Как камеры искажают пропорции объектов?

• Объективы камеры искажают соотношение объектов, потому что точная степень увеличения, которую они обеспечивают, может варьироваться от одной части поля к другой.
• Фотографии также могут искажать соотношение объектов, если желаемая плоскость измерения не идеально параллельна плоскости изображения камеры. Если я сфотографирую квадратный двухмерный объект, и одна сторона будет немного ближе к камере, чем другая, ближняя сторона будет длиннее на фотографии, чем дальняя. На получившейся фотографии углы в девяносто градусов в ближних углах будут казаться слегка острыми, а углы в девяноста градусов в дальних углах будут казаться слегка тупыми.

Но даже если все выровнено идеально, объектив с реальной толщиной все равно будет демонстрировать геометрическую дисторсию в той или иной степени.

На самом деле не существует такой вещи, как «теоретически совершенная» прямолинейная линза с идеально ровным полем фокусировки и без геометрических искажений. Даже объектив, который идеально соответствует своему чертежу, не может продемонстрировать такое совершенство. Теоретическая тонкая линза демонстрирует кривизну поля, а также некоторые другие аберрации . Различные корректирующие элементы, используемые для исправления этих аберраций, приводят к тому, что поле фокусировки имеет форму, больше похожую на лапшу для лазаньи, чем на плоскую плоскость. В очень качественном объективе с плоским полем лапша для лазаньи почти плоская, но в ней все же есть некоторые волны. Составные линзы также имеют геометрические искажения.

Иными словами, геометрические искажения вызваны не нашей неспособностью изготовить линзу, идеально соответствующую ее чертежу. Искажение заложено в конструкции самой линзы и в свойствах преломляющей оптики и видимого света. Не существует теоретического способа одновременно идеально скорректировать все геометрические искажения на всех длинах волн видимого света. Это связано с тем, что одни и те же преломляющие линзы изгибают разные длины волн видимого света немного по-разному. Если мы сделаем линзу идеальной для одной длины волны, длины волн длиннее и короче оптимальной длины волны все равно будут демонстрировать аберрации, такие как хроматические аберрации, которые представляют собой разницу в увеличении из-за различий в длинах волн для этой конструкции линзы.

Геометрические искажения исправляются в большей или меньшей степени в зависимости от конкретной конструкции объектива. Искажение объектива приводит к тому, что предметы в частях поля зрения объектива увеличиваются больше или меньше, чем в других частях поля зрения. Если центр увеличен больше, чем окружающие края и углы, то мы называем это бочкообразным искажением , потому что оно выглядит как сторона старой деревянной бочки, которая выпирает в центре. Если центр увеличен меньше, чем края, то мы называем это искажением подушечки для иголок , потому что оно напоминает подушечку для иголок, которую используют швеи. Бывают случаи, когда присутствует смесь обоих типов искажения, и мы обычно называем это искажением усов .

Хотя мы обычно не относим различные увеличения в разных областях поля зрения объектива из-за геометрических искажений к разным фокусным расстояниям, это то, что происходит, и это можно измерить.

DxO Mark демонстрирует это на своей диаграмме «Distortion Profile». По вертикальной оси отложено «реальное фокусное расстояние» в миллиметрах. Горизонтальная ось — это положение от центра поля зрения объектива слева до края справа. Эти три объектива демонстрируют бочкообразную дисторсию при максимальном увеличении объектива до 24 мм. Обратите внимание, что центр двух из трех линз имеет увеличение справа на 24 мм, но по краям увеличение падает примерно до 23 мм. Другой объектив начинается в середине с 24,5 мм и опускается примерно до 23,5 мм по краю.

На другом конце диапазона фокусных расстояний эти три объектива демонстрируют подушкообразную дисторсию, которая довольно типична для зум-объективов. Обратите внимание, что объектив 24-70 увеличивается только с 67 мм до 68,5 мм от центра к краю. Каждый из двух объективов 24-105 увеличивает фокусное расстояние примерно со 105 до 108 мм и со 103 до 107 мм.

В целом, прямолинейные зум-объективы обычно демонстрируют большее геометрическое искажение, чем прямолинейные фикс-объективы, особенно в крайних диапазонах их фокусных расстояний. Даже самые дорогие зум-объективы демонстрируют большее геометрическое искажение, чем многие хорошо спроектированные объективы с фиксированным фокусным расстоянием по более скромной цене. Чем больше соотношение между самым коротким и самым длинным фокусным расстоянием зум-объектива, тем сложнее контролировать искажения на обоих концах диапазона фокусных расстояний. Коррекция на одном конце диапазона фокусных расстояний приводит к ухудшению на другом. Это особенно верно для объективов с ретрофокусным дизайном на широком конце диапазона фокусных расстояний и переходом к телефото.конструкции из-за их более длинных фокусных расстояний. Это, наряду с более узкой максимальной апертурой, является одним из самых больших недостатков универсальных зум-объективов с очень большим соотношением сторон, таких как объектив 18–300 мм.

Но даже высококачественные объективы с фиксированным фокусным расстоянием имеют некоторые искажения, которые могут помешать точности до девяти значащих цифр, как вы, кажется, ожидаете. И опять же, это при условии, что все части объекта, который вы пытаетесь измерить с помощью камеры, находятся на одинаковом расстоянии от плоскости изображения камеры.