Пусть - информация в форме, допускающей дискретизацию, имеющаяся в так называемой плоскости изображения. Произвольная точка на этой плоскости задается радиус-вектором х. Функциональная
зависимость от х записывается как
Функциональные зависимости всех других величин, заданных в плоскости изображения, представляются аналогичным образом.
Предположим теперь, что информация подвергается инвариантному во времени искажению, определяемому функцией значение функции в точке «размывается» на плоскости изображения в соответствии с видом функции Это означает, что рассматриваются только линейные искажения, так что искаженный сигнал может быть в достаточно общем виде записан следующим образом:
где через обозначен элемент площади с центром в точке (плоскости изображения), определяемой радиус-вектором В выражении (3.2) указан двойной интеграл ввиду двумерности плоскости изображения. Бесконечные пределы просто говорят о том, что интегрированием охватывается все изображение.
Если искажение имеет столь общий характер, что выражение (3.2) невозможно конкретизировать и упростить, то редко удается успешно восстановить функцию но функции Широко применимые методы восстановления и реконструкции были разработаны для пространственно-инвариантных искажений (характеризующихся тем, что размытие получается одним и тем же для всех точек х), либо для искажений. которые можно представить как пространственно-инвариантные одним из двух методов. Первый метол основан на геометрическом преобразовании изображения для перевода иространственно-зависимого искажения в пространственно-инвариантное. Во втором методе изображение с пространственно-зависимым искажением разбивается на ряд фрагментов, в каждом из которых его можно рассматривать как пространственно-инвариантное. Оба эти метода подробно рассматриваются в § 15.
Пространственная инвариантность означает, что функция, задающая искажение, имеет вид
Если функцию (3.3) подставить в выражение (3.2), то мы получим так называемый интеграл свертки. Операцию свертки будем обозначать звездочкой, поставленной в качестве знака умножения. Тогда выражение (3.2) с учетом равенства (3.3) можно записать в компактной форме
Даже если искажение является пространственно-инвариантным, не существует каких-либо априорных ограничений, налагаемых на вид ялра свертки Олнако на практике часто встречаются вполне определенные вилы этой функции, четыре из которых приведены в табл. 1.1 (см. пример 1 в конце данной главы). Линейный смаз возникает, если фотографируемый объект перемещается в процессе экспозиции по прямой линии (или же, что эквивалентно, если камера случайно качнется, а объект неподвижен). Промежуточный профиль, изображенный в табл. 1.1 в случае смаза, показывает, как движется фотографируемый объект в ходе экспозиции (резкий срез профиля на краях отвечает очень быстрому срабатыванию затвора камеры). Если высота сечения постоянна в процессе экспозиции, то такой линейный смаз называется однородным.
Другая обычная причина фотографического искажения - эффект расфокусировки. В этом случае функция имеет вид, очень близкий к кругу. (Это можно сказать из простых соображений геометрической оптики: данный круг есть пересечение плоскости изображения с конусом лучей, исходящим из дальней точки поля фотокамеры, который сходился бы в точку в плоскости изображения, если бы камера находилась в фокусе; тогда плоскость изображения была бы фокальной плоскостью.) Когда объект рассматривается через турбулентную среду при помощи оптической системы с высоким разрешением, искажение в случае короткой экспозиции (на протяжении которой состояние среды не успевает измениться) часто хорошо описывается функцией имеющей форму набора случайных импульсов. В случае же длительных экспозиций форма функции приближается к гауссовской. Хотя причины этих четырех видоп искажения могут быть самыми разными, указанные выше, пожалуй, наиболее типичны.
Обратимся теперь к процессу формирования изображений в оптической системе, отделенной от объекта искажающей средой. Мы будем предельно кратки. Подробный анализ можно найти в литературе. Указанная в § 1 произвольная точка в плоскости, на которую падает излучение, характеризуется радиус-вектором Если поле излучения в каждой точке представляет собой просто модулированное по амплитуде и фазе поле, которое существовало бы в этой точке в отсутствие искажения, то искажение называется изопланатическим. Изопланатизм - очень простое понятие, но оно имеет весьма важное практическое значение, а поэтому целесообразно дать и другое его определение. Рассмотрим луч, исходящий из произвольной точки источника излучения и приходящий в точку Будем характеризовать ослабление и задержку этого луча, отвечающие искажению, модулем и фазой комплексного числа Условием
изоиланатичности является независимость комплексного числа от т. е. равенство
Подчеркнем, что на практике при изопланатическом искажении комплексное число может сильно меняться в зависимости от точки Чем больше линейные размеры источника излучения, тем менее вероятно выполнение условия (3.5) для произвольной конкретной искажающей среды. К тому же, тобы условие (3.5) оставалось справедливым, размеры «ячеек» среды, которая вводит искажение, должны превышать некоторое минимальное значение, определяемое геометрией источника и среды. Таким образом, мы приходим к понятию участка изопланатизма. размер которого есть наибольший «эффективный размер» источника излучения. Удобно выражать размеры участка изопланатизма в угловой мере. Если во всех точках видимые угловые размеры источника излучения меньше размеров участка изопланатизма, то искажение является изопланатическим.
Обозначим поле излучения в произвольный момент времени в точке через а его фурье-образ через (§ 6). Предположим, что точка лежит в плоскости зрачка (т. е. в плоскости апертурной диафрагмы) устройства, формирующего изображение (например, телескопа, ультразвукового преобразователя, радиоантенны). Если фокальную поверхность такого устройства отождествить с плоскостью изображения, введенной в § 1, то сигнал будет «мгновенным изображением», формируемым этим устройством.
Введем теперь понятие аналитического сигнала. Эго сигнал, который не имеет отрицательных временных частот. Аналитический сигнал обязательно является комплексным, причем его мнимая часть связана преобразованием Гилъберта с его вещественной частью. За вещественную часть аналитического сигнала обычно принимают фактически измеряемый сигнал. Самый простой аналитический сигнал - экспоненциальная функция , где постоянная угловая частота, постоянная фаза. Вещественный сигнал, соответствующий этой функции, равен . В данной книге аналитические сигналы будут встречаться мало, и поэтому здесь мы не будем подробно останавливаться на них (исчерпывающее изложение теории аналитических сигналов лано в литературе, указанной в § I). Однако подчеркнем, что всюду, где будет вводиться сигнал, явным образом зависящий от времени он будет считаться комплексным и не имеющим отрицательных временных частот.
Свойства «изображения», формируемого соответствующим устройством, зависят от степени пространственной когерентности источника излучения. В формируемом изображении степень
пространстве иной когерентности находит выражение в том, как зависит от величина
где интервал времени, достаточно большой для рассматриваемого приложения. Полная когерентность имеет место, когда величина для любых двух точек х их, в которых величины конечны, тоже отлична от нуля. В случае полной пространственной некогерентности величина (3.6) равна нулю при значениях превышающих наименьший линейный размер самой малой детали, которая может быть разрешена устройством, формирующим изображение.
Отметим, что чертой над любой функцией времени в данной книге всегда обозначается усреднение по времени.
Излучение с пространственной когерентностью, промежуточной между полной и нулевой, почти не применяется, а потому далее будут рассматриваться только крайние случаи полной пространственной когерентности и полной пространственной некогерентности. Конечно, эти крайние случаи - идеализация, но на практике возможно то или иное приближение к ним. Например, это имеет место при отражении и преломлении излучений, испускаемых радио- и СВЧ-передатчиками, ультразвуковыми преобразователями и лазерами, с одной стороны, и различными естественными источниками излучения в природе - с другой. Поэтому и имеет смысл рассматривать только эти два предельных случая когерентности.
При оценке степени пространственной когерентности для удобства обычно рассматривают отдельные спектральные составляющие (изображений и излучений), считая их монохроматическими. Например, мгновенное изображение рассматривается в виде Идеальное записываемое изображение, которое мы будем обозначать символом выражается через следующим образом:
Отметим, что усреднение по времени в определении (3.7) должно проводиться по большому числу периодов центральной частоты поля, падающего на фокальную поверхность устройства, формирующего изображение. Временной интервал такого усреднения обычно составляет малую долю длительности реального процесса записи (например, экспонирования пленки, сканирования одного элемента
многоэлементного фотоприемника, получения достаточно большого сигнала СВЧ-приемника). Заметим, что миллион периодов видимого спета составляют только несколько наносекунд, а для большей части СВЧ-диапазона временной интервал в охватывает более тысячи периодов. С точки зрения обработки изображений различие между случаями пространственной когерентности и пространственеюй некогерентноети сводится к следующему:
В данной книге обработка изображений пространственно-когерентных полей не рассматривается главным образом из-за практических трудностей, связанных с реализацией «оптических» вычислений (§ 2). Далее там, где специально не оговаривается противное, предполагается, что
Если пренебречь шумом, который неизбежно вносится при записи изображений, а также считать искажение идеально изопланатичсским, функция совпадает с функцией в формуле (3.4). Это - следствие теоремы о свертке для фурье-образов (см. § 7, а также § 8, в котором далее рассматривается вопрос об изображениях пространственно-некогерентных источников). В соответствии с условием (3.9) в данной книге всюду, где специально не оговаривается противное, предполагается, что
Подчеркнем, что дифракционно-ограниченное изображение, поскольку диаметр апертуры (или зрачка) любого устройства, формирующего изображение, обязательно конечен. Если X - центральная длина волны излучения, то устройство, формирующее изображение, не может разрешить детали реальной картины источников, которые соответствуют углам, меньшим . В принципе сверхразрешение возможно, но лишь при условии, что размеры разрешаемых деталей в исходном изображении значительно превышают размер одного элемента изображения.
Искажения, обсуждавшиеся до сих пор в данном параграфе, могут компенсироваться методами, излагаемыми в гл. 3 и 6. Методы, вводимые
в гл. 7-9, пригодны как для компенсации указанных искажений, гак и для коррекции геометрических искажений и улучшения визуального качества изображений (см. соответствующие определения в § 2).
Искажения изображений возникают не только вследствие влияния среды распространения и несовершенства или неверной настройки устройства, формирующего изображение. Иногда они связаны с тем, что не допускают измерения или отсутствуют некоторые очень важные данные, как в задачах, рассматриваемых в гл. 4. В других случаях они могут быть связаны с процедурой измерений, которая, хотя в конечном счете и идеальна, вносит искажения, так что без дополнительной обработки изображения практически непригодны для использования, как в приложениях, обсуждаемых в гл. 5.
Восстановление постоянной составляющей.
Полутоновые (градационные) искажения.
Качество ТВ изображения. Для полностью тождественной передачи изображения окружающего нас мира необходима стереоцветная система с очень высокими качественными параметрами. Пока подобную систему реализовать не представляется возможным, и поэтому к качественным параметры ТВ изображения относятся: число строк, число кадров, число мельканий в одну с, число полутонов и их распределение в динамическом диапазоне изменения яркости, цветовой охват и др, которые определяют номинальное качество ТВ изображения , воспроизводимого данной системой. Кроме этих ограничений соответствие изображения оригиналу уменьшается из-за искажений, возникающих практически во всех элементах ТВ системы. Объективная и субъективная оценки параметров и искажений ТВ системы, условия наблюдения и обработка результатов также регламентированы.
Рассмотрим основные виды искажений и методы их оценки.
9.1. Геометрические (координатные) искажения.
Геометрические искажения возникают из-за изменения координат передаваемых элементов, проявляются в виде нарушения геометрического подобия ТВ изображения оригиналу. Геометрическое подобие нарушается в основном из-за не идентичности формы растра и относительных скоростей строчной и кадровой разверток при анализе и синтезе изображения.
Различают линейные и нелинейные растровые искажения.
На рис.9.1 представлены основные типы линейных растровых искажений, к которымотносятся: подушкообразные, бочкообразные, трапецеидальные.
Оценка производится по специальным квадратным или прямоугольным элементам, входящим в состав специализированных или универсальных испытательных таблиц с помощью коэффициентов геометрических искажений, визуально ее легче производить по испытательным элементам в форме окружностей и по всему полю изображения.
Рис.9.1. Геометрические искажения изображения “шахмотного поля”, возникающие из-за искажений формы растра
Подушкообразные искажения растра возникают из-за несоответствия линейной скорости развертывающего луча в центральной и периферийной части экрана за счет проекции на плоский экран электронных лучей отклоняемых по радиусу. При постоянной угловой скорости движения луча по мере удаления от центра экрана увеличивается длина луча, что приводит к возрастанию его линейной скорости, а следовательно к растягиванию изображения в по краям экрана (рис. 9.1а ). Для борьбы с подушкообразными искажениями применяют специальные методы коррекции формы отклоняющего тока, замедляющие скорость перемещения луча периферийной части экрана или изменяя размеры срок, увеличивая центральные и сжимая по краям.
Бочкообразные искажения возникают в результатеперекоррекции подушкообразных (рис 9.1.б ).
Подушкообразные и бочкообразные искажения оцениваются коэффициентом геометрических искажений по следующим формулам:
или 
Трапециидальные искажения возникают из-за нарушения оптической и электрической оси к плоскости изображения (рис. 9.1.в ).
Искажения формата кадра могут возникать из-за нарушения соотношения величин отклоняющих токов строчной и кадровой разверток (рис.9.1.г, д.). Оценка величин данного типа искажений нецелесообразна, так как они легко корректируются органами регулировок размеров изображения по горизонтали и вертикали.
Нелинейные геометрические искажения (рис.9.2) возникают из-за непостоянства скоростей движения лучей по вертикали или горизонтали, то есть из-за нелинейности токов кадровой (рис.9.2.а) или строчной развертки (рис.9.2.б).
Рис.9.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за нелинейности строчной и кадровой разверток
Коэффициенты геометрических искажений в вертикальном и горизонтальном направлении оцениваются следующим образом:
Человеческий глаз слабо замечает нелинейные искажения. Так нелинейность развертки до 5% в любом направлении практически незаметны, а при 8…12% изображение воспринимается как хорошее.
Продолжаю цикл статей по компьютерной обработке фотоагрфий. Темой сегодняшнего нашего разговора будет исправление дисторсии и перспективы на фотографии.
Напомню, что дисторсия - это искривление прямых линий, проявляющееся по краям кадра, из-за чего картинка выглядит выпуклой или, наоборот, вогнутой.
Эффект перспективы - это оптический эффект, состоящий в схождении параллельных прямых на фотографии.
Дисторсия и перспектива - это настоящий бич при съемке интерьеров и архитектуры. Именно из-за них стены зданий выглядят искривленными, а сами здания вместо прямоугольной формы имеют форму трапеции.
Вот пример фотографии, в которой перспектива играет отрицательную роль:
Как видим, на фотографии все объекты "валятся" к центру кадра.
Однако, иногда дисторсия и перспектива играют положительную роль и используются в качестве художественного приема, позволяющего лучше передать идею фотографии зрителю (хотя, это все на любителя).
Тем не менее, зачастую встает вопрос - как "подчинить" перспективу и дисторсию и заставить их "работать на себя". Для этого придумано немало средств, как "железных", так и программных. Для начала поговорим о перспективе .
Как исправить перспективу?
Использование объектива "тилт-шифт"
Тилт-шифт (tilt-shift, поворот-сдвиг) - это объектив специальной конструкции, позволяющий копменсировать перспективные искажения. Примером такого объектива является Canon TS-E 24mm f/3.5 L II. Объектив состоит из 2 частей, соединенных подвижным шарниром, имеющим две степени свободы - "морду" объектива можно двигать вверх-вниз параллельно плоскости кадра (для компенсации перспективы) или поворачивать в вертикальной плоскости (для управления расположением зоны ГРИП.
Более подробно почитать об этом объективе можно на сайте photozone.de (правда на английском языке), а посмотреть картинки на этой странице - примеры использования объектива tilt-shift - весьма интересно!
Объектив "тилт-шифт" - незаменимый аксесуар для профессиональных фотографов, снимающих архитектуру и интерьеры. Однако, стоимость такой оптики редко опускается ниже 4-значной долларовой отметки. Редкий фотолюбитель может себе такое позволить.
Компоновка кадра, исключающая перспективное искажение
Если вы заметили, то эффект перспективы проявляется только когда расположение оптической системы (фотоаппарат + объектив) отлично от горизонтального. Стоит "задрать" голову, сразу получаем падающие стены!
С другой стороны, если скомпоновать кадр так, чтобы горизонт был посередине (то есть, аппарат стоит строго горизонтально), то перспективного завала не будет. Однако, при этом необходимо сильно кадрировать изображение. Примерно так (пример сделан "пост-фактум", поэтому прошу извинить за возможную неточность передачи картинки):
Минусы очевидны - значительный проигрыш в разрешающей способности, необходимость иметь мощный широкоугольник.
Советовать использование такого метода на практике не рискну, однако, на самый крайний случай может пригодиться.
Исправление перспективы в Adobe Photoshop Lightroom
Если у вас есть эта программа и вы имеете привычку снимать все в RAW, вы можете вздохнуть с облегчением, вы избавлены от многих мучений.
Нам нужно выполнить 4 действия:
1. Выбрать раздел Develop
2. Промотать список опций вниз до Lens Correction
3. Выбрать режим Manual
4. Поиграть движком Vertical
При наведении курсора мыши на движок Vertical, на изображении появляется сетка, которая помогает "вывести" вертикали.
Все почти хорошо за исключением того, что в нижней части фотографии образовалась полукруглая "выемка", от которой избавляемся кадрированием.
Вот и все!
Итак, с перспективой разобрались. Осталось победить дисторсию. А если не победить, то использовать с выгодой для себя.
Эксперименты с дисторсией
Чтобы просто исправить дисторсию в ручном режиме, нужно подвигать соответствующий движок. Ничего сложного нет, сами быстро разберетесь:
Либо еще проще! Переходите из ручного режима в режим Profile и ставите галочку Enable Profile Correction:
Программа сама определит, какой объектив был использован при съемке и внесет корректировку - исправит дисторсию и, заодно, виньетирование. Но все это при условии, что вы работаете с форматом RAW и программа "знает" ваш объектив.
Легким движением руки выпуклая картинка рыбьего глаза трансформируется в "прямую" с агрессивной перспективой (как с простым сверхширокоугольником). Для этого вам нужно вручную выбрать и применить к зенитаровской картинке профиль от объектива Canon EF 15/2.8.
Результат может быть самым неожиданным. Например таким:
Единственный минус - детализация по углам кадра становится просто никакой. Однако, учитывая разницу в стоимости между Зенитаром 16/2.8 и "эквивалентным" ему широкоугольником Canon EF 16-35/2.8L или Canon EF 14/2.8L советскому фишаю можно простить абсолютно все! По крайней мере, подобный эксперимент может дать вам примерное представление - "а как будет это выглядеть, если снять это сверхширокоугольником?" Это может повлиять на ваше решение о (не) целесообразности покупки широкоугольной "эльки".
Коррекция объектива помогает скомпенсировать несовершенства, присутствующие почти в каждом снимке. Среди может быть затемнение по краям кадра, прямые линии могут искривляться, а вокруг предметов появится цветная обводка. Хотя подобные вещи часто незаметны на исходной фотографии, преимущества от их отсутствия почти всегда есть. Однако, при неосторожном подходе коррекция объектива только ухудшит снимки. В зависимости от субъекта, некоторые несовершенства могут даже быть выгодными.
До редактирования
После редактирования
Результат после избавления от виньетирования, дисторсии и хроматических аберраций. Разница станет еще очевиднее, если смотреть в полноэкранном режиме.
Обзор
Три самых распространенных коррекции объектива направлены на устранение следующих проблем:
Виньетирование
Дисторсия
Хроматическая аберрация
- Виньетирование . Его эффект - постепенное затемнение по краям изображения.
- Дисторсия . Прямые линии выгибаются внутрь или наружу.
- Хроматическая аберрация . Эта проблема проявляется как цветная обводка вокруг высококонтрастных граней.
Однако, ПО для коррекции объектива обычно может исправить только некоторые типы каждого несовершенства, поэтому главное - распознать их. В следующих разделах будут описаны типы и причины возникновения каждого дефекта. Вы узнаете, когда можно применить коррекцию, и в первую очередь как минимизировать несовершенства.
Для этого урока подойдет большинство программ, но самые популярные варианты среди прочих: Adobe Camera RAW, Lightroom, Aperture, DxO Optics и PTLens.
1. Виньетирование
Этот дефект описывается как постепенное уменьшение света вокруг краев фотографии и это, пожалуй, самая заметная и простая в устранении проблема.
Внутреннее виньетирование
Физическое виньетирование
Обратите внимание на то, что внутреннее виньетирование наиболее проблемно лишь в верхнем левом и нижнем правом углах из-за предмета съемки, даже учитывая, что эффект одинаково применяется со всех сторон.
Дефект устранен
Виньетирование можно разбить на две основные категории:
Физическое. Часто его невозможно исправить кроме как прибегая к обрезке или ручному освещению/клонированию. Выглядит как сильное, резкое затемнение, появляющееся обычно только в самих углах снимка. Причины - нагроможденные/большие фильтры, крышки объектива или другие объекты, физически блокирующие свет вокруг края кадра.
Внутреннее. Обычно легко корректируется. Выглядит как плавное, часто слабое затемнение от центра изображения. Появляется из-за внутренней работы определенного объектива или камеры. Обычно этот тип становится наиболее заметным с меньшими f-числами, при использовании зума или широкоугольных объективов, а также при фокусировании на отдаленных предметах. Цифровые зеркальные камеры с кропнутым сенсором обычно менее подвержены появлению виньетирования из-за того, что темные грани просто обрезаются (в отличие от полнокадровых моделей).
- Техническое примечание: Внутреннее виньетирование состоит из двух категорий: оптическое и натуральное. Первое можно минимизировать, диафрагмируя объектив (использовать большие f-числа), но второй тип не зависит от настроек объектива. Поэтому натуральное виньетирование неизбежно, если не использовать объектив с меньшим углом обзора или специальный корректирующий фильтр, который отбрасывает свет к центру изображения (редко используется где-то кроме крупноформатных камер).
Коррекция
Виньетирование часто можно исправить при помощи одного только слайдера «количество», хотя иногда может потребоваться изменить центр коррекции, используя слайдер «средняя точка» (он используется редко). Однако, коррекция увеличит количество шума вокруг краев, так как цифровое осветление снимка одинаково усиливает сигнал и шум.
Слайдеры коррекции виньетирования в Photoshop.
Искусственное виньетирование. Некоторые фотографы намеренно добавляют эффект виньетирования своим фотографиям, чтобы привлечь внимание к центральному субъекту и сделать края кадра менее резкими. Однако, вам может потребоваться применить эффект после того, как снимок будет обрезан (иногда это называют «виньетирование после обрезки»).
2. Дисторсия: Бочка, подушка и перспектива
Этот вид несовершенства заставляет прямые линии выглядеть выгнутыми наружу или вогнутыми внутрь, а также влияет на передачу глубины.
Подушкообразная дисторсия
Бочкообразная дисторсия
К самым распространенным категориям дисторсии относятся:
Подушкообразная. Прямые линии будто вгибаются внутрь снимка. Обычно появляется у телеобъективов или на телефотографическом конце зумного объектива.
Бочка. Прямые линии выгибаются наружу. Чаще всего проявляется при работе с широкоугольными объективами или на широкоугольном конце зумного объектива.
Искажение перспективы. Проявляется, когда параллельные линии сходятся. Причина - камера не направлена перпендикулярно этим параллельным линиям; при съемке деревьев и архитектуры это обычно значит, что камера не направлена на горизонт.
При работе с пейзажной фотографией дисторсию горизонта и деревьев обычно наиболее легко заметить. Размещение горизонта вдоль центра изображения поможет минимизировать проявление всех трех типов дисторсии.
Синяя точка - направление камеры; красные линии - сходящиеся параллельные линии.
- Техническое примечание: Дисторсия перспективы - не совсем настоящая дисторсия из-за того, что она является естественной характеристикой трехмерного зрения. Мы видим это своими глазами, но наш мозг знает корректное расположение объектов в 3D-пространстве и поэтому не воспринимает линии как сходящиеся. Если хотите узнать больше, почитайте уроки о широкоугольных объективах и использовании tilt-shift объективов для контроля перспективы .
Коррекция
К счастью, каждый из вышеперечисленных типов можно исправить. Однако, это стоит делать только в случае необходимости, например, с субъектами, включающими прямые линии или чем-то очень геометричным. Например, архитектурная фотография - самая чувствительная сфера, в то время как при ландшафтной съемке дисторсия почти не присутствует.
Слайдеры коррекции дисторсии в Photoshop
У ПО для обработки обычно есть слайдеры для исправления подушко- и бочкообразной дисторсии, а также горизонтальное/вертикальное исправление перспективы. Однако, убедитесь, что используете функцию наложения сетки (если она имеется), чтобы иметь возможность оценить результат своей работы.
Недостатки
Коррекция дисторсии обычно требует обрезки искривленных граней кадра, что может повлиять на композицию. Она также перераспределяет разрешение снимка; при избавлении от подушкообразного искривления, края станут немного более резкими (за счет центра), в то время как устранение бочкообразной дисторсии сделает резким центр (за счет граней). При работе с широкоугольным объективом, бочкообразная дисторсия - неплохой способ компенсации смягчения граней, которое является частым последствием использования этого объектива.
3. Хроматические аберрации
Хроматическая аберрация (ХА) выглядит как неприглядная цветная обводка вокруг высококонтрастных краев. В отличие от двух других недостатков, хроматические аберрации обычно заметны только при большом масштабе на компьютере или при крупной печати.
Снимок до коррекции
До и после с масштабом 100%
Вышеприведенная коррекция эффективна, так как ХА в большинстве принадлежала к легко устраняемому латеральному типу.
Типы и причины
Хроматические аберрации - пожалуй, самый разнообразный и сложный дефект. Его распространение во многом зависит от субъекта. К счастью, ХА легко понять, разделив их как минимум на три феномена:
Латеральные (Боковые).
Осевые.
Блюминг.
- Техническое примечание: Чистые боковые ХА случаются, когда цветовые составляющие изображения сняты с разными относительными размерами (но они все резко сфокусированы). В случае с осевыми ХА, они появляются при одинаковом относительном размере цветовых составляющих, но некоторые из них оказываются вне фокуса. Блюминг же проявляется, когда обе проблемы присутствуют в малом масштабе на микролинзе сенсора вместо проявления по всей ширине снимка на объективе камеры .
Латеральные (Боковые). Самый простой в коррекции тип. Проявляется как противоположная двухцветная кайма, идущая радиально от центра снимка, увеличиваясь по краям. Самая распространенная комбинация цветов - бирюзовый/пурпурный вместе с потенциальным синим/желтым компонентом.
Осевые. Не поддаются исправлению или поддаются лишь частично с побочными эффектами. Проявляются как одноцветное сияние вокруг всех краев контрастных деталей, также менее варьируются в зависимости от позиции на снимке. Сияние часто багрянистое, но его цвет и размер может иногда быть скорректирован смещением автофокуса вперед или назад.
Блюминг. Обычно можно исправить. Это - уникальный феномен цифровых сенсоров , который становится причиной обрезки избыточного света, создавая разнообразную цветовую обводку на уровне сенсора, обычно синего или багрового цвета. Чаще всего проявляется при резкой, обрезанной зеркальной подсветке на компактных камерах с высоким разрешением. Классический пример - края верхушек деревьев и листва на фоне яркого белого неба.
Все снимки имеют определенные комбинации вышеперечисленных типов, хотя их относительная распространенность может очень сильно варьироваться в зависимости от содержимого снимка и объектива. Латеральные и осевые ХА чаще присутствуют в недорогих объективах, в то время как блюминг проявляется в более старых компактных камерах; при этом, все аберрации более заметны в высоком разрешении.
- Техническое примечание: Хотя осевые ХА и блюминг обычно распределяются равномерно вокруг всех краев, они могут не проявляться равномерно во всех направлениях, в зависимости от цвета и яркости конкретного края. Из-за этого их часто можно спутать с латеральными ХА. Латеральные и осевые ХА иногда также называют поперечными и продольными соответственно.
Коррекция
Сокращение хроматических аберраций может создать огромную разницу в резкости и качестве снимка - особенно вокруг краев кадра. Однако, убрать можно только некоторые компоненты ХА. Трюк состоит в том, что нужно распознать и применить правильные инструменты отдельно для каждого компонента, не ухудшив остальные. Например, сокращение осевых ХА в одной области (при ошибочном применении инструментов для латеральных ХА) сделает остальные участки хуже.
Слайдеры коррекции хроматических аберраций в Photoshop
Начните с высококонтрастных краев рядом с углом фотографии, просматривая ее в полном экране с масштабом 100-400%, чтобы оценить эффективность коррекции. Обычно лучше всего начинать с латеральных ХА, используя слайдеры красный/бирюзовый, а затем синий/желтый, поскольку от них легче всего избавиться. Все, что останется после, является комбинацией осевых ХА и блюминга. От их можно почистить при помощи инструмента Убрать кайму (Defringe) в Photoshop. Не важно, с какими настройками вы начинаете, ключ к нужному результату - экспериментирование.
Кусочек взят из верхней левой части снимка с закатом, приведенным ранее.
Однако, не ждите чудес; почти всегда некоторая доля блюминга и осевых ХА останется. Это особенно правдиво в случаях с яркими источниками света при ночной съемке, звездами и прямыми отражениями на металле или воде.
Осевое ХА и блюминг
Дефекты сокращены (но все же присутствуют)
Автоматические профили коррекции объективов
Современные программы для работы с RAW часто оборудованы функцией коррекции объектива при помощи заранее подготовленных параметров для огромного количества сочетаний камер и объективов. Если такая возможность есть, она может сохранить множество времени. Adobe Camera RAW (ACR), Lightroom, Aperture, DxO Optics и PTLens имеют эту функцию в самых свежих версиях.
Не бойтесь использовать их не только с настройками по умолчанию в 100% (полная коррекция). Некоторые, например, предпочитают сохранять небольшое виньетирование и дисторсию, но полностью корректировать хроматические аберрации. Хотя в случае с ХА, лучшие результаты обычно достигаются при ручной работе.
Если вы используете коррекцию объектива как часть процесса постобработки, порядок выполнения может влиять на результат. Удаление шума обычно эффективнее перед удалением ХА, но усиление резкости нужно производить после, так как это может помешать чистке ХА. Хотя, если вы используете программы для работы с RAW, можете особо не волноваться о порядке - все коррекции будут разумно применены.
Как и любой «неидеальной» оптической системе, человеческому глазу свойственны оптические дефекты — аберрации, которые снижают качество зрения, искажая изображение на сетчатке. Аберрация — это любое угловое отклонение узкого параллельного пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой при его прохождении через всю оптическую систему глаза.
В технической оптике качество оптической системы определяется аберрациями плоского или сферического фронта световой волны при прохождении через эту систему. Так, глаз без аберраций имеет плоский волновой фронт и дает наиболее полноценное изображение на сетчатке точечного источника (так называемый «диск Эйри», размер которого зависит только от диаметра зрачка). Но в норме, даже при остроте зрения 100%, оптические дефекты преломляющих свет поверхностей глаза искажают ход лучей и формируют неправильный волновой фронт, в результате чего изображение на сетчатке получается более крупным и асимметричным.
Количественной характеристикой оптического качества изображения является среднеквадратичное значение ошибок отклонения реального волнового фронта от идеального. Немецкий математик Зернике (Zernike) ввел математический формализм, использующий серии полиномов для описания аберраций волнового фронта. Полиномы первого и второго, т. е. низших порядков, описывают привычные для офтальмологов оптические аберрации — близорукости, дальнозоркости и астигматизма. Менее известны полиномы высших порядков: третий соответствует коме — это сферическая аберрация косых пучков света, падающих под углом к оптической оси глаза. В ее основе лежит асимметрия оптических элементов глаза, в результате которой центр роговицы не совпадает с центром хрусталика. К аберрациям четвертого порядка относится сферическая аберрация, которая в основном обусловлена неравномерностью преломляемой силы хрусталика в различных его точках. Более высокие порядки известны как нерегулярные аберрации.
Как измеряется волновой фронт
Оптическая система считается хорошей, если коэффициенты Зернике близки к нулю и, следовательно, среднеквадратичное значение ошибок волнового фронта меньше 1/14 длины световой волны (критерий Марешаля). Исходя из данных этого коэффициента можно прогнозировать остроту зрения, моделируя изображение любых оптотипов на сетчатке. Для определения аберраметрии зрительной системы человека используется специальный прибор — аберрометр. В клиниках «Эксимер» использует аберрометр Wave Scan компании «VISX Inc» (США).
В настоящее время известно несколько методов определения аберраций глаза, основанных на разных принципах.
Первый из них — это анализ ретинального изображения мишени (retinal imaging aberrometry)
. На сетчатку проецируются два параллельных лазерных луча с длиной волны 650 нм и диаметром 0,3 мм, один из которых падает строго по зрительной оси и является опорным, а другой расположен на заданном расстоянии от него. Далее регистрируется степень отклонения второго луча от точки фиксации опорного луча, и таким образом последовательно анализируется каждая точка в пределах зрачка.
Второй принцип — анализ вышедшего из глаза отраженного луча (outgoing refraction aberrometry). Широко применялся в астрономии для компенсации аберраций в телескопах при прохождении через атмосферу и космическое пространство. С помощью диодного лазера с длиной волны 850 нм в глаз направляется коллимированный пучок излучения, который, пройдя через все среды глаза, отражается от сетчатки с учетом аберраций и на выходе попадает на матрицу, состоящую из 1089 микролинз. Каждая микролинза собирает неискаженные лучи в своей фокальной точке, а подверженные аберрации лучи фокусируются на некотором расстоянии от нее. Полученная информация обрабатывается компьютером и представляется в виде карты аберраций. На этом принципе построена работа Wave Scan.
Третий принцип основан на компенсаторной юстировке падающего на фовеолу светового пучка. В настоящее время этот способ применяется в качестве субъективного аберрометра, требующего активного участия пациента. В ходе исследования через вращающийся диск с отверстиями 1 мм, расположенный на одной оптической оси со зрачком, в глаз направляется пучок света. При вращении диска узкие параллельные пучки света проходят через каждую точку зрачка и при отсутствии аберраций проецируются на фовеолу, куда направлен другой луч с контрольной меткой в виде крестика. Если у пациента имеется близорукость, дальнозоркость, астигматизм или другие аберрации более высоких порядков, то он заметит несовпадение этих точек с крестиком и с помощью специального устройства должен будет их сопоставить. Угол, на который он смещает точку, отражает степень аберраций.
Разнообразие офтальмологических приборов, созданных с учетом новейших технологий и основанных на различных принципах действия, делает реальным не только качественную, но и количественную оценку аберрации низших и высших порядков, а также влияющих на них факторов.
Основные причины появления аберраций в оптической системе глаза
- Формы и прозрачность роговицы и хрусталика; состояние сетчатки; прозрачность внутриглазной жидкости и стекловидного тела.
- Увеличение диаметра зрачка . Если при диаметре зрачка равном 5,0 мм превалируют аберрации 3—го порядка, то при его увеличении до 8,0 мм возрастает доля аберраций 4 —го порядка. Рассчитано, что критический размер зрачка, при котором аберрации высших порядков оказывают наименьшее влияние, составляет 3,22 мм.
- Аккомодация . Отмечено, что с возрастом аберрации увеличиваются, и в период от 30 до 60 лет аберрации высшего порядка удваиваются. Возможно, это связано с тем, что со временем эластичность и прозрачность хрусталика уменьшается, и он перестает компенсировать роговичные аберрации. Аналогично происходит и при спазме аккомодации.
- Спазм аккомодации встречается достаточно часто у людей разного возраста. В офтальмологии под спазмом аккомодации понимается излишне стойкое напряжение аккомодации, обусловленное таким сокращением ресничной мышцы, которое не исчезает под влиянием условий, когда аккомодация не требуется. Проще говоря, спазм аккомодации — это длительное статичное перенапряжение, глазной мышцы, например, из-за длительной работы за компьютером и возникновение вследствие этого компьютерного синдрома. Спазмы аккомодации могут развиваться при всех рефракциях (включая астигматизм). Спазм аккомодации вызывает ложную близорукость или усиливает близорукость истинную.
- Состояние слезной пленки.
Была обнаружено, что при разрушении слезной пленки аберрации высших порядков увеличиваются в 1,44 раза. Одна из разновидностей нарушения слезной пленки — синдром сухого глаза .
Синдром сухого глаза возникает в связи с пересыханием поверхности роговицы от редкого моргания и непрерывного смотрения на объект работы. Исследования показали, что при работе на компьютере, а также при чтении человек моргает в три раза реже, чем обычно. В результате чего слезная пленка высыхает и не успевает восстанавливаться. Причинами возникновения синдрома сухого глаза могут быть: большие нагрузки на глаза при чтении и работе за компьютером, сухой воздух в помещениях, неправильное питание с недостаточным количеством витаминов, большая загрязненность воздуха, прием некоторых медикаментов. - Ношение контактных линз. Выявлено, что мягкие контактные линзы могут вызывать волновые монохроматические аберрации высокого порядка, тогда как жесткие контактные линзы значительно уменьшают аберрации 2-го порядка. Однако асферичность поверхности жестких контактных линз может быть причиной сферических аберраций. Асферические контактные линзы могут вызывать большую нестабильность остроты зрения, чем сферические контактные линзы. Мультифокальные контактные линзы могут индуцировать аберрации по типу комы и 5—го порядка.
В настоящее время разработана методика проведения индивидуализированной коррекции зрения (Super Lasik, Custom Vue ) на основе аберрометрии, которая позволяет, максимальным образом компенсируя все возможные искажения в зрительной системе, добиваться отличных результатов в практически любых сложных случаях.