==== 景深 ====


** 一、景深的概念**\\

相机拍摄前要对焦，理论上照片中只有被准确对焦的部分是清晰的，处在焦点前方、后方的景物，会因为脱离对焦平面，慢慢变得模糊。受镜头、拍摄距离等因素影响，焦点前后仍有一段景物清晰的范围，这个区间就是景深。简单来说，**景深是焦点前后，画面能维持清晰的距离范围。**\\

摄影领域习惯用 “深、浅” 划分景深效果，分为**浅景深**（narrow depth of field） 和**大景深**（large depth of field）。\\

**什么是浅景深？**\\
举个直观的拍摄案例：拍摄一簇鲜花，把焦点对准靠前的花瓣，当我们使用大通光孔径拍摄时，只有花瓣极小一段范围清晰，前景、背景都会大幅虚化，这种清晰范围狭小的效果，就是浅景深，效果参考图 1。浅景深指清晰成像范围较小，仅焦点附近的物体保持清晰，常用于突出主体并弱化背景干扰。\\
|  {{ http://ydadmin.rdbuy.com.cn/ueditor/php/upload/image/20230816/1692150447994234.png }}  | 
^  图1  ^

**什么是深（大）景深？**\\
同样，举个例子，拍摄风景时缩小通光孔径，将焦点置于画面前 1/3 位置，近景至远景全程成像清晰，即为大景深，效果见图 2。大景深指清晰成像范围较大，较大距离范围内的物体均保持清晰，常用于建筑航拍、风景摄影等。\\
|  {{ http://ydadmin.rdbuy.com.cn/ueditor/php/upload/image/20230816/1692150509786446.png }}  |
^  图2  ^

** 二、影响因素**\\ 
景深由四个因素决定：焦距、拍摄主体距离、允许弥散圆直径以及光圈。景深的计算公式如下：
$$\text{DOF} \approx \frac{2 u^2 N c}{f^2}$$

**1.允许弥散圆直径**\\
允许弥散圆直径是摄影光学中人为设定的可接受最大模糊光斑尺寸，用于界定成像平面上“清晰”与“模糊”的边界：当实际弥散圆直径小于该阈值时，对应物点被视为位于景深范围内。在焦距、光圈值和对焦距离均保持恒定的条件下，允许弥散圆直径与景深呈正比关系——该值越大，计算所得景深越深，反之则越浅。\\


**2.光圈（ f-number ）**\\
**f-number**（简写N，也叫 f-ratio、f-stop）是直接决定画面进光量与清晰范围的核心参数，数学定义为成像系统的焦距$f$与有效通光孔径直径D的比值，公式为：\\
$$N=\frac{f}{D}$$

在焦距$f$、拍摄物距$u$、容许弥散圆$c$全部固定的前提下，景深与 f-number 成正比。f-number（N）越大，通光孔径越小（摄影称 “小光圈”），景深越大；反之 f-number 越小，通光孔径越大（摄影称 “大光圈”），景深越小。\\
|  {{ :yanding:成像基础知识:光学:几何光学:光圈.png?700 |}}  |
^  图3  ^

 **3.焦距**\\
在光圈$N$、拍摄物距$u$、容许弥散圆$c$全部固定的前提下，焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。\\

**34拍摄距离 / 物距**\\
在光圈$N$、焦距$f$、容许弥散圆$c$全部固定的前提下，，相机离被摄对象越远，景深越大；离被摄对象越近，景深越浅。\\

**三、景深的原理**\\

在理解景深原理前，需明确对焦的光学特性：当镜头对焦时，理论上只有一个平行于像平面的平面能够实现精准合焦，即合焦平面。在此平面之前或之后的物点均处于非合焦状态。合焦平面上的物点发出的光线，经过镜头后会在像平面上汇聚成一个清晰的点；而非合焦平面上的物点发出的光线，无法在像平面上完美汇聚，而是形成一个扩散的圆斑，这个圆斑被称为**弥散圆**（如图4所示）。\\

|  {{ :yanding:成像基础知识:光学:几何光学:景深1-1.png |}}  |
^  图4  ^

弥散圆的大小与物点到合焦平面的距离密切相关。如图5所示，非合焦平面1距离合焦平面较远，其物点在像平面上形成的弥散圆较大；而非合焦平面2距离合焦平面较近，形成的弥散圆较小。**即物点离合焦平面越近，弥散圆越小**。\\
|  {{ :yanding:成像基础知识:光学:几何光学:景深2-2.png |}}  |
^  图5 ^

如果弥散圆小到人眼看不见，模糊圆可以被认为是点的成像，看起来就和对上焦的物体一样清晰，这种弥散圆称为**容许弥散圆**。基于此原理，在被摄物体（合焦平面）前后存在一段距离范围，该范围内的物点在像平面上形成的弥散圆均小于容许弥散圆，其影像在视觉上呈现清晰状态，肉眼无法分辨其模糊程度。这段能够获得相对清晰影像的空间距离，即为**景深**，如图6中所示。\\
|  {{ :yanding:成像基础知识:光学:几何光学:景深3-3.png |}}  |
^  图6  ^

 **四、景深的计算**\\

|  {{ :yanding:成像基础知识:光学:几何光学:景深4-4.png |}}  |
^  图6  ^

如图6所示，前景到合焦平面的距离即**前景深**，其计算公式如下：\\
$$\Delta L_1 = \frac{F \delta L (L - f)}{f^2 + F \delta (L - f)}$$

后景到合焦平面的距离即**后景深**，其公式为：\\
$$\Delta L_2 = \frac{F \delta L (L - f)}{f^2 - F \delta (L - f)}$$

前景深加后景深就是被测物的**景深**，其计算公式如下：\\
$$\text{DOF} = \Delta L_1 + \Delta L_2 = \frac{2f^2 F \delta L (L - f)}{f^4 - F^2 \delta^2 (L - f)^2}$$
其中L为物距，即拍摄距离；$\delta$为容许弥散圆直径；F为镜头光圈值；f为镜头焦距。从上述公式可知，前景深<后景深。