Źrenica · obraz przysłonyWejściowa · od przoduWyjściowa · od tyłuStąd · bokeh i winieta
Rozdział 7 / Kadr

Źrenica wejściowa i wyjściowa

Obiektyw nie patrzy przez swoją przednią soczewkę, tylko przez jej obraz. Kiedy to zaskoczy, kocie oko, winietowanie optyczne i punkt bezparalaksowy przestają być trzema osobnymi tajemnicami.

TL;DR
Definicja · zajrzyj w obiektyw

To, co widać, nie jest tym, co jest

Zdejmij obiektyw z korpusu i zajrzyj w niego od przodu. Zobaczysz otwór przysłony — ale nie zobaczysz go takim, jaki jest. Patrzysz na niego przez wszystkie soczewki stojące przed nim, a one działają jak lupa. Widzisz obraz przysłony, nie przysłonę.

Ten obraz ma własną nazwę: źrenica wejściowa. To ona, a nie mechaniczny otwór, jest tym, co liczy się we wszystkich rachunkach z poprzedniego rozdziału. Kiedy piszemy N = f/D, D jest średnicą źrenicy wejściowej — i dlatego przednia soczewka jasnego obiektywu bywa większa, niż wynikałoby z prostego dzielenia.

Symetrycznie: zaglądając od tyłu, widzisz przysłonę przez soczewki stojące za nią, i to jest źrenica wyjściowa. Obie źrenice są obrazami tego samego otworu, ale zwykle mają różne rozmiary i leżą w różnych miejscach — czasem daleko poza fizycznym obiektywem.

Trzy różne rzeczyprzysłona i jej dwa obrazy
przysłona otwór 20 mm źrenica wejściowa 23 mm · to jest D źrenica wyjściowa 17 mm matryca Trzy pionowe kreski, trzy różne rozmiary i położenia — a fizycznie istnieje tylko środkowa.
Obie źrenice są obrazami przysłony. Żadnej z nich nie da się dotknąć, a obie decydują o obrazie.

Rozmiar źrenicy wejściowej ma jeszcze jedną, czysto praktyczną konsekwencję: wyznacza minimalną średnicę przedniej soczewki. Obiektyw 85 mm o jasności f/1,4 potrzebuje źrenicy sześćdziesięciu milimetrów, więc przednie szkło nie może być mniejsze — i stąd bierze się zależność, którą widać na półce w sklepie, że jasność da się oszacować z samego wyglądu obiektywu. Zależność ta zawodzi tylko w retrofokusach, gdzie przednia soczewka bywa duża z zupełnie innego powodu, o czym w Rozdziale 18.

Stosunek rozmiarów obu źrenic nazywa się powiększeniem źrenicowym i jest liczbą charakteryzującą konstrukcję. W układzie symetrycznym wynosi jeden — obie źrenice są równe. W teleobiektywie źrenica wyjściowa jest mniejsza od wejściowej, w retrofokusie odwrotnie. Ta liczba wraca potem w rachunkach na głębię ostrości przy bliskiej odległości i jest jednym z powodów, dla których proste wzory na głębię zawodzą w makro.

Poza osią · skąd kocie oko

Źrenica widziana z rogu kadru jest inna

Do tej pory patrzyliśmy w obiektyw wzdłuż osi. Teraz spójrz na niego z boku — tak, jak patrzy na niego punkt leżący w rogu kadru. Zobaczysz coś innego: okrągła źrenica przestaje być okrągła.

Powód jest czysto mechaniczny. Obiektyw jest rurą o pewnej długości, a każda jego oprawa — przednia, tylna, oprawy poszczególnych soczewek — jest okrągłym otworem. Patrząc wzdłuż osi, wszystkie te otwory nakładają się na siebie koncentrycznie i przez wszystkie widać całą źrenicę. Patrząc pod kątem, przesuwają się względem siebie i zaczynają wzajemnie obcinać. Wspólna część dwóch przesuniętych kół to soczewkowaty kształt — i to jest kocie oko.

Obcięcie mechanicznekształt źrenicy zależy od miejsca w kadrze
środek kadru
OPRAWY WIDZIANE Z TEGO PUNKTU KADRU cyjan: przysłona · szare: oprawy przednia i tylna TAK WYGLĄDA NIEOSTRY PUNKT okrągłe — pełna źrenica
W środku kadru wszystkie oprawy nakładają się i przepuszczają całą źrenicę.

Z tego jednego mechanizmu wynikają dwie rzeczy, które w potocznym języku traktuje się jako osobne. Pierwsza to kształt bokeh: skoro nieostry punkt jest obrazem źrenicy, to w rogu kadru będzie miał kształt kociego oka. Druga to winietowanie optyczne: obcięta źrenica ma mniejsze pole, więc przepuszcza mniej światła — i rogi kadru są ciemniejsze.

To są dwa objawy jednej przyczyny, i dlatego zachowują się identycznie: jedno i drugie znika po przymknięciu przysłony. Przymknięta przysłona jest mniejsza od otworów opraw, więc przestaje być przez nie obcinana — bokeh w rogu wraca do wielokąta, a rogi kadru się rozjaśniają. Ta wspólna reakcja na przymknięcie jest najprostszym testem odróżniającym winietowanie optyczne od naturalnego, o którym w Rozdziale 30.

Obcięcie rośnie z kątem, pod jakim patrzy się w obiektyw — a szeroki kąt z definicji obejmuje kąty duże. Stąd obserwacja, którą potwierdzi każdy test: im szerszy obiektyw, tym silniejsze winietowanie i tym wyraźniejsze kocie oko, przy tej samej klasie konstrukcji.

Kocie oko jest kierunkowe

Drobny szczegół, który odróżnia dobrze odtworzone kocie oko od podrobionego: jego oś jest zawsze skierowana ku środkowi kadru. Obcięcie następuje po tej stronie źrenicy, która jest dalej od osi optycznej, więc soczewkowaty kształt „patrzy” do środka obrazu, a jego ostre końce leżą na linii łączącej go ze środkiem.

W lewym górnym rogu kadru kocie oko jest więc pochylone inaczej niż w prawym dolnym — dokładnie o sto osiemdziesiąt stopni. Efekt układa się promieniście wokół środka i to jest najprostszy sposób, żeby na gotowym materiale odróżnić prawdziwe obcięcie mechaniczne od filtra, który nakłada ten sam kształt wszędzie jednakowo.

Układ promienistyten sam obiektyw, dziewięć miejsc kadru
Oś każdego kształtu leży na linii do środka kadru. Filtr nakładający jeden kształt wszędzie tego nie odtworzy.
Obcięcie jest funkcją kąta, a kąt jest funkcją odległości od osi — dlatego efekt układa się promieniście, a nie jednorodnie.

Ma to bezpośrednie przełożenie na comp. Jeśli dokładasz kocie oko do renderu, nie wystarczy podmienić kształtu źrenicy na soczewkowaty — trzeba go jeszcze obracać w zależności od położenia w kadrze i wygaszać ku środkowi. Bez tego efekt wygląda na naklejony, i to jest jeden z najczęstszych sposobów, w jakie podrobiony bokeh zdradza się na pierwszy rzut oka.

Katalog kształtów bokeh z przyczynami — Dodatek AF.

Położenie · problem, którego taśma nie miała

Jak daleko leży źrenica wyjściowa

Druga cecha źrenicy wyjściowej, poza rozmiarem, to jej odległość od matrycy. Decyduje ona o tym, pod jakim kątem światło pada na rogi matrycy — i to jest cecha, która przez sto lat nikogo nie obchodziła, a stała się istotna dopiero wraz z cyfrą.

Jeśli źrenica wyjściowa leży bardzo daleko, promienie biegnące do rogu kadru padają na matrycę niemal prostopadle. Taki układ nazywa się telecentrycznym po stronie obrazu i jest ideałem. Jeśli leży blisko — a tak bywa w kompaktowych szerokich kątach i w konstrukcjach do krótkiego odcinka roboczego — promienie w rogach padają skośnie, czasem pod trzydziestoma stopniami i więcej.

Kąt padania na matrycęźrenica blisko kontra daleko
ŹRENICA BLISKO · promienie skośne w rogach ŹRENICA DALEKO · niemal prostopadle źrenica matryca 28° źrenica 8°
Ten sam kadr, ta sama ogniskowa, dwa zupełnie inne kąty padania w rogu. Emulsji to nie obchodziło; matrycę bardzo.

Dlaczego emulsji to nie obchodziło? Bo była w praktyce płaską warstwą czułą na światło niezależnie od kierunku. Piksel matrycy jest natomiast studnią: pod mikrosoczewką, pod filtrem barwnym, otoczony ściankami. Światło padające skośnie może w tę studnię nie trafić albo trafić w sąsiednią — a że mikrosoczewki i filtry mają grubość, skośny promień przechodzi też przez inną drogę optyczną niż prostopadły.

Objawy są dwa i oba znasz z materiału, nawet jeśli nie wiedziałeś, skąd się biorą. Pierwszy to dodatkowy spadek jasności w rogach, dokładający się do winietowania z poprzedniej sekcji. Drugi to przebarwienie rogów — zwykle w stronę magenty albo cyjanu, bo trzy kanały tracą przy skośnym padaniu różne ilości światła. Producenci matryc odpowiadają na to przesuwaniem mikrosoczewek ku brzegom sensora, a producenci obiektywów — pilnowaniem, żeby źrenica wyjściowa nie siedziała za blisko.

Gdzie stoi kamera · powrót do punktu obrotu

Źrenica wejściowa jest kamerą

W Rozdziale 4 pojawiło się stwierdzenie, że z punktu widzenia perspektywy kamera jest tam, gdzie leży źrenica wejściowa. Mając teraz definicję, możemy zobaczyć, dlaczego.

Każdy promień, który dociera na matrycę, musiał przejść przez źrenicę. Zbiór wszystkich kierunków, z których obiektyw w ogóle przyjmuje światło, to zbiór kierunków przechodzących przez ten jeden okrąg. Cały układ zachowuje się więc jak dziurka umieszczona dokładnie w środku źrenicy wejściowej — reszta szkła decyduje o tym, gdzie te promienie potem trafią, ale nie o tym, skąd przyszły.

Konsekwencja: perspektywa obrazu jest dokładnie taka, jaką miałaby dziurka w tym miejscu. Obróć obiektyw wokół tego punktu, a nic w geometrii sceny się nie zmieni — bo dziurka została na miejscu. Obróć wokół czegokolwiek innego, a dziurka zatoczy łuk i bliskie obiekty przesuną się względem dalekich.

Praktyczne miejsca, w których to wraca:

Warto przy tym pamiętać, że źrenica wejściowa przesuwa się przy ostrzeniu i przy zmianie ogniskowej. W zoomie potrafi wędrować o kilka centymetrów przez cały zakres — i to jest jeden z powodów, dla których panoram nie robi się zoomem, a tracking ujęcia z transfokacją jest trudniejszy niż ze stałki.

Jak zmierzyć położenie źrenicy linijką i dlaczego to ona, a nie format, decyduje o głębi ostrości — Dodatek AE.

Z praktyki

Kształt bokeh w rogu mówi ci, czy obiektyw jest otwarty. Patrząc na materiał, sprawdź nieostre światła przy krawędzi kadru. Wyraźne kocie oko oznacza pełny albo prawie pełny otwór; okrągłe albo wielokątne krążki w rogu — przysłonę przymkniętą na tyle, że przestała być obcinana. To jest jedna z pewniejszych wskazówek przy odtwarzaniu nastaw z gotowego ujęcia.

Przebarwienie rogów w plate to nie błąd balansu bieli. Jeśli rogi ciągną w magentę albo cyjan, a środek jest neutralny, przyczyną jest najprawdopodobniej kąt padania na matrycę — czyli kombinacja konkretnego obiektywu z konkretnym korpusem. Poprawia się to maską radialną, nie globalnym balansem, bo globalny zepsuje środek.

W rendererze źrenica jest punktem, nie bryłą. Standardowa kamera losuje po płaskim dysku o zerowej grubości, więc nie zna obcinania mechanicznego i nigdy sama nie da kociego oka. Jeśli tego efektu potrzebujesz, trzeba go albo podać teksturą źrenicy zależną od pozycji w kadrze, albo dołożyć w compie — i to jest jeden z niewielu przypadków, w których comp wygrywa z renderem prostotą.

Słowniczek
przysłona (stop)
Fizyczny otwór ograniczający wiązkę. Jedyny z trzech bytów w tym rozdziale, którego można dotknąć.
źrenica wejściowa
Obraz przysłony widziany od przodu obiektywu. To jej średnica występuje we wzorze na liczbę f, i to w jej środku „stoi” kamera.
źrenica wyjściowa
Obraz przysłony widziany od tyłu. Jej rozmiar i odległość od matrycy decydują o kącie padania światła w rogach kadru.
powiększenie źrenicowe
Stosunek średnic źrenicy wyjściowej do wejściowej. Równe 1 w układzie symetrycznym, mniejsze w teleobiektywie, większe w retrofokusie.
obcięcie mechaniczne (vignetting)
Częściowe zasłonięcie źrenicy przez oprawy przy patrzeniu poza osią. Źródło kociego oka i winietowania optycznego naraz.
telecentryczność po stronie obrazu
Właściwość układu, w którym promienie główne padają na matrycę prostopadle niezależnie od miejsca w kadrze. Osiągalna przez odsunięcie źrenicy wyjściowej daleko od matrycy.
Idź głębiej
Dodatek AE — Geometria źrenic