Profundidad de campo

La profundidad de campo ( DOF ) es la distancia entre los objetos más cercanos y más lejanos que están aceptablemente enfocados en una imagen capturada con una cámara . Véase también la profundidad de foco, estrechamente relacionada .

Para las cámaras que solo pueden enfocar un objeto a la vez, la profundidad de campo es la distancia entre el objeto más cercano y el más lejano que estén aceptablemente enfocados en la imagen. ^[1] "Enfoque aceptablemente nítido" se define usando una propiedad llamada " círculo de confusión ".

La profundidad de campo se puede determinar mediante la distancia focal , la distancia al sujeto (objeto que se va a fotografiar), el tamaño aceptable del círculo de confusión y la apertura. ^[2] Las limitaciones de la profundidad de campo a veces se pueden superar con diversas técnicas y equipos. La profundidad de campo aproximada se puede obtener mediante:

$${\displaystyle {\text{grado de libertad}}\aproximadamente {\frac {2u^{2}Nc}{f^{2}}}}$$

para un círculo de confusión máximo aceptable dado c , una distancia focal f , un número f N y una distancia al sujeto u . ^{[3] [4]}

A medida que aumenta la distancia o el tamaño del círculo de confusión aceptable, aumenta la profundidad de campo; sin embargo, aumentar el tamaño de la apertura (es decir, reducir el número f ) o aumentar la distancia focal reduce la profundidad de campo. La profundidad de campo cambia linealmente con el número f y el círculo de confusión, pero cambia en proporción al cuadrado de la distancia al sujeto e inversamente en proporción al cuadrado de la distancia focal. Como resultado, las fotos tomadas a una distancia extremadamente cercana (es decir, tan pequeña u ) tienen una profundidad de campo proporcionalmente mucho menor.

Al reorganizar la ecuación DOF , se ve que es la relación entre la distancia y la longitud focal la que afecta la DOF ;

$${\displaystyle {\text{DOF}}\aprox 2Nc\left({\frac {u}{f}}\right)^{2}=2Nc\left(1-{\frac {1}{M_{T}}}\right)^{2}}$$

Tenga en cuenta que la ampliación transversal es la relación entre el tamaño de la imagen lateral y el tamaño del sujeto lateral. ^[5]${\textstyle M_{T}=-{\frac {f}{uf}}}$

El tamaño del sensor de imagen afecta la profundidad de campo de maneras contrarias a la intuición. Debido a que el círculo de confusión está directamente relacionado con el tamaño del sensor, al reducir el tamaño del sensor mientras se mantienen constantes la distancia focal y la apertura, se reducirá la profundidad de campo (por el factor de recorte). Sin embargo, la imagen resultante tendrá un campo de visión diferente. Si se modifica la distancia focal para mantener el campo de visión, mientras se mantiene constante el número f , el cambio en la distancia focal contrarrestará la disminución de la profundidad de campo del sensor más pequeño y aumentará la profundidad de campo (también por el factor de recorte). Sin embargo, si se modifica la distancia focal para mantener el campo de visión, mientras se mantiene constante el diámetro de la apertura , la profundidad de campo permanecerá constante. ^{[6] [7] [8] [9]}

Para un encuadre de sujeto y una posición de cámara determinados, la profundidad de campo está controlada por el diámetro de apertura del objetivo, que normalmente se especifica como el número f (la relación entre la longitud focal del objetivo y el diámetro de apertura). Al reducir el diámetro de apertura (aumentar el número f ), aumenta la profundidad de campo porque solo la luz que viaja en ángulos más superficiales pasa a través de la apertura, de modo que solo los conos de rayos con ángulos más superficiales alcanzan el plano de la imagen. En otras palabras, se reducen los círculos de confusión o se aumenta la profundidad de campo . ^[10]

Para un tamaño determinado de la imagen del sujeto en el plano focal, el mismo número f en cualquier lente de distancia focal dará la misma profundidad de campo. ^[11] Esto es evidente a partir de la ecuación de profundidad de campo anterior al notar que la relación u / f es constante para un tamaño de imagen constante. Por ejemplo, si se duplica la distancia focal, la distancia del sujeto también se duplica para mantener el tamaño de la imagen del sujeto igual. Esta observación contrasta con la noción común de que "la distancia focal es dos veces más importante para desenfocar que el f/stop", ^[12] que se aplica a una distancia constante del sujeto, en oposición a un tamaño de imagen constante.

Las películas hacen un uso limitado del control de apertura; para producir una calidad de imagen consistente de una toma a otra, los directores de fotografía suelen elegir un único ajuste de apertura para interiores (por ejemplo, escenas dentro de un edificio) y otro para exteriores (por ejemplo, escenas en un área fuera de un edificio), y ajustan la exposición mediante el uso de filtros de cámara o niveles de luz. Los ajustes de apertura se ajustan con más frecuencia en la fotografía fija, donde se utilizan variaciones en la profundidad de campo para producir una variedad de efectos especiales.

El enfoque preciso solo es posible a una distancia exacta de una lente; ^[a] a esa distancia, un objeto puntual producirá una imagen de punto pequeño. De lo contrario, un objeto puntual producirá una imagen de punto más grande o borrosa que es típicamente y aproximadamente un círculo. Cuando este punto circular es suficientemente pequeño, es visualmente indistinguible de un punto y parece estar enfocado. El diámetro del círculo más grande que es indistinguible de un punto se conoce como el círculo de confusión aceptable o, informalmente, simplemente como el círculo de confusión.

El círculo de confusión aceptable depende de cómo se utilizará la imagen final. En general, se acepta un círculo de confusión de 0,25 mm para una imagen vista a 25 cm de distancia. ^[14]

En el caso de las películas de 35  mm , el área de la imagen en la película es de aproximadamente 22 mm por 16 mm. El límite de error tolerable se establecía tradicionalmente en 0,05 mm (0,0020 pulgadas) de diámetro, mientras que para las películas de 16 mm , donde el tamaño es aproximadamente la mitad, la tolerancia es más estricta, 0,025 mm (0,00098 pulgadas). ^[15] La práctica más moderna para las producciones de 35 mm establece el límite del círculo de confusión en 0,025 mm (0,00098 pulgadas). ^[16]

El término "movimientos de la cámara" se refiere a los ajustes de giro (oscilación e inclinación, en la terminología moderna) y desplazamiento del soporte del objetivo y del soporte de la película. Estas funciones se han utilizado desde el siglo XIX y todavía se utilizan hoy en día en cámaras de visión nocturna, cámaras técnicas, cámaras con objetivos de inclinación/desplazamiento o de control de perspectiva, etc. Al girar el objetivo o el sensor, el plano de enfoque (POF) gira y también hace que el campo de enfoque aceptable gire con el POF ; y, según los criterios de profundidad de campo , también cambia la forma del campo de enfoque aceptable. Si bien los cálculos de profundidad de campo de las cámaras con el giro ajustado a cero se han analizado, formulado y documentado desde antes de la década de 1940, la documentación de los cálculos para cámaras con un giro distinto de cero parece haber comenzado en 1990.

Más que en el caso de la cámara con giro cero, existen varios métodos para formar criterios y configurar cálculos para la profundidad de campo cuando el giro no es cero. Hay una reducción gradual de la claridad en los objetos a medida que se alejan de la profundidad de campo , y en alguna superficie virtual plana o curva la claridad reducida se vuelve inaceptable. Algunos fotógrafos hacen cálculos o usan tablas, algunos usan marcas en su equipo, algunos juzgan mediante una vista previa de la imagen.

Cuando se gira el POF , los límites cercano y lejano del DOF pueden considerarse como en forma de cuña, con el vértice de la cuña más cercano a la cámara; o pueden considerarse como paralelos al POF . ^{[17] [18]}

Las fórmulas tradicionales de profundidad de campo pueden resultar difíciles de utilizar en la práctica. Como alternativa, se puede realizar el mismo cálculo efectivo sin tener en cuenta la longitud focal y el número f . ^[b] Moritz von Rohr y, posteriormente, Merklinger observan que el diámetro de apertura absoluta efectiva se puede utilizar para una fórmula similar en determinadas circunstancias. ^[19]

Además, las fórmulas tradicionales de profundidad de campo suponen círculos de confusión aceptables iguales para objetos cercanos y lejanos. Merklinger ^[c] sugirió que los objetos distantes a menudo necesitan ser mucho más nítidos para ser claramente reconocibles, mientras que los objetos más cercanos, al ser más grandes en la película, no necesitan ser tan nítidos. ^[19] La pérdida de detalle en objetos distantes puede ser particularmente notable con ampliaciones extremas. Lograr esta nitidez adicional en objetos distantes generalmente requiere enfocar más allá de la distancia hiperfocal , a veces casi al infinito. Por ejemplo, si se fotografía un paisaje urbano con un bolardo de tráfico en primer plano, este enfoque, denominado el método del campo de objetos por Merklinger, recomendaría enfocar muy cerca del infinito y cerrar el diafragma para hacer que el bolardo sea lo suficientemente nítido. Con este enfoque, los objetos del primer plano no siempre se pueden hacer perfectamente nítidos, pero la pérdida de nitidez en los objetos cercanos puede ser aceptable si la reconocibilidad de los objetos distantes es primordial.

Otros autores como Ansel Adams han adoptado la postura opuesta, sosteniendo que una ligera falta de nitidez en los objetos del primer plano suele ser más perturbadora que una ligera falta de nitidez en partes distantes de una escena. ^[20]

Algunos métodos y equipos permiten alterar la profundidad de campo aparente , y algunos incluso permiten determinarla después de que se haya tomado la imagen. Estos métodos se basan o se apoyan en procesos de obtención de imágenes computacionales. Por ejemplo, el apilamiento de enfoque combina múltiples imágenes enfocadas en diferentes planos, lo que da como resultado una imagen con una profundidad de campo aparente mayor (o menor, si así se desea) que cualquiera de las imágenes de origen individuales. De manera similar, para reconstruir la forma tridimensional de un objeto, se puede generar un mapa de profundidad a partir de múltiples fotografías con diferentes profundidades de campo. Xiong y Shafer concluyeron, en parte, que "...  las mejoras en la precisión de la medición del enfoque y del desenfoque pueden conducir a métodos eficientes de recuperación de la forma". ^[21]

Otro enfoque es el barrido de enfoque. El plano focal se barre a lo largo de todo el rango relevante durante una única exposición. Esto crea una imagen borrosa, pero con un núcleo de convolución que es casi independiente de la profundidad del objeto, de modo que el desenfoque se elimina casi por completo después de la deconvolución computacional. Esto tiene el beneficio adicional de reducir drásticamente el desenfoque de movimiento. ^[22]

La fotomacrografía de barrido de luz (LSP) es otra técnica utilizada para superar las limitaciones de profundidad de campo en la fotografía macro y micro. Este método permite obtener imágenes de gran aumento con una profundidad de campo excepcional. La LSP implica el barrido de un plano de luz delgado a través del sujeto que está montado en una platina móvil perpendicular al plano de luz. Esto garantiza que todo el sujeto permanezca en un enfoque nítido desde los detalles más cercanos hasta los más lejanos, lo que proporciona una profundidad de campo completa en una sola imagen. Inicialmente desarrollada en la década de 1960 y refinada en las décadas de 1980 y 1990, la LSP fue particularmente valiosa en la fotografía científica y biomédica antes de que se generalizara el apilamiento de enfoque digital. ^{[23] [24]}

Otras tecnologías utilizan una combinación de diseño de lentes y posprocesamiento: la codificación de frente de onda es un método mediante el cual se agregan aberraciones controladas al sistema óptico para que el enfoque y la profundidad de campo se puedan mejorar más adelante en el proceso. ^[25]

El diseño de la lente se puede modificar aún más: en la apodización del color , la lente se modifica de modo que cada canal de color tenga una apertura de lente diferente. Por ejemplo, el canal rojo puede serf /2,4, verde puede serf /2,4, mientras que el canal azul puede serf /5,6Por lo tanto, el canal azul tendrá una mayor profundidad de campo que los otros colores. El procesamiento de imágenes identifica regiones borrosas en los canales rojo y verde y en estas regiones copia los datos de los bordes más nítidos del canal azul. El resultado es una imagen que combina las mejores características de los diferentes números f . ^[26]

En el extremo, una cámara plenóptica captura información del campo de luz 4D sobre una escena, por lo que el enfoque y la profundidad de campo se pueden alterar después de tomar la fotografía.

La difracción hace que las imágenes pierdan nitidez con números f altos (es decir, tamaños de apertura de diafragma estrechos) y, por lo tanto, limita la profundidad de campo potencial. ^[27] (Este efecto no se considera en la fórmula anterior que proporciona valores de profundidad de campo aproximados ). En la fotografía general, esto rara vez es un problema; debido a que los números f altos generalmente requieren tiempos de exposición largos para adquirir un brillo de imagen aceptable, el desenfoque de movimiento puede causar una mayor pérdida de nitidez que la pérdida por difracción. Sin embargo, la difracción es un problema mayor en la fotografía de primeros planos y la nitidez general de la imagen puede degradarse a medida que los fotógrafos intentan maximizar la profundidad de campo con aperturas muy pequeñas. ^{[28] [29]}

Hansma y Peterson han analizado la determinación de los efectos combinados de desenfoque y difracción utilizando una combinación de raíz cuadrada de los puntos de desenfoque individuales. ^{[30] [31]} El enfoque de Hansma determina el número f que dará la máxima nitidez posible; el enfoque de Peterson determina el número f mínimo que dará la nitidez deseada en la imagen final y produce una profundidad de campo máxima para la que se puede lograr la nitidez deseada. ^[d] En combinación, los dos métodos pueden considerarse como que dan un número f máximo y mínimo para una situación dada, con el fotógrafo libre de elegir cualquier valor dentro del rango, según lo permitan las condiciones (por ejemplo, el desenfoque de movimiento potencial). Gibson ofrece una discusión similar, considerando además los efectos de desenfoque de las aberraciones de la lente de la cámara, la difracción y las aberraciones de la lente de ampliación, la emulsión negativa y el papel de impresión. ^{[27] [e]} Couzin dio una fórmula esencialmente igual a la de Hansma para el número f óptimo , pero no discutió su derivación. ^[32]

Hopkins, ^[33] Stokseth, ^[34] y Williams y Becklund ^[35] han analizado los efectos combinados utilizando la función de transferencia de modulación . ^{[36] [37]}

Muchos objetivos incluyen escalas que indican la profundidad de campo para una distancia de enfoque y un número f determinados ; el objetivo de 35 mm de la imagen es un ejemplo típico. Ese objetivo incluye escalas de distancia en pies y metros; cuando se establece una distancia marcada frente a la marca de índice blanca grande, el enfoque se establece en esa distancia. La escala de profundidad de campo debajo de las escalas de distancia incluye marcas a ambos lados del índice que corresponden a los números f . Cuando el objetivo se establece en un número f determinado , la profundidad de campo se extiende entre las distancias que se alinean con las marcas del número f .

Los fotógrafos pueden usar las escalas de lentes para trabajar hacia atrás desde la profundidad de campo deseada para encontrar la distancia de enfoque y la apertura necesarias. ^[38] Para la lente de 35 mm que se muestra, si se deseara que la profundidad de campo se extendiera de 1 m a 2 m, el enfoque se establecería de modo que la marca de índice estuviera centrada entre las marcas para esas distancias y la apertura se establecería enf /11. ^[f]

En una cámara de visión nocturna, el enfoque y el número f se pueden obtener midiendo la profundidad de campo y realizando cálculos simples. Algunas cámaras de visión nocturna incluyen calculadoras de profundidad de campo que indican el enfoque y el número f sin necesidad de que el fotógrafo realice ningún cálculo. ^{[39] [40]}

• 
  Detalle de un conjunto de lentes paraf /11. El punto a medio camino entre las marcas de 1 m y 2 m, los límites del grado de libertad enf /11, representa la distancia de enfoque de aproximadamente 1,33 m (el recíproco de la media de los recíprocos de 1 y 2 es 4/3).
• 
  Escala de profundidad de campo en el dial de enfoque de Tessina

En óptica y fotografía , la distancia hiperfocal es la distancia desde una lente más allá de la cual todos los objetos pueden enfocarse de manera "aceptable" . Como la distancia hiperfocal es la distancia de enfoque que proporciona la máxima profundidad de campo, es la distancia más conveniente para establecer el enfoque de una cámara de foco fijo . ^[41] La distancia hiperfocal depende completamente del nivel de nitidez que se considere aceptable.

La distancia hiperfocal tiene una propiedad llamada "profundidades de campo consecutivas", donde una lente enfocada en un objeto cuya distancia desde la lente está a la distancia hiperfocal H mantendrá una profundidad de campo de H /2 a infinito, si la lente está enfocada a H /2 , la profundidad de campo será de H /3 a H ; si la lente está enfocada a H /3 , la profundidad de campo será de H /4 a H /2 , etc.

Thomas Sutton y George Dawson escribieron por primera vez sobre la distancia hiperfocal (o "rango focal") en 1867. ^[42] Louis Derr en 1906 puede haber sido el primero en derivar una fórmula para la distancia hiperfocal. Rudolf Kingslake escribió en 1951 sobre los dos métodos para medir la distancia hiperfocal.

Algunas cámaras tienen marcada la distancia hiperfocal en el dial de enfoque. Por ejemplo, en el dial de enfoque de la Minox LX hay un punto rojo entre2 m y el infinito; cuando la lente está colocada en el punto rojo, es decir, enfocada a la distancia hiperfocal, la profundidad de campo se extiende desde2 m hasta el infinito. Algunas lentes tienen marcas que indican el rango hiperfocal para valores f específicos , también llamado escala de profundidad de campo . ^[43]

La profundidad de campo más allá del sujeto siempre es mayor que la profundidad de campo delante del sujeto. Cuando el sujeto está a la distancia hiperfocal o más allá, la profundidad de campo lejana es infinita, por lo que la relación es 1:∞; a medida que disminuye la distancia del sujeto, la relación profundidad de campo cerca:lejos aumenta, acercándose a la unidad con un aumento alto. Para aperturas grandes a distancias típicas de retrato, la relación sigue siendo cercana a 1:1.

En esta sección se tratan algunas fórmulas adicionales para evaluar la profundidad de campo; sin embargo, todas ellas están sujetas a importantes suposiciones simplificadoras: por ejemplo, suponen la aproximación paraxial de la óptica gaussiana . Son adecuadas para la fotografía práctica; los diseñadores de lentes utilizarían otras mucho más complejas.

Para los límites de profundidad de campo cercanos y lejanos dados D _N y D _F , el número f requerido es el más pequeño cuando el enfoque se establece en

$${\displaystyle s={\frac {2D_{\mathrm {N} }D_{\mathrm {F} }}{D_{\mathrm {N} }+D_{\mathrm {F} }}},}$$

la media armónica de las distancias cercanas y lejanas. En la práctica, esto es equivalente a la media aritmética para profundidades de campo reducidas. ^[44] A veces, los usuarios de cámaras de visión se refieren a la diferencia v _N − v _F como la dispersión de enfoque . ^[45]

Si un sujeto está a una distancia s y el primer plano o el fondo están a una distancia D , sea que la distancia entre el sujeto y el primer plano o el fondo se indique mediante

$${\displaystyle x_{\mathrm {d}}=|Ds|.}$$

El diámetro del disco de desenfoque b de un detalle a una distancia x _d del sujeto se puede expresar como una función del aumento del sujeto m _s , la distancia focal f , el número f N o, alternativamente, la apertura d , según

$${\displaystyle b={\frac {fm_{\mathrm {s}}}{N}}{\frac {x_{\mathrm {d}}}{s\pm x_{\mathrm {d}}}=dm_{\mathrm {s}}{\frac {x_{\mathrm {d}}}{D}}.}$$

El signo menos se aplica a un objeto en primer plano y el signo más se aplica a un objeto en segundo plano.

El desenfoque aumenta con la distancia del sujeto; cuando b es menor que el círculo de confusión, el detalle está dentro de la profundidad de campo.

• Hummel, Rob, ed. (2001). Manual del director de fotografía estadounidense (8.ª ed.). Hollywood, California: The ASC Press. ISBN 0-935578-15-3.OCLC 49686312  .

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Profundidad de campo.

El Wikilibro Maple tiene una página sobre el tema: Profundidad de campo para lentes ópticas

• Profundidad de campo en fotografía: guía para principiantes
• Calculadora de profundidad de campo en línea Calculadora sencilla de profundidad de campo y distancia hiperfocal
• photoskop: Lecciones de fotografía interactiva: profundidad de campo interactiva
• Simulador de bokeh y calculadora de profundidad de campo: calculadora de profundidad de campo interactiva con función de simulación de desenfoque de fondo
• Comparación de lentes: Nikon 50 mm f/1.4D vs. 50 mm f/1.4G: demostración de diferentes aperturas en la profundidad de campo
• Profundidad de campo para principiantes: un breve video explicativo sobre la profundidad de campo