Tamaño del sensor, perspectiva y profundidad de campo

Hace unos meses escribimos un extenso artículo sobre factores de cultivo de sensores y equivalencia . En ese post abordamos varios temas: la historia de los formatos de sensor recortado, el brillo de la escena, la perspectiva, la profundidad de campo , el ruido y la difracción . En la publicación de hoy quiero centrarme en (si me disculpan el juego de palabras) y ampliar dos de estos temas:

• Perspectiva
• Profundidad de campo (DOF)

Nada en esta publicación tiene que ver con la cantidad de megapíxeles que tiene su cámara, ya que veremos comparaciones en paralelo escaladas al mismo tamaño de pantalla, de la misma manera que miraría sus fotos en su tableta, computadora monitor o en sus álbumes de fotos.

1) Cámaras con sensores grandes y pequeñas: ¿pueden tomar fotos idénticas?

Para comenzar, establezcamos que realmente puede tomar fotos de aspecto idéntico con dos cámaras muy diferentes si elige la configuración adecuada. Si necesita convencerse, solo mire el ejemplo a continuación. Primero, vemos una foto que tomé con la cámara trasera de mi iPhone 6 . Debajo de eso, puede ver la foto que tomé unos segundos después con mi Nikon D600 FX DSLR con la lente Nikkor 24-70mm f/2.8G , configurada en f/16. Observe lo similares que son en términos de perspectiva, enfoque y desenfoque de fondo. Con el mismo aumento, se ven bastante idénticos. ¡Esto no es una coincidencia!

El iPhone tiene un sensor *pequeño* y una lente *pequeña* en comparación con la Nikon, pero se supone que debemos creer que el tamaño importa. ¿Cómo podemos resolver esta paradoja?

Por cierto, si eres observador, ya habrás notado que la imagen de la Nikon DSLR fue recortada (ligeramente) para lograr una relación de aspecto 4:3 idéntica a la del iPhone. También verá que los valores ISO y las velocidades de obturación de estas dos fotografías eran muy diferentes. Estas son notas al margen interesantes e importantes, pero por ahora no hacen nada para resolver nuestra paradoja.

Hay una fórmula simple que puede usar para calcular la equivalencia de la profundidad de campo, incluso entre una Nikon FX DSLR y un iPhone, como acaba de ver.

2) Cómo comparar DoF y campo de visión para cámaras con diferentes tamaños de sensor (factores de recorte)

¿Cómo dos cámaras que difieren tanto en tamaño físico y tamaño de sensor pueden producir imágenes que, a todos los efectos, son algo indistinguibles?

Trataré de mantenerlo simple y realmente lo es, pero necesitará saber cuál es el factor de recorte de una cámara . Entonces, una simple multiplicación hace el truco:

La distancia focal efectiva (que de hecho debería llamarse campo de visión equivalente , ya que no hay cambios en la distancia focal física) tiene implicaciones similares a las de la distancia focal física en una cámara con sensor más grande. Por ejemplo, la regla recíproca, que establece que la velocidad de obturación de su dispositivo portátil debe ser más rápida que 1 dividido por este número, sigue siendo cierta. Obviamente, el campo de visión también se ve afectado, por lo que es más apropiado usar el término "campo de visión equivalente", ya que está viendo un encuadre similar, a pesar de las diferencias en la distancia focal física. El número f efectivo, por otro lado, solo es relevante para la profundidad de campo; no lo usará para calcular la velocidad de obturación requerida, ISO o cualquier otra cosa.

Para que dos cámaras tomen fotos idénticas de la misma escena (en términos de perspectiva y profundidad de campo), hay tres requisitos importantes:

1. Las dos cámaras deben estar a la misma distancia física del sujeto que estás fotografiando.
2. Las distancias focales de las lentes de la cámara deben configurarse de modo que los campos de visión vistos por las cámaras sean similares
   (= las distancias focales efectivas deben ser similares).
3. Las pupilas de entrada de las lentes (el tamaño de apertura que ve cuando mira cada lente) deben ser físicamente iguales (= los números F efectivos deben ser idénticos).

P.ej

• Un objetivo de 100 mm ajustado a f/2,8 en una cámara Nikon FX (que tiene un factor de recorte de 1,0) le ofrece el mismo campo de visión y profundidad de campo que un objetivo de 50 mm ajustado a f/1,4 en una cámara μ4/3 ( que tiene un factor de recorte de 2.0).
• El iPhone 6 tiene un factor de recorte de 7,21, una distancia focal de 4,15 mm y una apertura máxima af/2,2. Este iPhone te ofrece un campo de visión y una profundidad de campo similares a los de una cámara de fotograma completo con un objetivo de 30 mm ajustado a f/16.

3) Perspectiva y campo de visión

Ahora podemos ver estos fenómenos con un poco más de detalle. Si quieres jugar con los números tú mismo, hay algunas calculadoras DOF ​​que te permiten hacerlo en línea .

3.1) Campo de visión y tamaño del sujeto

A una distancia dada de su sujeto, usar un sensor más pequeño tendrá el mismo efecto que recortar una parte de su foto de la cámara con sensor más grande.

Lo interesante a tener en cuenta es que este campo de visión reducido hace que el sujeto parezca más grande cuando ve las dos fotos una al lado de la otra. Es fácil ver que habrías obtenido el mismo efecto si hubieras acercado más la lente de la cámara con sensor más grande, sin cambiar la distancia a tu sujeto. Es por eso que multiplica la distancia focal de la lente por el factor de recorte para obtener la distancia focal efectiva/campo de visión equivalente. Más interesante aún, esta ampliación adicional también aumenta el desenfoque del fondo, lo que reduce la profundidad de campo efectiva (más sobre esto más adelante).

3.2) Perspectiva

En artículos anteriores, ya hemos establecido el hecho de que la perspectiva solo cambia cuando cambia la distancia entre la cámara y el sujeto y la perspectiva no se ve afectada por la distancia focal. Si está confundido por esto, aquí hay algunos conceptos básicos para reiterar el punto. El escorzo se refiere al fenómeno de cómo cambia el tamaño percibido con su distancia desde el observador, y los tamaños relativos cambiantes del fondo y el sujeto.

El escorzo juega un papel importante en el arte y ha sido ampliamente estudiado a lo largo de los siglos. Originalmente, los artistas solo necesitaban aprender la forma en que los objetos distantes parecen más pequeños para un observador humano . Los humanos ven el mundo a través de sus ojos, que tienen una distancia focal constante de aproximadamente 22 mm f/2.1, pero tienen una distancia focal efectiva de 43 mm. ¿Se podría decir, por tanto, que nuestros ojos tienen un factor de recorte de 2,0? Más detalles se pueden encontrar aquí .

Nuestro equipo de cámara nos da la oportunidad de cambiar la distancia focal. Esencialmente, las distancias focales más largas reducen las diferencias relativas de tamaño entre un sujeto y el fondo distante, mientras que los ángulos amplios exageran esta diferencia.

La perspectiva (es decir, los tamaños relativos de diferentes objetos en el marco) solo depende de la distancia desde el sujeto. Por esta razón, dos cámaras con sensores de diferente tamaño deben estar a la misma distancia de sus sujetos para crear fotografías con una perspectiva similar.

4) Profundidad de campo

4.1) Qué sucede cuando un objeto “no está enfocado”

Primero, veamos qué sucede en el proceso de formación de imágenes. El modelo de lente en el diagrama está muy simplificado, pero captura el proceso esencial:

Hay una distancia específica a la que enfoca la lente. Esta distancia (llamada distancia de enfoque) se puede ajustar, pero en un instante dado todos los puntos a esta distancia se proyectan como puntos en el plano de la imagen.

Cada vez que un punto está más lejos de la lente que esta distancia de enfoque única, sus rayos de luz ya no se enfocan en el sensor, sino que se cruzan en algún lugar del aire frente al sensor. Estos rayos de luz vuelven a divergir después de su punto de cruce y terminan como un círculo borroso en el sensor. De manera similar, cuando un objeto está más cerca que la distancia de enfoque, los rayos de luz correspondientes golpean el sensor antes de que converjan, también formando un círculo borroso en el sensor. Ahora puede comprender mejor los bonitos círculos de bokeh que obtiene cuando fotografía luces distantes mientras la lente está enfocada en un sujeto cercano. La forma de este punto borroso es en realidad la misma que la forma de la apertura de la lente y se puede manipular en formasusando un recorte de papel para hacer una abertura en una forma personalizada como un corazón.

4.2) Círculo de Confusión

Como vimos en el diagrama de rayos de luz anterior, solo hay una única distancia a la que incluso una lente ideal enfocará la imagen perfectamente . Una fuente puntual a cualquier otra distancia se desdibuja en una mancha circular en el plano de la imagen que se denomina círculo de confusión (CoC) . En la práctica, sin embargo, hay un rango en el que el CoC es imperceptible, ya que sus ojos no son lo suficientemente buenos para darse cuenta de que la luz se vuelve borrosa para formar un disco de tamaño distinto de cero. La transición de borrosidad imperceptible a perceptible varía de una persona a otra, pero en promedio subtiende un ángulo de aproximadamente 1 minuto de arco, visto desde el ojo.

Ahora podemos definir la profundidad de campo : es la región donde el CoC es inferior a un cierto valor, es decir, donde la imagen completa o un área particular de la imagen se percibe como “suficientemente nítida”. Por lo tanto, la profundidad de campo se basa en alguna definición de nitidez "aceptable" y es esencialmente una especificación arbitraria. El tamaño de corte de CoC que define la profundidad de campo depende en última instancia de la resolución del ojo humano, así como del aumento con el que se ve la imagen.

A una distancia de lectura normal, 1 minuto de arco representa un diámetro de aproximadamente 0,063 mm en una hoja de papel, aproximadamente del ancho del grosor de un cabello humano. Curiosamente, hace mucho tiempo, y por alguna razón poco clara, la comunidad fotográfica decidió que, en su lugar, se conformarían con un límite más grueso para el círculo de confusión, aproximadamente 0,167 mm, lo que significa que es posible que las escalas de profundidad de campo impresas en algunas lentes sean un poco más altas . -optimista. Estas escalas DOF ​​son, por lo tanto, más una regla general cruda que algo útil.

4.3) Tres ejemplos de cómo un sensor más pequeño influye en la profundidad de campo

4.3.1) Sensor más pequeño = menor profundidad de campo (si la distancia de enfoque, la distancia focal física y el número f físico son idénticos)

Cuando coloca fotografías de dos cámaras una al lado de la otra para compararlas, normalmente está viendo estas imágenes del mismo tamaño . Sin embargo, los sensores de imagen que generaron estas dos imágenes pueden tener un tamaño muy diferente. Por ejemplo: el iPhone tiene un sensor que es menos de una séptima parte del tamaño de una DSLR de fotograma completo de 35 mm en cada una de sus dimensiones. Esto significa que la imagen física que se proyectó en el plano de la imagen del iPhone se amplió en un factor de más de siete veces más que la imagen de la DSLR para que pudiera mostrarse en el mismo tamaño en la comparación de lado a lado en este correo.

Esta ampliación magnifica todo, también las imperfecciones y la borrosidad en la imagen proyectada. Esto significa que, a la misma distancia del sujeto, con la misma distancia focal física y configuración de apertura, una cámara con un sensor más pequeño tendrá una profundidad de campo menor que una con un sensor más grande. Las imágenes tendrán la misma perspectiva, pero diferentes campos de visión (encuadre), por lo que es un poco una comparación de manzanas y naranjas. Sin embargo, el resultado es real y va en contra del conocimiento común y de lo que uno podría haber esperado.

4.3.2) Sensor más pequeño = mayor profundidad de campo (si la distancia de enfoque, la distancia focal efectiva y el número f físico son idénticos)

Como vimos, el número f efectivo de una cámara con un sensor más pequeño en términos de profundidad de campo es mayor por un factor igual a su factor de recorte. Esto se debe a que, a una distancia determinada del sujeto, la profundidad de campo depende del tamaño físico de la pupila de entrada. Para tener un campo de visión equivalente, la cámara con sensor más pequeño debe tener una distancia focal física más corta. Con el mismo número f físico, esto corresponde a un tamaño de pupila de entrada más pequeño y, por lo tanto, a una mayor profundidad de campo.

4.3.3) Sensor más pequeño = mayor profundidad de campo (si el tamaño del sujeto, la distancia focal física y el número f físico son idénticos)

Con la misma distancia focal física, la cámara con sensor más pequeño tiene un campo de visión más reducido. Para que el sujeto de la cámara con sensor más pequeño ocupe la misma proporción del encuadre que en la cámara con sensor más grande, tenemos que estar más lejos de él. Al alejarse más del sujeto aumenta la distancia de enfoque, lo que aumenta considerablemente la profundidad de campo. En términos muy generales, la profundidad de campo aumenta con el cuadrado de la distancia de enfoque. Este efecto es contrarrestado por la menor profundidad de campo debido al mayor aumento explicado anteriormente, pero debido a la relación de ley cuadrática más poderosa, domina el aumento en DoF, lo que produce un aumento neto.

Para las ecuaciones matemáticas reales, siga este enlace .

5) El resultado final

Con dos cámaras que tienen sensores de tamaño muy diferente, puede tomar fotografías que se ven exactamente iguales, en términos de profundidad de campo y perspectiva. Sin embargo, una cámara de sensor grande le brinda más libertad creativa en la capacidad de aislar su sujeto del fondo de la imagen.

No puede simplemente sustituir lentes de cuadro completo con alternativas de distancia focal "equivalentes" en cámaras con sensores más pequeños porque es posible que f/2.8 no sea el mismo f/2.8 al que está acostumbrado. Y si observa lentes realmente rápidos que le brindan resultados similares en términos de capacidades de aislamiento del sujeto (f/1.4 o lentes más rápidos), es posible que se sienta un poco decepcionado al descubrir que son más caros o que no ofrecen capacidades de enfoque automático. .

En el caso anterior, Olympus debería ofrecerle una lente de 12-35 mm f/1.4 para brindarle una versatilidad similar a la que ofrece la lente de cuadro completo de 24-70 mm f/2.8. Desafortunadamente, tal lente no existe, no importa cuánto dinero quiera gastar. ¡Simplemente no puedes vencer a la física!

Nada ha cambiado realmente desde los días de la película: la película más grande y los sensores más grandes tienen una ventaja inicial en la captura de más detalles, para producir imágenes más limpias y una mejor capacidad para aislar sujetos. ¿Estoy diciendo que más grande es siempre mejor? No, por supuesto que no, ya que hay ventajas y desventajas para cada sistema. En términos de detalles puros y calidad de imagen, las cámaras más pequeñas de hoy producen imágenes sorprendentes que las cámaras con sensores grandes no podían igualar hace solo unos años. El grado en que se realizan las posibilidades de un sensor más grande depende en parte de la habilidad del fabricante de la cámara. Además, estas ventajas tienen implicaciones en el tamaño, el peso y el coste. Para muchos fotógrafos, las ventajas y desventajas que exige un sistema de sensor grande son demasiado para aceptar.

La elección de un sistema de cámara hoy en día se reduce a las necesidades de cada uno. Para la mayoría de los fotógrafos, los sistemas más pequeños serán más prácticos. Los profesionales y los aspirantes a profesionales elegirán sistemas más grandes debido a las ventajas mencionadas anteriormente. Por lo tanto, no hay nada bueno o malo en escoger un sistema sobre otro.