dof.lisp

   1 ;;;; -*- Mode: LISP; Syntax: ANSI-Common-Lisp; Base: 10; Package: photo -*-
   2 ;;;; *************************************************************************
   3 ;;;; FILE IDENTIFICATION
   4 ;;;;
   5 ;;;; Name:          dof.lisp
   6 ;;;; Purpose:       Depth of field functions for cl-photo
   7 ;;;; Programmer:    Kevin M. Rosenberg
   8 ;;;; Date Started:  April 2005
   9 ;;;;
  10 ;;;; $Id$
  11 ;;;;
  12 ;;;; This file, part of cl-photo, is Copyright (c) 2005 by Kevin M. Rosenberg
  13 ;;;;
  14 ;;;; cl-photo users are granted the rights to distribute and use this software
  15 ;;;; as governed by the terms of the GNU General Public License v2
  16 ;;;; (http://www.gnu.org/licenses/gpl.html)
  17 ;;;;
  18 ;;;; *************************************************************************
  19
  20 (in-package #:photo)
  21
  22 (defun coc (imager-size &key (lpm 5) (minimum-distance 250)
  23                    (viewing-distance 250)
  24                    (print-size (output-dimensions :8x10in)))
  25   "Returns circle of confusion in mm and print magnification for a format.
  26 Default resolving power is 5 lpm at 25cm."
  27
  28   (let* ((imager-max (max (car imager-size) (cdr imager-size)))
  29          (imager-min (min (car imager-size) (cdr imager-size)))
  30          (print-max (max (car print-size) (cdr print-size)))
  31          (print-min (min (car print-size) (cdr print-size)))
  32          (magnification (max (/ print-max imager-max) (/ print-min imager-min)))
  33          (resolution-factor (/ (* magnification lpm minimum-distance) viewing-distance))
  34          (coc (/ 1.0d0 resolution-factor)))
  35     (values coc magnification)))
  36
  37 (defun coc-format (format &key (lpm 5) (minimum-distance 250)
  38                           (viewing-distance 250)
  39                           (print-size (output-dimensions :8x10in)))
  40   "Returns circle of confusion in mm and print magnification for a format.
  41 Default resolving power is 5 lpm at 25cm."
  42
  43   (let* ((format-size (imager-dimensions format))
  44          (format-diagonal (diagonal (car format-size) (cdr format-size)))
  45          (print-diagonal (diagonal (car print-size) (cdr print-size)))
  46          (resolution-factor (/ (* lpm print-diagonal minimum-distance)
  47                                (* format-diagonal viewing-distance)))
  48          (coc (/ 1.0d0 resolution-factor))
  49          (print-magnification (/ print-diagonal format-diagonal)))
  50     (values coc print-magnification)))
  51
  52 (defun coc-pixels (imager pixels)
  53   "Returns lpm and circle of confusion based on pixel size."
  54   (when (and (consp imager) (consp pixels))
  55     (let ((coc-w (float (* 2 (/ (car imager) (car pixels)))))
  56           (coc-h (float (* 2 (/ (cdr imager) (cdr pixels))))))
  57     (values coc-w coc-h (/ 1. coc-w) (/ 1. coc-h)))))
  58
  59 (defun coc-pixels-format (format)
  60   "Returns circle of confusion based on pixel size."
  61   (coc-pixels (imager-dimensions format) (pixel-dimensions format)))
  62
  63 (defun coc-airy (f-stop &optional (wavelength 0.000512))
  64   "Return the circle of confusion based on the airy disk."
  65   (float (/ 1 (rayleigh-limit f-stop wavelength))))
  66
  67 (defun rayleigh-limit (f-stop &optional (wavelength 0.0005))
  68   "Returns the rayleigh limit in line pairs per mm (MTF 9%) as well as the MTF50"
  69   (let ((rayleigh (float (/ 1 1.22 f-stop wavelength))))
  70     (values rayleigh (* 0.46 rayleigh))))
  71
  72 (defun maximum-sharpness-aperture (format &optional (wavelength 0.0005))
  73   (multiple-value-bind (coc-w coc-h lpm-w lpm-h) (coc-pixels-format format)
  74     (declare (ignore coc-w coc-h))
  75     (/ 1. (* 1.22 wavelength (/ (min lpm-w lpm-h) 0.46)))))
  76
  77 (defun dof-mm (focal-length f-stop distance coc &key (pupil-factor 1))
  78   "Returns depth of field based on focal-length, f-stop, distance, and coc.
  79 Six values are returned:
  80 near point, far point, total dof, magnification, blur size at infinity (mm).
  81 Circle of confusion can either be a number or keyword designating format."
  82   (let* ((aperture (/ focal-length f-stop))
  83          (numerator-1 (* (- pupil-factor 1) (- distance focal-length)
  84                          coc focal-length))
  85          (numerator-2 (* pupil-factor aperture focal-length distance))
  86          (denominator-1 (* pupil-factor coc (- distance focal-length)))
  87          (denominator-2 (* pupil-factor aperture focal-length))
  88          (near (/ (+ numerator-1 numerator-2)
  89                   (+ denominator-1 denominator-2)))
  90          (far (/ (- numerator-1 numerator-2)
  91                  (- denominator-1 denominator-2)))
  92          (mag (float (/ focal-length (- distance focal-length))))
  93          (infinity-blur-diameter (/ (* mag focal-length) f-stop))
  94          (depth (- far near)))
  95     (values near far depth mag infinity-blur-diameter)))
  96
  97 ;; Simplified calculation for symmetric lens
  98 (defun dof-symmetric-mm (focal-length f-stop distance coc)
  99   "Returns depth of field based on focal-length, f-stop, distance, and coc.
 100 Six values are returned:
 101 near dof, far dof, total dof, near point, far point, magnification,
 102 blur size at infinity (mm).
 103 Circle of confusion can either be a number or keyword designating format.
 104 Pupil factor is the ratio of the exit to enterance pupil diameters."
 105   (let* ((aperture (/ focal-length f-stop))
 106          (numerator (* distance coc (- distance focal-length)))
 107          (factor-1 (* focal-length aperture))
 108          (factor-2 (* coc (- distance focal-length)))
 109          (near (- distance (/ numerator (+ factor-1 factor-2))))
 110          (far (+ distance (/ numerator (- factor-1 factor-2))))
 111          (mag (magnification focal-length distance))
 112          (infinity-blur-diameter (/ (* mag focal-length) f-stop))
 113          (depth (- far near)))
 114     (values near far depth mag infinity-blur-diameter)))
 115
 116 (defun dof (focal-length f-stop distance coc &key (units :mm) (pupil-factor 1))
 117   "Returns the Depth of Field.
 118 Input: FOCAL-LENGTH, F-STOP, DISTANCE, CIRCLE-OF-CONFUSION.
 119 Output: NEAR-POINT, FAR-POINT, TOTAL-DOF, MAGNIFICATION, BLUR-SIZE-OF-INFINITY-POINT-IN-MM."
 120   (multiple-value-bind (near-point far-point total-dof mag blur)
 121       (dof-mm focal-length f-stop (length->mm distance units) coc
 122               :pupil-factor pupil-factor)
 123     (values (mm->length near-point units)
 124             (mm->length far-point units)
 125             (mm->length total-dof units)
 126             mag blur)))
 127
 128 (defun hyperfocal (focal-length f-stop coc &key (units :mm))
 129   (mm->length (+ focal-length (/ (* focal-length focal-length) f-stop coc)) units))
 130
 131 (defun effective-aperture (focal-length distance aperture)
 132   (* aperture (bellows-factor focal-length distance)))
 133
 134 (defun mtf-scanner (freq dscan-freq &optional (order 3))
 135   (abs (expt (kmrcl:sinc (* pi (/ freq dscan-freq))) order)))
 136