Понятно о Законе обратных квадратов для фотографов

Перевод статьи был опубликован на Фотогоре. Материал показался достойным и важным, поэтому размещаю у себя.

Оригинал: blog.elixxier.com/en/lighting-design-the-easy-way-secrets-of-inverse-square-law/

В этой статье я собираюсь поделиться информацией о взаимосвязи диафрагмы и Закона обратных квадратов и их влиянии на снижение интенсивности освещения. Чтобы было понятнее, начнем с диафрагмы.

Ступени диафрагмы (f-stops) 

Прикрывая диафрагму, вы уменьшаете количество света, проходящего через объектив. Каждая следующая ступень диафрагмы уменьшает диаметр диафрагмы на 1/?2, что в свою очередь уменьшает относительное отверстие и количество света ровно наполовину.

Такая разбивка позволяет нам подстраивать значения диафрагмы и выдержки под условия  освещения: каждое следующее значение диафрагмы (оно же – ступень диафрагмы) получается умножением предыдущего на корень квадратный из 2 (или 1.414). Значение округляется до 1.4 и получается, к примеру, что следующим значением за диафрагмой f/4 будет 4 умноженное на 1.4 = f/5.6.

Соответственно, широко известная шкала диафрагменных чисел выглядит следующим образом:

f/1    f/1.4    f/2    f/2.8    f/4    f/5.6    f/8    f/11    f/16    f/22    f/32

В редких случаях, как, например, у макро-объективов, шкала продолжается до f/45. Это необходимо для того, чтобы добиться приемлемой глубины резко изображаемого пространства, ведь на макро-объективы снимают с очень близкого расстояния до объекта.

Закон обратных квадратов в освещении

Закон обратных квадратов помогает добиться идеального освещения в каждой конкретной ситуации. Работает он просто: если увеличить расстояние от объекта до источника света в два раза, то источник осветит в четыре раза большую площадь.

Другими словами, для того, чтобы вычислить увеличение площади освещения, нужно возвести расстояние в квадрат. В то же время, увеличение площади ведет к обратно пропорциональному квадрату расстояния снижению интенсивности освещения, ведь одинаковое количество света будет распространяться на большую поверхность.

Технически закон обратных квадратов звучит так: Энергия (в нашем случае – сила света) в точке А (расположение объекта съемки) снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точки А до источника энергии (в нашем случае, к примеру – до студийной вспышки).

Площадь и интенсивность: подробно о Законе обратных квадратов

Записать формулу закона обратных квадратов несложно, требуются только базовые математические знания. Но физика процесса, лежащего за ним, намного сложнее. Поэтому мы будем рассматривать закон только на примерах и с точки зрения фотографии. Говорить будем о свете, попадающем на пленку или датчик изображения цифрового фотоаппарата, и освещении объекта съемки. Закон обратных квадратов исключительно полезен и применим при съемке со вспышкой.

К примеру, интенсивность освещения увеличивается в 4 раза при уменьшении расстояния от источника света до объекта съемки наполовину. В свою очередь, если увеличить расстояние в два раза, то интенсивность снизится до четверти от исходной. По такому же алгоритму можно вычислить точные пары значений при дальнейшем увеличении расстояния (расстояние в 3 раза, интенсивность – 1/9; расстояние – в 4 раза, интенсивность – 1/16).

В общем, закон обратных квадратов говорит о диспропорциональном снижении интенсивности освещения при увеличении расстояния между источником света и объектом. Он помогает понять взаимосвязь света и освещения и расстояния до объекта и его яркости.

Применение на практике

Согласно закону обратных квадратов интенсивность освещения резко падает при первоначальном увеличении расстояния от объекта до источника света. Дальнейшее увеличение расстояния приводит к падению интенсивности в меньшей степени. К примеру, если увеличить расстояние от вспышки до объекта с 1 метра до двух, то мы потеряем 75% интенсивности света на объекте съемки. Но увеличив расстояние с 4 до 10 метров, мы потеряем всего 5 процентов.

Отсюда следует, что интенсивность света вблизи источника имеет наивысшие значения, а на расстоянии – остаются только крохи. Поэтому, при неизменной выдержке, корректное освещение достигается так: чем ближе объект к источнику, тем нужно большее значение диафрагмы  – меньше света попадет в фотоаппарат.

И наоборот: при увеличении расстояния до источника, нужно соответственно уменьшить значение диафрагмы («приоткрыть диафрагму»). Снимки, сделанные с такой корреляцией, будут выглядеть практически идентично: просто потому, что объектив пропустит одинаковое количество света.

Так теоретически вычисляется правильное значение диафрагмы для каждой комбинации расстояния, интенсивности света и выдержки. 

Освещение одного объекта

Статичный объект можно снимать на одном значении диафрагмы. Движущиеся объекты, в противовес, требуют гибкости в диафрагмировании, особенно если они располагаются близко к источнику освещения. Ведь по закону обратных квадратов в таком случае даже незначительное изменение расстояния приводит к серьезному изменению освещенности. В тоже время, при съемке движущегося объекта, находящегося на значительном расстоянии от источника, будет достаточно фиксированной диафрагмы, пусть даже амплитуда движений объекта будет больше.

Освещение нескольких объектов

Бывают ситуации, когда несколько объектов располагаются вблизи источника освещения. В этом случае, может получиться так, что передний объект будет переэкспонирован, в то время как находящийся позади будет недоэкспонирован. Простой пример: три объекта расположены один за другим с требуемыми значениями диафрагмы в диапазоне от f/22 до f/11. Решение простое: для того, чтобы равномерно осветить все объекты нужно отодвинуть источник освещения. Расстояние между объектами сохраниться, но для правильного экспонирования потребуется только одна фиксированная диафрагма.

Это отлично видно на приведенном примере. При расстоянии от источника до первой модели в 8 метров, падение освещения к четвертой модели составляет всего 2/3 ступени. Но на расстоянии до источника в 2 метра, падение составит уже 2 1/3 ступени (то есть f/8 для первой модели и f/3.5 – для четвертой)!

Особая задача: Корректное освещение фона

Часто равномерное освещение не является целью и на снимках нам нужен контраст – области с разной освещенностью. Например, нужно добиться темного фона, чтобы выделить и подчеркнуть ярко и правильно освещенную модель, расположенную близко к источнику. Поможет обратно пропорциональное ослабление интенсивности: отодвиньте фон дальше от источника освещения, сделайте его недоэкспонированным и, соответственно, темным. Так закон обратных квадратов помогает добиться желаемого эффекта.

«Обратные квадраты» помогут и в противном случае, когда нужно добиться равномерного и одинакового освещения объекта и фона: расположите источник света на значительном расстоянии до объекта и фона – освещение станет равномерным.

На примере ниже видно, что для равномерного освещения модели и фона достаточно установить источник на расстоянии в 4 метра – разница между объектом и фоном составит всего одну ступень. Снизить разницу можно уменьшив расстояние между моделью и фоном.

Кстати, обратите внимание, что если расположить модель слишком близко к источнику (на приведенном примере это 1 метр), то падение освещенности будет настолько резким, что в случае с ростовым портретом, вы получите недоэкспонированные ноги модели. Поэтому, такое расстояние больше подойдет для лицевого портрета.

Взаимосвязь мощности импульса, значения диафрагмы и чувствительности ISO

Для наглядного показа взаимосвязей в приведенную ниже таблицу мы свели возможно большее количество число значений.

Пояснения к таблице

Предположим, что у нас вспышка мощностью 1000 Ws с диапазоном регулировки мощности импульса от 1 до 10. Значения ISO и диафрагмы выбраны специально, чтобы проиллюстрировать взаимозависимость между настройками. Для того, чтобы сохранить одинаковую освещенность (яркость) объекта при изменении мощности импульса вспышки, нужно в соответствии с таблицей менять значение или диафрагмы, или чувствительности ISO (только одного из этих значений).

Сразу бросается в глаза, что мощность импульса вспышки (Вт/сек) должна быть удвоена на каждую ступень диафрагмы. Таким образом, изменение настроек на одно значение в верхнем диапазоне регулировок (от 9 до 10) приводит к увеличению мощности на 500 Вт, тогда как в нижнем диапазоне, между 1 и 2, мощность изменится всего на 0,2 Вт. Такая разница заставляет задуматься о том, сколько труда и усилий потратили производители вспышек, чтобы добиться необходимой точности и согласованности.

Заключение

По итогам, о чем нужно помнить?

Про диафрагму

Изменение диафрагмы на одно значение всегда приводит либо к удвоению интенсивности освещения, либо к ее уменьшению наполовину. Для вспышки это значит удвоение или сокращение наполовину мощности импульса. Например, изменение настройки мощности импульса вспышки с 5 до 6 будет эквивалентно изменению на 1 ступень диафрагмы.

Про расстояние

Чем ближе объект к источнику освещения, тем резче при изменении расстояния изменяется интенсивность освещения. Интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния. При увеличении расстояния в 2 раза для сохранения одинаковой освещенности объекта понадобится источник в 4 раза более мощный.

Относительно разницы в яркости, двукратное изменение расстояния всегда равно 2 ступеням диафрагмы.  Увеличение расстояния до источника ведет к равномерному освещению объекта и фона, потому что с ростом расстояния снижается резкость падения интенсивности. Таким образом, этот эффект оказывает огромное влияние на схемы освещения.

Постскриптум. Поэкспериментируйте с расстоянием, диафрагмой и мощностью в программе set.a.light 3D. Это очень полезно! Поняв взаимосвязь между расстоянием, диафрагмой и падением освещенности, вы сможете легко изменять и создавать собственные схемы постановки света.

Об авторе: Йоханнес Даунер является основателем и исполнительным директором компании Elixxier, разработчика программы set.a.light 3D, позволяющей фотографам виртуально моделировать схемы освещения и планировать технические детали фотосессий.

ноябрь 2016 года