Что такое bokeh и ni-sen?
 

Иногда на фотографиях ветки деревьев получаются неприятно раздвоенными. Бывает и случаи, когда тонкие ветки превращаются в некое подобие капилярных трубок. Некоторые фотографы в таких случаях огорченно качают головой и говорят: «У объектива плохое bokeh!» Каково же бывает их удивление, когда они узнают, что фотография была сделана хорошо зарекомендовавшим себя объективом от известного производителя. Неэстетичное bokeh можно иногда наблюдать и на фотографиях, сделанных признанными мастерами (см., например, портрет Альбера Камю, выполненный Анри Картье-Брессоном в 1947 году).    В этой статье мы поговорим о причинах этой неприятной раздвоенности и попытаемся объяснить, почему от него не застрахован практически ни один объектив (за исключением разве что специальных soft-объективов). Также здесь будут сформулированы практические рекомендации, соблюдение которых позволит избежать этого досадного явления.

  

 В процессе чтения наиболее пытливые читатели смогут не только ознакомиться с теорией вопроса, но и, не отходя от компьютера, провести небольшие демонстрационные эксперименты.

Мини-урок японского языка

   Японским словом «bokeh» (бо-ке) называют характер рисунка объектива в зоне нерезкости.

   Фотографами давно замечено, что объективы по-разному отображают нерезкие объекты. Некоторые из них размывают предметы мягко и пластично, в то время как другие заполняют нерезкую зону неэстетичными бублико-образными пятнами и двоящимися линиями. Хорошее bokeh, как правило, свойственно дорогим объективам с постоянным фокусным расстоянием. Эта характеристика не менее важна, чем разрешение, контраст, передача полутонов, дисторсия и т.п.

   Вместе с тем, очень важно понимать, что характер изображения нерезкой зоны зависит не только от объектива, но и от многих других факторов. Впрочем, не будем забегать вперед…

   «Ni-sen» — менее употребляемый, но все же встречающийся в специальной литературе, термин. В переводе он означает «двойные линии». Этим термином принято называть явление неприятного для глаза двоения линий на фотоизображении. Таким образом, можно сказать, что ni-sen — это один из видов плохого bokeh.

Как bokeh зависит от объектива?

   В рамках этой короткой статьи невозможно детально описать все факторы, влияющие на рисунок оптических систем. Остановимся на одном, но очень важном (если не главном), свойстве — на том, как объектив изображает точку в зоне нерезкости.

   Точечные объекты бывают как светлыми на темном фоне, так и темными — на светлом. Яркий точечный объект можно получить следующим образом. В темном куске плотного картона достаточно большого размера делаем с помощью иголки небольшое отверстие. За куском картона размещаем источник яркого света — и точечный объект готов!

   Форма пятна, в которое расплывется точка в зоне нерезкости, зависит от формы диафрагменного отверстия. Несмотря на то, что эта форма сама по себе является важным параметром для описания bokeh, здесь будут рассматриваться в основном круглые отверстия. Этого будет вполне достаточно для описания такого явления как ni-sen.

   В рамках данной статьи для описания изображения, создаваемого в зоне нерезкости точечным источником, будем использовать термин «блик». Использование такой расширенной трактовки этого термина представляется вполне оправданным в популярной статье, так как на реальных фотографиях размытый яркий источник света предстает именно в виде блика. Более строгий научный термин «функция размытия точки» (ФРТ или PSF) в этом тексте использоваться не будет.

   Основные типы бликов, создаваемых точечными объектами в зоне нерезкости, показаны на рис. 1. Под каждым изображением приведен соответствующий график, показывающий, как меняется яркость вдоль диаметра светового пятна.

Рис. 1

1. Тип A. Равномерно окрашенное пятно. В некотором смысле, это почти идеальное размытие нерезкой точки. Чаще всего такое пятно дают объективы с удачно устраненными аберрациями. Рисунок таких объективов является одновременно и весьма резким и вполне пластичным. Тем не менее, такие объективы все же могут формировать не очень эстетичные изображения нерезких объектов. При каких условиях это может произойти, мы обсудим немного позднее.

2. Тип B. Пятна с ореолами. В одних случаях, это может быть светлый ореол вокруг темного ядра, в других — темный ореол вокруг светлой середины. Таким рисунком обладают объективы с неудачно устраненными аберрациями. Подобные объективы, как правило, вполне резкие, но эта резкость часто воспринимается несколько неестественно, что обусловлено тем, что элементарная точка отображается в виде «бублика». Кстати, и фильтр Unsharp Mask, имеющийся, например, в программе Photoshop, также основан на применении к изображению масок, похожих по форме на блик типа B. Надо также отметить, что наличие окантовок в подобных бликах почти всегда приводит к неэстетичному bokeh, в том числе и к раздвоению линий.

3. Тип C. Пятна с плавным изменением яркости от границы к центру. Слева показано пятно с нарастанием яркости к центру, а справа — с падением яркости к центру. Часто такое размытие дают объективы с не до конца устраненными аберрациями. Граница таких бликов не четко очерчена, а яркость в пределах блика меняется плавно. В результате этот тип объективов формирует довольно мягкое изображение. Компенсацией за эту мягкость является хорошее bokeh, почти никогда не связанное с неприятным двоением линий.

   Еще раз подчеркну: резкость объектива в определенном смысле препятствует хорошему bokeh. Для получения резкого изображения необходимо, чтобы элементарные точки изображались в виде острых пичков. Для хорошего же боке изображение элементарной точки должно быть совсем другим, а именно: в виде гладкой куполообразной кривой. Объективы, в которых достигнут удачный компромисс по обоим этим параметрам, высоко ценимы, ибо встречаются нечасто.

   Иногда в литературе упоминают бескомпромиссные, почти идеальные объективы, подразумевая под ними оптические изделия с доведенными до минимума аберрациями. Однако, в природе идеальных вещей не бывает. Во-первых, аберрации полностью устранить невозможно. Во-вторых, сохраненные незначительные сферические аберрации позволяют добиться красивого и пластичного bokeh.

   Здесь также уместно напомнить, что диаметр блика определяется расстоянием от точки фокусировки до точечного объекта в зоне нерезкости. В дальней зоне рассчитать этот диаметр можно по формулам, приведенным в статье [1].

   Вид блика конкретного объектива почти всегда зависит от величины диафрагмы. Поэтому для достижения удовлетворительного результата фотографу следует изучить, какие типы бликов формирует тот или иной объектив на разных относительных отверстиях. Важно и то, что изображение точки в зоне нерезкости в разных частях кадра может быть разным.

   Помимо этого, надо учитывать, что в ближней зоне нерезкости блик может быть одного типа, а в дальней — другого. Так, Гарольд Мерклингер в статье [2] приводит в пример Rodenstock Imagon, который в ближней зоне рисует блик типа B, а в дальней — блик типа C. С учетом того, что часто на большинстве фотографий передний размытый план отсутствует, можно ожидать, что данный объектив вполне удачно сочетает резкость и красивое bokeh. Важно лишь не забывать, что в ближнюю зону не должны попадать нерезкие объекты.

   Вообще говоря, тип блика зависит от большого числа разнообразных факторов. Однако детальное их обсуждение лежит вне рамок этой статьи.

Bokeh и зрительные иллюзии

   Удивительно, но факт: иногда эффект двоящихся линий может быть обусловлен особенностями зрительного восприятия.

   Дело в том, что резкий переход от участка с изменяющейся яркостью к участку, на котором яркость остается практически неизменной, зрительно воспринимается в виде линии. Таковы особенности зрительного восприятия человека. Действительно, взгляните на рис. 2, где изображены черно-белые полоски, полученные с использованием градиентных заливок.

 

Рис 2.

Характер изменения яркости вдоль полосок показан на графиках внизу. Зрительно кажется, что между двумя стрелками яркость чуть-чуть возрастает (синий пунктир) или чуть-чуть уменьшается (желтый пунктир) соответсвенно.

   В действительности же, участок между стрелками идеально плоский. Наличие двух вертикальных полос в местах, отмеченных стрелками, не более чем иллюзия восприятия.

   Вообще, размытие объектов в зоне нерезкости часто связано с появлением градиентов, а градиенты в свою очередь связаны со многими оптическими иллюзиями. Взгляните, например, на рис. 3, на котором то же самое явление предстает в иной, более очевидной форме.

 

Рис. 3

Здесь изображен квадрат, залитый градиентной заливкой от центра к сторонам. Наблюдаемые светлые диагонали в определенном смысле иллюзорны. Если мы посмотрим, как меняется яркость вдоль линии А-А',  то,  против ожидания, не зафиксируем никаких светлых всплесков в точках пересечения этой линии c диагоналями.

   На это явление обращает внимание и Г. Мерклингер (см. Figure 5 в [2]).

   В последующих разделах мы еще несколько раз встретимся со зрительной иллюзией такого рода.

Изучаем ni-sen с помощью Photoshop

   Строгие методы исследования bokeh и ni-sen будут рассмотрены в следующем разделе. Здесь же мы остановимся на нестрогих, но весьма наглядных подходах.

   В качестве простейшей модели для исследования эффекта двоения линий можно использовать фильтр Motion Blur программы Photoshop. Он моделирует рисунок бликом типа A. Единственный его недостаток в нашем случае — работа исключительно вдоль одного направления. При моделировании корректно применять его к достаточно протяженным однородным объектам, например к длинной окрашенной полоске. В ходе эксперимента действие фильтра должно быть направлено поперек такой полосы.

Эксперимент №1 

 

Рис.4

В верхней части рис. 4 показаны исходные объекты для моделирования. К длинной полоске справа добавлен клин, который можно рассматривать как полоску переменной толщины. Расположенный слева фигурный элемент был включен в эксперимент исключительно с целью наглядности.    Скопируйте изображение в Photoshop, выделите три верхних элемента и активизируйте фильтр Motion Blur (Angle = 0). Плавно увеличивайте параметр Distance от 0 до 20. Практически сразу вы заметите, как раздвоятся острые вершины двух крайних элементов. Центральная полоска вначале будет просто немного расплываться. Однако при достаточно большом значении параметра Distance (например, при таком, как указано в нижней части рисунка), на ней можно будет заметить появление двух темных линий.

   Как вы уже, наверное, догадались, параметр Distance задает в нашем эксперименте размер блика.

   Воспользовавшись инструментом Eyedropper, измерим, как меняется яркость вдоль линии A-A', показанной на рис. 4. К своему удивлению никаких следов раздвоения линий мы не обнаружим (см. рис. 4). Следовательно, можно сказать, что эффект ni-sen в данном случае во многом обусловлен иллюзиями восприятия.

   Подведем некоторые итоги: даже гладкий блик типа A может приводить к раздвоению линий. Причем, чем тоньше линия, тем меньший по диаметру блик требуется для получения такого эффекта. Раздвоение линий в этом случае во многом обусловлено особенностями зрительного восприятия.

Эксперимент №2

 

Рис.5

Немного модифицируем наш исходный эксперимент. В качестве исходных объектов теперь возьмем те же самые фигурки, но с белой окантовкой (см. рис. 5).    Простое сравнение рис. 4 и рис. 5 показывает, что теперь раздвоенность выглядит более явно. Это и неудивительно: характер кривой изменения яркости вдоль линии A-A' свидетельствует о том, что линии объективно раздваиваются. Теперь наблюдаемое нами явление уже напрямую не связано со зрительными иллюзиями. Его легко зафиксировать с помощью измерительных приборов.    Из этого эксперимента можно сделать весьма простой вывод: некоторые объекты более «склонны» к раздвоению, по сравнению с другими. Иными словами, по аналогии с веденной терминологией можно сказать, что объекты тоже могут быть типа A, B или С. Объекты типа B (окруженные окантовками или ореолами) могут объективно раздваиваться даже при применении объективов, рисующих гладкие блики.

   Еще один важный вывод: применение любых дополнительных устройств, способствующих возникновению вокруг объектов окантовок и ореолов, может испортить bokeh даже отлично зарекомендовавшего себя объектива. В роли такого устройства может выступать, например, дешевый фильтр низкого качества.

Эксперимент №3 

   Применим к нашим объектам (рис. 4 и 5) фильтр Gaussian Blur (предлагаю читателю провести этот эксперимент самостоятельно). Как известно, гауссова кривая представляет собой довольно гладкий купол, поэтому в этом случае можно говорить, что мы имеем дело с рисующим бликом типа C.

   В этом случае легко заметить, что эффект ni-sen практически наблюдаться не будет. Таким образом, можно сделать вывод, что объективы с бликами типа C размывают нерезкий план мягко и пластично.

Эксперимент №4 (дополнительный)

   Коль скоро мы занялись экспериментами с использованием программы Photoshop, убедимся в еще одном интересном факте: при размывании заднего плана на изображении могут не только появляться новые линии (двоение), но и исчезать старые!

 

Рис.6

Применим к чередующимся черно-белым штрихам, показанным в верхней части рис. 6 фильтр Motion Blur (Angle = 0).    При значении параметра Distance = 23 мы обнаружим странную вещь: вместо пяти темных штрихов мы отчетливо видим лишь четыре. Один из штрихов бесследно исчез!    Более того, области черного и белого цвета поменялись местами. Четыре черных штриха расположены там, где в исходном изображении были белые полосы.    Продолжая увеличивать параметр Distance (то есть размер рисующего блика), мы можем наблюдать исчезновение еще одного штриха (нижнее изображение на рис. 6).

   Это интересное явление можно наблюдать и в результате реальной фотосъемки. Читателям, заинтересовавшимся данным аспектом, будет полезно ознакомиться с главой Convolution в книге [3].

 
Математический подход к описанию bokeh
(несколько слов для тех, кого не пугает физика и математика)

   В этом разделе коротко остановимся на описании математической модели, позволяющей исследовать характер рисунка объектива, а также приведем результаты более строгого моделирования. Если вы далеки от физики и математики, просто пропустите этот раздел или ограничитесь чтением по диагонали.

   Дать исчерпывающее описание bokeh на языке формул невозможно. Да и, скорей всего, в этом и нет большой нужды, ибо bokeh ближе к категориям эстетическим. Тем не менее, многие частные явления вполне можно объяснить в рамках математических моделей.

   Действительно, достаточно заменить каждую точку в изображении подходящим бликом — и можно будет взглянуть, как будет выглядеть размытое изображение на некотором фиксированном расстоянии от объектива. Диаметр блика следует выбирать тем больше, чем больше расстояние от рассматриваемого объекта до точки фокусировки. Вместе с тем надо не забывать, что уже на расстоянии 10 d (где d — дистанция фокусировки) размытие достигнет 90% от максимально возможной величины (см. [1]). (В этом смысле можно говорить, что бесконечность начинается с расстояния 10 d.)

   С точки зрения математики, «заменить каждую точку соответствующим бликом» означает «вычислить свертку двух функций»:

 

   В этой формуле функция g(x,y) описывает объект, h(x,y) — блик от точечного источника, f(x,y) — формируемое изображение.

   Вычислять двумерную свертку аналитически не всегда просто. Провести анализ с помощью известных программ математического моделирования хоть и не сложно, но требует от экспериментатора некоторых знаний и времени. В рамках этой популярной статьи я не буду детально останавливаться на этих двух подходах. Вместе с тем, я буду весьма признателен, если кто-то из читателей решиться провести строгое математическое моделирование и поделится со мной его результатами.

   Некоторые достаточно строгие эксперименты с двумерной сверткой позволяет выполнить программа Photshop 6.0/7.0. Для этого надо воспользоваться фильтром Custom (Filter -> Other -> Custom), который предоставляет возможность моделировать тип блика объектива с помощью матрицы 5 х 5 пикселей. Чуть больше возможностей дает бесплатный фильтр Custom Convolution Filter от компании Reindeer Graphics Inc. Для моделирования блика он предоставляет матрицу 7 х 7 пикселей. Посмотрим на результаты экспериментов , выполненных с помощью такого фильтра (см. рис. 7).

Рис.7

   В качестве экспериментальных объектов были выбраны два клина: обычный клин и клин с ореолом (крайние левые изображения, помещенные в рамку). Изображения в зоне нерезкости, полученные разными моделируемыми объективами (вернее, бликами), показаны справа от основного. Под каждым таким изображением внизу показан тип соответствующего блика. Для детального изучения полученных результатов рекомендуется загрузить рисунок 7 в какой-либо графический редактор и рассматривать его при некотором увеличении.

   Из всех изображений группы A (равномерно окрашенные блики), наиболее гладкое размытие получается тогда, когда форма блика максимально близка к окружности (случай A4). Легко также заметить, что клин с окантовкой при прочих равных условиях двоится сильнее. Иными словами, мы вновь наблюдаем, что расщепление линий зависит не только от объектива, но и от объекта съемки. Здесь надо заметить, что более глубокое и четкое раздвоение клина с окантовкой — вполне ожидаемое явление. Его легко можно было предвидеть, если вспомнить о том, что операция свертки коммутативна:

g * h = h * g.

   Объектив с ореольным бликом (тип B) формирует наиболее сильно двоящиеся линии. Рисунок такого объектива в зоне нерезкости будет наименее приятен для глаза.

   Как и ожидалось, объектив типа C размывает линии плавно и мягко, без двоения.

   Несмотря на то, что в ходе такого эксперимента удалось подтвердить основные идеи, сформулированные выше, все же надо признать, что матрица 7 х 7 довольно мала для полноценного математического моделирования. Поэтому остается вопрос: какие же другие упрощенные подходы можно использовать для моделирования bokeh?

   В качестве самого простого способа можно предложить переход к анализу одномерной модели. В этом случае, и интегралы брать проще, и численное моделирование не столь трудоемко.

 

Рис. 8

На рис. 8 показаны результаты простейшего одномерного моделирования. Для вычисления свертки была использована бесплатная программа XL-Plot 2.19, которую можно загрузить с сайта http://www.bram.org/xlplot/xlplot.shtml.    Рисунок демонстрирует, как будет отображена равномерно окрашенная полоска объективами с разным типом бликов (согласно ранее введенной терминологии типы A, B, C).

   Как видно из графиков, объектив типа B формирует явно раздвоенное изображение.

   Объектив типа A тоже приводит к двоению, связанному в основном с особенностями зрительного восприятия.

   Таким образом, одномерное моделирование также убеждает нас в том, что только объектив с рисунком блика типа С может гарантировать отсутствие раздвоений на изображении.

Выводы

1. Характер изображения в зоне нерезкости определяется многими факторами:

— свойствами объектива,
— свойствами самого изображаемого объекта,
— качеством дополнительных оптических устройств,
— особенностями зрительного восприятия человека.

Отсюда следует, что даже очень хороший объектив при неблагоприятных условиях может некрасиво изобразить нерезкие объекты.

2. Для того чтобы объектив был достаточно резким и в то же время рисовал нерезкие объекты эстетично, необходимо чтобы его блик был равномерно окрашенным кругом. Любые окантовки бликов (блики в форме бубликов) и отклонения от круглой формы ухудшают bokeh.

3. Если объектив рисует блики в виде пятен с нарастающей к центру яркостью (но без окантовок!), то его bokeh будет выглядеть вполне красиво. Во всяком случае, двоения линий наблюдаться не будет. Однако если объектив рисует такого рода блики и в ближней, и в дальней зоне нерезкости, то, вероятней всего, и резкое изображение будет выглядеть смягченно. Soft-объективы практически никогда не раздваивают нерезкие линии.

Что делать?

1. Знать свойства своих объективов! Очень полезно изучить вид бликов, формируемых ярким точечным объектом, как в ближней, так и в дальней областях нерезкости.

2. Использовать объективы с отверстием диафрагмы, максимально приближенным по форме к кругу. Необходимо помнить, что на разных диафрагмах, форма этого отверстия может быть разной.

3. Не пользоваться дешевыми насадками и дополнительными оптическими приспособлениями, так как они могут создавать вокруг объектов нежелательные окантовки (ореолы), а это, в свою очередь, ведет к неэстетичному bokeh.

В справедливости этой рекомендации меня убедил простой опыт. При разглядывании горящих уличных фонарей через тюлевую занавеску я отчетливо наблюдаю двоение изображения.

Вопрос о том, может ли причиной плохого боке быть некачественный фильтр, однозначного ответа не имеет. По мнению ряда экспертов, некоторые технологические дефекты, например, дефекты просветления, в определенной мере могут приводить к паразитным засветкам на изображении. Поэтому, в общем случае, от использования дешевых фильтров лучше все же воздержаться.

То же самое справедливо и в отношении софт-насадок на объективы. Если они сделаны некачественно, то картина в зоне нерезкости может существенно ухудшиться. Напомню, что в отличии от софт-фильтров софт-объективы рисуют мягко за счет частично сохраненных сферических аберраций и всегда характеризуются пластичным bokeh.

4. К неприятному двоению объектов в зоне нерезкости может приводить и внутренняя децентрировка, нередко встречающаяся у дешевых объективов. В рамках этой статьи это явление не рассматривалось, однако знать о нем необходимо. Как правило, с уменьшением относительного отверстия неприятные явления, связанные с децентрировкой, уменьшаются.

5. Если по условиям съемки появление раздвоенных линий прогнозируемо и неизбежно, то выход только один: изменить величину относительного отверстия объектива. Иными словами, надо либо ввести двоящиеся объекты в зону резкости, либо окончательно размыть их.
_______________________________________________
Последний совет в некоторой степени проиллюстрирован в статье «Резкость изображения: поиск физического смысла» (см. рис. 8—10 и «Замечание на отвлеченную тему»).

Ссылки

1. И. Ефремов. Размываем фон по научному. (Одна из моих статей, размещенных на этом сайте.)
2. H. Merklinger. A Technical View of Bokeh. Published in Photo Techniques Magazine, May/June 1997. (Статью можно прочесть на сайте Luminous Landscape или загрузить в pdf-файле с сайта http://www.trenholm.org/hmmerk/ATVB.pdf)
3. H. Merklinger. The INs and OUTs of Focus. Chapter 6. (Книгу можно загрузить с сайта http://www.trenholm.org/hmmerk/download.html)
4. Ken Rockwell. Bokeh Explained
5. Peter Zimmerman. About Bokeh
6. Daniel Wexler. Bokeh Rendering

 

* * *

 

_______________________________________________________________________________________________________
Adobe ® Photoshop ®, Jasc ® Paint Shop Pro ™ являются зарегистрированными торговыми марками