Przysłona: f, T i dlaczego to nie to samo

Skąd się bierze dziwna drabinka liczb

Na każdym obiektywie widnieje ciąg, który przy pierwszym spotkaniu wygląda na przypadkowy: 1,4 · 2 · 2,8 · 4 · 5,6 · 8 · 11 · 16 · 22. Nie jest przypadkowy i nie jest nawet szczególnie dziwny — to po prostu kolejne potęgi pierwiastka z dwóch, zaokrąglone.

Zacznijmy od tego, czym jest sama liczba. Nazywa się liczbą przysłony i jest ilorazem:

Zapis f/2 nie jest więc nazwą, tylko działaniem. Na pięćdziesiątce f/2 znaczy źrenicę o średnicy 25 mm; na dwustumilimetrówce ta sama f/2 znaczy źrenicę o średnicy stu milimetrów — czyli szkło wielkości talerzyka i cenę samochodu. To dlatego jasne teleobiektywy są tak absurdalnie duże i drogie, a jasne szerokie kąty nie są.

Dlaczego akurat iloraz? Odpowiedź tłumaczy zarazem, czemu ta jedna liczba wystarcza operatorowi bez wiedzy o obiektywie.

Ilość światła zebranego przez obiektyw rośnie z polem źrenicy, czyli z kwadratem jej średnicy. Ale to światło rozkłada się potem na obrazie, który przy dłuższej ogniskowej jest większy — a konkretnie jego rozmiar rośnie liniowo z f, więc pole rośnie z kwadratem f. Naświetlenie, czyli światło na jednostkę powierzchni matrycy, jest ilorazem tych dwóch: D² podzielone przez f², czyli (D/f)² — a to jest po prostu odwrotność kwadratu liczby f. Ogniskowa skróciła się w rachunku i dlatego liczba f wystarcza.

Teraz drabinka. Skoro naświetlenie idzie jak 1/N², to żeby zmniejszyć je dokładnie o połowę, trzeba pomnożyć N przez pierwiastek z dwóch. Stąd 1,4 · 2 · 2,8 · 4 — każdy krok to mnożenie przez 1,414 i połowa światła mniej. Zaokrąglenia (2,8 zamiast 2,83, 5,6 zamiast 5,66, 11 zamiast 11,3) są kosmetyką z czasów, gdy liczby trzeba było wygrawerować na pierścieniu.

T-stopa, czyli ile światła naprawdę dolatuje

Cały powyższy rachunek zakłada, że światło, które weszło w źrenicę, dociera do matrycy. Z Rozdziału 3 wiemy, że nie dociera. Każda powierzchnia szkła odbija kilka procent, a obiektyw ma ich kilkadziesiąt.

Liczba f jest więc obietnicą geometryczną, nie pomiarem. Dwa obiektywy oznaczone f/2 — jeden o sześciu soczewkach, drugi o dwudziestu — przepuszczą wyraźnie różne ilości światła przy identycznym ilorazie. Dla operatora ustawiającego trzy kamery na jednym planie jest to problem nie do przyjęcia.

Stąd druga liczba, używana w optyce kinowej: T-stopa. Definiuje się ją tak, żeby oznaczała rzeczywistą jasność — czyli tyle, ile dawałby idealny obiektyw bez żadnych strat:

Rozjazd między jedną liczbą a drugą jest dobrym wskaźnikiem tego, z jaką konstrukcją masz do czynienia. Poniżej cztery typowe przypadki — nie konkretne modele, tylko klasy szkła, wraz z przepuszczalnością, którą z nich wyliczysz:

Zwróć uwagę na ostatni wiersz. Vintage tracący prawie połowę światła nie jest wadliwy — jest sprzed epoki powłok wielowarstwowych, a ta sama utrata daje mu podniesione czernie i niższy kontrast, czyli dokładnie te cechy, dla których się go dziś wypożycza.

Tu łatwo o nadinterpretację. T-stopa nie mówi nic o jakości obrazu — mierzy wyłącznie transmisję. Obiektyw o świetnej T-stopie może mieć fatalny kontrast, jeśli straty poszły w rozproszenie, a nie w odbicie. I nie zastępuje liczby f: głębia ostrości zależy od geometrii, więc od N, a nie od T. Obie są potrzebne i opisują co innego.

Przysłona to nie jest okrągła dziura

Do tej pory rysowaliśmy źrenicę jako koło. Prawdziwa przysłona składa się z kilku ruchomych listków, które zsuwają się do środka — i tworzą wielokąt, a nie koło. Liczba listków jest cechą konstrukcyjną i widać ją w obrazie na dwa sposoby, oba omawiane szerzej w dalszych rozdziałach.

W nieostrości każdy punkt świetlny odwzorowuje się jako obraz źrenicy — więc siedmiolistkowa przysłona daje siedmiokątne krążki bokeh. To jest jedyny powód, dla którego bokeh bywa kanciaste, i to jest też powód, dla którego przy pełnym otworze bywa okrągłe: przy maksymalnie otwartej przysłonie listki chowają się poza oprawę i otwór wyznacza już okrągła tuleja, a nie one.

W ostrości krawędzie listków dyfrakcyjnie rozpraszają światło jasnych źródeł, dając gwiazdki. Tutaj czeka reguła, której nie da się odgadnąć z rysunku przysłony: liczba parzysta listków daje tyle promieni, ile listków, a liczba nieparzysta daje ich dwa razy więcej.

Producenci obiektywów kinowych zwykle wybierają dużą, nieparzystą liczbę listków o zakrzywionych krawędziach — kompromis między okrągłym bokeh a przewidywalną gwiazdką. Obiektywy fotograficzne z lat siedemdziesiątych miały często pięć albo sześć prostych listków, i to jest jeden z tych elementów, przez które „vintage” jest rozpoznawalne: kanciaste bokeh jest podpisem epoki, nie wadą egzemplarza.

Skąd bierze się kształt krążka bokeh — Rozdział 9. Skąd liczba promieni gwiazdki — Rozdział 10 i Dodatek D.

Najlepsza przysłona nie jest ani najszersza, ani najwęższa

Jest reguła powtarzana przez każdego, kto trochę pofotografował: obiektyw jest najostrzejszy dwie przysłony od pełnego otwarcia. Z grubsza prawdziwa i prawie nigdy nie wyjaśniana — a wyjaśnienie składa się z dwóch zjawisk ciągnących w przeciwne strony.

Przy pełnym otwarciu przeszkadzają aberracje. Wiązka wypełnia wtedy całą źrenicę, łącznie z jej brzegiem — a to właśnie promienie biegnące daleko od osi są najgorzej skorygowane. Kula szlifowana jest przybliżeniem tylko blisko środka, więc im szersza wiązka, tym większa część promieni chybia. Przymknięcie przysłony odcina brzeg i wraz z nim odcina większość problemu. To jest geometria, i o niej będzie cała Część III.

Przy mocnym przymknięciu przeszkadza dyfrakcja. Im ciaśniejszy otwór, tym silniej fala rozlewa się po przejściu — dokładnie tak, jak w widgecie ze szczeliną z Rozdziału 1. Punkt przestaje być punktem i rozmywa się w krążek, którego średnica rośnie proporcjonalnie do liczby przysłony. To jest fala, i o niej będzie Rozdział 10.

Jedno maleje z przymykaniem, drugie rośnie. Suma ma minimum — i to minimum jest tym, co nazywa się słodkim punktem obiektywu. Przesuń suwak i zobacz, gdzie wypada:

Dwa wnioski, które warto z tego wykresu wynieść. Po pierwsze, położenie optimum zależy od obiektywu: szkło lepiej skorygowane ma niższą fioletową krzywą, więc jego optimum leży bliżej pełnego otwarcia. Obiektyw kinowy klasy Master Prime bywa niemal najostrzejszy już przy T/2,8, podczas gdy tani zoom potrzebuje f/8. Zdanie „dwie przysłony od pełnego otwarcia” opisuje więc szkło przeciętne, nie prawo natury.

Po drugie, prawa strona wykresu jest nie do naprawienia. Cyjanowa krzywa nie zależy od konstrukcji ani od ceny — zależy wyłącznie od długości fali i liczby przysłony. Producent może obniżyć fiolet dowolnie wysokim kosztem, ale cyjanu nie ruszy nikt. Dlatego wszystkie obiektywy świata, od najtańszego po najdroższy, są przy f/22 mniej więcej tak samo miękkie.

Przysłona w rendererze robi tylko połowę roboty

W kamerze renderera znajdziesz pole opisane jako „f-stop”, „aperture” albo „aperture size”. Warto wiedzieć, na co ono wpływa, a na co nie — bo w większości silników wpływa dokładnie na jedną rzecz.

Wpływa na głębię ostrości. Renderer używa liczby f do wyliczenia średnicy źrenicy, a potem losuje po niej punkty startowe promieni. Im większa źrenica, tym szerszy stożek i tym płytsza głębia. To jest fizycznie poprawne i działa dokładnie tak, jak w rzeczywistym obiektywie.

Zwykle nie wpływa na ekspozycję. W przeciwieństwie do prawdziwej kamery, większość rendererów nie przyciemnia obrazu po przymknięciu przysłony — bo obraz i tak wychodzi w liniowej przestrzeni bez ustalonego poziomu bieli, a ekspozycję ustawia się osobno. Silniki z pełnym modelem fizycznym (z ISO, czasem otwarcia migawki i przysłoną naraz) zachowują się inaczej i tam przymknięcie faktycznie przyciemnia.

Trzecia różnica jest subtelniejsza i dotyczy dyfrakcji: renderer jej nie liczy w ogóle. Przymknięcie do f/22 w rzeczywistej kamerze wyraźnie zmiękcza obraz, a w rendererze daje obraz idealnie ostry w całej głębi. Jeśli odtwarzasz ujęcie kręcone na mocno przymkniętej przysłonie, tę miękkość trzeba dołożyć osobno — i wrócimy do tego w Rozdziale 10.

Wynika stąd, że w rendererze można bezkarnie ustawić przysłonę, której w rzeczywistości byś nie użył — na przykład f/1,2 przy pełnym świetle dnia — i dostać obraz poprawnie naświetlony przy nierealistycznie płytkiej głębi. Jeśli render ma siedzieć w materiale, warto trzymać się przysłony faktycznie użytej na planie, nawet jeśli silnik na to nie nalega.