Влияние дисторсии объекти-вoв на изображения хорошо известно в фотографии. Из-за дисторсии прямые линии на сцене превращаются в кривые на изображении, а прямоугольные объекты становятся похожими на бочки или подушки (рис. 1, 2).

Рис. 1. Дисторсия отсутствует

Рис. 2. Есть бочкообразная дисторсия

В большинстве случаев такие искажения изображения не приводят к значительной потере его информативности, в то же время учет дисторсии довольно сложен. Поэтому при проектировании видеонаблюдения влиянием дисторсии обычно пренебрегают.

Однако под влиянием дисторсии искажается не только само изображение, но и углы обзора, форма зоны обзора и распределение пространственного разрешения (плотности пикселей). Эти параметры не важны в фотографии, поэтому влияние на них дисторсии обычно не упоминается. Однако данные параметры важны при проектировании видеонаблюдения.

Под влиянием дисторсии поле зрения перестает быть прямоугольным, а фактические углы обзора по горизонтали, вертикали и диагонали могут значительно отличаться от углов, рассчитанных исходя из размеров видеосенсора и фокусного расстояния объектива.

Например, рассмотрим спецификацию типичного короткофокусного объектива (табл. 1).

Табл. 1. Спецификация короткофокусного объектива

При фокусном расстоянии 2,3 мм и размере видеосенсора 1/3" фактический горизонтальный угол обзора составляет 113,30°, а вертикальный - 86,30°. Расчет же показывает меньшие значения углов обзора - 92,40° и 76,10°.

Форма зоны обзора камеры с таким объективом отличается от классической пирамиды (рис. 8) и поэтому не может быть точно рассчитана калькуляторами объективов или смоделирована обычными программами проектирования. Причиной искажения зоны обзора является дисторсия объектива.

Вспомним, что оптическое увеличение объектива - это отношение размеров изображения некоторого предмета, проецируемого объективом на видеосенсоре, к истинным размерам этого предмета.

Дисторсия проявляется тогда, когда оптическое увеличение реального объектива не является постоянной величиной по всему полю зрения, а изменяется в зависимости от расстояния от главной оптической оси объектива.

В зависимости от того, уменьшается или увеличивается оптическое увеличение объектива при удалении от центра поля зрения, различают бочкообразную и подушкообразную дисторсию.

Традиционно, из фотографии, название «бочка» и «подушка» связано с искажением сетчатого поля на изображении. При этом форма поля зрения изменяется противоположно названию. Так, при бочкообразной дисторсии изображение напоминает бочку (рис. 4), а форма поля зрения - подушку (рис. 6). При подушкообразной дисторсии изображение напоминает подушку (рис. 14), а форма поля зрения - бочку (рис. 16).

Дисторсию объектива не следует путать с искажением перспективы (рис. 9), которое является естественным на всех изображениях полученных с помощью широкоугольных объективов. В отличие от дисторсии, искажение перспективы не нарушает пирамидальную форму зоны обзора и распределение пространственного разрешения.

Рассмотрим влияние бочкообразной и подушкообразной дисторсии на моделях, построенных в программе профессионального проектирования видеонаблюдения - VideoCAD.

БОЧКООБРАЗНАЯ ДИСТОРСИЯ

Если при удалении от центра поля зрения оптическое увеличение уменьшается, то на изображении объекты по краям поля зрения выглядят сжатыми, пространственное разрешение уменьшается от центра к краям, а само поле зрения камеры растягивается к краям. Фактические углы обзора в этом случае больше расчетных (рис. 5, 6).

Такая дисторсия называется бочкообразной. Бочкообразная дисторсия наиболее распространена и характерна для широкоугольных объективов.

В частности, рассмотренный выше объектив обладает именно бочкообразной дисторсией. Рассмотрим модели изображений от этого объектива, модели поля зрения, зоны обзора, проекций зоны обзора, построенные с учетом и без учета дисторсии. Положение камеры в обоих случаях неизменно (рис. 3...12). На рисунках слева показаны модели, построенные без учета дисторсии, а на рисунках справа - модели с учетом дисторсии.

Рис. 3, 4. Вид сетчатого поля. С бочкообразной дисторсией сетчатое поле напоминает бочку

Рис. 5, 6. Поле зрения камеры. С бочкообразной дисторсией поле зрения напоминает подушку. Пространственное разрешение ухудшается от центра к краям поля зрения

Рис. 7, 8. Зона обзора и модель сцены в 3D

Рис. 9, 10. Модель изображения от камеры. Наклон мужчин в верхних углах рис. 9 без дисторсии является искажением перспективы, естественным для любого широкоугольного объектива

Рис. 11, 12. Проекция зоны обзора в 2D

Обратите внимание на искажение распределения пространственного разрешения (рис. 6). Бочкообразная дис-торсия увеличивает поле зрения, но уменьшает пространственное разрешение, чем дальше от центра поля зрения, тем сильнее. Предметы, удаленные от центра поля зрения, будут отображаться с меньшим разрешением, чем предметы в центре поля зрения. Поскольку калькуляторы объективов считают пространственное разрешение только в центре, фактическое пространственное разрешение на большей части поля зрения будет хуже расчетного.

ПОДУШКООБРАЗНАЯ ДИСТОРСИЯ

Если при удалении от центра поля зрения оптическое увеличение увеличивается, то объекты на изображении по краям поля зрения выглядят растянутыми, пространственное разрешение увеличивается от центра к краям, а само поле зрения камеры сжимается. Фактические углы обзора в этом случае меньше расчетных (рис. 15, 16). Такая дисторсия называется подушкообразной. Подушкообразная дисторсия меньше распространена и может встречаться у телеобъективов.

Рассмотрим модели, построенные с учетом и без учета подушкообразной дисторсии. Модели приведены для иллюстрации искажений, вносимых подушкообразной дисторсией, и не связаны с определенной моделью объектива. Положение камеры в обоих случаях неизменно (рис. 13...22).

Рис. 13, 14. Вид сетчатого поля. С подушкообразной дисторсией сетчатое поле напоминает подушку

Рис. 15, 16. Поле зрения камеры. С подушкообразной дисторсией поле зрения напоминает бочку. Пространственное разрешение от центра к краям поля зрения увеличивается

Рис. 17, 18. Зона обзора и модель сцены в 3D

Рис. 19, 20. Модель изображения от камеры. Так как объектив узкоугольный, искажения перспективы не заметны (сравните с рис. 9)

Рис. 21, 22. Проекция зоны обзора в 2D

Обратите внимание на искажение распределения пространственного разрешения (рис. 16). Подушкообразная дисторсия уменьшает поле зрения, но увеличивает пространственное разрешение, чем дальше от центра поля зрения, тем сильнее.

УЧЕТ ДИСТОРСИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ

На практике влияние дисторсии актуально для объективов с фокусным расстоянием менее 4 мм. Для более длиннофокусных объективов дисторсия, как правило, невелика и ею можно пренебречь.

Наиболее распространенная бочкообразная дисторсия короткофокусных объективов приводит к тому, что фактическое поле зрения камеры оказывается шире расчетного, с вытянутыми углами, а фактическое пространственное разрешение равно расчетному только в центре поля зрения. В остальной части поля зрения пространственное разрешение оказывается хуже расчетного. Причем на краях поля зрения пространственное разрешение может быть хуже в разы (рис. 6).

Учет дисторсии объектива при проектировании видеонаблюдения позволяет получить модели зон обзора и изображений более близкие к реальности, а значит более полно использовать возможности камер в проекте.

В случаях, требующих точности, сравните фактические углы обзора из спецификации производителя камеры или полученные практическим измерением с расчетными углами обзора, заданными калькулятором объектива исходя из фокусного расстояния и размера видеосенсора. Если углы значительно различаются, то дисторсия объектива этой камеры может быть заметна (см. пример объектива выше).

Моделирование дисторсии объектива впервые реализовано в восьмой версии программы VideoCAD.

Так как параметр «дисторсия» отсутствует в спецификациях камер и CCTV объективов, дисторсия объектива в VideoCAD задается комбинацией расчетного угла обзора и фактического угла обзора. Расчетные углы обзора вычисляются внутри программы из фокусного расстояния объектива и размеров видеосенсора.

Фактические углы обзора обычно приводятся в спецификациях камер и объективов. Если значения углов неизвестны, то можно измерить углы практически.

Для задания дисторсии достаточно задать один из трех фактических углов: горизонтальный, вертикальный или диагональный. Предпочтительнее задать горизонтальный угол. Недостающие углы VideoCAD рассчитает самостоятельно. Для получения максимальной точности можно задать 2 или все 3 фактических угла.

Рис. 23. Проектирование видеонаблюдения в программе VideoCAD

Из заданных значений углов VideoCAD рассчитает дисторсию, которую будет учитывать при построении моделей зоны обзора, распределения пространственного разрешения и моделей изображений от камер. Моделирование дисторсии можно оперативно включать и выключать для оценки ее влияния в каждом конкретном случае.

С.В. УТОЧКИН,
директор CCTVCAD Software
Опубликовано в журнале

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.

Что такое аберрация? Аберрация - это искажения фотографического изображения, образованные оптической системой. Аберрации могут быть геометрическими и хроматическими, это зависит от природы их происхождения.

Хроматические, или как их ещё называют, цветовые аберрации возникают из-за низкого качества фотографической оптики. Проще говоря, это одно из свойств объектива. Хроматическая аберрация в принципе присуща почти каждому из них. Естественно, чем ниже качество линз и вообще качество объектива, тем заметнее эти цветовые искажения на снимках. Почти на каждом снимке, который сделан недорогим фотоаппаратом, можно видеть яркую разноцветную кайму, которая обрамляет контрастные объекты. Это и есть проявление цветовой аберрации.

Хроматические или цветовые аберрации проявляются на границах контрастных элементов

Для того, чтобы свести хроматическую аберрацию к минимуму, ученые создали специальные линзы, которые называли ахроматическими. Эти линзы состоят из двух разных сортов стекла. Стекло сорта крон имеет низкий коэффициент преломления света, а стекло сорта флинт - высокий. Если правильно подобрать соотношение этих сортов, то от хроматической аберрации можно почти избавиться.

Не нужно забывать и о таком явлении, как дисперсия стекла - преломление световых лучей с различной длиной цветовой волны под разными углами.

Пожалуй, не меньше чем хроматическая аберрация, «достаёт» фотографов аберрация геометрическая. При этом явлении точки объекта, которые находятся за пределами оптической оси, отображаются на фотографии как линии или затемнения. Такое искажение называется астигматизм. При астигматизме объекты на снимке получаются изогнутыми, искривленными и даже чуть нерезкими. Надо заметить, что геометрическая аберрация, так же как и хроматическая, влияют на резкость изображения. Правда, при астигматизме это не так заметно.

Асиметрия в фотографии

Часто можно видеть, что контуры объектов на снимке получаются неестественно выпуклыми или вогнутыми. Это проявление дисторсии, одного из видов геометрической аберрации. Дисторсия бывает подушкообразной - если контуры объектов выпуклы, и бочкообразной, если контуры вогнуты. Кстати, дисторсию можно использовать в работе как один из творческих приемов.

Бочкообразная форма зданий

Дисторсия - это результат изменений линейного увеличения, которое обеспечивается оптикой, по всему полю изображения. Проще говоря, лучи света, которые проходят через центр линзы, сходятся вместе в одну точку дальше от линзы, чем лучи, проходящие через её края. Особенно ярко этот эффект заметен при съемке широкоугольными объективами. При съемке зумами проявление бочкообразной дисторсии более заметно при минимальном значении зума, а подушкообразной. При максимальном.

Для того чтобы снизить дисторсию, нужно применять асферическую оптику. В асферические оптические системы включают специальные линзы, которые имеют эллиптическую или параболическую поверхности. Благодаря этому геометрическая аберрация сводится практически к нулю. Изображение на снимке становится идеально похожим на объект съемки. Правда, стоит заметить, что эти линзы очень сложны в изготовлении и их наличие в объективе серьезно сказывается на его стоимости. Начинающих же мастеров фотографии, не имеющих таких объективов, можно утешить тем, что проявление дисторсии в той или иной степени можно скорректировать в графических редакторах.

Те геометрические аберрации, которые препятствуют созданию объективом плоского изображения, называют кривизной поля изображения. При таком виде аберрации в фокусе могут находиться или края изображения, или его центр. Для того чтобы скорректировать эту кривизну, в сборку объектива вносятся некоторые изменения. Но при этом необходимо соблюдать правило Пацвала, которое определяет качество элементов объектива. С помощью этого правила вычисляют так называемую сумму Пацвала. Если обратная величина произведения показателя преломления одного элемента и фокусного расстояния в сумме с общим числом количества элементов равна нулю, значит это элемент хороший. Стоит заметить, что способы исправления кривизны изображений по краям фотографии не были известны до середины 19 века. Но мастеров художественного фото это совершенно не смущало. Они изобрели множество способов скрыть эти искажения, например, с помощью вычурных виньеток. А портреты вставляли в овальные рамы.

Иногда на снимках возникает достаточно сложная аберрация, которую фотографы в обиходе называют комой. Речь идет о коматической аберрации. Это довольно сложная аберрация, которая влияет только лишь на световые лучи, которые проходят через объектив под углом. На фотографиях коматическая аберрация выглядит как размытость отдельных точек изображения, похожая по форме на комету. Если «хвост» кометы направлен к краю снимка - это позитивная кома, если к центру - это негативная кома. Чем ближе эта точка к краю снимка, тем это явление боле заметно. Те же световые лучи, но проходящие четко через центр объектива, коматической аберрации не подвергаются.

Многие виды геометрических аберраций можно свести к минимуму регулировкой диафрагмы. Уменьшая её отверстие, мы одновременно уменьшаем и количество лучей, которые попадают на края объектива. Однако пользоваться этим нужно с осторожностью, так как излишнее диафрагмирование может привести к росту дифракции.

Что же такое дифракция ? Дифракцией называют оптический эффект, который ограничивает детальность снимка вне зависимости от установленного разрешения изображения. Причина дифракции в том, что световой поток при прохождении через диафрагму рассеивается. Чрезмерное диафрагмирование может привести к так называемому дифракционному пределу. При стремлении увеличить глубину резко изображаемого пространства, многие фотографы закрывают диафрагму до такой степени, что достигнутая при помощи этого резкость перекрывается сглаживающим действием дифракции. Это и есть дифракционный предел. И его величину нужно знать, иначе не избежать проблем с детализацией изображения. Для расчета дифракционного предела создан специальный калькулятор, который можно легко скачать на специализированных сайтах.

Дифракция

Ну и в завершении этой статьи стоит заметить, что идеального фотографического объектива без аберраций пока еще не создано. Даже оптика самых известных и уважаемых брэндов в той или иной мере подвержена их действию. Корректировка одного вида искажений неизбежно влечет за собой увеличение действия другого. Но - человеческая мысль не стоит на месте. Возможно, когда-нибудь идеальный объектив и будет создан. Но - пока его нет. Однако, чтобы стать настоящим фотохудожником, совсем не обязательно дожидаться появления такого объектива. Нужно просто хорошо изучить возможности имеющейся у вас оптики и умело ей пользоваться. И тогда успех вам гарантирован.

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. Итак, под понятием «дисторсия » обычно подразумеваются геометрические искривления объектов, искажения линий, появляющиеся в процессе формирования изображений.

Виды дисторсии

Наиболее распространенными видами данного дефекта считаются «подушкообразная », а также «бочкообразная » дисторсии. Для бочкообразной дисторсии характерно выгибание линий наружу, при этом изображение становится выпуклым, главным образом это касается, линий по краям кадра. А для подушкообразной - изгиб линий, который направляется ближе к центру кадра, линии при этом как бы вогнуты. Кроме того, подушкообразную дисторсию иногда ещё называют отрицательной, и она является характерной для широкого угла. А бочкообразная, или положительная дисторсия, чаще всего может проявляться на длинных фокусах.

Почему возникает дисторсия

Дисторсия может возникать по нескольким причинам. Одной из них является схождение параллельных линий, когда фотоаппарат находится в наклонном положении или его наклоняет фотограф — чаще всего это искажение возникает во время съемки высоких зданий с нижнего ракурса. Кроме того, дисторсия может возникнуть и в случае использования дешевых объективов сомнительного качества. Вообще, данная особенность свойственна зум-объективам, то есть, объективам с переменным фокусным расстоянием. А объективы, у которых фокусное расстояние является постоянным, обеспечивает безупречно четкую композицию безо всяких геометрических искажений.

Как избежать появления дисторсии

Для того, чтобы избежать появления дисторсии на фотографиях, лучше всего приобрести дорогой и качественный объектив . В некоторых случаях данную проблему сможет решить использование более широкоугольного объектива . А еще можно попробовать давно известный и проверенный прием — отойти от объекта съемки на более отдаленное расстояние и воспользоваться функцией приближения. Устранить дисторсию уже с готового фотоснимка и сделать его более пропорциональным и гармоничным можно при помощи специальной простой опции в Adobe Photoshop или любом другом графическом редакторе.

Дисторсия как художественный инструмент

Не во всех случаях дисторсию можно считать недостатком и искажением. Иногда она представляет собой своеобразный художественный метод. Существуют даже определенные типы объективов, которые призваны не только не устранять дисторсию, но и намеренно подчеркивать ее. Одним из таких типов объективов является Fish-Eye , что в переводе означает «рыбий глаз». Это одна из наиболее необычных оптических систем для зеркальных фотокамер. Угол изображения этого сверхширокоугольного объектива с выпуклой передней линзой составляет 180 градусов, а иногда и более. В результате получается круговая картинка, а сам кадр при этом остается прямоугольным. Объективы данного типа присутствуют в арсенале практически всех ведущих производителей фототехники — Nikon , Canon и других.

Другим видом объективов с намеренной (положительной) дисторсией являются Tilt /Shift объективы . Чаще всего их применяют во время архитектурной либо технической фотосъемки. Основной особенностью Tilt /Shift объектива является контроль перспективы, а также возможность ее коррекции. Это оптическая конструкция со сдвигом и возможностью наклона. Самым первым в мире объективом такого типа является f/3.5 PC-Nikkor , который был сконструирован и собран знаменитой компанией Nikon в 1961 году. Чаще всего эти объективы используют на 35-миллиметровых и среднеформатных однообъективных зеркальных фотоаппаратах. В настоящее время всё более востребованными становятся Tilt /Shift объективы с фокусным расстоянием 24, 28, 35, 45, 85, а также 90 миллиметров.

Дисторсия и перспектива

Никогда не следует путать между собой такие понятия, как перспектива и геометрические искажения. Их объединяет один важный фактор — угол зрения объектива. Однако, если дисторсия, то есть, геометрическое искажение, является существенным дефектом композиции, то перспектива представляет собой особое свойство мира и нашего собственного восприятия. Человеческие глаза способны видеть все практически на 180 градусов. С этой точки зрения нам всегда необходим широкий угол, дающий перспективу. О сайте fotomtv .

Показать html-код для вставки в блог

Что такое творчество презентация

Крымские устрицы, кубанский хамон и ладожская моцарелла Что мешает российскому производителю

История изобретения стекла