Що таке віньєтування?

11/22/2023 - Comments

Фотографія, у якій краї паперу поступово затемнюються, називається віньєткою. Віньєтку створюють навмисно як художній прийом. Однак на фотографії іноді можна помітити непередбачене затемнення кутів. Це явище на фотографії називається віньєтуванням.

Є три різних типи віньєтування, які мають різні причини. Природне та оптичне віньєтування виникає від оптичної схеми об'єктива, а геометричне віньєтування пов'язане з додаванням до об'єктива механічних конструкцій.

Природне та оптичне віньєтування проявляється в градієнтному зміщенні яскравості зображення від центру до країв: у центрі яскравіше, к краям — темніше. В об'єктивах з великими значеннями діафрагми спостерігаються обидва цих явища, і комбінований ефект часто позначається терміном "згасання освітлення". Геометричне віньєтування також призводить до градієнтного затемнення, але тип затемнення зазвичай більш різкий і проявляється в основному як повне затемнення країв.

Оптичне віньєтування

Більшість об'єктивів в певній мірі мають ефект оптичного віньєтування. Найбільший ефект спостерігається при відкритій діафрагмі, а найменший — при її закритті на кілька ступенів. Разом із природним віньєтуванням оптичне проявляється у градієнтному затемненні від центру до країв. Це затемнення зазвичай непомітне, але його помічають, коли об'єкт, який фотографується, має велику поверхню однакового кольору чи яскравості. Контраст об'єкта також відіграє роль: чим вищий контраст, тим більш виражений ефект.

На малюнку 1 показано оптичне віньєтування об'єктива Carl Zeiss Planar 50/1.4 на прикладі фотографії цегляної стіни. При повній відкритій діафрагмі у нас є "яскраве пляма" в центрі і затемнення по краях. Коли діафрагма прикрита до значення f/5.6 (фото справа), падіння освітлення не спостерігається, воно рівномірне по всьому кадру.

Мал. 1. Приклад оптичного віньєтування, фото зроблене об'єктивом Carl Zeiss Planar 50/1.4. Зліва при f/1.4, справа — при f/5.6.

Оптичне віньєтування також називають штучним віньєтуванням. Його виникнення пов'язане з простим фактом, що об'єктив має свою довжину. Косо падаючий світло зіткнюється з меншим отвором об'єктива, ніж світло, яке проходить прямо. На малюнку 2 показаний об'єктив, який використовується при фотографуванні стіни на малюнку 1, тут представлено дві різні значення діафрагми і дві різні точки зйомки. Білі отвори зверху позначають вхідний зрачок, при якому значення діафрагми видно через лінзи об'єктива фронтально з позиції оптичної осі. Вхідний зрачок є діафрагмою для світла, яке фронтально проходить в об'єктив і потрапляє в центр зображення.

Мал. 2. Об'єктив Planar 50/1.4 при f/1.4 (ліворуч) та f/5.6 (праворуч). Вигляд на оптичній вісі (вгорі) та при половинному обертанні (внизу).

Нижній малюнок показує об'єктив при половинному обертанні. Тут білі отвори відповідають діафрагмі для світла, яке йде до кута зображення. При f/1.4 чиста діафрагма помітно зменшується порівняно з випадком на вісі. Вхідний зрачок частково екранується корпусом об'єктива, у цьому випадку оправами переднього елемента та заднього елемента. Тут об'єктив збирає менше світла для позаосевих точок, ніж для точок на вісі, і, отже, зображення по кутах буде темнішим, ніж центр зображення. При f/5.6 вхідний зрачок значно менший, і на нього вже не впливає корпус об'єктива. Отже, для косо падаючого світла діафрагма така ж, як і для прямо падаючого, тому оптичного віньєтування не існує.

Ефект котячого ока

Наслідками оптичного віньєтування для об'єкта зйомки, який знаходиться в фокусі, є просто затемнення по кутах зображення. Однак оптичне віньєтування також впливає на зображення на фотографії, яке знаходиться поза фокусом. Оскільки форма точок поза фокусом у світлах відображає форму діафрагми, у випадку з відкритою діафрагмою в положенні, як на мал. 2 ліворуч внизу, точки поза фокусом матимуть таку саму форму. Таку форму боке ще називають "котячим оком" або "лимончиками в боке". На мал. 3 чітко показана схожість між формою діафрагми та елементами поза фокусом, які її відображають. Зі збільшенням відстані від оптичної осі кружечки в боке помітно стискаються і починають нагадувати форму котячого ока. Чим більше ця відстань, тим тонше це "око".

Мал. 3. Ефект "котячого ока". У прямокутній області показана біла лінія з точок, фрагмент якої збільшено понизу. (фото Пітера Бьохмера)

Ефект "котячого ока" легко помітити в видошукачі дзеркальної камери. Просто націлюйте фокус на близьких об'єктах і спостерігайте за формою світів, які знаходяться поза фокусом. За товщиною цих точок можна судити про ступінь віньєтування. Також, закриваючи діафрагму, можна спостерігати за зникненням віньєтування. Наприклад, у випадку об'єктива Planar 50/1.4 віньєтування майже повністю зникає при діафрагмі f/2.8.

Оптичне віньєтування спостерігається у більшості фотографічних об'єктивів, і чим об'єктив ширший і світлосильніший, тим оптичне віньєтування сильніше. Об'єктиви з зумом часто обтяжені значною мірою оптичного віньєтування через свою довгу конструкцію. Великі передні або задні елементи об'єктива допомагають зменшити цей тип віньєтування і часто використовуються в конструкціях ширококутних об'єктивів.

Природне віньєтування

Природне віньєтування ще називають природнім затемненням воно залежить від оптичної схеми об'єктива і вираженіше проявляється в ширококутних об'єктивах. Воно підпорядковане закону падіння освітлення cos^4. На відміну від поширеного уявлення, цей закон діє не в просторі об'єктів, а в просторі зображень. Його вимірюють на задньому кінці об'єктива як кут, під яким світло падає на сенсор (плівку).

Для ілюстрації природного віньєтування і відмінностей між оптичними схемами об'єктивів розглянемо два приклади. Навіть якщо дальномірні ширококутні об'єктиви краще скориговані щодо дисторсії та хроматичних аберацій, вони мають недолік у падінні освітлення.

На мал. 4 показано дві оптичні схеми ширококутних об'єктивів, це Carl Zeiss Distagon 21/2.8 і Carl Zeiss Biogon 21/2.8. У верхній частині — ретрофокусна асиметрична схема об'єктива для дзеркальних фотоапаратів Contax (а також інших дзеркалок). У нижній частині — симетрична схема об'єктива для дальніметрових камер Contax G. Чорні смуги показують фактичне розташування лепесткової діафрагми, червоні смуги показують вихідний зрадник, який є діафрагмальним стопом, який людина бачить, глядя в об'єктив ззаду. Вихідна зіниця проектує світло на плівку (матрицю) і обводить світловий конус, отриманий точкою на плівці (мал. 5).

Мал. 4. Проекція зображення відносно положення для двох ширококутних об'єктивів 21/2.8.

Вгорі — ретрофокусна асиметрична схема Distagon 21/2.8 для дзеркальних камер. Внизу — схема об'єктива Biogon 21/2.8 для дальніметрових камер. Кут b у світловому конусі на обох схемах відрізняється.

Вихідна зіниця дальномерного об'єктива розташований на відстані від плівки, приблизно рівній фокусній відстані об'єктива. У той час як вихідний зрадник ретрофокусної схеми віддалений від плівки на набагато більшу відстань. Таким чином, кут b у жовтому конусі, який формує зображення на плівці, більший у Biogon, ніж у Distagon. Цей кут є дуже важливим для закону розподілу світла cos^4. На Рис. 5 показано збільшений фрагмент заднього кінця схеми Biogon, де розглядаються 2 конуси, один — формує точку на оптичній осі (центр зображення), другий — формує точку не на осі (кут зображення).

Мал. 5. Закон розподілу світла cos4, показаний з прикладу схеми Biogon.

У порівнянні з центром зображення освітлення на кутку менше з трьох причин. По-перше тут присутній фактор cos2(b), через закон зворотних квадратів: світло, що проходить на кут проходить більшу відстань ніж світло, що проходить до центру. По-друге, зіниця видима з точки, що знаходиться не на осі не кругла, а має форму еліпса, і має меншу площу в порівнянні з круглою зіницею, яка в центрі. Це другий фактор cos(b), проте слід зазначити, що цей фактор є наближеним. Він впливатиме у тому випадку, коли діаметр зіниці не дуже маленький, порівняно з відстанню до плівки. І по-третє, поки світло доходить до центру плівки з нормальним падінням, на периферію кадру він доходить під кутом b. Це ще один фактор cos(b). Цей ефект відноситься до закону Ламберта і його можна порівняти з пізнім полуденним сонцем, яке освітлює землю менше, ніж сонце опівдні, тому що той же сонячний промінь поширюється на велику площу. Спільна дія всіх факторів cos(b) є зниженням світла на кутах зображення згідно із законом cos4.

Зазначимо, що закон cos4 не є законом як таким, швидше за все це сукупність факторів косинуса, які можуть або не можуть бути присутніми в конкретній ситуації.

Геометричне віньєтування

Коли механічні деталі об'єктива закривають його поле зору, кути зображення отримують менше світла, ніж якби цих деталей не було. Це може бути оправа об'єктива, бленда, накручений світлофільтр або всі разом. Цей тип віньєтування називають геометричним, або ще механічним.

Бленда або фільтри обмежують косі промені, що потрапляють у вхідну зіницю і затемнюють її. Як вирішення проблеми рекомендується використовувати аксесуари, які відповідають даному об'єктиву. Навіть один товстий світлофільтр може вже віньєтувати ширококутний об'єктив, тому при покупці таких аксесуарів рекомендується їх перевіряти.

Мал.7. Типовий випадок геометричного віньєтування. Об'єктив Distagon 28/2 @ f/11 + бленда Contax #3)

Мал. 7 ілюструє типовий випадок геометричного віньєтування. Фото зроблено об'єктивом Distagon 28/2, із встановленою на нього блендою Contax #3, яка просто довга для цього об'єктива. Графічне пояснення показано на рис. 8. Об'єктив Distagon сфокусований на нескінченність з діафрагмою f/11. Кут зображення, що освітлюється помаранчевим променем, що приходить з нескінченності, йде до вхідної зіниці (червона лінія). Кут, що утворюється променем та оптичною віссю відповідає 37 градусам. За відсутності бленди, помаранчевий промінь повністю доходить до вхідної зіниці, але з блендою вхідна зіниця недосяжна для помаранчевого променя. Зіниця затьмарила бленду і кути зображення взагалі не отримали світла./

Мал. 8 не показує заломлення променів. Для геометричного віньєтування достатньо розглянути вхідну зіницю та перешкоду в передній частині об'єктива.

Висновки

Оптичне віньєтування виникає через розміри об'єктива: точки об'єкта поза осі через менший отвор, отримують менше світла, ніж точки на оптичній осі. Це можна виправити, прикривши діафрагму. Якщо прикрити діафрагму хоча б на один стоп, то віньєтування значно зменшується, а повністю пропадає - прикривши на 2-3 стопи.

Затемнення кутів, що спостерігається на прикритих діафрагмах, виникає через естесвенное віньєтування. Природне віньєтування не можна виправити прикриттям діафрагми. Сильне природне віньєтування виправляють градієнтним світлофільтром, що затемняє центр зображення, а краї залишаються без змін.

І нарешті, геометричне віньєтування виникає через додаткові приєднання до об'єктиву. Кути зображення можуть бути повністю темними і це виникає лише через провину фотографа, який використовував некоректні аксесуари.

Всі типи віньєтування найбільше виявляються при фокусуванні на нескінченність. При ближньому фокусуванні поле зору зменшується і розмір кола зображення збільшується і віньєтована частина зображення залишається за кадром. Потрібно знати, що насамперед на розмір кола зображення впливає оптичне віньєтування. Природне віньєтування також має місце, оскільки вихідна зіниця знаходиться на певній відстані від плівки (принаймні у більшості об'єктивів).

Також хочеться згадати, що віньєтування це не завжди погано. Розробники об'єктивів можуть навмисно ввести віньєтування для зменшення аберацій, жертвуючи площею покриття поля для кращої різкості та контрасту.

Крім того, ефект віньєтування може бути використаний в художній зйомці, щоб і виділити таким чином об'єкт, що знаходиться в центрі кадру.