В чем разница между перспективным искажением и бочкообразным или подушкообразным искажением?

Перспектива определяется положением камеры относительно сцены . Когда положение камеры создает перспективу, из-за которой объект или сцена выглядят иначе, чем мы могли бы ожидать, мы называем это искажением перспективы .

Все остальные перечисленные искажения являются результатом того, как линзы преломляют свет, когда свет проходит через них. Они являются результатом геометрии , с которой линза проецирует виртуальное изображение сцены, из которой исходят световые лучи, проходящие через линзу.

Искажение перспективы

Перспективное искажение — это своего рода неправильное название. На самом деле есть только перспектива . Это определяется позицией просмотра сцены. В контексте фотографии перспектива является результатом положения камеры по отношению к сцене, а также положения различных элементов сцены по отношению друг к другу. То, что мы называем искажением перспективы , — это перспектива, которая дает нам представление о сцене или объекте в этой сцене, которое отличается от того, как мы обычно ожидаем, что сцена или объект будут выглядеть.

Если сфотографировать трехмерный куб из положения, очень близкого к одному из углов, то ближайший угол куба окажется вытянутым в сторону камеры. Если сделать снимок того же куба с гораздо большего расстояния и с гораздо большим фокусным расстоянием, так что куб будет такого же размера в кадре, тот же самый угол куба окажется сплющенным.

_{Правообладатель иллюстрации SharkD , 2007 г. , лицензия CC-BY-SA 3.0}

Многие люди неправильно понимают, что причиной разницы является фокусное расстояние линз. Это не так . Это позиция для съемки, используемая для кадрирования куба двумя разными объективами. Если бы у нас была камера и широкоугольный объектив, оба с достаточным разрешением, и мы снимали куб широкоугольным объективом из того же положения , в котором мы заполнили кадр кубом, используя объектив с большим фокусным расстоянием, а затем обрезали полученную фотографию так, куб того же размера, перспектива также будет такой же - куб будет казаться таким же сплющенным, как когда мы снимали его с помощью длиннофокусного объектива.

Если сфотографировать прямоугольный небоскреб с тротуара через узкую улицу, то верх здания будет выглядеть намного уже, чем низ. (Если только мы не использовали должным образом объектив управления перспективой с наклоном/сдвигом или камеру обзора, способную управлять движением перспективы .) Когда мы видим сцену собственными глазами, наш мозг компенсирует эту разницу, и мы воспринимаем, что верхняя часть здания той же ширины, что и дно. Но когда мы просматриваем фотографию, которую мы сделали с того же места, мы не даем нашему мозгу такой же полный набор подсказок (в основном наше стереозрение из-за того, что у нас два глаза), и наш мозг не воспринимает фотографию так же, как она. воспринимал реальную сцену с той же позиции.

То же самое верно, когда мы делаем портрет лица с такого близкого расстояния, что нос кажется вдвое больше ушей. Нос настолько ближе к камере, чем уши, что они кажутся намного больше по сравнению с ушами, чем они есть на самом деле. Когда мы смотрим глазами на лицо другого человека с такого расстояния, наш мозг обрабатывает сцену и корректирует разницу в расстоянии между различными частями лица перед нами. Но когда мы смотрим на фотографию, сделанную с того же расстояния, нашему мозгу не хватает всех необходимых подсказок, и он не может построить такую ​​же скорректированную трехмерную модель в нашем восприятии фотографии.

Рассмотрим то, что мы называем сжатием телефото :

Предположим, вы находитесь в 10 футах от своего друга Джо и делаете его снимок в портретной ориентации с помощью объектива 50 мм. Скажем, в 100 футах позади Джо есть здание. Здание находится в 10 раз дальше от камеры, чем Джо, поэтому, если рост Джо 6 футов, а высота здания 60 футов, они будут выглядеть на вашей фотографии одинаковой высоты, потому что оба будут занимать около 33º от угла 40º вид объектива 50 мм по длинному измерению.

Теперь отойдите на 30 футов и используйте объектив 200 мм. Ваше общее расстояние от Джо теперь составляет 40 футов, что в 4 раза больше, чем 10 футов, которые вы использовали с объективом 50 мм. Поскольку вы используете фокусное расстояние, в 4 раза превышающее исходное 50 мм (50 мм X 4 = 200 мм), на втором фото он будет такой же высоты, как и на первом. С другой стороны, здание теперь находится в 130 футах от камеры. Это всего лишь в 1,3 раза больше, чем в первом снимке (100 футов X 1,3 = 130 футов), но вы увеличили фокусное расстояние в 4 раза. Теперь 60-футовое здание будет примерно в 3 раза выше Джо на картинке (100 футов / 130 футов = 0,77; 0,77 X 4 = 3,08). По крайней мере, было бы, если бы все 60 футов могли поместиться на картинке, но он не может поместиться на таком расстоянии с 200-миллиметровым объективом.

Другой способ взглянуть на это так: на первой фотографии с объективом 50 мм здание было в 10 раз дальше, чем Джо (100 футов / 10 футов = 10). На втором снимке с объективом 200 мм здание было всего в 3,25 раза дальше, чем Джо (130 футов / 40 футов = 3,25), хотя расстояние между Джо и зданием было таким же. Что изменилось, так это соотношение расстояния от камеры до Джо и расстояния от камеры до здания. Вот что определяет перспективу: соотношение расстояний между камерой и различными элементами сцены.

В конце концов, единственное, что определяет перспективу, — это положение камеры и взаимное расположение различных элементов сцены.

Чтобы узнать, как даже небольшая разница в перспективе влияет на изображение, см. статью: Почему фон на одном из этих изображений больше и размыт?

Искажения объектива

Искажения объектива вызваны тем, как объектив проецирует мнимое изображение света, попадающего на переднюю часть объектива, через заднюю часть объектива. Следующие термины обозначают различные типы искажений объектива. Искажения объектива иногда называют геометрическими искажениями, потому что они влияют на способ изображения геометрических фигур объективом.

Бочкообразная дисторсия — это геометрическое искажение, при котором прямые линии кажутся искривленными от центра изображения. Это вызвано тем, что увеличение в центре линзы больше, чем по краям. Большинство объективов с бочкообразной дисторсией — это широкоугольные объективы, которые сжимают очень широкую сцену на более узкий датчик или кусок пленки. Предельным бочкообразным искажением является линза типа «рыбий глаз», которая жертвует прямолинейной проекцией в пользу более широкого поля зрения, получаемого за счет сферической проекции. Набор прямых горизонтальных и вертикальных линий, подверженных бочкообразному искажению:

Подушкообразное искажение — это геометрическое искажение, при котором прямые линии кажутся искривленными по направлению к центру изображения. Это вызвано тем, что увеличение больше на краю линзы, чем в центре. Подушкообразное искажение имеет тенденцию проявляться на конце зум-объективов с большим фокусным расстоянием. Набор прямых горизонтальных и вертикальных линий, подверженных подушкообразному искажению:

Mustache Distortion — это, строго говоря, геометрическое искажение, демонстрирующее бочкообразную дисторсию вблизи центра оптической оси и постепенно переходящую в подушкообразную ближе к краям. Иногда другие формы искажения, вызванные частичной коррекцией бочкообразного или подушкообразного искажения, также обозначаются как искажение усов . Набор прямых горизонтальных и вертикальных линий, подверженных искажению усов:

Зум-объективы, как правило, демонстрируют большее геометрическое искажение, чем их аналоги с одним фокусным расстоянием. Объектив с фиксированным фокусным расстоянием, который представляет собой объектив только с одним фокусным расстоянием, можно настроить для наилучшего исправления геометрических искажений на этом одном фокусном расстоянии. Зум-объектив должен идти на компромисс, чтобы попытаться контролировать искажения на всех фокусных расстояниях. Если подушкообразное искажение сильно скорректировано на более длинном конце, бочкообразное искажение будет более значительным на широком конце. Если бочкообразная дисторсия сильно скорректирована на широком конце, это усугубит подушкообразную дисторсию на длинном конце. Чем шире соотношение между самым широким углом и самым длинным концами фокусных расстояний зум-объектива, тем жестче канат для правильной коррекции геометрических искажений на обоих концах.

Даже с объективами с фиксированным фокусным расстоянием точная коррекция линз для геометрических искажений обходится дороже, чем их коррекция «достаточно близко». Это стоит дороже с точки зрения исследований и разработок на этапе проектирования объектива. Это стоит дороже с точки зрения количества используемых оптических элементов, количества материалов, необходимых для изготовления этих элементов, и стоимости более экзотических материалов, используемых для изготовления некоторых из наиболее эффективных корректирующих элементов. Производство этого увеличенного количества оптических элементов, иногда более экзотических неправильных форм, и с более высокими допусками стоит дороже.

Некоторые из самых дорогих объективов также являются одними из объективов с максимальной коррекцией оптических искажений. Например, такие объективы, как линейка объективов Zeiss Otus. Самые дешевые зум-объективы, как правило, имеют наибольшее геометрическое искажение, а также другие оптические аберрации.

Исправление искажений объектива

Что их вызывает, и можно ли их исправить в полевых условиях или при постобработке программного обеспечения?

Причиной геометрических искажений объектива является конструкция объектива и то, как он преломляет проходящий через него свет. Многие простые объективы демонстрируют те или иные геометрические искажения. Насколько объектив корректирует это искажение, зависит от дополнительных корректирующих элементов, добавленных к оптической формуле объектива.

Лучший способ исправить геометрическую дисторсию объектива в полевых условиях — это использовать объектив, доступный в то время, который демонстрирует наименьшее количество нежелательных искажений.

Можно исправить геометрическое искажение с помощью обработки изображения в камере (если камера имеет такую ​​возможность) или с помощью постобработки, но здесь есть несколько предостережений.

• Поскольку края изогнуты для исправления геометрических искажений, охват поля зрения уменьшается , если сохраняется прямоугольная или квадратная форма всего изображения. Не все, что видно по краям на нескорректированном изображении, появится на скорректированном изображении.
• При переназначении пикселей разрешение может быть потеряно . Если линза с самого начала довольно мягкая и размытая, это, вероятно, даже не поддается измерению, а тем более заметно. Но с объективами с более высоким разрешением, используемыми на камерах с более высоким разрешением, это может иметь как измеримый эффект, так и даже заметный эффект при больших размерах дисплея. Как говорит Роджер Чикала, LensGuruGod1 с Lensrentals.com, в своем блоге, посвященном этой теме ,

«Вы МОЖЕТЕ исправить это в посте, но . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• Любая коррекция в камере, примененная к изображению при съемке в формате RAW, будет отражена в предварительном просмотре в формате jpeg, сгенерированном и добавленном к необработанному файлу, но будет ли коррекция применяться при постобработке, зависит от того, какой конвертер необработанных данных используется. Как правило, сторонние преобразователи необработанных данных, такие как Lightroom, игнорируют инструкции по исправлению, включенные в раздел «заметки производителя» информации EXIF, в то время как собственное программное обеспечение большинства производителей камер применяет настройки камеры при открытии необработанного файла. Кроме того, коррекция, которую можно применить с помощью стороннего конвертера необработанных данных, такого как Lightroom, будет выполняться с использованием профилей объектива, предоставленных этим сторонним приложением, а не профиля объектива, обычно предоставляемого производителями камеры, используемого в камере для создания предварительного просмотра в формате jpeg. или в почте с помощью производителей камер собственное программное обеспечение. С другой стороны, большинство производителей предоставляют профили коррекции только для своих собственных объективов (либо для коррекции в камере, либо для постобработки), в то время как у сторонних конвертеров необработанных данных иногда есть профили, доступные для объективов сторонних производителей.

Я слышал о:

искажение перспективы

бочкообразная дисторсия

подушкообразное искажение

искажение усов

Перспективное искажение описывает, как изображение (или вид, или, точнее, ваша перспектива) меняется по мере того, как вы приближаетесь или удаляетесь от объекта (т. е. меняете перспективу).

Самый простой способ думать об этом таков: представьте, что вы находитесь всего в 10 см от чьего-то лица. С такого расстояния (т. е. с этой точки зрения) вы не можете разглядеть все их лицо сразу — вам нужно повернуть голову влево, вправо, вверх, вниз, чтобы увидеть их лицо целиком. Теперь подумайте о том, под каким углом вы смотрите на его лицо, когда поворачиваете голову влево. Нос выступает, возможно, закрывая вид на их щеку.

Теперь вернитесь на расстояние до 5 метров. Вы можете увидеть все их лицо одним взглядом. Вы можете видеть их нос и всю их щеку. Нос не закрывает щеку, независимо от того, смотрите ли вы влево, вправо или в центр лица.

Это изменение внешнего вида изображения (их лица) не связано с увеличением или уменьшением масштаба. Если бы вы стояли на расстоянии 5 метров и использовали зум, чтобы увеличить их лицо, чтобы заполнить весь кадр, то перспектива не изменилась бы. Но если вы снова подойдете к лицу всего на 10 см, ваша перспектива изменится, и внешний вид лица изменится.

Есть отличное изображение, показывающее это искажение -

Хотя на этом изображении перечислены используемые фокусные расстояния, не думайте, что именно фокусное расстояние (или зум) вызвало искажение. Случилось так, что при более коротких фокусных расстояниях фотограф подошел ближе к объекту, чтобы заполнить кадр лицом объекта — именно это изменение перспективы вызывает искажение.

Лучший пример эффекта фокусного расстояния или масштабирования представлен в приведенной ниже последовательности:

Обратите внимание, что поскольку положение камеры не изменилось, перспектива не изменилась между кадрами, поэтому сарай не искажается от одного кадра к другому.

Извините, я не могу всесторонне описать или объяснить остальные 3 искажения, которые вы перечислили.

Перспективное искажение делает прямые линии прямыми. Однако параллели не остаются параллельными (за исключением случаев, когда они параллельны горизонту). Четырёхугольники превращаются в четырёхугольники. Искажение перспективы можно описать эквивалентом преобразования перспективы, проецируя трехмерную сцену через точку на плоскость.

Бочкообразная и подушкообразная дисторсия не делают прямые линии прямыми. Они отгибают их наружу или внутрь соответственно от центра изображения. Они являются следствием геометрии объектива. Искажение усов происходит, когда такое искажение снова ослабевает снаружи. Это может быть следствием того, что меры по исправлению бочкообразной или подушкообразной дисторсии не всегда одинаково эффективны.

Все эти различные искажения объектива изменяют порядок пикселей в изображении (независимо от содержимого сцены). Например, прямые линии становятся кривыми. Это искажение воспроизведения, так как сюжетные линии прямые, а кривых линий не бывает.

Перспектива упорядочивает содержимое сцены, объекты сцены относительно друг друга. Близкие предметы (например, носы на портрете) кажутся больше просто потому, что мы стоим слишком близко, чтобы рассмотреть их. Или если мы стоим близко, то разное кажущееся горизонтальное разделение дальних вещей относительно ближних... Это не искажение, кроме представлений в нашем сознании. Все случаи, конечно, именно так выглядят, когда камера стоит в этом месте.