Fotografia cyfrowa. Radosław Mantiuk

Transkrypt

1 Fotografia cyfrowa Radosław Mantiuk 1

2 Potok fotografowania Etapy powstawania fotografii cyfrowej. Dane rejestrowane w pierwszym etapie potoku wykorzystywane są w kolejnych etapach. Błędy przekazywane są do kolejnych etapów potoku. 2

3 Human Visual System (HVS) System umożliwiający człowiekowi percepcję (ang. perception) obrazów. KOLOR Chrominancja - odcień - nasycenie Luminancja (jasność) 3

4 Spektrum elektromagnetyczne Światło - widzialny zakres fal elektromagnetycznych. 4

5 Zakres widzialnej luminancji i chrominancji Człowiek "widzi" więcej kolorów i szerszy zakres luminancji niż są w stanie zarejestrować/ wygenerować urządzenia techniczne (np. monitory, aparaty cyfrowe). zakres dynamiki luminancji 8-bitowe formaty graficzne 3*10-5 [cd/m2] ciemnie niebo, 2*10 9 [cd/m2] słońce 5

6 Okno ekspozycji (1) Zmiana ekspozycji przesuwa okno rejestrowanej luminancji. 10 6

7 Okno ekspozycji (2) Zmiana ekspozycji przesuwa okno rejestrowanej luminancji. 10 7

8 Zdjęcie HDR Zdjęcie HDR po kompresji tonów. 10 8

9 Cyfrowy aparat fotograficzny obiektyw (ang. lens) korpus (ang. body) 9

10 Cyfrowy aparat fotograficzny 10

11 Lustrzanka DSLR SLR - ang. Single-Lens Reflex 11

12 Matryce światłoczułe matryca fotodiod (ang. photodiodes) światło zamieniane na impuls elektryczny miarą mocy światła jest napięcie impulsu wymiary matrycy mniejsze od filmu 36mm (35x24 mm) współczynnik skalujący ogniskową obiektywu (powiększenie ogniskowej) aberracje obiektywów 12

13 CMOS vs CCD CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductors) dostęp do pojedynczych komórek sprzętowa redukcja szumów tania technologia większe rozmiary matrycy CCD (Charge-Coupled Devices) większa czułość na światło mniejszy szum odczyt komórek rzędami 13

14 Sensory CMOS Foveon Trzy fotodiody ułożone wertykalnie na sobie. Rejestracja wartości pikseli dzięki różnej głębokości wnikania fal świetlnych w strukturę silikonu dla różnych długości fal. Duże zaszumienie zdjęć wykonanych przy słabym oświetleniu. Nie jest potrzebny demosaicing (obraz jest ostrzejszy, nie ma artefaktów wynikających z interpolacji). 14

15 Czułość matrycy (ang. ISO sensitivity / ISO speed) Sv - wartość czułości matrycy, jednostka [ISO] Zwiększenie czułości zwiększa również szum. 15 Większe Sv to bardziej czuła matryca.

16 Przesłona (ang. Aperture) (1) diafragma (ang. diaphragm) (ang. aperture stop) - limituje ilość światła, które dostaje się do matrycy światłoczułej duża przesłona mała przesłona 16 szybkość obiektywu (ang. lens speed) - im większa przesłona tym szybszy obiektyw

17 Przesłona (ang. Aperture) (2) Av - wartość przesłony (ang. aperture value, APEX), względna jednostka [f/number] f /#= N = f D Im większy f-number tym mniej światła dociera do matrycy i mniejsza jest przesłona. W aparatach wykorzystywane są standardowe wartości f-number nazywane f-stops. Jeden f-stop oznacza dwukrotne zwiększenie/zmniejszenie ilości światła przechodzącego przez obiektyw (dwukrotną zmianę powierzchni przesłony). wartość APEX, np. N=16 kolejne wartością są wielokrotnościa Wartości f-stop mogą zmieniać się o połowę: 17

18 Głębia ostrości (ang. depth of field) Obszar sceny o dostatecznej ostrości. Aparaty bez efektu DOF (ang. hyperfocus distance). 18

19 Migawka (ang. shutter) Urządzenie machaniczno-elektroniczne regulujące czas naświetlania matrycy. szybkość migawki - ang. shutter speed Migawka w przesłonie Migawka szczeliniowa (w aparatach z wymiennymi obiektywami) Migawka płytkowa (bardzo szybka) 19 Migawka powinna synchronizować się z lampą błyskową Migawki elektroniczne.

20 Czas ekspozycji (ang. exposure time) (1) Tv - wartość czasu ekspozycji, jednostka [sekundy] np. T = 1/512 20

21 Czas ekspozycji: Rozmycie ruchu (ang. motion blur) 21

22 Czas ekspozycji: Długi czas naświetlania 22

23 Czas ekspozycji: czas naświetlania??? 23

24 Efekt uzyskiwany przy krótkim czasie naświetlania 24

25 Ekspozycja (ang. Exposure) Zmiana ekspozycji poprzez zmianę przesłony lub czasu ekspozycji. Zasada odwrotności (ang. reciprocal) - większa przesłona wymaga mniejszego czasu, aby uzyskać tą samą ekspozycję. zakres ekspozycji (ang. exposure latitude) - dopuszczalna zmiana ekspozycji, nie powodująca pogorszenia jakości zdjęcia szum - ciemne obszary saturacja/rozbłyski - jasne obszary bracketing (ang. exposure bracketing) - wykonanie serii zdjęć tej samej sceny z różnymi ustawieniami ekspozycji 25

26 Wartość ekspozycji Znając ekspozycję można obliczyć luminancję lub illuminancję sceny. Ev = log 2 N 2 luminancja Ev = log 2 L S K t illuminancja E S Ev = log 2 C f-number czas ekspozycji czułość matrycy (ISO) L = 2 Ev 3 dla S = 100 i K = 12.5 stała kalibracyjna czułość matrycy (ISO) stała kalibracyjna 26

27 Światłomierz (ang. light meter) Rodzaje mierników: pomiar światła odbitego od obiektów (ang. reflective light meter), wbudowane w aparatach, pomiar średniej luminancji (zakłada się średnie odbicie światła 12-18%) center-weighted metering, spot metering, matrix metering, pomiar światła padającego na obiekty (ang. incident light meter), pomiar illuminancji 27

28 Rejestracja kolorów przez matrycę światłoczułą Demosaicing - zamiana punktów matrycy na piksele RGB obrazu cyfrowego. CFA (Color Filter Array) - wzór Bayer'a 28

29 Demosaicing: Konwersja kolorów 29

30 Demosaicing: metoda najbliższego sąsiada Powielanie pikseli. 30

31 Demosaicing: interpolacja dwuliniowa Liniowa interpolacja brakujących wartości. G 5 = G 2 + G 4 + G 6 + G 8 4 R 2 = R 1 + R 3 2 R 4 = R 1 + R 7 2 R 5 = R 1 + R 3 + R 7 + R

32 Demosaicing: zipper 32

33 Demosaicing: false colors 33

34 Demosaicing: efekt Moire a 34

35 Demosaicing: rozmycie obrazu 35

36 Demosaicing: przykłady obraz oryginalny metoda najbliższego sąsiada interpolacja dwuliniowa interpolacja bazująca na gradientach 36

37 Soczewka - obiektyw Soczewka - symetryczny element optyczny załamujący, skupiający lub rozpraszający światło. Wykonana ze szkła lub przezroczystego plastiku. 37

38 Rodzaje soczewek Obliczanie ogniskowej R1 - promień powierzchni położonej bliżej źródła światła R2 - promień powierzchni oddalonej od źródła światła n - współczynnik załamania materiału soczewki d - grubość soczewki 38 soczewka skupiająca soczewka rozpraszająca

39 Obrazowanie w soczewkach (1) Obliczanie ogniskowej dla cieńkich soczewek powiększenie 39

40 Obrazowanie w soczewkach (2) Obliczanie ogniskowej dla cieńkich soczewek powiększenie 40

41 Cechy obiektywów Rodzaje: szerokokątne, standardowe, teleobiektywy. Rodzaje: stałoogniskowe, ze zmienną ogniskową (typu zoom). Jasność obiektywu. Aberracje. Rozdzielczość (MTF). Mechanika wspomagająca stabilizację matrycy (brak poruszeń). Typ mocowania (np. Canon EF). Specjalne zastosowania (np. typu shift). 41

42 Obiektywy stałoogniskowe bardzo dobre własności optyczne, jasne, mało uniwersalne. 42

43 Obiektywy typu zoom wpływ powiększenia ogniskowej na jasność obiektywu, aberracje 43

44 Obiektywy szerokokątne duże aberracje 44

45 Teleobiektywy duże rozmiary w przypadku jasnych teleobiektywów, mała głębia ostrości 45

46 Fotografia wykonywana w podczerwieni (ang. infrared photography) Większość aparatów cyfrowych ma nałożony filtr na matrycę blokujący pasmo podczerwieni. Wykonanie fotografii w podczerwieni wymaga zastosowania filtra na obiektyw (R72, 78C). Filtr ten blokuje światło widzialne i pozwala zarejestrować słabsze promieniowanie podczerwone (osłabione przez filtr na matrycy). Podczerwień w inny sposób niż światło widzialne odbija się od powierzchni obiektów (dlatego np. liście są b. jasne, a skóra człowieka ma własność podpowierzchniowego rozpraszania światła). 46

47 Fotografia wykonywana w podczerwieni Odbijanie światła przez różne materiały. 47

48 Fotografia wykonywana w podczerwieni Przykłąd zastosowania zespołu filtrów. 48

49 Filtry (1) Charakterystyki filtrów. 49

50 Filtry (2) Charakterystyki filtrów. 50

51 Dyspersja Zależność współczynnika załamania ośrodka od długości fali świetlnej. Fale o różnej długości załamują się pod różnym kątem. Pryzmaty o różnym współczynniku dyspersji. 51

52 Aberracje chromatyczne Soczewki obiektywu mają inne współczynniki załamania dla różnych długości fal. W rezultacie następuje przesunięcie punktu ogniskowania dla różnych długości fal. Aberracje: podłużne - przesunięcie wzdłuż osi optycznej boczne - przesuniecie na płaszczyźnie optycznej 52 aberracja chromatyczna jest szczególnie widoczna w obszarach o dużym kontraście (color fringes - frędzle)

53 Aberracje chromatyczne: obiektywy achromatyczne Układ dwóch soczewek zmniejszających aberracje chromatyczną (achromatic doublet, achromat). Dwie soczewki wypukła i wklęsła wzajemnie kompensują swoją dyspersję. crown glass - typ szkła charakteryzujący się małym współczynnikiem załamania i małą dyspersją (małą liczbą Abbe) flint glass (szkło krzemienne) - typ szkła o dużym współczynniku załamania i małej liczbie Abbe apochromatic lenses - układ więcej niż dwóch soczewek redukujących efekt aberracji chromatycznej 53

54 Liczba Abbe - miara dyspersji Liczba Abbe i współczynniki załamania dla różnego typu szkła. 54

55 Aberracje chromatyczne: purple fringes purpurowe frędzle - powodowane przez układ mikrosoczewek na sensorze skupiający prawidłowo kolor zielony, a wprowadzający aberracje dla kolorów czerwonego i niebieskiego. 55

56 Aberracje sferyczne Zmiana współczynnika refrakcji wraz z oddalaniem się od osi optycznej skutkujące nieprawidłowym ogniskowaniem promieni. Aberracja sferyczna rozmywa obraz. aberrację zmniejsza się za pomocą układu soczewek achromatycznych 56

57 Zniekształcenia promieniste (radial distorions) Symetryczne zniekształcenia obrazu. zniekształcenia beczkowe (ang. barrel distortions) zniekształcenia poduszkowate (ang. pincushion distortions) 57

58 Astygmatyzm Promienie poruszające się w dwóch prostopadłych względem siebie płaszczyznach mają różne ogniska (punkty skupienia). Ostre będą pionowe i poziome linie położone w różnej odległości od obserwatora. astygmatyzm trzeciego rzędu - rozmywanie obiektów oddalonych od osi optycznej astygmatyzm spowodowany brakiem symetrii systemu optycznego (wady soczewek) 58

59 Coma Nieprawidłowe ogniskowanie promieni biegnących pod pewnym kątem do osi optycznej. Rozmywanie jasnych elementów na brzegach pola widzenia (rozmycie ma kształt komety). positive coma 59

60 Winietowanie (1) Spadek jasności oraz nasycenia kolorów zdjęcia wraz z oddalaniem się od osi optycznej aparatu. Winietowanie jest większe dla obiektywów o mniejszych ogniskowych i dla dużych otworów przesłony. E cos 4 θ θ 60

61 Winietowanie (3) Pomiar winietowania. 61

62 Winietowanie (2) Pomiar winietowania (zależność od przesłony). 62

63 Głebia ostrości (ang. depth-of-field, DOF) Ostre będą tylko obiekty, których obraz pojawia się dokłanie w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu (na sensorze). Małe odchylenia nie powodują zauważalnego rozmycia obiektów. DOF maleje (mniejszy obszar ostry na zdjęciu): większej przesłony (większy otwór), większej ogniskowej, większego sensora. circle-of-confusion - maksymalny rozmiar plamy światła powstającej w wyniki skupiania promienia poza ogniskiem. 63

64 Wpływ przesłony na głebie ostrości Im większa przesłona tym mniejsza głebia ostrości. 64

65 Rozdzielczość obiektywu Zdolność do rejestracji drobnych szczegółów, ostrość zdjęcia (ang. sharpness). OTF (ang. Optical Transfer Function) (transformacja Fouriera funkcji PSF (ang. Point Spread Function) MTF (ang. Modulation Transfer Function) MTF definiuje w jaki sposób system optyczny filtruje obraz sceny. Określa rozdzielczość optyczną obiektywu. 65

66 MTF - obiektywy Modulacja - miara zmian wprowadzanych w pierwotnym obrazie przez obiektyw. MTF mierzy zdolność do rejestracji określonych częstotliwości. MTF odległość od osi optycznej (w [mm]) grube linie: 10 lp/mm, cieńkie: 30 lp/mm. czarne: minimalna przesłona, niebieskie f/8 ciągła linia - wzory typu meridional (okręgi) kreskowana linia - sagittal (wzor kreskowy) Canon EF f/4l IS USM 66

67 Szum (ang. noise) (1) Informacja na zdjęciu nie pochodząca od radiancji sceny. reset noise - szum wynikający z niecałkowitego wyzerowania sensora, przed wykonaniem zdjęcia wartość sensora dla piksela może być zmierzona i odjęta od wartości po wykonaniu zdjęcia, fixed pattern noise (ang. dark signal non-uniformity, DSNU) - szum wynikający z niedokładności wykonania sensora, można go zarejestrować wykonując zdjęcie z zasłoniętym obiektywem, dark current (shot) noise - szum wywołany elektronami poruszanymi przez wibracje termiczne w całkowitej ciemności, transfer noise - szum związany ze zbieraniem danych z sensora, powiększany przez wzmacnianie sygnały (ang. gain), quantization noise - szum kwantyzacji wynikający z kwantyzacji analogowego sygnału pochodzącego z sensora, photon noise - zależny od irradiancji sceny, fotony docierają do sensora w losowej liczbie, jeżeli jest ich mało to tworzą niejednolite rozkłady, dla dużej liczby fotonów wpływ szumu maleje. 67

68 Photon noise 68 Mała liczba fotonów wywołuje szum wynikający z nieprawidłowego rozkładu sygału (zgodnie z rozkładem Poisson'a) dla dużej liczby fotonów rozkład staje się normalny.

69 Szum (ang. noise) (2) Photon shot noise Odchylenie standardowe wartość szumu rośnie jako pierwiastek kwadratowy wartości sygnału. 69

70 Literatura Christian Bloch, Technika HDRI w fotografii, HELION, 2010 Erick Reinhard, Wolfgang Heidrich, Paul Debevec, Sumanta Pattanaik, Greg Ward, Karol Myszkowski, High dynamic range imaging: acquisition, display, and imagebased lighting, Morgan Kaufmann,