со свойствами объектива, диафрагмой объектива, фокусным расстоянием, размером формата сенсора и, возможно, даже размерами печати в случае, если изображение печатается. У меня есть вопрос о том, как / если глубина резкости зависит от размера пикселя. Позвольте мне уточнить:

При наличии двух датчиков с разными размерами пикселей: x и 4x, последний датчик имеет больше света на пиксель, чем первый, однако он может иметь более низкое разрешение, если размеры датчика остаются фиксированными. Теория предполагает, что глубина резкости определяется теми кругами путаницы, которые очень близки к тому, чтобы быть точкой фокусировки, и это, возможно, также означает, что эти очень маленькие CoCs попадают в область интеграции одного и того же пикселя. Теперь, когда CoC становится больше пикселя (как и в случае дифракционного размытия), наблюдается некоторое распределение интенсивностей между соседними пикселями, и это явно приведет к размытию. Однако, если бы использовался пиксель размером 4X, даже с немного большим CoC, интенсивность все равно интегрировалась бы в ту же самую область пикселей и, таким образом, могла бы быть в фокусе? Это правильное предположение? И если да, есть ли анализ зависимости глубины резкости от площади пикселей? Более того, глубина резкости в некотором смысле не зависит от среды интеграции, так как она явно встречается и в аналоговых пленочных устройствах, так есть ли компромисс или разница в глубине резкости между пленочными и цифровыми камерами?

Пожалуйста, укажите мне правильные ссылки на этот вопрос. Пожалуйста, исправьте меня, если кажется, что есть фундаментальная проблема с предположениями, сделанными выше.

Answer 1

Чтобы понять, как шаг пикселя камеры может влиять на Глубина резкости (DoF) , вы должны сначала понять, что такое DoF , а также что это не так.

Независимо от диафрагмы объектива, будет только одно расстояние, которое будет в фокусе. То есть будет только одно расстояние, на котором точечный источник света будет сфокусирован на одна точка на носителе записи. Точечные источники света на других расстояниях будут проецироваться на плоскость датчика (или пленки) в виде размытого круга или круга путаницы (CoC) . Если этот CoC достаточно мал, чтобы восприниматься человеческим зрением как точка при определенном размере дисплея и расстоянии, говорят, что он находится в пределах DoF. Пределы DoF изменяются в зависимости от диафрагмы, фокусного расстояния и расстояния фокусировки, а также от размера дисплея и расстояния просмотра изображения. Вы можете напечатать две копии одного и того же файла изображения, и если один человек с одинаковой остротой зрения будет отображать изображение с удвоенным размером другого на одном и том же расстоянии просмотра, то при печати меньшего размера будет больше DoF, чем у большего ( при условии, что разрешение самого файла изображения не является ограничивающим фактором ). Не существует магического барьера, при котором все на одной стороне находится в идеальном фокусе, а все, что находится за пределами этой линии, размыто. Скорее, с увеличением расстояния от истинной точки фокусировки увеличивается размер круга размытия, и мы постепенно начинаем воспринимать, что объекты не совсем острые.

Ваше фундаментальное понимание того, как изображение создается из данных с датчика с маской Байера перед ним (подавляющее большинство цифровых камер), не совсем точно. Не существует прямой корреляции с одним сенсором (пиксельная ячейка) на датчике Байера и единственным пикселем в изображении, полученном из данных, предоставленных этим сенсором. Числа для каждого цвета каждого пикселя в полученном изображении интерполируются из данных, полученных несколькими соседними датчиками.

Вы также предполагаете, что в большинстве случаев неправильно, что размытие в два пикселя будет обнаружено при типичных размерах и расстояниях просмотра. Не будет Типичный круг путаницы для камер FF составляет 0,03 мм (30 мкм). Типичный 20-мегапиксельный датчик FF имеет пиксели шириной около 6,5 мкм. Даже с учетом сетки 2x2 пикселей RGGB с маской, используемых для получения 4 пикселей RGB в полученном изображении, ширина ячейки 2x2 13 мкм по-прежнему меньше половины ширины CoC 0,03 мм, необходимой для печати 8x10 при просмотре 10-12 дюймов человеком с зрением 20/20. Большинство камер APS-C имеют пиксели, ширина которых немного превышает 4 мкм. Таким образом, рекомендуемый CoC для датчика APS-C размером около 0,019 мм по-прежнему вдвое превышает ширину ячеек 2x2 на типичном датчике APS-C.

Если теоретический датчик в вашем вопросе с пикселями в 4 раза больше и достаточно велик, чтобы ограничить воспринимаемое разрешение изображения, тогда все на изображении с CoC, меньшим, чем пределы разрешения датчика, будет выглядеть так: одинаково в фокусе за счет того, что они выглядят одинаково пикселизированными / размытыми. Это происходит, когда CoC необходим для определенного размера дисплея и расстояния просмотра меньше, чем удвоенная ширина шага пикселя датчика камеры. Однако это не будет жестким ограничением, но вместо этого будет точка, в которой мы постепенно начнем воспринимать , что картинка состоит из отдельных пикселей, которые наши глаза могут различить.

Answer 2

Я думаю, что ваши рассуждения верны.

Проблема возникает из-за того, что люди смешивают абстрактные термины со своим опытом, не понимая, что означают термины.

круг путаницы (CoC) (на немецком языке: "Unschärfekreis")

является одним из этих терминов. Дословный перевод с немецкого означает: «круг неострости», что, на мой взгляд, является лучшим описанием (и причиной, по которой я его включил). Так. О чем это?

Как фотограф , легко определить, находится ли изображение в фокусе или нет: вы просто смотрите на него и видите, находится ли оно в фокусе. Но ваша жена (или ваши дети или ваши клиенты ради этого) могут иметь совсем другое мнение об этом изображении.

Как ученый вы хотите иметь неопровержимые факты, которые применимы ко всем: инструмент, который скажет, находится изображение в фокусе или нет, независимо от обстоятельств.

Нам нужно понять следующее:

CoC не является значением, которое каким-то образом вычисляется или фиксируется, оно предполагается в каждом конкретном случае.

Таким образом, CoC ставит точное число на усмотрение фотографа. Для ученого это опора, чтобы получить «пушистый материал» в точное число. С помощью этого точного числа ученый может использовать оптические формулы и рассчитать глубину резкости для конкретных ситуаций.

Answer 3

При изучении геометрической оптики мы узнаем, что линза формирует четкое изображение объекта на заданном расстоянии ниже линзы; объекты на разных расстояниях не будут отображать изображение с такой же резкостью, потому что их расстояние до объектива будет разным. Другими словами, объект на бесконечности (∞) фокусируется ближе к объективу, чем близко к объекту. Практическое наблюдение, однако, показывает, что объекты до и после точки, на которой сосредоточено внимание, часто выглядят острыми. Таким образом, мы имеем зону впереди и позади точки, сфокусированной на том, что воспринимается как находящееся в удовлетворительном фокусе. Это зона глубины резкости.

Теперь объектив отображает каждую точку на различных объектах и ​​визуализирует их в виде маленьких кружков в фокальной плоскости. Термин для них - «круги путаницы». Названы так потому, что они перекрываются и перемешиваются, а под микроскопом они выглядят как нечеткие круги с зубчатым краем. Мы воспринимаем изображение или часть изображения как четкие, когда эти круги путаницы настолько малы, что не наблюдаются как круги, то есть они выглядят как точки без отклоняющейся формы.

Крошечные круги появляются в виде точек, если смотреть на расстояние, которое примерно в 3000 раз больше их диаметра. 1-дюймовая монета, рассматриваемая с 3000 дюймов, выглядит как точка (25,4 мм с 76 метров). Этот критерий оказывается слишком строгим для просмотра фотографий. Это связано с характеристиками объектива и типичным коэффициентом контрастности графических изображений. Широко распространенным стандартом является круг диаметром 1/1000 от расстояния просмотра. Это материал таблиц глубины резкости и расчета. Это работает до 1/100 дюйма (0,25 мм) при просмотре с 10 дюймов (250 мм). Другими словами, размер круга 2/100 дюйма = ½ мм при просмотре от 500 мм.

Поскольку современные камеры дают крошечные изображения, мы должны увеличить их, чтобы получить полезную картинку. Как правило, мы видим изображения на расстоянии, примерно равном их диагонали. Поэтому при расчетах глубины резкости все это обычно учитывают, обобщая, что допустимый размер круга в фокальной плоскости составляет 1/1000 от длины фокуса. Технические изображения часто требуют более строгих стандартов. Kodak адаптировал 1/1750 фокусного расстояния. Опять же, большинство таблиц и диаграмм используют 1/1000. Таким образом, для 50-мм объектива в таблицах глубины резкости используется размер круга 0,05 мм. Рассмотрим распечатку 8 x 12 или отображаемое изображение в полный кадр. Увеличение будет примерно в 10 раз. Обычное расстояние просмотра составляет около 20 дюймов. При размере круга 0,05 в фокальной плоскости размер круга на отпечатке (дисплее) будет 0,05 x 10 = 0,5 (1/2 мм).

Это материал глубины резкости. Математика учитывает область видения человека, контраст изображения, степень увеличения и расстояние просмотра. Опять же, наиболее часто используемый стандарт составляет 1/1000 от фокусного расстояния. Эти значения действительны для размера фотосайтов.

Еще гобелен от Алана Маркуса