Teoria fotografiei: expunerea

Bazele fotometrice

Lumina este radiația electromagnetică care poate fi percepută de ochii noștri, creând o senzație de lumină. Fotometria și radiologia sunt, de asemenea, strâns legate în ceea ce privește cantitățile și unitățile de măsură. Diferența fundamentală este că prima se ocupă doar de radiațiile electromagnetice vizibile ochiului uman. Una dintre proprietățile de bază ale luminii este frecvența radiației și lungimea de undă rezultată. Dacă lumina este monocromatică, adică conține radiații de o singură frecvență, există o relație directă între lungimea de undă a luminii și stimulul de culoare creat. Dependența viziunii noastre de culori este așa-numita dată de funcțiile de vizibilitate. Pentru suprafețele ușoare folosim V-ul fotopic (λ), pentru suprafețele întunecate folosim funcția scotopică V '(λ). Cea mai scurtă lungime de undă încă perceptibilă este de 380 nm (violet) și cea mai lungă este de 750 nm (roșu). Diferențe minore apar de la individ la individ.

Curba arată că ochii noștri sunt cei mai sensibili la culorile galben-verzui (555nm). În întuneric, percepția roșu este parțial pierdută în favoarea albastrului, iar maximul trece la verde (507nm). Există o opinie larg răspândită că acesta este motivul pentru care există mai mulți pixeli cu filtru verde pe senzorii cu filtru de culoare de tip Bayer, dar relația nu este atât de directă. Rezoluția detaliilor ochiului uman depinde și de culoare și, având culoarea verde în mijlocul spectrului vizibil și panta filtrelor de culoare finite, acest aranjament de filtrare promovează o utilizare mai bună a luminii.

În fotonică și radiologie, considerăm o felie infinitesimală de lungime de undă, suprafețe, unghiuri și timp utilizând calculul integral. Pentru ca această scriere să poată fi interpretată fără fundal matematic, vom vorbi de mărimi finite, astfel încât conceptele de bază ale fotometriei să denote întotdeauna valori medii. Acest lucru nu schimbă înțelegerea lucrurilor și, în realitate, instrumentele de măsurare au întotdeauna o suprafață finită, timpul de măsurare și așa mai departe. avea.

Echivalentul puterii radiate în fotometrie este flux luminos. Semnul său este Φ, unitatea sa este lumenul (lm). Pentru cei calificați în matematică: lungimea de undă integrală a puterii radiale spectrale ponderată de funcția de vizibilitate înmulțită cu o constantă. Aceasta poate fi considerată ca mărimea inițială pentru derivarea conceptelor fotometrice. Ieșirea luminii surselor de lumină radiate în toate direcțiile spațiului poate fi caracterizată prin fluxul său luminos. Iată fluxurile luminoase ale unor surse de lumină tipice, din care puteți calcula chiar și utilizarea luminii (lumen/watt):

lampă standard 100W: 1400lm
lampă cu halogen 100W: 2300lm
lampă fluorescentă 36W: 3000lm

De obicei, ne interesează doar lumina emisă de o sursă de lumină într-o anumită direcție, deci trebuie să cunoaștem echivalentul spațial al unghiului plan, cu unghi solid, marca: Ω. Așa cum unghiul central al unui arc de 1 rază în planul unui cerc este numit 1 radian, unghiul central de 1 rază al suprafeței unei sfere în spațiu se numește 1 stadian (sr), deci Ω = A/r 2, unde „A” este dimensiunea suprafeței. Pe baza formulei suprafeței sferei (4πr 2) și a definiției unghiului solid, unghiul solid total este 4π sr. THE strălucire nu este altceva decât un flux de lumină radiat la un unghi solid dat, care, evident, are și o direcție, astfel încât să poată fi interpretat doar împreună cu acesta. Simbol: I, unitatea sa este candela (cd), care este și unitatea de bază SI (nu trebuie confundat cu conceptul de luminozitate utilizat la lentile, care este un raport optico-geometric). Deci I = Φ/Ω. Relația dintre cele trei concepte este mai ușor de înțeles în următoarea animație:

Când razele de lumină ajung la suprafața unui obiect, există un dat iluminat sunt create. Semn: L, unitate: lumen/m 2 sau lux (lx). Pentru a calcula iluminarea, fluxul luminos care ajunge la suprafață trebuie împărțit la suprafața testată. E = Φ/A - unde „A” este dimensiunea suprafeței. Dacă suprafața este îndepărtată mai departe de sursa de lumină, fluxul luminos emis la același unghi solid (îndreptat spre suprafață) este distribuit pe o suprafață mai mare. Raportul dintre distanță și suprafață este pătrat, astfel încât iluminarea este invers proporțională cu distanța. Aceasta este legea distanței fotometrice. Iluminarea pe sol creată de unele surse de lumină naturală:

zi de vară la prânz (la latitudinea noastră): 60000lx
la fel toamna și primăvara: 30000lx
iarna: 9000lx
luna la luna plină: 0.2lx

Luminozitatea suprafețelor este determinată de ochii noștri (și de cameră) de luminanța suprafeței. THE luminanta fluxul luminos emis de suprafața examinată într-o direcție dată a spațiului, la un unghi spațial dat. Semn: L, unitate: cd/m 2. Peste o densitate de luminanță de aproximativ 3 cd/m 2 putem vorbi de viziune fotopică, sub 0,001 cd/m 2 de vedere scotopică și între cele două vederi mezopice. Culorile le percepem numai bine cu viziunea fotopică. Din densitățile de luminanță minime și maxime pe o suprafață mai mare, contrastul fotometric poate fi calculat: C = (Lmax - Lmin)/Lmin și raportul de contrast sau intervalul de luminanță: Cv = Lmax/Lmin

În cazul iluminării uniforme în timp, produsul iluminării și al timpului este a iluminare obsesie expunere fotometrică. Simbol: H, măsurat în lux-secunde (lx * s). H = E * t unde t este timpul de iluminare.

Rolul și relația mărimilor fotometrice în fotografie

După ce am învățat cantitățile de bază și unitățile lor, putem stabili acum ordinea logică dintre ele, care este tipică unei situații fotografice generale:

(singura) sursă de lumină
(singura) suprafață pe care o fotografiem
obiectivul camerei (pupila) și suprafața fotosensibilă

sursa de lumină și fluxul său luminos (lm)

↓

fluxul luminos emis în direcția suprafeței de iluminat, la unghiul spațial necesar iluminării suprafeței, adică luminanța (cd)

↓

fluxul luminos care ajunge la suprafața care urmează să fie iluminată (m 2) își creează iluminarea (lx)

↓

suprafața absoarbe sau transmite o parte din lumină, reflectă o parte din ea în direcția obiectivului camerei, la unghiul spațial necesar - luminanță (cd/m 2)

↓

obiectivul camerei modifică direcția razelor de lumină, oprește o parte din lumină (pupilă sau diafragmă) și o transmite senzorului

↓

fluxul luminos de pe suprafața senzorului determină iluminarea acestuia (lx)

↓

expunerea are loc într-un anumit timp (lx * s)

Expunerea în practica fotografică, valoarea expunerii

Prin urmare, expunerea nu este altceva decât cantitatea de lumină care ajunge la film sau senzor. În fotografie, se întâmplă adesea ca iluminarea subiectului să nu fie uniformă în timpul expunerii, de ex. în caz de bliț. Prin urmare, matematic, expunerea este integrarea în timp util a iluminării care ajunge la senzor. Plotând iluminarea senzorului în funcție de timp, expunerea este zona de sub curbă. Următoarea figură prezintă un exemplu:

Presupunând că lumina este recepționată continuu și uniform de la subiectul care va fi fotografiat, expunerea depinde de doi factori: expunerea la film sau senzor și durata expunerii (timpul de expunere). Primul depinde de luminanța suprafeței fotografiate și de diafragmă. Subiectul nu este afectat de cameră, astfel încât setările de expunere sunt caracterizate de diafragmă și lungimea expunerii. Deoarece există combinații infinite care duc la aceeași expunere, a fost creată o metrică care reunește cei doi determinanți. Aceasta se numește valoarea expunerii, (Valoarea expunerii - EV, LichtWert) - termenul valoare lumină (Fé) este, de asemenea, derivat din aceasta din urmă în limba maghiară. Pentru a calcula cu ușurință datele de expunere, corecțiile necesare și diferențele mai multor ordine de mărime, scara a fost logaritmică.

EV = log 2 (f # 2/t) - unde f # este numărul compartimentului.

Examinați formula dintr-o perspectivă matematică, astfel încât să putem înțelege cu ușurință relația dintre timpul de expunere și diafragmă. Datele de bază f/1 și 1s au 0EV, deoarece 1 2/1 = 1, iar logaritmul oricărei baze este 0, deoarece puterea 0 a oricărui număr este 1. Dacă vrem să păstrăm EV0, dar cu f2.0 numărul compartimentului, atunci trebuie să mărim timpul de expunere la 4s. Aceasta se numește legea reciprocității, care este bine ilustrată de tabelul cuprinzător de mai jos, care poate fi utilizat pentru a calcula valoarea expunerii. Filmele se comportă oarecum contrar legii reciprocității, care se numește efectul Schwarzschild.

Este important să înțelegem că, deși în limba maghiară numele valorii expunerii este valoarea luminii, ea nu caracterizează în sine cantitatea fotometrică de lumină, deci dacă de ex. Susțin că trebuie să filmez cu 0 EV, acest lucru nu se referă direct la luminozitatea (luminanța) subiectului. Pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie definit conceptul de expunere corectă și apoi de sensibilitate. Ambele sunt probleme foarte complexe care merită o scriere separată împreună cu contorizarea, dar elementele de bază (într-o formă foarte schițată) pot fi încă prezentate.

Sensibilitate și expunere corectă

Derivarea conștientă aritmetică/fizică a expunerii corecte și definiția sensibilității provin în mod natural din tehnica cinematografică, care este parțial moștenită și de digital. Prin urmare, este recomandabil să analizăm acest lucru chiar dacă ne-am concentrat până acum pe tehnologia digitală. Reacția filmelor la expunere este descrisă în așa-numitul curba de înnegrire. Axa sa orizontală arată expunerea, în lx * s, pe o scară logaritmică. Pe verticală pe o axă se află densitatea (D), care este al zecelea logaritm al raportului dintre luminanța incidentă asupra materiei prime dezvoltate și luminanța transmisă. Vorbim despre trecere din cauza filmului, am scrie o reflecție în cazul hârtiei. Astfel, la D = 0, filmul transmite 100% din lumină, la D = 1, 10%, la D = 2, 1%, la D = 3, 0,1%. Figura de mai jos prezintă o curbă tipică de înnegrire.

Există mai multe secțiuni notabile ale curbei, acum doar cea inferioară, așa-numita Mă interesează nivelul voalului și așa-numitul punctul de viteză. Expunerea la voal nu creează diferențe de densitate, astfel încât detaliile se pierd. Evident, nu putem permite acest lucru, deoarece, spre deosebire de expunerea corectă, ne așteptăm ca detalii de luminozitate diferite să se potrivească cu diferite zone negre din imagine, așa că trebuie să rămânem deasupra vălului. Dacă densitatea voalului este mărită cu 0,1, expunerea corespunzătoare este pragul de la care sensibilitatea (S - viteza filmului) poate fi calculată direct.

S Conform ISO = 0,8/H prag

Scara de sensibilitate este o serie definită de Organizația Internațională pentru Standardizare (ISO) (fără a pretinde a fi exhaustivă): 50, 64, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 640, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 6400 etc. Sensibilitatea nominală este considerată a fi valoarea standard cea mai apropiată de cea calculată prin formulă, astfel încât se poate vedea deja că curba de înnegrire de mai sus arată datele unui film ISO 100 (DIN 21 °). Scara ISO se bazează pe valoarea ISO100 și înmulțirea cu 2 în seria geometrică înseamnă o creștere de 1EV. Deci, dacă am obținut expunerea corectă la sensibilitatea ISO 200 la diafragma f/2,8 și 1/60 secunde (EV9), atunci la sensibilitatea ISO400 avem nevoie de EV10, ceea ce poate însemna de ex. îngustarea diafragmei la f/4, scurtarea timpului de expunere la 1/120 secunde sau chiar schimbarea ambilor parametri. Ideea este să rămâneți de-a lungul diagonalei care conține valoarea EV de 10 în tabelul de mai sus. După aceea, dacă oferim sensibilitatea filmului într-o anumită situație fotografică și valoarea expunerii necesare pentru expunerea corectă, aceasta se va referi într-adevăr la luminozitatea subiectului. Următoarea listă arată valorile expunerii utilizate în unele situații tipice pentru film ISO 100. Sensibilitatea este apoi scrisă în indexul EV.

stradă iluminată artificial: 6 EV 100
birou bine luminat: 7-8 EV 100
zi, vară, vreme înnorată 13 EV 100
ziua, vara, pe vreme senină 15 EV 100

După cum sa menționat mai sus, o luminanță minimă și maximă poate fi determinată pe un subiect fotografic, care determină, de asemenea, intervalul de lumină (raportul de contrast). Nu numai că este necesar să ridicați expunerea corectă la pragul minim de expunere, dar și să aveți expunerea celei mai strălucitoare părți a imaginii sub vârful curbei și, dacă este posibil, zona de luminozitate. În caz contrar, imaginea va fi prea strălucitoare și detaliile vor fi pierdute. Dacă trasăm expunerea nu numai pentru cea mai întunecată, ci și cea mai deschisă parte a subiectului pe curba de înnegrire, putem ilustra cu ușurință cele două erori principale de expunere.

Cu toate acestea, cele două condiții nu sunt întotdeauna îndeplinite, așa că uneori trebuie să facem compromisuri. Prin urmare, este clar că metoda de măsurare are, de asemenea, un efect fundamental asupra ajustării expunerii considerate corecte. Analiza curbei de înnegrire a filmului oferă, de asemenea, un răspuns la motivul pentru care filmul negativ tolerează atât de bine detaliile imaginii arse. Deși curba este liniară pe o perioadă relativ scurtă, este încă monotonă pentru o lungă perioadă de timp, astfel încât creșterea expunerii este asociată cu creșterea densității. În acest fel, raportul dintre luminozitatea detaliilor obiectului din imagine este supărat, dar caracterul distinctiv rămâne chiar înainte de secțiunea complet orizontală.

Potrivirea digitală a sensibilităților filmului

Pentru camerele digitale, funcția senzorului de expunere/ieșire (tensiune) are o asemănare cu filmul. Mergând spre o expunere mai redusă, aceasta se aplatizează și ea, dar la o expunere ridicată este adesea întreruptă brusc la saturație, iar secțiunea dintre cele două este mai liniară. Echivalentul electronic și pragul unui voal de film sunt determinate de o serie de factori: eficiența cuantică a senzorului (cât de eficiente vor fi perechile de găuri electron-electron de la fotoni), curentul întunecat și zgomotul, câștigul și zgomotul etapelor amplificatorului, rezoluția, linearitatea și zgomotul convertoarelor analog-digital, algoritmi de procesare a imaginilor (demosaic, setări de imagine, filtrare a zgomotului etc.) și, cel mai important, capacitățile fișierului digital de ieșire și ale sistemului de afișare. În timpul din urmă, nu calitatea produselor, ci de ex. spațiul de culoare utilizat (sRGB) trebuie înțeles.

În general, sensibilitatea setată pe o cameră digitală este egală cu sensibilitatea unui film care produce valori de luminozitate (raport minim la maxim) care vor fi prezente în imaginea digitală rezultată cu același subiect și expunere. Această afirmație are, de asemenea, influența spațiului de culoare, care este de obicei sRGB. Cu toate acestea, nu există nicio relație directă între expunerea pe pixel și valoarea numerică de ieșire. ISO 12232 oferă o serie de metode diferite pentru determinarea „valorii ISO digitale” corespunzătoare sensibilității filmelor, dar aplicarea lor nu este obligatorie pentru producători, deci acestea sunt numere mai degrabă arbitrare. Nu este o coincidență faptul că o valoare ISO digitală nu are nici măcar un nume uniform, ci indică întotdeauna metoda prin care a fost obținută. Exemple:

1. Saturație bazată la calcularea valorii ISO pe baza expunerii maxime (peste care nu este dată altă valoare de ieșire).
S saturație = 78/H saturație

2. Pentru un card de testare cu o reflectanță de 90%, calculat din 20% din expunerea la senzor (valoare considerată ca expunere medie a subiectului):
Indicele de expunere (EI) = 10/H medie
(notă: 0,9 x 0,2 = 0,18)

În timp ce în filme, sensibilitatea se referă la materia primă, în camerele digitale, obținem un fișier digital despre care (din perspectiva utilizatorului) știm foarte puțin. Valorile de ieșire pentru o expunere dată pot fi generate atât prin amplificare analogică, cât și digitală. Trăind competiția ISO digitală din ultimii ani, se poate spune că, pentru multe camere, imaginile cu sensibilitate ridicată nu îndeplinesc condițiile de expunere corectă, detaliile se pierd în zgomot și filtrarea zgomotului, rezultând un film slab expus și ulterior corectat. O posibilitate a standardului este de a determina sensibilitatea pe baza zgomotului imaginii, dar aceasta nu este o metodă obișnuită din motive de înțeles. De asemenea, producătorii folosesc diverse trucuri pentru a obține cele mai mari valori ISO posibile, de ex. se aplică o ușoară subexpunere sau supraexpunere și gama de valori este întinsă pe secțiunea neliniară a curbei. Se poate garanta că standardul va fi făcut mai strict și că vor fi dezvoltate metode mai fine, luând în considerare zgomotul și reproducerea detaliilor.

Mai multe gânduri

Dacă traducem literalmente termenul light value în engleză, obținem cuvintele „light value” (LV), dar trebuie să fim atenți la acest lucru, deoarece sensul său nu este același cu valoarea luminoasă maghiară, iar interpretarea sa nu este uniformă. În multe cazuri, luminanța medie a subiectului este într-adevăr menționată în acest fel, astfel încât, pe lângă valoarea expunerii, sensibilitatea joacă și un rol în calculul acesteia. Cea mai comună valoare a sa este valoarea EV aplicabilă la sensibilitatea ISO100.

De multe ori se sugerează cât de minunat este ochiul uman să poată îmbrățișa raporturi de luminanță> 10 11 și cât de departe rămân camerele în urmă. Ochii noștri sunt într-adevăr un miracol, cu toate acestea, această comparație este înșelătoare. Camerele digitale de astăzi realizează o acoperire de 2 9 . 2 13 și o rezoluție dată pe întreaga suprafață fotografiată, de obicei într-un timp foarte scurt. Atingerea uimitoare a ochiului, pe de altă parte, se datorează adaptării, care este o combinație de trei procese:

schimbarea diametrului pupilei
folosind bastoane care sunt mult mai sensibile, dar nu simt culoarea în loc de știfturi
producerea și degradarea anumitor substanțe chimice (pigmenți receptori) (câteva minute)

Chiar și cel mai rapid răspuns dintre acestea este mai lung decât ceea ce este făcută cu o fotografie medie și fără ele ochii noștri ar fi un instrument mult mai puțin sofisticat. O schimbare a diametrului pupilei durează, de asemenea, mai mult de 0,1 s. Pierderea percepției culorii asociată cu utilizarea bețișoarelor ar fi inacceptabilă pentru o cameră. Folosind două fotografii cu expuneri diferite și software-ul potrivit, camerele digitale pot arăta, de asemenea, o creștere a magnitudinii în ceea ce privește percepția de acoperire a luminanței.

'); $ („# mărit”). hover (funcție () < >, funcție () < $(this).remove(); >); $ ("# img mărit"). attr ("src", $ (this) .attr ("src")); $ ("# mărit"). css ("poziție", "absolut"); $ ("# mărit"). css ("top", image_offset ['top']); $ ("# mărit"). css ("stânga", 145); $ ("# img mărit"). css ("chenar", "1px solid # 333"); >, function () < >); >);