Цифровой и оптический зум в камерах видеонаблюдения. Что такое зум (zoom) в фотоаппарате Как работает оптический зум

17.08.2013 11885 Справочная информация 13

Мы уже рассказывали на нашем ресурсе об объективах с фиксированным фокусным расстоянием - . И совсем незаслуженно обошли своим вниманием наиболее распространенные среди любителей фотографии объективы с переменным фокусным расстоянием, которыми штатно оснащаются подавляющее большинство фотокамер - зум-объективы. Эти оптические приборы для фотографии позволяет удалять и приближать сцену съемки, не сходя с места. При очевидном удобстве этой функции, следует знать об особенностях их применения, чтобы получать максимальный результат.

По принципу работы зум может быть оптическим и цифровым. Цифровой зум не имеет никакого отношения к объективу, и в данной статье мы не будем его рассматривать. Диапазон изменения фокусного расстояния зум-объективов (ФР) указывается на корпусе следующим образом:

Что означает: фокусное расстояние может изменяться от 14 до 42 мм на первом изображении и от 18 до 55 мм на втором. Поделив второе значение ФР (как говорят на сленге фотографы - на длинном конце) на первое - получает значение зума или увеличение объектива. (Например, для объектива на первой картинке - 42/14=3,5). Однако нас больше интересует угол зрения, который и определяет, что из видимого уместится в кадре. Угол зрения жестко связан с фокусным расстоянием и физическим размером матрицы (не путайте с количеством пикселей!). Чем больше фокусное расстояние, тем более узкий угол зрения и больше приближение :

Сейчас на рынке представлено большое количество фотокамер с различными физическими размерами матриц: полнокадровые (FF - "фул фрейм", точно соответствующие размерам кадра 35 мм пленки), APS-C ("кропнутые" матрицы любительских зеркалок и просьюмерских компактов) и т.д.

Физические размеры матриц цифровых фотокамер

Для того, чтобы сравнивать углы зрения объективов разных фотокамер, пришлось ввести понятие «фокусное расстояние эквивалентное 35-мм фотопленки» или "эквивалентное фокусное расстояние" (ЭФР). При этом, в характеристиках объектива указываются два фокусных расстояния - реальное (которое написано на объективе) и ЭФР - для сравнения с другими объективами.

Для камер с матрицами, меньшими размера 35-мм пленки, при выборе объектива необходимо учитывать коэффициент, увеличивающий фокусное расстояние, написанный на объективе - Кроп-фактор. Для APS-C матриц, например, это обычно 1.5 (1.6 для камер Canon), что означает, что объектив с указанным на корпусе фокусным расстоянием 50 мм, при установке на камеру с уменьшенной матрицей APS-C будет работать как с ФР 50х1,5 =75 мм.

В таблице, показанной ниже, приведены ориентировочные фокусные расстояния по сюжетам съемки. Значения эти условны, границы указанных диапазонов не следует воспринимать как догму.

Таблица - Значения фокусных расстояний указаны в эквиваленте для 35-мм фотопленки

Как происходит в объективе изменение фокусного расстояния? За счет изменения положения линз. Из-за этого, даже в небольших фотоаппаратах, объективы с большим диапазоном ФР приходится сильно выдвигать из корпуса. Это не всегда удобно, так как занимает дополнительное время и снижает надежность.

Подобрать линзы в объективе, идеально работающие при изменении положения между собой, невозможно. Т.е. зум-объектив может показать приемлемые характеристики лишь в узком диапазоне ФР, несмотря на значительно бóльшие возможности. В остальном же диапазоне неизбежны искажения. Для обеспечения достаточного качества для любого положения линз оптические формулы зум-объективов сложны, с большим количеством линз по сравнению с фикс-объективами. К тому же механизм выдвижения может сломаться, особенно при попадании в него песка, не говоря уже о влаге и ее спутнике - плесени. Уплотнительные элементы зум-объектива имеют свойство изнашиваться и терять со временем эластичные свойства. Так же вам, наверное, приходилось слышать о люфте выдвигаемых частей объектива, что не способствует качеству изображения за счет искажения геометрической оси группы линз в объективе.

Оптические схемы фикс и зум объективов. Обратите внимание на количество линз

Если же диапазон ФР большой - так называемые супер-зум объективы (18-120, 18-200 и т.д.) - неизбежна расплата за универсальность: снижение светопропускания, увеличение внутреннего рассеивания, снижение детализации картинки и значительные геометрические искажения объектов съемки при широких углах. Возможно, вы замечали, что при съемке группы людей в тесном помещении на широком угле зум-объектива, лица у тех, кто стоит с краю вытягиваются и закругляются, а сами люди приобретают наклон. Кому такое понравится? То же касается съемки архитектурных сооружений. Чем дешевле объектив и больше диапазон ФР, тем больше искажений и прочих, выше перечисленных дефектов при съемке. Особенно это справедливо для универсальных суперзумов.

Сказанное выше в равно степени относится и к фотоаппаратом с не сменным объективом, имеющим большой диапазон ФР - так называемые всевдозеркалки (или ультразумы).

Итак, следует иметь ввиду: Чем больше диапазон изменения фокусного расстояния (как говорят - больше зум или степень увеличения), тем больше вероятность искажений на широких углах, внутреннее светорассеивание и ухудшение детализации изображения

Стоит отметить, что если вы снимаете для выкладывания в сеть или размер снимков для печати не превышает 10х15 см, то про детализацию можно особо не беспокоиться - качество снимков будет приемлемым. Но светорассеивание и искажения невозможно устранить никакими компьютерными доработками.

Использование больших фокусных расстояний (сильных приближений), не зависимо от принципа работы зума, таит в себе еще две опасности.

1. Чем больше приближение, тем менее стабильно положение камеры . Особенно это чувствуется при маленьких размерах камеры, которую трудно удержать ровно. Объект съемки начинает прыгать, плясать, пропадать из кадра, что при съемке приведет к смазыванию изображения и браку.

Чтобы избежать подобного явления, для получения стабильного изображения, следует использовать короткие выдержки. Но тут кроется еще один подводный камень.

2. При увеличении фокусного расстояния падает светопропускание объектива . То есть фотограф попадает в двойную яму: выдержка должна быть короче, а светопропускание мало. В результате, фотоаппарату не хватит света чтобы сделать корректную экспозицию. И если в солнечный день проблем не будет, то в облачную погоду, в сумерках, съемка с большими фокусными расстояниями представляет большую проблему.

Производители позаботились о пользователях, предлагая объективы со встроенными стабилизаторами изображения, что обычно указывается в описании и . Эти устройства позволяют примерно на 3 ступени расширить диапазон освещённости, при которой получаются качественные снимки.

В вопросе при выборе зума - стоит ли покупать универсальные суперзум-объективы, предпочитая мобильность, или светосильную оптику с умеренным диапазоном ФР, ставя во главу угла качество - однозначного ответа нет. Каждый решает сам, исходя из условий съемки, требуемого качества и других критериев.

Изучите возможности своей аппаратуры, сделав тестовые снимки с различными ФР и для всех перечисленных ситуаций. Так вы будете точно знать, когда и как можно применять разные установки, чтобы получить качественные фотоснимки.

Всего вам фотографического!

Оптический зум получается путем перемещения линз объектива фотокамеры или видеокамеры, чтобы получить снимок объекта с близкого расстояния, не приближаясь к нему. Цифровой зум позволяет обрезать изображение до фокусной части, а затем увеличить обрезанный кусочек. В чем разница и какой вид увеличения лучше?

Что такое оптический зум?

Фотоаппарат с оптическим увеличением приближает изображение перед его захватом. Это делается путем физического перемещения линз внутри объектива камеры относительно друг друга.

У некоторых фотоаппаратов объектив при использовании функции в буквальном смысле «выдвигается». Так вы условно «приближаетесь» к объекту, который хотите заснять. Линзы увеличивают изображение объекта и позволяют заснять его без потери качества.

Камера с оптическим зумом - объектив выдвигается.

Чтобы уяснить себе разницу между двумя типами приближения, надо запомнить две вещи об оптическом:

• оптический зум - это «хардверный» вариант увеличения;
• приближение происходит до съемки .

Что такое цифровой зум?

Камера с цифровым типом приближения снимает изображение с того отдаления, на котором вы находитесь физически. А потом увеличивает определенную его часть, которую вы хотели бы снять поближе, при помощи программного обеспечения.

Кусочек картинки в буквальном смысле вырезается и растягивается до максимального количества мегапикселей, которое имеет сенсор вашей камеры. Фотоаппараты с высоким разрешением могут увеличивать изображение практически без потерь качества.

Отличие программного зума от «оптики», таким образом, следующее:

• цифровой зум - это «софтверный» вариант увеличения;
• приближение происходит после съемки .

Какой зум лучше: цифровой или оптический?

Разберемся, какой вид приближения дает лучшее качество снимка. Если вам хоть раз приходилось программно увеличивать картинки, нам кажется, вы уже догадались. Но все-таки объясним.

При цифровом приближении обрезается часть изображения, а затем увеличивается до разрешения, с которым снимает ваша фототехника (например, 4000 x 3000, если у ваc аппарат c датчиком на 13 МП). Понятное дело, что из-за этого качество снимка снижается по сравнению с исходным - пиксели растягиваются, картинка размывается.

А вот между оптическим зумом и разрешением фотографии нет никакой связи. «Оптика» увеличивает объект съемки до определенного размера, как если бы вы навели на него лупу. А фотоаппарат снимает «изображение под лупой». Таким образом, у вас получается снимок увеличенного объекта с максимальным разрешением (тем же 4000 x 3000).

Так что «хардверный» вариант, разумеется, дает намного более качественные снимки по сравнению с программным.

Чем улучшить цифровой зум?

Цифровое приближение применяется в большинстве компактных бытовых фотокамер - за это их и прозвали «мыльницами», потому что они как бы «замыливают» фото. А также в ручных видеокамерах, «глазках» видеонаблюдения и абсолютно во всех смартфонах.

Что же делать, если хочется делать красивые снимки на телефон, а покупать профессиональную фототехнику - нет? Посоветуем пару штуковин, которые добавляют «оптику» к камере обычного мобильника.

Внешний объектив

Он надевается прямо на камеру телефона, крепясь к корпусу клипсой. Таким образом, вы можете использовать и преимущества «оптики», и цифровое увеличение телефона, чтобы в комбинации получить суперчеткий снимок. На рынке представлен большой ассортимент таких аксессуаров с разной степенью приближения. Их цена варьируется в районе 500-1500 рублей.

Для начала, постараюсь пояснить фотографические термины, понятные не всем. Виньетирование - это затемнение изображения от центра к краям, особенно к углам. Зум-объективы - это объективы, обладающие возможностью менять своё фокусное расстояние, «приближая» или «отдаляя» объект съемки. Широкое распространение они получили в последние десятилетия; а до этого в фотографии чаще применялись технически более простые объективы с постоянным фокусным расстоянием, на фотожаргоне – «фиксы».

Хроматические аберрации (ХА) - это вид искажений на фотографии. Они проявляются как цветное окаймление на контурах контрастных объектов: с одной стороны такая кайма, как правило, красного или пурпурного цвета, а с другой - сине-фиолетового или, реже, зелёного. В центре изображения ХА обычно отсутствуют, но проявляются всё сильнее по мере удаления от него к краям.

Диафрагма – устройство в объективе, регулирующее количество проходящего через него света. Обычно размещается между линзами, и выглядит как отверстие изменяемого размера.

И виньетирование, и ХА совершенно не являются исключительным свойством зум-объективов.

Причина виньетирования – различия в пропускании света оптической системой объектива при «прямом» и «косом» падении на него лучей. Такое различие максимально при полностью открытой диафрагме, и быстро уменьшается по мере её закрытия. При закрытии диафрагмы на 2-3 больших деления её шкалы («стопа») виньетирование становится почти незаметным.

Степень виньетирования на полностью открытой диафрагме – одна из важных характеристик качества объектива. Для его уменьшения разработчикам приходится увеличивать габариты и вес конструкции.

В настоящее время виньетирование стало возможным сравнительно легко и безболезненно корректировать путем компьютерной обработки. Во многих современных камерах это является встроенной функцией, и пользователь даже не догадывается, что объектив его камеры обладает заметным виньетированием. С другой стороны, искусственное виньетирование широко используется в качестве изобразительного эффекта, так что соответствующие фильтры входят в состав Фотошопа и даже Инстаграм.

Теперь про ХА. Причина их появления – естественный физический эффект: разница в показателях преломления линзами объектива световых лучей разного цвета. Разработчики оптики борются с ХА с помощью изощренных технических приемов: применения специальных сортов стекла и «асферических» оптических элементов. Естественно, что чем лучше результаты такой борьбы, тем сложнее и дороже объектив. ХА обычно также имеют тенденцию к уменьшению по мере закрытия диафрагмы. Компьютерное подавление контурных ХА применяется, и дает неплохие результаты; но имеются и так называемые «продольные ХА», которые такому подавлению не поддаются.

Теперь по поводу «фиксов» и «зумов». Оптическая система «зумов», в силу необходимости изменения фокусного расстояния, заметно сложнее. При их проектировании разработчикам приходится решать противоречивые технические задачи, и идти при этом на определенные компромиссы. Поэтому, при сравнимой технической сложности и цене, высокое качество изображения и минимизацию искажений в «фиксах» обеспечить заметно проще. Общее правило такое – чем выше кратность «зума», тем, при той же цене, слабее его оптические характеристики. Но конструкция объективов и алгоритмы обработки постоянно совершенствуются, и лучшие современные зумы с кратностью 7, 10 и даже 18 способны давать вполне приемлемую итоговую «картинку».

При закрытой диафрагме линзы объектива «работают» только своей центральной частью, при этом их характеристики становятся ближе к оптически идеальным. Однако при сильном закрытии диафрагмы (для современных потребительских камер - свыше 1/5,6-1/11, в зависимости от размера сенсора) несколько ухудшается резкость изображения из-за оптического эффекта дифракции.

Ответить

Обычно объектив устроен так, что его нельзя задиафрагмировать до такой степени, что качество изображения станет совсем уж неприемлемым. Ухудшение резкости заметно, но на деле приходится выбирать компромисс между резкостью и глубиной резкости.

Ответить

Прокомментировать

К ответу Максима Петренко добавлю, что качество изображения зум-объектива зависит от его фокусного расстояния. Например, стандартный объектив Nikkor AF-S DX 18-105/3.5-5.6 G VR:

Наиболее резкий при фокусном расстоянии от 18 до 24 мм и диафрагме до 5,6;

Меньше всего искажает прямые линии на фокусном расстоянии 24 мм;

Меньше всего виньетирует на любом фокусном расстоянии больше 24 мм и диафрагме 5,6 и более закрытой;

Меньше всего показывает хроматические аберрации в положении 70 мм при диафрагме 8, но по факту это не так важно;

В целом наиболее хорош при фокусных расстояниях от 18 до 24 мм и диафрагме от 3,5 до 5,6.

На практике знать эти нюансы полезно, но воспользоваться таким знанием можно только если ситуация позволяет. Например, в репортаже всем плевать, какое у объектива виньетирование или ХА: если снимок не удался, его просто не будут смотреть.

Аберрации свойственны абсолютно всем объективам, так как это - следствие действия оптических законов преломления света, проходящего через линзу. Воспринимаемый глазом цвет зависит от длины волны - она больше у красных оттенков и меньше у синих. Синие лучи преломляются сильнее красных, соответственно контуры любого изображения, прошедшего через линзу, состоят из своего рода тонкой радуги. Вся история объективостроения - это история борьбы с аберрациями. Простейший объектив вообще не имеет линзы, а лишь отверстие крошечного диаметра, пинхол (англ. pinhole - булавочное отверстие). За ним идет обычная выпуклая линза. Для коррекции хроматических искажений к ней стали приклеивать отрицательные (вогнутые или выпукло-вогнутые) линзы - так появился объектив - ахромат. Затем два ахромата разной оптической силы стали монтировать в одной оправе - эта конструкция называлась апланат. Потом научились рассчитывать объективы из трех линз - двух положительной и одной отрицательной (триплеты), у которых большинство искажений было исправлено до приемлемого уровня. Этот класс объективов с исправленными искажениями стали назвать анастигматами. В объективе тщательно рассчитывается и соблюдается расстояние между линзами, чтобы искажения свести к минимуму. Внутри зум-объектива расстояние между линзами и блоками линз меняется, поэтому стандартными средствами его искажения исправить не удается. Расчет зум-объектива сложен и без компьютера практически невозможен, а чтобы он работал на всех режимах более или менее приемлемо, в его конструкции часто используют асферические (некруглые) линзы и линзы из особых сортов оптического стекла. Резюме: если ставится задача получить при съемке изображения наивысшего качества, нужно стремиться использовать объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Но во многих ситуациях достаточно современного качественного зума.

Термин зум происходит от английского глагола zoom, что в дословном переводе означает «увеличивать изображение». При выборе фотоаппарата многие ориентируются на количество пикселей матрицы, хотя этот показатель не есть основной. Как и десятки лет назад главенствующим фактором качества изображения все же является оптика.

Оптический зум

Оптический зум – это способ приближения объекта при помощи системы линз, именно поэтому он так и называется. Оптический зум в фототехнике существует уже более полувека, а качественный эффект увеличения изображения достигается при помощи специального устройства под названием трансфокатор, представляющего собой сложную оптическую систему со способностью изменять фокус при помощи многочисленных линз. Увеличение предмета посредством трансфокатора помогает на выходе получить снимок без потери качества. Трансфокатор бывает двух видов: с ручной механической фокусировкой либо с автоматическим настраиванием фокуса, что удобно при любительской фотосъемке, но бесполезно при создании профессионального снимка, например, в режиме макросъемки. Автофокус не предусматривает высокой резкости при многократном оптическом приближении фотографируемого объекта. Словом, в фотокамерах с автоматической фокусировкой увеличение, как правило, не более троекратного значения, тогда как при использовании механического трансфокатора можно приближать объект более чем в десять раз. Среди недостатков камер с ручной настройкой резкости и приближения (оптического зума) чаще всего встречается риск попадания пыли внутрь объектива.

При выборе фототехники с цифровым зумом необходима золотая середина между количеством мегапикселей матрицы и зумом трансфокатора, ведь и при нулевом и пятикратном зуме изображение фиксировано на том же количестве мегапикселей.

Цифровой зум

Определение цифровой зум появилось вместе с распространением компактных цифровых фотоаппаратов, которые в народе были прозваны «мыльницами». Цифровой зум не сопряжен с приближением объекта, так как выводимая на дисплей картинка лишь растягивается при помощи матрицы фотоаппарата, являясь способом кадрирования с существенной потерей качества.

При цифровом зуме картинка теряет резкость, так как фокусировка в этом случае попросту отсутствует, ведь фокусирование и наведение резкости может быть только при наличии у фотоаппарата дополнительной оптической системы. Как правило, использование цифрового зума оправдано для увеличения объекта не более чем на 40-50%, ведь при большем масштабировании четкость снимка будет очень низкой.

Статьи и Лайфхаки

Наш материал для тех, кто хочет разобраться, что же такое на самом деле цифровой зум, который имеется в вашем смартфоне, согласно приведенным на сайте продавца характеристикам.

На самом деле в нем нет абсолютно ничего сложного: это всего лишь программное масштабирование полученной с сенсора камеры картинки перед тем, как сохранить в фотоснимок в файл.

А какой еще бывает зум

Объектив фотокамеры имеет достаточные габариты, чтобы разработчики могли предусмотреть изменение фокусного расстояния. Именно этот параметр определяет, насколько «близко» или «далеко» по отношению к фотографу получится на снимке объект.

Диапазон фокусного расстояния в специализированных фотокамерах составляет от 10 до нескольких сотен миллиметров. Более того – для них разработчики предусматривают сменную оптику, как короткофокусную (широкоугольную), так и длиннофокусную (телескопическую).

Конструкция камеры смартфона не позволяет ничего подобного. Поэтому их создателям приходится выкручиваться, компенсируя слабость за счет использования программного обеспечения.

В чем недостатки цифрового зума

А потому, чтобы получить изображение большего масштаба при том же размере снимка, картинку приходится программно «растягивать». При этом ухудшается четкость деталей, и появляются цифровые шумы.

Как с этим бороться

• Приобрести дорогую модель с оптическим зумом.
• Выбрать устройство с качественной двухмодульной камерой.
• Сохранять снимок в формате RAW, с тем, чтобы отредактировать его на ПК.

Смартфоны с хорошими двухмодульными камерами тоже нельзя назвать дешевыми. Однако их устройство позволяет получать более качественные фото за счет разницы в фокусном расстоянии каждого из модулей.

Один из них может быть широкоугольным, а второй – телевиком. Комбинируя полученную с двух сенсоров информацию, приложение камеры способно производить цифровое масштабирование гораздо более корректно.

Последний вариант, как ни странно, тоже встречается только в топовых, в крайнем случае – субфлагманских моделях.

В отличие от сохранения снимков в формате JPEG, который приводит к серьезным потерям качества при дальнейшем их редактировании, формат RAW сохраняет гораздо больше данных и позволяет получить куда более качественное изображение.

К сожалению, места такие файлы занимают в разы больше, чем JPEG.

Вывод из вышеописанного однозначный: дешевые телефоны не предназначены для качественной фотосъемки. Тем, кто не хочет приобретать отдельно фотокамеру, но желает получать впечатляющие фото, нужно выбрать модель из топового сегмента.

В ней даже цифровой зум будет гораздо более качественным, чем в бюджетном гаджете.