Elementów · 15–22Grupy · ruchomeT · zmiennaPodatek · flara
Rozdział 19 / Konstrukcje

Zoom kontra stałka

Zoom to trzy obiektywy w jednej tubie, poruszające się względem siebie. Płacisz za to dwudziestoma szkłami, oddechem, zmienną T-stopą i flarą — i czasem warto.

TL;DR
Mechanizm · trzy zespoły, jedna krzywka

Jak zmienia się ogniskowa

Zoom nie ma jednej soczewki, którą się przesuwa. Ma trzy zespoły o różnych rolach: ogniskujący z przodu, wariator, który zmienia powiększenie, i kompensator, który nadrabia to, co wariator psuje. Za nimi stoi zespół nieruchomy, tworzący obraz.

Sedno tkwi w kompensatorze. Sam wariator, przesuwając się, zmieniłby ogniskową — ale i przesunął płaszczyznę obrazu, więc kadr rósłby razem z utratą ostrości. Kompensator porusza się jednocześnie po torze policzonym tak, żeby obraz zostawał w tym samym miejscu przez cały zakres. Oba ruchy są sprzężone mechanicznie krzywką w tubusie i to ona jest sercem konstrukcji.

Trzy zespoły w ruchuprzesuń przez zakres
24 mm
obraz — stały ogniskujący wariator kompensator tylny — stały tor wariatora tor kompensatora tory nie są równoległe — stąd krzywka, a nie prosta prowadnica
24 mm: wariator z przodu, kompensator blisko niego. Obraz stoi w tym samym miejscu.

Warto zauważyć, że tory obu zespołów nie są liniowe ani równoległe. Kompensator zawraca w połowie zakresu, bo funkcja, którą musi zrealizować, ma minimum. Stąd krzywka o złożonym kształcie, a stąd z kolei cena mechaniczna: luz, zużycie i to, że zoom przestrojony po latach potrafi tracić ostrość w środku zakresu, zachowując ją na obu końcach.

Konstrukcja, w której ostrość trzyma się przez cały zakres, nazywa się parafokalną i jest wymogiem szkła kinowego. Zoomy fotograficzne bywają warifokalne: zmieniają ogniskową, ale ostrość trzeba poprawić po transfokacji. Autofokus to ukrywa i dlatego wielu użytkowników nie wie, że ich zoom taki jest — aż do pierwszego ujęcia z ręcznym ostrzeniem.

Różnica między jednym a drugim jest w całości kwestią dokładności krzywki, a nie układu optycznego. Parafokalność wymaga, żeby tor kompensatora zgadzał się z policzonym na ułamki setnych milimetra w każdym punkcie zakresu — i żeby zgadzał się nadal po dziesięciu tysiącach transfokacji. To jest wymaganie mechaniczne, nie optyczne, i dlatego zoom kinowy waży kilka kilogramów przy tej samej optyce, co dwukrotnie lżejszy zoom fotograficzny.

Warto też zauważyć, czego w tym schemacie nie ma. Nie ma zespołu odpowiedzialnego za korekcję dla konkretnej ogniskowej — bo taki musiałby się zmieniać razem z nią, a nie ma jak. Korekcja jest kompromisem policzonym na cały zakres naraz, i to jest źródło większości wad zoomu: nie ma w nim ani jednego ustawienia, w którym byłby optymalny. Stałka jest optymalna w jedynym ustawieniu, jakie ma.

Cena · cztery pozycje rachunku

Za co się płaci

Wszystkie koszty zoomu mają wspólne źródło: ten sam układ musi być poprawny w wielu konfiguracjach naraz. Konstruktor nie optymalizuje jednego rozwiązania, tylko rodzinę rozwiązań — a rodzina zawsze wypada gorzej od najlepszego pojedynczego przypadku.

PozycjaStałka 50 mmZoom 24–70Skutek w obrazie
Elementy6–815–20—
Grupy4–611–15—
Granice z powietrzem8–1222–30flara, podniesione czernie
Możliwe ghosty28–66231–435sznur plam przy świetle
Masa~200 g~800 gtrudniejsze prowadzenie

Wiersz „możliwe ghosty” to liczba par powierzchni, czyli n(n−1)/2 — rośnie kwadratowo, dokładnie jak na wykresie z Rozdziału 15.

Wiersz czwarty jest tym, który w praktyce boli najbardziej. Przy dwudziestu ośmiu powierzchniach istnieje trzysta siedemdziesiąt osiem par, z których każda może dać ghosta — wobec kilkudziesięciu w stałce. Dlatego zoom skierowany w stronę światła daje charakterystyczny gęsty sznur plam, a stałka jedną albo dwie. To jest najpewniejszy sposób rozpoznania zoomu w gotowym materiale.

Światło w kadrzeta sama lampa, dwa obiektywy
STAŁKA · 10 granicZOOM · 26 granic dwa ghosty, łatwe do zamaskowania sznur plam wzdłuż linii przez środek kadru
Prawe tło jest jaśniejsze i to nie jest ozdobnik rysunku — dwadzieścia sześć granic podnosi czerń w całym kadrze, nie tylko wokół światła.

Podniesienie czerni jest przy tym skutkiem gorszym od samych plam, choć mniej widocznym. Plamę da się zamaskować albo wykorzystać; równomiernie rozsiane światło odbiera kontrast całemu kadrowi i nie da się go odjąć, bo nie wiadomo, ile go jest w którym miejscu. To jest ta sama veiling glare, której poświęcony jest Rozdział 22, i to ona odpowiada za wrażenie, że zoom „rysuje płasko”.

Warto przy tym być uczciwym co do skali problemu. Wszystkie te liczby dotyczą sytuacji z jasnym światłem w kadrze albo tuż poza nim. W ujęciu równomiernie oświetlonym, bez świateł w polu widzenia, różnica między dobrym zoomem a stałką bywa nieuchwytna — i dlatego zoomy są w produkcji tak powszechne. Podatek płaci się dopiero wtedy, gdy w kadrze pojawia się słońce, okno albo lampa.

Jasność · dlaczego f zmienia się z ogniskową

Zmienna T-stopa i oddech

Zoom fotograficzny opisany jako f/3,5–5,6 traci światło przy wydłużaniu ogniskowej. Powód wynika wprost z definicji z Rozdziału 6: liczba przysłony to ogniskowa podzielona przez średnicę źrenicy wejściowej. Jeśli przy transfokacji ogniskowa rośnie, a źrenica nie nadąża — iloraz rośnie i jasność spada.

Żeby jasność została stała, źrenica musiałaby rosnąć dokładnie proporcjonalnie do ogniskowej. Da się to zrobić i tak działają zoomy stałojasne — ale wymaga to, żeby na długim końcu źrenica miała pełny rozmiar, co wymusza dużą przednią soczewkę. Stąd fakt, który widać na półce: zoom 70–200 f/2,8 ma przednie szkło wielkości spodka, bo na dwustu milimetrach potrzebuje siedemdziesięciu jeden milimetrów źrenicy.

Średnica źrenicy przez zakresstałojasny kontra zmienny
244055 7085 mm ogniskowa źrenica f/2,8 stałe — źrenica rośnie liniowo f/3,5 → f/5,6 — źrenica ledwie rośnie 8,6 mm 30,4 mm 6,9 mm 15,2 mm
Obie krzywe zaczynają się w podobnym miejscu i rozjeżdżają w miarę wydłużania. Cała różnica ceny i masy siedzi w tym rozjeździe.

Szkło kinowe rozwiązuje to inaczej i warto wiedzieć jak: zoomy kinowe są stało-T, a nie tylko stałojasne geometrycznie. Producent gwarantuje, że transmisja nie zmienia się przez cały zakres, więc operator może transfokować w trakcie ujęcia bez zmiany ekspozycji. Jest to jedno z tych wymagań, które podnoszą cenę o rząd wielkości, a w danych wyglądają na jedną literę różnicy.

Drugim podatkiem jest oddech, opisany mechanizmem w Rozdziale 16. W zoomie jest zwykle silniejszy niż w stałce, bo grupy i tak się poruszają, a każdy ruch przy ostrzeniu nakłada się na geometrię już rozstrojoną transfokacją.

Warto znać jeszcze jedną pułapkę zmiennej jasności, bo bywa źródłem nieporozumień na planie. Zoom f/3,5–5,6 przymknięty do f/8 jest stałojasny — bo f/8 jest osiągalne na obu końcach zakresu i przysłona po prostu stoi w miejscu. Zmienność dotyczy wyłącznie pełnego otwarcia, czyli tego ustawienia, przy którym źrenica jest już maksymalna i nie ma z czego dobierać. Kto raz to zauważy, przestaje traktować „zmienną jasność” jako wadę obiektywu, a zaczyna jako opis jego granicy.

W CG · dystorsja przestaje być liczbą

Co zoom robi z pipeline'em

Wszystko powyżej dotyczy wyglądu. Dla pracy z materiałem ważniejsza jest jedna konsekwencja, która wygląda niewinnie, a potrafi zablokować ujęcie: dystorsja zoomu zmienia się przez cały zakres.

Na krótkim końcu wychodzi beczka, na długim poduszka, a gdzieś pośrodku przechodzi przez zero. Wynika to z Rozdziału 18: krótki koniec jest z natury retrofokusem, długi teleobiektywem, więc znak asymetrii zmienia się razem z ogniskową.

Dystorsja przez zakreszmienia znak, nie tylko wartość
243550 7085 mm +2%0−3% przejście przez zero beczka poduszka Jedna liczba k₁ opisuje ten obiektyw tylko w jednym punkcie zakresu.
Krzywa przechodzi przez zero, więc istnieje ogniskowa, przy której zoom jest lepszy od niejednej stałki. Poza nią nie jest.

Konsekwencje są trzy. Po pierwsze, dystorsję trzeba zmierzyć dla każdej używanej ogniskowej, a nie raz na obiektyw. Po drugie, w ujęciu z transfokacją współczynnik trzeba animować — jedna wartość rozjedzie kadr na jednym z końców. Po trzecie, i najbardziej podstępne: solver rekonstruujący kamerę może zamienić zmianę dystorsji na pozorny ruch kamery, bo obie rzeczy przesuwają punkty w podobny sposób.

Jest jeszcze czwarta, o której łatwo zapomnieć przy dopasowywaniu elementu. Zmiana ogniskowej zmienia też winietowanie i miękkość rogów, i to zwykle w sposób niemonotoniczny — zoom bywa najgorszy na krótkim końcu, przyzwoity w środku i znów słabszy na długim. Element CG dołożony ze stałym profilem winiety będzie więc pasował dokładnie w jednym punkcie transfokacji.

Stąd zasada, którą warto traktować dosłownie: ujęcie z transfokacją jest trudniejsze od ujęcia z jazdą. Jazda zmienia perspektywę w sposób, który solver rozumie; transfokacja zmienia naraz ogniskową, dystorsję i oddech — trzy rzeczy, które w danych wyglądają podobnie i rozplątuje się je tylko wtedy, gdy dwie z nich zna się z pomiaru.

Z praktyki

Sznur ghostów odróżnia zoom od stałki w jednej klatce. Jasne światło w kadrze i kilkanaście plam ułożonych w linię przez środek to zoom; dwie–trzy plamy to stałka. Rozpoznanie od razu mówi ci, czego się spodziewać dalej: podniesionych czerni, zmiennej dystorsji i prawdopodobnie oddechu.

Przy ujęciu z transfokacją zmierz dystorsję na obu końcach. Dwa pomiary i interpolacja między nimi wystarczają w większości przypadków, a różnią się od jednego pomiaru tym, że ujęcie w ogóle siada. Jeśli masz siatkę tylko z jednego ustawienia, zapisz przynajmniej, z którego.

Nie odtwarzaj zoomu animowaniem ogniskowej wirtualnej kamery. To odtwarza jedną z trzech zmian. Bez animowanej dystorsji i bez oddechu render będzie zgadzał się w środku kadru i rozjeżdżał przy brzegach — czyli dokładnie tam, gdzie widz patrzy przy transfokacji.

Słowniczek
wariator
Zespół, którego przesunięcie zmienia ogniskową układu.
kompensator
Zespół poruszający się razem z wariatorem po torze utrzymującym obraz w stałym miejscu.
parafokalny
Zoom trzymający ostrość przez cały zakres. Wymóg szkła kinowego.
warifokalny
Zoom, w którym po transfokacji trzeba poprawić ostrość. Częsty w optyce fotograficznej, ukrywany przez autofokus.
stało-T
Zoom o niezmiennej transmisji przez cały zakres — nie tylko o niezmiennej liczbie f.
Idź głębiej
Dodatek I — Katalog układów optycznych