Introduction

A professional website for optic and photonic science and technology 光學與光電科技專業網頁

Overview 總覽

Research interests 研究興趣與專業:

1. Dynamics of solid-state and fiber lasers 固態雷射與光纖雷射
2. Photonic and multifunctional materials 光電與多功能材料
3. Optical properties of wide bandgap ZnO semiconductor 寬能隙氧化鋅光電特性
4. Photon transport phenomena and quantum optics in photonic crystals
光子晶體之光學傳輸與量子光學現象
5. Dynamics of microcavity polariton Bose-Einstein Condensates
微腔光極子波思-愛恩斯坦凝聚現象
6. Light-field imaging and optical system design 光場解像與光電系統設計

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2019年1月30日 星期三

Dolly zoom 靜態攝影

 利用Dolly zoom 靜態攝影做出主體清晰背景模糊虛幻的感覺。Dolly zoom是改變變焦鏡頭的焦距的同時也移動相機的位置來保持拍攝主體的影像大小不變。但是由於zoom-in時壓縮像空間,背景變大且靠近主體;相反地,zoom-out 時伸展像空間,背景變小且遠離主體(詳見 2019年1月8日 星期二「使用大焦距鏡頭才能減短景深的迷失」),所以相片呈現由主體為中心輻射狀移動模糊的景象。下面兩組照片顯示手持拍攝小視野和大視野魯冰花(茶園)Dolly zoom的結果。

f/3.7, 1/6, 11.1mm, ISO200, ND2, Sony HDR-CX900E
Sony camcorder HDR-CX900E是一部攝影機,原來是買來準備紀錄孫子們的生活,拿來當相機靜態攝影。由於它是攝影機,自動對焦(autofocus)採用Servo autofocusing,所以即使按下快門,未達成對焦之前,它不會拍攝。所以手持Dolly zoom拍攝首先需要花一些時間感覺一下相機曝光的節奏;使用單眼相機時,也需要習慣按下快門到快門真正啟動的時間差。
   
  
f/3.7, 1/6, zoom 11.1-11.4mm, ISO200, ND2
      因為Dolly zoom拍攝時需要旋轉變焦鏡頭的調整環,同時要移動身體,手持Dolly zoom拍攝時需保持拍攝姿勢不變(主體位置不能飄移),靠著向後擺動身體來補償zoom-in時主體影像大小不變。手持Dolly zoom拍攝的步驟如下:
(1) 身體前傾由視景窗取景對焦後,並記住主體影像位置及大小。
(2) 身體後移動後主體影像會變小,逆時針旋轉變焦鏡頭的調整環來恢復原來的影像大小及位置,並記住變焦鏡頭的調整環
f/5.6, 1/6, 11.7mm, ISO200, ND2
 的角度。
(3) 將調慢快門速度到1/6或1/12秒,必要時加上衰減片。
(4) 按下快門,身體向後移的同時逆時針旋轉變焦鏡頭的調整環完成拍攝。
    一開始可能拍10幾張才有一張滿意,隨著練習次數增加,抓到竅門(最重要是拍照節奏)後就可得心應手。左邊的兩組照片的主體都是偏右,其原因是我用偏右的九宮格線來定位所致。
f/5.6, 1/6, zoom 11.7-13.1mm, ISO200, ND2
       較穩當的Dolly zoom拍攝最好使用腳架,方法與手持類似,只是移動相機由將腳架向後拉來達成。將腳架的其中一隻腳向前,另兩隻(平行)腳盡量與欲移動的方向垂直。讓前腳較長使得兩隻平行腳幾乎與地面垂直(向前傾約5度)。按步驟(1)操作後,往後拉腳架,讓腳架變成向後傾約5度,按步驟(2)操作。接著完成步驟(3)和(4)即可得到滿意的Dolly zoom照片。

2019年1月20日 星期日

普濟殿建醮燈會-- 大士爺頭上觀音

 普濟殿供奉觀世音菩薩,不應該是普濟寺嗎?作客的池府王爺靈驗,以客為尊成主神,普濟寺更名殿。建醮燈會祭大士爺,台南大士爺夠新鮮,其實歷史百年,藤編黑金m黑金神轎和大士爺為證。大士爺頭上有觀世音菩薩是什麼意象?


2018/12/28南下享受一下較緩慢的生活步調,轉換一下心境。當晚太座心血來潮想去欣賞一下每年都舉辦的台南市國華街的燈會,並拍攝一下點燈結綵的光影。兩人吃飽飯約莫7點左右騎著老爺摩托車,巡民族路到國華街,結果發現今年沒有點燈結綵的景象。失望之際,只好四處繞繞,已經來了希望有些收穫。不經意地摩托車停在一個T字路口,因為碰壁了(沒收穫);抬頭一看,前方關著房子的鐵門寫著「大士殿」。沒看到普濟殿倒是到了大士殿。此時,老婆看到一位年輕婦人剛踏出家門,她於是趨前請教今年國華街普濟殿燈會狀況,才知道今年的普濟殿燈會不但不是沒辦,而且因擴大規模改到海安路旁。問好路況後,二話不說直接驅車前往。
      進入會場,映入眼簾的是高掛的紅布條寫著「普濟殿建醮燈會」,布條後方接著一個C型燈籠迴廊,燈籠迴廊內已有十來隻相機腳架和人山人海。雖然燈籠沒點燈,五花十色的各式燈籠,也吸引人潮與攝影愛好者的駐足。燈籠沒點亮,所以燈光主要是來自隔壁熱鬧滾滾的舞台秀、布袋戲、嘉禮尪仔戲、和歌仔戲 的戲臺燈光。隨便按幾下快門,穿過燈籠迴廊,出了燈籠迴廊,後面少有人潮,反而是較有意思的場景。首先看到的是一尊高約三層樓的怪異神像(如圖一)。頭長角、大眼睛、長鬍鬚、.......,何方神聖?仔細再看清楚,不是長鬍鬚,而是長舌頭,有一點嚇人。一個念頭閃過,祂不是大士爺嗎?小時候的印象是全身黑色,大約兩公尺高,口吐長又紅的舌頭,面目猙獰,極其恐怖;但印象中不是如此高大華麗。
圖一、三層樓高的怪異神像。
      大士爺的神壇上放著幾尊正常大小神像,其左前方地上擺著一座特別的神轎。此神轎是由藤纏繞木頭編製成,大概是製作年代久遠,被煙燻的黑金m黑金(圖二)。較特別的是神轎牆柱上頭分別雕刻著幾尊很像順風耳或千里眼的神像,廟方將祂們打扮的像極了布袋戲偶。往裡面看一下主神,乍看之下,好像是關公神像,尤其是長長的鬍鬚和手勢。順風耳和千里眼配關聖帝君有點怪,但還是按例按一下快門,做一下記錄。
圖二、藤編古舊神轎,牆柱有神偶。
       帶著滿心狐疑離開建醮燈會。其實剛聽到「普濟殿」時,就有許多疑問;「普濟」就會想到「觀世音菩薩」,所以應該是佛教「普濟寺」。而「殿」字聯想到的是道教。普濟殿建醮(道教儀式)神壇上供奉的是大街另一頭大士殿的大士爺,而非普濟殿的觀世音菩薩。關聖帝君神轎的轎身配順風耳和千里眼,就是怪。觀世音菩薩配四大天王,也許還較適合(雖然不知祂們之間位階的區分)。
      回家放大照片發現關聖帝君頭上長角,非常鬍鬚是長舌頭,是大士爺神像(見圖三)。本著先問再查維基的一慣信念,隔天晚上,趁造訪在地人的連襟之便,提出我的疑問。台南有大士爺夠就夠新鮮,還是查維基。維基百科普濟殿:「建廟傳說創建於臺灣明鄭時期永曆年間,當時稱「普濟寺」,原主祀觀音菩薩,原為佛教寺廟兼會館使用。傳聞曾有同安人借宿時將池府王爺神像因故留祀寺內,之後香火日盛,池府王爺成為寺廟主神,使「普濟寺」改稱為「普濟廟」,後改為「普濟殿」。」赤崁樓大士殿:「19世紀後半葉,大士殿海神廟蓬壺書院文昌閣五子祠等建築,先後蓋在赤崁樓的原址上。這五座建築物,巍峨高聳,為破落的赤崁城址平添了壯偉氣派。」
圖三、裁切放大圖二神轎內部。

      討論過程中,無意間放大高大的大士爺雕像發現頭上另有一尊小神像,想必是觀世音菩薩(見圖四)大士爺廟臺灣主祀觀音菩薩大士爺之罕見廟宇,為嘉義縣縣定古蹟,位在嘉義縣民雄鄉,是民雄主要信仰中心,主配觀音菩薩大士爺。」又根據民雄大士爺廟常務董事許錦棟指出,大士爺廟主祀神明觀音大士化身的大士爺,兩百多年前建廟時就沒有神尊。」觀音菩薩化身大士爺收服好兄弟帶返地府,讓地方恢復平靜,所以觀音菩薩亦稱為觀音大士大士爺雕像頭上的觀音菩薩則應該是表達大士爺的元神的意象。
圖四、裁切放大圖一的大士爺像。
     約莫學齡前後(一般人少有學齡前記憶,除非較大的刺激,才會記憶深刻),一次故鄉的建醮聽說有紙糊大士爺神像,媽媽不准小孩去,但爸爸帶領下還是去了一趟難忘的七月中原普渡廟會。爸爸去之前就特別交代:不准講話、不准手指。當然一切照辦,因為應該是嚇到了,我到現在還記憶猶新。有關大士爺傳說印象中有兩個版本:第一種傳說是大士爺是鬼王帶領好兄弟地方作亂被觀音菩薩一腳踩到吐出長舌頭收服,並命令大士爺收服其它好兄弟帶返地府,讓地方恢復平靜,所以大士爺吐長舌頭,且頭上有觀音菩薩即此意象第二種傳說是如廟方所說,觀音菩薩化身大士爺收服好兄弟帶返地府,讓地方恢復平靜。每收服(吃下)一位好兄弟,舌頭就變長一寸,所以大士爺吐長舌頭,頭上觀音菩薩意為元神。
圖、普濟殿與赤崁樓大士殿相關位置。

後記:謝謝高中同學蔡宏明(天洛)兄慷慨分享:「台灣的媽祖信仰其實是觀世音的轉化,所以會有千里眼(觀)、順風耳(音),所有的媽祖廟後殿一定祀奉觀世音菩薩,可見一般。我讀過一位學者的研究,他認為,觀世音化成媽祖,跟帝王封建時期,忌諱談「禪」有關。」

2019年1月11日 星期五

超對焦距(hyperfocus)-- 大光圈也可以有無窮長景深 Large aperture can make depth of field infinite

 攝影想要有長景深,一般人直接會想到小光圈(大f數),或許加上短焦鏡。然而在一個特定光圈和焦距的設定下,我們都可以找到一個對焦距離(物距),使得後景深無窮長,而前景深等於二分之一的這個物距。換句話說就是,將相機對焦在這個「超對焦距(hyperfocus)」時,從二分之一的超對焦距的位置到無窮遠的物體都能清晰的成像。

In photography  most people would think of a small aperture (large f-number) to have a long depth of field (DoF), and perhaps with a short focal length.  However, at a specific aperture and focal-length setting, we can find a focusing distance (object distance), which is called the "hyperfocus", so that the rear DoF becomes infinite, and the front DoF is equal to one-half of this hyperfocus.  In other words, when the camera is focused on this hyperfocus, the image of object that locates from one-half of the hyperfocus to infinity should be all clear.
f/5.6, 1/6, 9.3mm, ISO2500, 5968x3352
f/5.6, 1/6, 9.3mm, ISO1600, 5968x3352
      為了能在有限空間(家裡)做實驗,我選用f/5.6和F=9.3mm來展示此現象。三個(黑、紅和銀色)水瓶分別相距約一公尺,而在最遠處放置一包衛生紙。左邊兩張照片都是對焦在紅色水瓶上。第一張照片的物距約為10公分,顯示只有在像平面的部分紅色水瓶是清晰的,一公尺之外的銀色水瓶已相當模糊,更無法看清衛生紙上的字。在第二張照片中紅色水瓶與相機距離(物距)設定約2公尺(超對焦距)。這張照片顯示包括在紅色水瓶(主體)前方1公尺(二分之一的超對焦距)的黑色水瓶到衛生紙(離主體約1.5公尺遠)上的字都是相當清晰。
In order to be able to experiment in a limited space (home), I chose f/5.6 and focal length F=9.3mm to demonstrate this phenomenon.  Three (black, red, and silver) water bottles are about one meter apart, and a pack of toilet paper is placed at the farthest place.  The two photos on the left are both focused on the red water bottle with different focusing distance.  The fusing distance of the first photo is about 10 cm, showing that only part of the red water bottle in the image plane is clear, and the silver water bottle at one meter away is quite blurred and even making it impossible to see the words on the toilet paper.  In the second photo, the distance between the red water bottle and the camera (object distance) is set to about 2 meters (approximately equals to hyperfocus).  This photo shows that the black water bottle, which is 1 meter in front of the red water bottle (the subject) at one-half of the hyperfocus, is quite clear even for the toilet paper (about 1.5 meters away from the subject).
      在光學上我們可以推導出,在固定光圈和鏡頭焦距之下,超對焦距=F^2/(f*像素尺寸)。將使用參數代入得:
超對焦距=(9.3mm)^2/(5.6*7微米)~2公尺。所以,前述紅色水瓶與相機距離(物距)設定約2公尺。如果使用iPhone 7+手機,f/1.8和F3.99mm,計算得超對焦距=6.7m,所以將手機對焦在6.7m處,我們可以得到從3.3m到無窮遠的物體都能清晰成像的結果。
In Optics, we can deduce that under the fixed aperture and focal length, the hyperfocus follows the expression:
hyperfocus = F ^ 2 / (f * C) = (9.3mm) ^ 2 / (5.6 * 7 microns) ~ 2 meters, where C = pixel size  of camera, ~7 microns.  Therefore, I set the distance between the aforementioned red water bottle and the camera (object distance) to about 2 meters.  If one uses the iPhone 7+ mobile phone, f/1.8 and F3.99mm, the calculated hyperfocus = 6.7m, so one can get the result of clear imaging from 3.3 m to infinity as he or she focuses the phone at 6.7m, since the hyperfocus = F ^ 2 / (f * pixel size).
943x437
     為了證實第二張照片有超長景深,我們將第二張照片裁切接近第一張照片的大小。如果兩張照片有相同景深,裁切成一樣大小(同樣影像大小),則背景模糊層度也會相同。左圖是由5968x3352個像素裁切到943x437像素的這張照片。影像不但不會因為裁切後像素變少而模糊掉,銀色水瓶還很清楚,連衛生紙袋上印的文字都相當清晰。所以景深超過2.5公尺。
To confirm that the second photo indeed has a very long DoF, we cut the second photo closer to about the size of the first photo.  If the two photos have the same DoF and are cropped to the same size (same image size), the background blur will be the same.  The picture above is cropped from 5968x3352 pixels to 943x437 pixels. The image will not be blurred even if the total pixel numbers after cutting are reduced.  The silver water bottle is also very clear, and the printed text on the toilet paper bag is quite clear.  Therefore, the DoF should be more than 2.5 meters.


結論:
1) 雖然通常景深隨光圈f數成正比與影像縮小倍率平方成正比(由於繞射,在f > 11,景深正比於f的平方),在固定光圈和鏡頭焦距之下,對焦在超對焦距時,可以得到從二分之一的超對焦距到無窮遠的物體都能清晰的成像的超(無窮)長景深。
2) 計算超對焦距公式:對f < 11,超對焦距=F^2/(f*像素尺寸);而對f > 11,由於已達繞射極限,則使用: 超對焦距 =1.37* (F/f)^2。
3) 不知道或忘掉如何計算,只要記得:將光圈設定在f>=11,鏡頭對焦調在「無窮大標誌(或平躺的8字)」的腰即可。f越大,稍微往無窮大標誌短的方向調一點即可;其實不調也無仿。

Conclusion:
1) Although the DoF is usually proportional to the aperture f-number and proportional to the square of the image reduction coefficient (notice that the DoF is proportional to the square of  f-number due to the diffraction for f > 11).  Under the fixed aperture and focal length, one can find a specific focusing distance called the hyperfocus, at which  the DoF is infinite, i.e., subjects which are located from one-half of the hyperfocus to the infinity will all be clear.
2) Formula to calculate the hyperfocus is: for f < 11, hyperfocus = F^2/(f*pixel size) ; whereas, for f > 11, since it has reached the diffraction limit so
hyperfocus =1.37*(F/f)^2.
3) It is not big deal to forget the formula to make a long DoF shot.   The trick is just remember to set the aperture at f >= 11, and focus the lens on the waist of the "infinity" symbol (the lie-down figure 8).  For the larger the f, one could slightly adjust focus to the near-side of the "infinity" symbol; even keeping it fixed is also fine.

2019年1月9日 星期三

使用大焦距鏡頭才能減短景深的迷失

 


攝影是
透過鏡頭(透鏡)將遠處的物體,形成縮小的像記錄在底片或光感測器上。光學上定義像距(Si)與物距(So)的比值為像的放大倍率,M=Si/So;反之,放大倍率的倒數,1/M=So/Si=R,稱為縮小倍率。所以縮小倍率越大,影像越大。在固定光圈F數之下,一般人都認為需要使用較大焦距的鏡頭才能減短景深來達到特寫的效果。其實不然,景深與影像縮小倍率放大倍率倒數有直接(平方)的關係,與使用鏡頭的焦距沒有直接的關係。在固定焦距和固定光圈F數之下,可以透過移動相機靠近被攝物體,減少縮小倍率來放大影像,達到縮短景深的目的;而遠離被攝物體來縮小影像,可以增長景深。變焦鏡頭常常被使用在不改變對焦距離(物距),藉助改變變焦鏡頭的等效焦距,來改變視角和視野,以便改變影像的縮放比例。例如使用變焦鏡頭的長焦距端放大影像,希望能縮短景深。然而,操作變焦鏡頭在長焦距端,讓光圈被迫變小(提高光圈F數值),實際上是比用短焦距端,縮短物距以保持相同放大倍率影像,但仍然維持最大光圈的的情況下的景深還長。所以,對變焦鏡頭而言,可以清楚對焦的最近對焦距離(物距),應有最短的景深。所以要有最短景深,不一定要使用大焦距鏡頭。
[註: 景深與光圈F數和影像縮小倍率的關係式:當光圈數小於11時,景深=2*光圈F數*10E-6*影像縮小倍率平方(單位:米);但當光圈數大於11時,景深=1.46*光圈F數平方*10E-6*影像縮小倍率平方(單位:米)。]
f/1.8, 1/188, 3.99mm, ISO20
f/1.8, 1/178, 3.99mm X2, ISO20
一般的手機相機都具有固定不可調的光圈,因此,想要用手機拍特寫,只好盡量靠近被攝物體來放大影像,這樣同樣可以達到縮短景深模糊背景的照片。如下圖分別是以iPhone 7+的1X和2X拍攝紅花韭蘭的照片。 
這兩張照片雖然是用不同鏡頭拍攝,但刻意將主體(ㄧ朵紅花韭蘭保持相同大小影像。我們可以看出照片的背景(欄杆和樹枝)在景深之外,都已被模糊掉,且大約有相同的景深。另外,由於長焦距鏡頭會壓縮視像空間,所以2X鏡頭所拍攝的照片(下圖)背景綠葉比起(上圖)1X鏡頭所拍攝的照片來得近且較大。
主體保持相同大小影像,改變鏡頭焦距和物距以保持相同大小主體,來製造視覺效果的方法稱為Dolly zoom。 多莉縮放的拍攝手法最早被名導演希區考克先生應用於電影拍攝上,保持主體不變但是讓背景(和前景)快速變化,來製造壓迫感和懸疑氣氛。靜態攝影也可以使用Dolly zoom 的手法,利用重複曝光和連續zoom和移動相機來保持相同大小主體,其結果不僅可以模糊前景和背景,又可製造輻射狀收斂或發散的動態感。
Snapseed 疊加上面兩張照片。
下面的照片是將上面兩張照片利用Snapseed app 疊加而得。移動相機來保持相同大小主體,再疊加起來以模仿重複曝光,其結果可以讓背景更模糊(即使是長景深照片)。因為是手持拍攝角度有點偏差,且放大倍率差太大所致。