фокусное расстояние

Камера смартфона для «чайников» №2. Фокусное расстояние. Ох уж эти миллиметры…

Оценка этой статьи по мнению читателей:
5
(20)

В первой части статьи мы с вами разобрались с тем, что такое диафрагма камеры смартфона. Другими словами, мы научились понимать такие цифры, как f/1.8 или f/2.2, указываемые в характеристиках любого телефона. Также мы подробно проследили за тем, как картинка «попадает» в объектив камеры и каким образом свет вообще «переносит» изображение из одной точки в другую.

Но в конце первой части мы столкнулись с одной серьезной проблемой. Оказалось, само по себе значение диафрагмы ничего не говорит о том, сколько света в реальности пропускает объектив смартфона и как сильно он может размыть фон при помощи оптики, а не алгоритмов.

Более того, все эти f/1.5, f/1.8, … только сбивают с толку людей, которые хоть немного разбираются в фотографии. Ведь они-то знают, что «настоящий» объектив с диафрагмой f/1.8 будет делать очень чистые (без шума) снимки с красивым размытием фона. А смартфон с такой же диафрагмой, почему-то, совершенно не размывает фон. В чем же дело?

Как мы уже выяснили, всё дело в том, что значение диафрагмы (f/1.8) является лишь относительным числом и не показывает реальный физический диаметр отверстия, через которое свет попадает в камеру. А именно диаметр отверстия влияет на глубину резкости и светосилу объектива.

У двух разных объективов с одинаковой диафрагмой f/1.8 могут быть совершенно разные по размеру отверстия, что хорошо видно на этой иллюстрации:

сравнение объектива смартфона и зеркалки

Но как же нам узнать реальный диаметр входного зрачка? Для этого нужно разобраться со вторым ключевым параметром — фокусным расстоянием объектива.

Напомню, вначале первой части статьи я приводил типичные характеристики любой камеры современного смартфона. Выглядят они примерно так:

  • Основная камера: 108 Мп, 1/1.33″, f/1.8, 26 мм, 0.8 мкм, PDAF
  • Телеобъектив: 12 Мп, 1/3.4″, f/2.0, 52 мм, 1.0 мкм, PDAF, OIS

Мы уже знаем, что значат f/1.8 или f/2.0, а сегодня научимся понимать значения 26 мм и 52 мм, выделенные жирным шрифтом выше. Это и есть фокусное расстояние.

Что такое фокусное расстояние?

Фокусное расстояние позволяет нам, не видя ни единого снимка, примерно понимать, как будут выглядеть фотографии в плане композиции, то есть, какой угол обзора будет в кадре.

Более того, зная только этот набор значений (например, 26 и 52 мм), можно с точностью сказать, во сколько раз смартфон с двумя камерами приближает картинку, то есть, какой у него оптический зум. В этом особенно полезно разбираться сегодня, когда производители подменяют понятия и вместо оптики указывают значения гибридного или цифрового зума.

Так что же такое фокусное расстояние и где в крошечной камере смартфона прячутся эти 26 или 52 миллиметра?

Итак, представьте, что какой-то объект находится бесконечно далеко от вас и все лучи света, отраженные от него, идут параллельно и попадают на линзу:

лучи света попадают на линзу

Линза сделана таким образом, чтобы все параллельные лучи света, проходя через нее и преломляясь, сходились в одной точке. Так вот, расстояние от центра линзы до точки, в которой все лучи пересекаются (сходятся) и называется фокусным расстоянием линзы:

что такое фокусное расстояние линзы

Конечно, в случае со смартфоном всё сложнее, так как внутри его камеры находится не одна линза, а несколько (6 и более). И фокусное расстояние объектива высчитывается немножко по-другому, а именно, от его оптического центра до матрицы, на которой все лучи и фокусируются. Но я не буду подробно на этом останавливаться и объяснять, что такое оптический центр объектива, так как всё это не имеет принципиального значения. Для простоты понимания ограничимся только одной линзой, сути это не меняет.

Кто-то может спросить, а зачем вообще использовать так много линз в камере смартфона? Неужели одной будет недостаточно?

Дело в том, что одна линза дает слишком большие искажения. Это и потеря резкости (сферические аберрации), возникающая из-за того, что не все лучи идеально сходятся в одной точке. То есть, вместо картинки, которую я показал чуть выше, в реальности мы имеем что-то вроде этого:

сферические аберрации

Кроме того, показатель преломления света (как сильно луч меняет свое направление, проходя через линзу) зависит от длины волны. Чем короче волна, тем больше ее коэффициент преломления. Получается, синий свет (короткие волны) преломляется под бóльшим углом, чем красный (длинные волны). И вместо идеальной картинки мы снова получаем проблемы — хроматические аберрации (несуществующие цветные контуры различных объектов на фотографиях):

пример хроматических аберраций

Для того, чтобы всё это исправить и сделать фотографию максимально качественной, используют множество линз специальной формы и с различным покрытием. Поэтому, зачастую, чем больше линз в камере смартфона, тем выше качество картинки.

Но вернемся к фокусному расстоянию. Так каким же образом расстояние от центра линзы до точки, в которой сходятся все лучи, влияет на угол обзора камеры и на ее оптическое приближение? На самом деле, все очень просто и интуитивно понятно.

Давайте сделаем снимок на смартфон, камера которого имеет фокусное расстояние 26 мм (это типичное фокусное расстояние для основной камеры любого смартфона):

смартфон с камерой 26 мм (фокусное расстояние)

Сейчас не пытайтесь понять, как производитель умудрился в корпусе толщиной 8 мм разместить камеру, у которой расстояние от линзы до матрицы составляет 26 миллиметров (а в Galaxy Note 20 Ultra и вовсе 130 мм). С этим мы разберемся чуточку позже.

На схеме выше показана ситуация, когда все лучи света параллельны друг другу. Это может быть только в том случае, если объект находится бесконечно далеко. Но в реальной жизни лучи отражаются от объектов под разными углами.

Нам важно знать лишь одну простую вещь — луч, прошедший через центр линзы, никак не преломляется. По сути, эти лучи и будут определять угол обзора (сколько объектов сможет захватить камера):

угол обзора объектива 26 мм камеры смартфона

Когда мы сделаем снимок на такой смартфон, то получим следующий результат:

пример фото с 22 мм фокусным расстоянием
Снимок на 26-мм объектив

Что же произойдет, если мы увеличим фокусное расстояние объектива (расстояние от «линзы» до матрицы)? Лучи света, проходящие через центр линзы, будут пересекаться уже под другим углом и, соответственно, такая камера захватит гораздо меньше объектов в кадре:

угол обзора объектива 52 мм камеры смартфона

Но так как размер снимка (матрицы камеры) остался прежним, то все эти объекты будут выглядеть крупнее:

пример фото с 52 мм фокусным расстоянием
Снимок на 52-мм объектив

На этом моменте я бы хотел немножко отойти в сторону и затронуть некоторые явления и заблуждения, связанные с фокусным расстоянием объектива.

Сжатие перспективы. Или почему широкоугольная камера так искажает лица!?

Используя пример с лучами, давайте рассмотрим такое явление, как сжатие перспективы. Для тех, кто не знаком с этим понятием, вкратце объясню. Когда вы снимаете что-то на объектив с длинным фокусным расстоянием, все объекты на фоне получаются более крупными, чем если бы вы снимали ту же сцену на объектив с коротким фокусным расстоянием.

К примеру, на следующих снимках расстояние между эльфом и домом одинаковое, но при съемке на объектив с длинным фокусным расстоянием, дом кажется гораздо ближе и крупнее:

сравнение перспективы длинного и короткого фокусного расстояния

Почему так происходит? «Очевидно же», что на фото слева дом гораздо дальше от эльфа! На самом деле, всё очень просто. Достаточно посмотреть, какой процент от общей высоты кадра будут занимать эльф и дом, если снимать их длиннофокусным объективом:

перспектива при съемке на объектив с длинным фокусным расстоянием

Выходит, высота эльфа составляет около 63% от высоты кадра, а высота дома — 72%. То есть разница между ними небольшая и на снимке кажется, будто эльф находится прямо возле дома.

Если сделать тот же снимок на объектив с коротким фокусным расстоянием, в кадр попадет гораздо больше объектов, так как угол обзора будет гораздо шире. Объектив с длинным фокусным расстоянием очень приближал картинку и мы видели в кадре только эльфа и дом.

Чтобы это исправить, то есть, чтобы получить ровно такую же композицию, нам нужно подойди к эльфу намного ближе. Но теперь и размеры объектов будут другими:

перспектива при съемке на объектив с коротким фокусным расстоянием

Эльф занимает те же 63% высоты кадра, что и раньше, но так как угол обзора объектива с коротким фокусным расстоянием намного шире, дом позади эльфа уже занимает всего 41% от общей высоты кадра. Теперь эльф на фото будет крупнее дома. Вот и весь секрет сжатия перспективы!

Получается, в реальности не фокусное расстояние влияет на перспективу, а расстояние от камеры до объекта съемки. Если бы мы стояли на одном месте и переключали камеры, то соотношение размеров эльфа и дома никак не менялось бы.

И здесь еще уместно вспомнить о проблемах при съемке портретов. Даже многие профессиональные фотографы ошибочно полагают, будто фокусное расстояние объектива как-то влияет на пропорции портрета. Хотя в действительности влияет только расстояние от камеры до объекта съемки.

РЕКЛАМА

Если мы снимаем портрет на объектив с длинным фокусным расстоянием (80 мм), то нам нужно отойти подальше и тогда все части лица (глаза, нос, уши) имеют правильные пропорции. Если же мы берем ультраширокоугольный объектив с фокусным расстоянием 13 мм, нам нужно подойти вплотную к человеку, чтобы сохранить композицию, то есть, чтобы лицо занимало ту же часть кадра, что и раньше.

Но в этом случае повторится ситуация с эльфом. Так как нос окажется ближе к объективу, он получится крупнее, и все пропорции «поплывут». Но, повторюсь, произойдет это только от того, что мы приблизили камеру к объекту, а не из-за каких-то мифических искажений, создаваемых объективом.

Оптическое приближение камеры смартфона

Как мы уже разобрали, чем длиннее фокусное расстояние объектива, тем меньше угол обзора камеры и тем сильнее она «приближает» все объекты. Соответственно, чем короче фокусное расстояние, тем шире угол обзора камеры и в кадр попадает больше объектов, но все они будут меньшего размера.

Чтобы определить, во сколько раз смартфон может приблизить картинку, достаточно разделить более длинное фокусное расстояние на более короткое. К примеру, если на смартфоне есть две камеры с объективами 26 и 52 мм, тогда он имеет 2-кратное оптическое приближение (52/26=2). Всё остальное — это алгоритмы или маркетинговая ерунда.

Для примера рассмотрим набор камер Galaxy Note 20 Ultra (обзор этого смартфона доступен на нашем сайте), обратим внимание только на фокусное расстояние объективов:

  • Основная камера: 26 мм
  • Ультраширокоугольная камера: 13 мм
  • Телеобъектив: 130 мм

Основная камера имеет типичный для смартфона угол обзора, а вот фокусное расстояние ультраширокоугольной камеры (13 мм) в два раза короче. То есть, она имеет гораздо больший угол обзора. Телеобъектив же, напротив, имеет очень небольшой угол обзора, но приближает картинку относительно основной камеры в 5 раз (130/26=5). Но если оценивать оптический зум телеобъектива относительно ультраширокоугольной камеры, тогда получаем 10-кратное оптическое приближение (130/13=10).

Надеюсь, с этим вопросом всё понятно.

Выходит, теперь мы можем легко определить физический диаметр отверстия в объективе, просто разделив фокусное расстояние на диафрагму? А узнав это значение, мы сможем понять, в каком смартфоне установлена камера с более светосильным объективом.

К сожалению, в мире мобильных камер, помимо фокусного расстояния, существуют еще фокусы маркетологов, о чем и поговорим подробнее дальше.

Разоблачаем фокусы производителей смартфонов

Если мы разделим фокусное расстояние (130 мм) на диафрагму (f/3.0), то получится, что в телеобъективе Galaxy Note 20 Ultra не просто «отверстие», а огромная дыра диаметром >4 см. Вот как выглядел бы подобный смартфон, будь это правдой:

galaxy note 20 ultra с огромной камерой

Да и каким чудом в аппарате, толщиной 8 мм и шириной 70 мм, могла уместиться камера, у которой расстояние от линзы до матрицы (фокусное расстояние) составляет 130 мм!? Здесь явно что-то не так!

На самом деле, никаких 130, 26 и даже 13 мм в объективах смартфонов нет. Но! Если вы возьмете профессиональный полнокадровый зеркальный фотоаппарат с объективом, фокусное расстояние которого действительно равняется 26 мм, и сделаете снимок, то обнаружите, что композиция кадра в точности соответствует тому, что выдаст смартфон со своим «фейковым» 26-мм фокусным расстоянием.

То есть, производитель смартфона не просто берет цифры из потолка, а указывает относительное фокусное расстояние объектива (относительно полнокадрового фотоаппарата). Благодаря этому можно объективно оценивать и сравнивать угол обзора (а также оптическое приближение) объектива любого смартфона и даже профессиональной камеры.

Если вы привыкли снимать портреты на большом фотоаппарате с объективом 80 мм, то, купив смартфон с камерой, у которой фокусное расстояние указано «80 мм», вы получите ровно ту же композицию (такое же приближение и угол обзора).

Относительное фокусное расстояние

Как же так получается? Каким образом камера смартфона так хорошо «имитирует» фокусное расстояние большой камеры, имея внутри корпуса всего несколько миллиметров свободного пространства?

Всё дело в размерах самой матрицы! Чтобы это наглядно показать, давайте посмотрим на угол обзора большого профессионального фотоаппарата с огромной матрицей и объективом, у которого фокусное расстояние на самом деле равняется 26 мм:

реальное фокусное расстояние 26 мм

Как видите, в кадр попадают все объекты: дом, дерево и эльф. А теперь оставим всё как есть, только заменим большую матрицу зеркалки на крошечную матрицу смартфона и посмотрим, что произойдет:

26 мм фокусное расстояние на матрице смартфона

Теперь лучи света будут пересекаться в центре под другим углом и у нас получится совершенно другая композиция — портрет эльфа.

Оставив реальное 26-миллиметровое фокусное расстояние, но заменив только матрицу, мы получили мощный телеобъектив, приближающий изображение в десятки раз. Теперь такой объектив ну никак нельзя сравнить с обычным 26-миллиметровым.

Чтобы это исправить, нужно значительно уменьшить реальное фокусное расстояние (расстояние от линзы до матрицы), сократив 26 мм до 3-4 мм. Тогда «восстановится» и первоначальный угол обзора:

эквивалентное фокусное расстояние объектива смартфона

Вот теперь крошечная матрица смартфона и 4-мм фокусное расстояние выдают в точности такое же изображение (по композиции), как и большая полнокадровая зеркалка с 26-миллиметровым объективом. Именно по этой причине производитель заявляет, что объектив смартфона имеет эквивалентное фокусное расстояние 26 миллиметров, хотя в действительности внутри корпуса нет и 6 мм.

Если же мы говорим об эквивалентном фокусном расстоянии в 130 мм (тот же телеобъектив Huawei P40 Pro, Vivo X50 Pro или Galaxy Note 20 Ultra), реальное фокусное расстояние будет составлять примерно 11-14 мм. В этом случае используется призма, преломляющая свет под углом 90 градусов, а сам объектив размещается не перпендикулярно корпусу, а вдоль него:

пример технологии камеры-перископа

Но проблема с диафрагмой остается. Ведь, если производитель указывает эквивалентное фокусное расстояние, нужно указывать и такую же «эквивалентную» диафрагму, чтобы не вводить пользователей в заблуждение.

Согласитесь, одно дело увидеть объектив 80 мм f/1.8 (очень светосильный и дорогой объектив) и совсем другое — 80 мм f/22. Второй уже не кажется таким хорошим выбором, не так ли? В мире больших камер столь медленные объективы вообще не встречаются (медленные — потому, что они пропускают очень мало света и им нужно много времени, чтобы сделать хороший кадр при недостаточном освещении).

Если же производитель указывает диафрагму f/1.8, нужно указывать и реальное фокусное расстояние, например, 5 мм вместо эквивалентных 50 мм. Тогда любой пользователь легко определит диаметр отверстия объектива, разделив 5 на 1.8.

В общем, делается всё это умышленно, чтобы вызывать ложное ощущение очень светосильного объектива. Практически ни одна компания не указывает в характеристиках камеры смартфона реальное фокусное расстояние объектива, ограничиваясь лишь эквивалентными значениями.

Узнать реальное фокусное расстояние можно, разве что, посмотрев в Галерее смартфона сведения о сделанной фотографии (или поискав хорошенько в интернете):

реальное фокусное расстояние камеры смартфона

Здесь мы видим диафрагму f/2.0 и фокусное расстояние 5.9 мм, то есть, реальный диаметр отверстия объектива этого смартфона составляет 2.95 мм (5.9/2).

Зная это значение, теперь можно корректно сравнивать светосилу этой камеры с любой другой.

Подводя итоги

И последнее, о чем хотелось бы напомнить. Ни фокусное расстояние, ни размер матрицы не имеют отношения к так называемому эффекту боке (размытие фона). Глубина резкости зависит исключительно от двух вещей: диафрагмы и расстояния от камеры до объекта съемки.

Поэтому знайте, когда кто-то заявляет, что более крупная матрица в смартфоне «размывает» фон сильнее — это заблуждение. Размер матрицы косвенно влияет на размытие, но совершенно не так, как полагают многие люди. Об этом подробнее мы поговорим в следующих частях.

Итак, позвольте еще раз привести характеристики камеры случайного смартфона:

  • Телеобъектив: 12 Мп, f/2.0, 52 мм, 1/3.4″, 1.0 мкм, PDAF, OIS

К этому моменту вы уже должны хорошо понимать, что означают цифры f/2.0 и 52 мм. Также вы можете легко определить реальное оптическое приближение этого объектива (во сколько раз он увеличивает картинку), если , скажем, фокусное расстояние основной камеры этого же смартфона равняется 26 мм.

О том, что такое PDAF я рассказывал в отдельной статье, посвященной фазовому автофокусу (PDAF). Выходит, нам лишь остается разобраться с тем, что такое 1/3.4″, 12 Мп и 1.0 мкм.

Эти три значения связаны между собой, так как все они описывают саму матрицу — аналог пленки в «доисторические» времена. Но об этом мы поговорим в третьей части!

Алексей, глав. редактор Deep-Review

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал и сейчас готовим для публикации очень интересные материалы! Подписывайтесь в Telegram на первый научно-популярный сайт о смартфонах и технологиях, чтобы ничего не пропустить!

 

Понравилась статья? Поделитесь с другими:
  • 22
  • 1
  •  
  • 1
  •  
    24
    Поделились

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии...

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!