Что такое дифракция в фотографии и как ее избежать

Размытая точка при прохождении света лазерной указки через узкое отверстие.

Когда вы спускаете затвор, то в объектив поступает поток световых лучей, отраженных от каждой точки объекта, и проецирует ее изображение на матрицу. Чем меньше диафрагма (отверстие в объективе, регулирующее количество света), тем более значимое препятствие приходится преодолевать свету, и тем больше будет диаметр круга Эйри. В результате диски начинают наплывать друг на друга, все изображение становится размытым.

Простой эксперимент, который может провести каждый. Попробуйте сфотографировать огни ночного города через тюль или «москитку». Даже при широкой апертуре, свет проходящий через мелкую сетку, будет размываться. Светящиеся точки превращаются в звездочки, а квадратики окон — в смазанные светлые пятна.

Ночной город, сфотографированный через москитную сетку.

Аналогия с волнами воды

Представьте спокойную широкую реку с ровными берегами. Пока вода не встречает препятствий, она течет свободно, на поверхности почти нет ряби. Но если посреди реки выступает порог, все меняется. Это такое же препятствие для волн, как края диафрагмы объектива для света. Чтобы обогнуть камни, поток изменяет направление движения. На поверхности образуются волны, которые расходятся от центра кругами. 

То же самое происходит с лучами света, когда те встречают препятствие на своем пути. Они начинают изгибаться, чтобы обойти преграду, и вместо направленного потока превращаются в расходящиеся круги. Их ширина зависит от того, насколько значительным окажется преграда, с которой столкнется свет.

Волны, огибая камни, расходятся кругами.

Как дифракция ухудшает изображение

Размытие из-за дифракции не похоже на потерю резкости при расфокусировке или смазанность «шевеленки». Она просто «съедает» мелкие детали, снижает общую контрастность изображения и делает его замыленным.

В портретах это чревато потерей текстуры. Допустим, вам хочется снять группу однокурсников, чтобы в фокус попали все друзья — на переднем и заднем плане, в центре кадра и по краям. Вы закрываете диафрагму до f/16, но в результате видите, что даже лица, находящиеся в зоне резкости, выглядят пластиковым — текстура кожи теряется, волосы и глаза кажутся тусклыми.

В пейзаже ошибка возникает при стремлении повысить глубину резкости (ГРИП). Например, чтобы снять яркие цветы на фоне далеких гор, вы ведете съемку на f/16. Хоть фокусное расстояние и было выбрано правильно, в результате мелкие детали все равно теряются: невозможно рассмотреть текстуру камней на скалах, узор листьев, отдельные лепестки. 

Наиболее агрессивно дифракция проявляется в макрофотографии. При съемке маленьких объектов фотографы пытаются максимально закрыть дыру (f/22 и меньше), чтобы «вытащить» микродетали. Но подобные снимки все равно получаются часто замыленными.

Была попытка получить равномерно резкий кадр с четкой перспективой, но из-за дифракции фотография получилась замыленной, словно снятой через пыльное стекло. Задний план нечеткий, детали на переднем — теряются.

При каких настройках появляется дифракция

На возникновение дифракционных эффектов влияет два основных фактора — технические характеристики камеры и настройки. Если знать, как проявляется эта взаимосвязь, можно минимизировать количество ошибок.

Зависимость от сенсора и разрешения

В первую очередь, важен размер пикселя на матрице вашей камеры. Он зависит от площади сенсора и количества светочувствительных элементов, размещенных на нем. Так при одинаковом разрешении у полнокадровых (full-frame) камер пиксели больше, чем на кропнутых. 

Диск Эйри имеет постоянный физический размер — например для f/11 его диаметр будет 7,25 микрон. Рассмотрим, какой будет эффект на разных камерах.

• У полнокадровых фотоаппаратов с разрешением 12 Мп пиксели имеют размер около 8,5 мкм. Диску Эйри просто не хватает «размаха», чтобы сильно навредить. Можно спокойно устанавливать диафрагму на f/16 или даже f/22 без значительного ущерба детализации.

• У кроп-сенсоров с разрешением 32 Мп светочувствительные точки кратно меньше — примерно 3,7 мкм. Это значит, что пятно Эйри перекроет не только пиксель, отвечающий за цветовой элемент, но и соседний. Камера при этом усредняет информацию, в результате нежелательный эффект становится заметным уже на значениях, которые для фуллфрейм матриц еще приемлемые.

Вывод: чем выше разрешение и плотнее пиксели на матрице, тем раньше вы начнете замечать дифракционные потери.

Когда зажатая диафрагма начинает вредить

Дифракция присутствует всегда, даже при съемке на широкой диафрагме. Но если апертура большая, диск Эйри настолько мал, что его влияние незаметно, по сравнению с другими оптическими погрешностями объектива (например, хроматическими аберрациями или виньетированием).

Переломный момент наступает, когда пятно размытия становится больше, чем пиксель на матрице. С этого момента дальнейшее закрытие диафрагмы будет не увеличивать ГРИП, а ухудшать резкость. Это значение часто называют дифракционным пределом или точкой наилучшей детализации. Для большинства современных цифровых камер она находится в диапазоне f/8–f/11. С такими показателями большинство объективов демонстрируют максимальную четкость по всему полю кадра, побочные аберрации минимальны, а дифракция еще не оказывает доминирующее влияние.

Примеры с разными значениями диафрагмы

Посмотрите, как меняется результат при сужении диафрагмы при работе с разными камерами.

Canon EOS 1100D (зеркальный фотоаппарат, матрица 12 MP, кроп-фактор 1,6).

• F/5.6 — все объекты, в зоне резкости, незначительное размыт задник из-за нехватки ГРИП.

• F/11 — дом, поле и облака одинаково четкие, даже при увеличении вы не заметите, что детализация снизилась.

• F/22 — ухудшения заметны. Снижена общая четкость, при просмотре в полном масштабе видно, что детали стали мягкими, а края объектов потеряли остроту.

Sony A7 IV (полноматричная камера с 24.2 MP сенсором).

• F/5.6 — очень высокая резкость, близкая к пиковой.

• F/11 — оптимальный компромисс: хороший ГРИП, а понижение детализации минимально, видно лишь при самом внимательном рассмотрении в 100% размере.

• F/22 — заметное падение детализации, края облаков «слипаются», травинки на переднем плане теряют четкость.

Canon EOS R5 (фулл-фрейм фотоаппарат с матрицей 45 MP).

• F/5.6 — для таких высокоплотных сенсоров это уже пиковая резкость, оптимальная детализация по всему холсту.

• F/11 — прослеживается ухудшение. Контрастные детали стали слегка мягче, чем на предыдущем значении. Для печати еще приемлемо, но запас четкости снижен.

• F/22 — кадр смазан, особенно это заметно на ближнем плане (размытая дорога). Все преимущества высокого разрешения камеры нивелированы.

Как выглядит кадр, снятый при одинаковых условиях с одной точки на фуллфрейм-камеры разных моделей при уменьшении диафрагмы (источник web.archive--fotomtv.ru).

Как снимать, чтобы избежать дифракции

Понимание причин появления эффекта дифракции на фото необходимо. Но еще важнее уметь применять теоретические знания на практике.

Оптимальные значения диафрагмы

Универсальных рекомендаций не существует. Все зависит от техники, на которую вы снимаете.

• На фуллфрейм-камерах с матрицей 12–24 Мп «зона комфорта» располагается в интервале f/8–f/11. Резкость уже достаточно высокая, а дифракция еще не оказывает заметного влияния. Смело используйте f/11 для пейзажей, где критичен хороший ГРИП.

• Для продвинутых полнокадровых фотокамерах с разрешением 30 Мп и выше (Sony A7R IV, Canon R5) стоит проявить осторожность. Лучшие кадры выходят в промежутке f/5.6–f/8. При f/11 уже может быть заметно снижение детализации, особенно при большом размере оттиска.

• На камерах с матрицей APS-C (кроп-фактор 1.5–1.6) из-за меньшего размера сенсора дифракция проявляется раньше. Ориентируйтесь на f/5.6–f/8 как на оптимальный диапазон.

Иногда, чтобы реализовать идею, оптимальным диафрагменным числом обойтись не удается. В этом случае следует выбрать самое большое отверстие из возможных. Не гонитесь за идеалом, если f/16 дает вам достаточный ГРИП, не используйте f/22. Для кропнутых камер f/11 — уже компромисс, а f/16 — почти всегда перебор.

Пример компромиссного решения. Снимок сделан на Canon EOS 5D Mark II 24 мм f/13 1/320 сек. Дифракционный порог превышен незначительно, ухудшение качество визуально не ощущается.

Фокус-стекинг

Самый мощный инструмент для борьбы с дифракцией в современной фотографии — фокус-стекинг (focus stacking). Это техника съемки, при которой вы делаете несколько кадров одного сюжета с разной точкой фокусировки (от самого ближнего плана до бесконечности) на  оптимальной диафрагме для вашего фотоаппарата, а затем объединяете их в один в редакторе. Это гарантирует, что каждый отдельный кадр будет максимально четким и детализированным. Итоговое фото после склейки будет иметь бесконечный ГРИП и сохранит мельчайшие детали.

Когда дифракцию можно игнорировать

Максимальная резкость не всегда является главной целью. Есть ситуации, когда на первый план выходят другие факторы, поэтому сниженная детализации становится приемлемым компромиссом. 

Публикации с невысоким разрешением

Дифракция становится хорошо заметной только на полноразмерных изображениях на мониторе или при печати в большом формате. Если ваша работа предназначена для соцсетей или сайтов, где стоит ограничение на размер изображения, смело жертвуйте резкостью ради нужного ГРИП. При компрессии потеря деталей практически неизбежна, поэтому недочеты не будут заметны.

Съемка в сложных условиях

При работе в условиях низкой освещенности вам приходится критически задирать ISO. Но это чревато значительными цветовыми шумами на снимке, устранить которые при редактировании довольно сложно. В этом случае стоит сделать выбор в пользу дифракции — фото выйдет нерезким, но эту погрешность несложно исправить при доработке. При нехватке света смело выставляйте диафрагму на меньшее значение.

Как проверить влияние дифракции

Хотя объектив на дифракционные проявления минимально, стоит проверить связку «камера-оптика». Такой эксперимент будет полезен, так как из-за оптических погрешностей недочеты могут проявиться раньше, чем при средних пороговых значениях.

Пошаговый тест в домашних условиях

Проверку сделать несложно.

1. Установите фотоаппарат на штатив, чтобы избежать смазывания кадра из-за «шевеленки».

2. Отключите стабилизацию изображения на камере и объективе.

3. Выберите объект с большим количеством деталей. Подойдет банкнота, этикетка, страница в книге, обои с мелким узором.

4. Установите ISO на минимум (100 или 200), чтобы избежать шума. Выберите режим приоритета диафрагмы (A или Av). Используйте ручной фокус, чтобы он не «плавал» от кадра к кадру. Снимайте в формате RAW, чтобы исключить влияние внутрикамерной обработки (шарпенинга). 

5. Установите диафрагму с большим значением и на каждом новом снимке закрывайте ее на одну ступень, пока не дойдете до минимально возможного значения.

Что искать при сравнении снимков

Скачайте снимки на компьютер. Откройте в программе для просмотра без обработки. Просмотрите фото, сделанные на широкой и средней диафрагме от f/4 до f/8. В этом диапазоне вы должны найти свой «sweet spot» (золотая середина) — то значение, на котором изображение наиболее резкое и четкое. Это будет ваш ориентир.

Сравните эталон со сделанными на закрытой апертуре фотографиями и оцените, какие изменения возникают на каждом шаге. Так вы найдете точку начала дифракции и поймете, когда ее влияние становится критичным.

Результаты теста. Источник photo-monster.ru, автор Matthew Zhang.

Как обработать фото с дифракцией

К сожалению, вернуть утраченные из-за дифракции детали невозможно — информации о них просто нет в исходном файле. Однако грамотная постобработка поможет визуально скрыть недостаток.

Повышение резкости и контраста в RAW-конвертерах

Это самый эффективный способ борьбы с дифракционными последствиями. Если нельзя вернуть утраченные детали, постарайтесь вытащить максимум информации из сохранившихся. Рассмотрим на примере RAW-конвертера DarkTable. Его можно бесплатно скачать как самостоятельную программу или установить как плагин для фоторедактора GIMP. Оптимально будет применить маску нерезкого маскирования (Unsharp Mask) — так можно создать иллюзию резкости с помощью повышения локального контраста на краях изображения.

1. Откройте фото и найдите модуль «Sharpen».

  2.  Работайте последовательно с ползунками. «Radius» (радиус) — контролирует размер краевой области, чем она больше, тем шире зона усиления контраста. «Amount» (интенсивность) — отвечает за степень увеличения резкости. «Threshold» (порог) — определяет разницу контраста на границах темных и светлых участков, корректирует значения ниже порога, чтобы предотвратить возникновение шумов и артефактов на одноцветных фрагментах.

 3.  Перейдите в модуль «Contrast Equalizer». Этот инструмент работает с контрастом на объектов разного масштаба. Помогает увеличить резкость мелких и средних деталей, сохраняя при этом естественность изображения.

Локальная коррекция и применение эффектов

Не всегда оправдано усиливать резкость по всей фотографии. Иногда стоит отдать предпочтение выборочная коррекции. В этом случае привлекательность картинке добавляют за счет усиления контрастности и четкости участков, на которых сосредоточивается взгляд зрителя (неба, цветы на первом плане). Покажем, как работать с эффектами четкости локально на примере Camera Raw Adobe Photoshop.

1. Откройте RAW-файл. Перейдите во вкладку «Маски». Выделите небо, объект или произвольную область кистью.

 2.  Перейдите в раздел «Эффекты». Передвигайте ползунок, чтобы добавить четкость (в других программах может называть «Clarity»), усильте текстуру («Texture»).

 3.  Чтобы увидеть примененные изменения, снимите галочку в строчке «Показать наложение».

Как минимизировать потери при публикации

Большинство социальных сетей и платформ сжимают изображения сами. При автоматической компрессии изображение часто «мылится». В итоге вы снова получите эффект, с которым сражались в редакторе. Лучше самостоятельно контролировать сжатие при экспорте. Чтобы качество не пострадало:

• используйте современные алгоритмы компрессии — пресеты сохранения «для Web», используемые во многих популярных редакторах, устарели;

• настраивайте качество JPEG — его можно понизить до 70–80%, чтобы визально картинка не ухудшается, а размер уменьшился;

• добавьте резкость при экспорте — это нивелируют размытие, вызванное несовершенством компрессионных алгоритмов.

Посмотрите, как работает ручной контроль компрессии при сохранении файла в программе ФотоМАСТЕР. Вы можете указать формат, отрегулировать степень JPEG-сжатия, выбрать алгоритм интерполяции (оптимально — бикубическая), установить уровень повышения резкости. Также настройки позволяют добавить сведения об авторе фото.

Вы также можете сжать несколько файлов в режиме пакетной обработки. Это еще удобнее, так как изменить вес файла можно не только уменьшением размера сторон, но и в проценте от оригинала.

Для разовых задач можно воспользоваться онлайн-компрессорами. Хорошо зарекомендовали себя сервисы Optimizilla, Squoosh, 11zon.

Частые вопросы

Почему смартфоны почти не страдают от дифракции?

В мобильных камерах по умолчанию обычно диафрагма установлена на  f/1.8–f/2.3. Такое отверстие позволяет свету проходить без значительного рассеяния и искривления света. К тому же размер пикселей сенсорных датчиков смартфонов близок к пределу — даже если дифракция возникает, она не приводит к заметному ухудшению резкости, так как детали с меньшим размером пикселя все равно не различимы.

Зачем выпускают объективы с f/32?

Ультра малая апертура нужна при съемке со сверхдлинной выдержкой при ярком солнце — позволяет максимально ограничить количество света, попадающего на матрицу. И хотя при такой диафрагме неизбежна дифракция, объектив с подобными возможностями помогает получить уникальные эффекты, например «шелковую воду».

Что выбрать: f/11 с компромиссом или f/22 с ГРИП?

Выбор зависит от конкретной творческой задачи и условий съемки. Чаще всего f/11 — это порог, ниже которого опускаться не рекомендуется. Но в условиях, когда приходится снимать пейзаж в сумерках при нехватке света, требуется фокус на всех планах и отсутствие шумов, выбирайте f/22. 

Заключение

Появление дифракции на снимке связано не с несовершенством техники — это оптический эффект, с которым сталкиваются все фотографы в попытках добиться идеального ГРИП. Чтобы минимизировать последствия, устанавливайте корректные значения диафрагмы. А если приходится выбирать компромисс, поможет усиление резкости и контрастности или локальная корректировка при редактировании RAW. Не забудьте правильно подготовить фотографию к публикации. Не доверяйте сжатие соцсетям и другим сайтам и контролируйте компрессию при экспорте в фоторедакторе.