Эмулятор камеры-обскуры — симулятор плёночной фотографии, экспозиции и оптики

Q: Почему у камеры-обскуры нет фокусировки?

В камере-обскуре нет линзы, поэтому нет и фокусной плоскости. Каждый объект проецируется в пятно, размер которого близок к диаметру отверстия, поэтому резкими получаются и близкие, и далёкие предметы. Управлять резкостью можно только диаметром отверстия.

Q: Какое отверстие оптимально?

Полное размытие складывается из дифракционного и геометрического. Дифракционное размытие растёт с диафрагменным числом (1,22·λ·N), геометрическое равно диаметру отверстия. Минимум размытия достигается, когда эти две величины равны: d ≈ √(1,22·λ·f). Для f = 50 мм это примерно 0,18 мм, для f = 400 мм — около 0,52 мм.

Q: Как выдержка и яркость сцены влияют на кадр?

Эмулятор считает экспозицию по системе APEX. Экспозиционное число EV = log₂(N²/t) сравнивается с чувствительностью плёнки SV = log₂(ISO/100) и яркостью сцены BV = L/10. Отклонение Δ = EV − SV − BV показывает, на сколько ступеней кадр отличается от нормальной экспозиции: положительное — недодержка, отрицательное — пересвет. Зелёная зона на шкалах отмечает диапазон |Δ| ≤ 0,8.

Q: Почему картинка становится мыльной на больших отверстиях?

Чем шире отверстие, тем крупнее пятно, в которое превращается каждая точка сцены: его размер пропорционален диаметру отверстия. Если отверстие уменьшать, кадр становится резче, но сильнее проявляется дифракция. Поэтому для каждого фокусного расстояния существует оптимальный диаметр отверстия.

Формат

Камера

Ширина (W), мм

Высота (H), мм

Фокусное (f), мм

Съёмка

Отверстие ⌀, мм

ISO

Выдержка, t

Яркость сцены

Нажмите, чтобы загрузить фото либо перетащите файл, либо вставьте из буфера

Что такое камера-обскура

Камера-обскура — светонепроницаемая коробка с маленьким отверстием вместо объектива. Свет проходит через отверстие и рисует на дальней стенке перевёрнутое изображение. У камеры-обскуры нет линзы, поэтому нет и фокусировки: глубина резкости практически бесконечна, а резкость кадра зависит только от диаметра отверстия.

Эмулятор воспроизводит физику камеры-обскуры: дифракцию света на краях отверстия, геометрическое размытие, виньетирование по закону cos⁴, кривизну поля и экспозицию по системе APEX.

Как пользоваться

Загрузите фото — оно станет «кадром реальности».
Выберите формат плёнки или задайте ширину, высоту и фокусное расстояние вручную.
Настройте отверстие, ISO, выдержку и яркость сцены — результат обновится сразу.
Следите за индикатором экспозиции и зелёными зонами на шкалах — они показывают диапазон нормальной экспозиции.

Как эмулятор считает

Общие переменные: f — фокусное расстояние (мм), d — диаметр отверстия (мм), N = f/d — диафрагменное число, t — выдержка (с), ISO — светочувствительность, L — яркость сцены (0–100), r — расстояние от центра кадра, λ — длина волны света (550 нм).

Масштаб изображения

zoom = min (\frac{f}{70}, 6)

Масштаб растёт с фокусным расстоянием. За точку отсчёта взят нормальный объектив 70 мм, верхняя граница 6 не даёт кадру разрастаться бесконечно.

relZoom = max (\frac{zoom}{{zoom}_{ref}}, 1)

Здесь zoom_ref — масштаб в момент загрузки фото. Увеличение фокусного расстояния приближает кадр, уменьшение не отдаляет его: за границами исходного фото данных нет.

Размытие

diff = 1,22 \cdot λ \cdot N

Дифракционное размытие: свет огибает края отверстия, и каждая точка сцены превращается в диск Эйри. Допущение — отверстие круглое, источник точечный, за размер пятна принят диаметр диска до первого тёмного кольца.

geo = d

Геометрическое размытие: размер пятна равен диаметру отверстия. Допущение — объект находится на бесконечности. На конечном расстоянии D точнее $d \cdot (1 + \frac{f}{D})$ , но поправка заметна только на макро-дистанциях.

total = \sqrt{{diff}^{2} + {geo}^{2}}

Дифракция и геометрия — независимые причины размытия, поэтому их величины складываются квадратично.

d_{opt} = \sqrt{1,22 \cdot λ \cdot f}

Минимум размытия достигается, когда дифракционное и геометрическое размытия равны: $1,22 \cdot λ \cdot \frac{f}{d} = d$ , откуда $d^{2} = 1,22 \cdot λ \cdot f$ .

{blur}_{px} = total \cdot zoom \cdot 3

Перевод физического размера пятна в пиксели кадра. Коэффициент 3 подобран эмпирически, чтобы масштаб размытия совпадал с масштабом изображения.

Кривизна поля

fc (r) = \sqrt{1 + {(\frac{r}{f})}^{2}}

Допущение — идеальная фокальная поверхность является сферой радиуса f. Чем дальше точка от центра кадра, тем сильнее расфокусировка. Дополнительное размытие считается как $d \cdot (fc - 1) \cdot zoom \cdot 3$ , резкое и размытое изображения смешиваются линейно.

Виньетирование

V (r) = \frac{1}{{(1 + {(\frac{r}{f})}^{2})}^{2}}

Это тождественная запись закона cos⁴(atan(r/f)): к краям кадра лучи падают на плёнку под углом и проходят большее расстояние, поэтому освещённость падает. Допущение — точечное отверстие и плоский приёмник.

Экспозиция и контраст

EV = {log}_{2} (\frac{N^{2}}{t})

Экспозиционное число камеры: сколько света пропускает отверстие за выдержку.

SV = {log}_{2} (\frac{ISO}{100})

Чувствительность плёнки относительно ISO 100.

BV = \frac{L}{10}

Яркость сцены в ступенях: значение 50 соответствует BV +5.

Δ = EV - SV - BV

Отклонение от нормальной экспозиции: при Δ > 0 кадр недодержан, при Δ < 0 пересвечен. Диапазон |Δ| ≤ 0,8 считается нормальной экспозицией — это зелёная зона на шкалах. При Δ > 2,5 кадр становится полностью чёрным, при Δ < −2,5 — полностью белым.

k = 1 + \frac{ISO}{2500}

Эмпирическая имитация роста контраста вместе с ISO.

Порядок обработки

Размытие → кривизна поля → экспозиция и контраст → виньетирование.

Общие допущения

сцена считается плоской и бесконечно удалённой;
модель монохромная: λ = 550 нм, хроматические аберрации не учитываются;
коэффициенты 3 и 2500 подобраны эмпирически по визуальному соответствию;
внутренние отражения, нелинейность плёнки и шум сенсора не моделируются.

Что эмулятор не моделирует

Дистанция фокусировки. В камере-обскуре нет линзы и фокусной плоскости, поэтому резкость почти не зависит от расстояния до объекта. На конечном расстоянии D геометрическое размытие равно $d \cdot (1 + \frac{f}{D})$ , но при обычных дистанциях поправка составляет доли процента и заметна только в макрорежиме. Ползунок фокусировки создавал бы эффект, которого у камеры-обскуры нет.
Дисторсия «рыбий глаз». Проекция камеры-обскуры строго перспективная: прямые линии остаются прямыми при любом фокусном расстоянии. Бочку и подушкообразные искажения создаёт линза, которой в камере-обскуре нет.
Зерно. Размер и характер зерна определяются конкретной плёнкой и условиями проявления, а не настройками камеры, поэтому предсказать его нельзя. В эмуляторе есть только лёгкий шум, зависящий от ISO.
Тон и цветовая температура. Оттенок кадра зависит от типа плёнки, освещения и химии проявки — это не параметры камеры, поэтому управлять тоном в эмуляторе нельзя.

Частые вопросы

Почему у камеры-обскуры нет фокусировки?

В камере-обскуре нет линзы, поэтому нет и фокусной плоскости. Каждый объект проецируется в пятно, размер которого близок к диаметру отверстия, поэтому резкими получаются и близкие, и далёкие предметы. Управлять резкостью можно только диаметром отверстия.

Какое отверстие оптимально?

Полное размытие складывается из дифракционного и геометрического. Дифракционное размытие растёт с диафрагменным числом (1,22·λ·N), геометрическое равно диаметру отверстия. Минимум размытия достигается, когда эти две величины равны: d ≈ √(1,22·λ·f). Для f = 50 мм это примерно 0,18 мм, для f = 400 мм — около 0,52 мм.

Как выдержка и яркость сцены влияют на кадр?

Эмулятор считает экспозицию по системе APEX. Экспозиционное число EV = log₂(N²/t) сравнивается с чувствительностью плёнки SV = log₂(ISO/100) и яркостью сцены BV = L/10. Отклонение Δ = EV − SV − BV показывает, на сколько ступеней кадр отличается от нормальной экспозиции: положительное — недодержка, отрицательное — пересвет. Зелёная зона на шкалах отмечает диапазон |Δ| ≤ 0,8.

Почему картинка становится мыльной на больших отверстиях?

Чем шире отверстие, тем крупнее пятно, в которое превращается каждая точка сцены: его размер пропорционален диаметру отверстия. Если отверстие уменьшать, кадр становится резче, но сильнее проявляется дифракция. Поэтому для каждого фокусного расстояния существует оптимальный диаметр отверстия.