Понятно о Законе обратных квадратов для фотографов

Законы фотографии иногда кажутся слишком сложными для понимания и создается неправильное впечатление, что простому смертному о них можно не думать и не учитывать в своей съемке. Понимание правил позволяет свободно мыслить и дает возможность реализовать полет собственной фантазии. Разбираться в законах светописи лучше с мастерами своего дела.

Йоханнес Даунер является основателем и исполнительным директором компании Elixxier, которая разработала программу set.a.light 3D, позволяющую фотографам виртуально моделировать схемы освещения и планировать технические детали фотосессий. Мы хотим ознакомить вас с материалом, в котором он дает понятные объяснения Закона обратных квадратов, который столь необходим каждому фотографу и фотографам, снимающем в студии, в частности.

«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.

Для начала давайте разберемся как связана диафрагма с Законом обратных квадратов, и как эта взаимосвязь влияет на снижение интенсивности освещения. Чтобы было понятнее, начнем с диафрагмы.

Прикрывая диафрагму, вы уменьшаете количество света, который проходит через объектив. Изменение диафрагмы на каждую последующую ступень уменьшает диаметр диафрагмы на 1/√2. Если говорить простыми словами, то относительное отверстие и количество света уменьшается ровно наполовину.

Такая техническая разбивка позволяет фотографу подстраивать значения диафрагмы и выдержки под условия  освещения. Так как каждое следующее значение диафрагмы (оно же – ступень диафрагмы) получается, если умножить предыдущее значение на корень квадратный из 2 (или 1.414) и значение округляется до 1.4, то получается, к примеру, что следующим значением за диафрагмой f/4 будет f/5.6 (4 умноженное на 1.4).

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 макрообъективов, шкала продолжается до f/45. Это необходимо для того, чтобы добиться приемлемой глубины резко изображаемого пространства, ведь на макрообъективы 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

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 источника света до объекта. 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 при увеличении расстояния с 4 до 10 метров потеряется 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 уменьшать значение диафрагмы («открывать диафрагму»). Снимки, сделанные с такой корреляцией, будут выглядеть практически идентично, 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 то же 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. Расстояние от источника света до первой модели составляет 8 метров, падение освещения к четвертой модели будет всего 2/3 ступени. Но на расстоянии до источника в 2 метра падение составит уже 2 и 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, а на снимках 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 знание Закона обратных квадратов поможет добиться желаемого эффекта.

«Обратные квадраты» помогут и в 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. 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.

Взаимосвязь мощности импульса, значения диафрагмы и чувствительности ISO

Пояснения к таблице

Предположим, что имеется 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/с) 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.

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 увеличением расстояния снижается резкость падения интенсивности. Таким образом, этот эффект оказывает огромное влияние на схемы освещения.

Йоханнес Даунер, основатель и исполнительный директор компании Elixxier, разработчика программы set.a.light 3D

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.