Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego stosowane w fotografii : Przysłonę obiektywu tworzy kilka blaszek o kształcie sierpowatym, zachodzących jedna na drugą w ten sposób, iż zsuwając je lub rozsuwając można regulować średnicę otworu, przez który światło dostaje się do wnętrza obiektywu. Przysłona kontroluje intensywność światła podczas ekspozycji. Wartość otworu względnego jest to stosunek średnicy źrenicy wejściowej obiektywu (wielkość otwartej przysłony) do jego ogniskowej. Liczba przysłony - liczba określająca względną wielkość otwartej przysłony wyrażoną stosunkiem ogniskowej obiektywu do wielkości otwartej przysłony. Ciąg liczb przysłony wzrasta w postępie geometrycznym, opartym na zmianach wielkości przysłony obiektywu podczas jej otwierania i zamykania. Kolejne wzrastające liczby szeregu otrzymuje się, mnożąc poprzednią liczbę przez wartość. Każda zmiana oznacza podwojenie lub zmniejszenie o połowę ilości światła, przepuszczanego przez obiektyw. klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. Skala przysłon 1 1,4 2 2,8 4 5,6 zmniejszenie (otwieranie) 8 11 16 22 32 zwiększenie (przymykanie) przysłony zwiększenie zmniejszenie wartości otworu względnego obiektywu Przysłona Czas naświetlania (szybkość migawki) Czas w ciągu którego migawka aparatu pozostaje otwarta pozwalając aby światło z obiektywu padało na kliszę lub matrycę cyfrową. Czas naświetlania mierzony jest w sekundach. Różne aparaty fotograficzne dysponują różną rozpiętością czasów. Każda kolejna pozycja w standardowej skali czasów naświetlania jest o połowę mniejsza lub dwukrotnie większa od poprzedniej. Odpowiada to dwukrotnemu zmniejszeniu lub zwiększeniu ilości światła docierającej do kliszy w trakcie naświetlania. Skala czasów naświetlania 1/1000 1/500 1/250 1/125 1/60 1/30 1/15 zmniejszenie 1/8 1/4 1/2 1 zwiększenie czasu naświetlania F4.0 F6.8 F11.4 Czas naświetlania 1/250 Czas naświetlania 1/30 1
Czas naświetlania 1/4 Czułość (Sensitivity) Czułość określa poziom uczulenia materiału fotograficznego na światło, czyli jaka ilość światła jest potrzebna aby film został prawidłowo naświetlony. Do określenia czułości filmów używa się dzisiaj skali ISO. Czym mniejsza liczba na skali czułości tym materiał jest mniej czuły, im większa tym bardziej czuły. Film o czułości ISO 200/24 jest dwa razy czulszy niż film o czułości ISO 100/21, a dwa razy mniej czuły niż film o czułości ISO 400/27. Skala czułości ISO 25/15 ISO 50/18 ISO 100/21 ISO 200/24 ISO 400/27 ISO 800/30 ISO 1600/33 zmniejszenie czułości zwiększenie Wartość świetlna (wartość ekspozycji) (ang. Exposure Value - EV) Liczba, reprezentująca wszystkie kombinacje czasu otwarcia migawki i przysłony, które dają taki sam efekt naświetlenia w tych samych warunkach fotografowania (jasność obiektu) i przy tej samej czułości filmu. otwór względny (przysłona) Tabela wartości świetlnych (EV) dla filmu o czułości ISO 100/21 czas naświetlania w sekundach 1 1/2 1/4 1/8 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1,4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2,8 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 4 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Przykład przysłona = F2.0 migawka = 1 EV=log 2 (2 2 /1) = 2 5,6 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 8 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 11 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 16 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Głębia ostrości Obszar największej ostrości obrazu przed i za obiektem, na który nastawiono ostrość na skali odległości obiektywu. Głębia ostrości zależy od ogniskowej obiektywu, przysłony i odległości fotografowania Głębia ostrości F3,2 F4,0 F5,6 F8,0 F9,0 2
Odległość hiperfokalna Najbliższy punkt, na który fotograf może nastawić ostrość tak, by głębia ostrości sięgnęła do nieskończoności. Dzięki nastawieniu na obiektywie odległości hiperfokalnej uzyskuje się największą przy danej przysłonie głębię ostrości, rozciągającą się od połowy odległości hiperfokalnej do nieskończoności. Im dłuższa ogniskowa, tym większa odległość hiperfokalna; im mniejszy otwór przysłony (większa liczba przysłony), tym mniejsza odległość hiperfokalna. Skala głębi ostrości dla przysłony F16 Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego stosowane w fotografii : klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. Rozmiar klatki filmu i matrycy aparatu cyfrowego Obiektyw tworzy okrągły obraz. Klatka tradycyjnej błony 35mm rejestruje większość tak tworzonego obrazu. W aparatach cyfrowych stosuje się małe matryce, których powierzchnia obejmuje zaledwie część obszaru rejestrowanego przez film 35mm. W efekcie dochodzi do swoistego "wydłużenia" ogniskowej obiektywu. Wartość wydłużenia zależna jest od wielkości matrycy. Przeliczanie ogniskowych w fotografii cyfrowej a) Dla obiektywu o długości ogniskowej f kąt widzenia obiektywu, a więc wycinek całego pola widzenia, który będzie widoczny na zdjęciu ma wartość α. Znając długość ogniskowej obiektywu możemy ocenić czy jest to obiektyw normalny (np. 58mm), szerokokątny (np. 28mm), czy też teleobiektyw (np. 150mm). b) Rozmiar elementów światłoczułych (CCD, CMOS) w większości aparatów cyfrowych jest różny od standardu filmu małoobrazkowego. Jeżeli element CCD o długości przekątnej p* < p umieścimy w odległości ogniskowej f to kąt widzenia obiektywu α* zmniejszy się. Ten sam obiektyw, który dla tradycyjnego aparatu był obiektywem normalnym, dla aparatu cyfrowego stanie się teleobiektywem. c) Jeśli chcemy zachować kąt widzenia, to musimy element CCD zbliżyć do obiektywu na odległość f *. W fotografii tradycyjnej klatka filmu ma przekątną p = 43,27mm. Przeliczanie ogniskowych w fotografii cyfrowej Wobec różnych wielkości matryc CCD i CMOS ogniskowe w aparatach cyfrowych przeliczane są na odpowiadającą temu samemu kątowi widzenia długość ogniskowej w aparacie małoobrazkowym zgodnie ze wzorem: Współczynnik Przykład: jest podawany przez producenta dla każdego aparatu cyfrowego. Canon 300D wyposażony jest obiektyw o zmiennej ogniskowej EF-S 17-85mm f/4-5.6 IS USM. Współczynnik dla tego aparatu wynosi 1,6. Porównanie rozdzielczości Element Resolution Total Pixels Human eye 11,000 x 11,000 120 million 35-mm slide The "Economist" magazine says it has 20 million or more. CMOS Imaging News says 5 to 10 million depending on the film. Another source says about 80 million pixels. Zatem ekwiwalentna ogniskowa obiektywu odpowiadająca temu samemu kątowi widzenia co w aparacie małoobrazkowym wynosi 27-136mm. 3
Porównanie rozdzielczości Czułości kliszy fotograficznej Rozdzielczość kliszy fotograficznej uzależniona jest od wielkości cząstek wchodzących w skład emulsji. Im mniejsze cząsteczki tym większa rozdzielczość. Wzrost rozdzielczości powoduje jednak spadek czułości emulsji. Kolory podstawowe Model RGB miesza kolory w sposób addytywny (kolory modelu RGB są tworzone przez sumowanie światła). Taki model przestrzeni barw dobrze pasuje do fizycznego przebiegu syntezy barwy w telewizorze i monitorze komputerowym. Model CMY miesza kolory w sposób substraktywny (kolory modelu CMY są tworzone przez odejmowanie światła pochłoniętego przez barwniki). Mieszanina wielu barwników dąży do efektu czerni. Taki model przestrzeni barw dobrze pasuje do fizycznego przebiegu substraktywnego mieszania farb drukarskich przy wykonywaniu wydruków na białym papierze. 4
Współzależności między barwami RGB i CMY Zapis kolorowego obrazu na kliszy fotograficznej G + R = Y B + R = M B + G = C B + Y =0 G + M = 0 R + C = 0 Zapis kolorowego obrazu na kliszy fotograficznej Image capturing in digital cameras Just as in a traditional camera, light enters a digital camera through a lens controlled by a shutter. Digital cameras have one of three types of electronic shutters that control the exposure: Electronically shuttered sensors use the image sensor itself to set the exposure time. A timing circuit tells it when to start and stop the exposure. Electromechanical shutters are mechanical devices that are controlled electronically. Electro-optical shutters are electronically driven devices in front of the image sensor which change the optical path transmittence. Image sensors in digital cameras Rejestracja obrazu przez matrycę cyfrową Image sensors can be incorporated into a camera in a variety of ways. One-chip, one-shot cameras use different color filters over each photosite to capture all three colors with a single exposure. One chip, three shot cameras take three separate exposures: one each for red, green and blue. A different colored filter is placed in front of the image sensor for each of the colors. Two-chip cameras capture chromonance using one sensor (usually equipped with filters for red light and blue light) and luminance with a second sensor (usually the one capturing green light). Three-chip cameras use three full frame image sensors; each coated with a filter to make it red-, green- or blue-sensitive. A beam splitter inside the camera divides incoming images into three copies; one aimed at each of the sensors. Matryca CCD zbudowana jest z elementów światłoczułych ułożonych w postaci dwuwymiarowej tablicy o określonej liczbie kolumn i wierszy. Siatkę elementów przykrywa trójkolorowy filtr. Ostatnią warstwę tworzy zespół mikrosoczewek ogniskujących światło. Fotony uderzające w elementy światłoczułe powodują wzbudzanie w nich ładunków elektrycznych. Wielkość ładunku elektrycznego jest proporcjonalna do natężenia światła. 5
Interpolacja składowych podstawowych Każdy piksel rejestruje tylko jedną składową koloru. Pozostałe składowe uzyskuje się na drodze interpolacji brakujących dwóch barw z wykorzystaniem informacji zawartych w sąsiednich pikselach. Rejestracja obrazu przez matryce CCD i CMOS CCD (ang. Charge-Coupled Device) CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor) Matryca CCD Matryca CMOS Rejestracja obrazu przez matrycę CCD Matryca Super CCD firmy FujiFilm Konwencjonalne rozmieszczenie elementów światłoczułych w matrycy CCD Ośmiokątne fotodiody ułożone pod kątem 45 stopni w matrycy Super CCD Zastosowanie matrycy Super CCD pozwoliło na: zwiększenie rozdzielczości i czułości, poszerzenie zakresu rozpiętości tonalnych, uzyskanie wysokiego stosunku sygnału do szumu. Matryca Super CCD firmy FujiFilm Matryca Super CCD SR Matryca Super CCD SR czwartej generacji posiada dwa rodzaje pikseli piksele S o wysokiej czułości oraz piksele R o szerokiej rozpiętości. Powstający obraz charakteryzuje się zwiększoną rozpiętością tonalną oraz lepszym odwzorowaniu szczegółów, zwłaszcza w cieniach i światłach. Effective pixels Image sensor Number of recorded pixels Sensitivity Super CCD HR-equipped camera 6.35 million 1/1.7" Super CCD HR 6.63 million total pixels Max. 4048 x 3040 (12.3 million) ISO 200-1600 (at ISO 1600, in 1280 x 960 pixel mode) A/D conversion 12 14 bits 14 bits Super CCD SR-equipped camera Dynamic range Same as existing Fujifilm digital cameras Approximately 4x (vs. existing Fujifilm digital cameras) Movie 30 frames/second in VGA size 6
Rejestracja obrazu przez matrycę CMOS Matryca Foveon X3 wykonana w technologii CMOS Rozwinięciem standardowych matryc wytwarzanych w technologii CMOS jest opracowana przez firmę Foveon matryca typu X3. Rejestruje ona obraz w sposób zbliżony do tradycyjnej błony fotograficznej tj. wykorzystując zjawisko absorpcji fotonów na różnych głębokościach w materiale światłoczułym. W każdym punkcie matrycy rejestrowane są wszystkie trzy składowe światła dzięki trójwarstwowemu ułożeniu detektorów matrycy, jeden nad drugim. Uzyskany obraz charakteryzuje się o wiele lepszą ostrością oraz widocznością drobnych szczegółów. Porównanie metod rejestracji obrazu Porównanie właściwości matryc CCD i CMOS CCD Ładunki z elementów światłoczułych przekazywane są rzędami do rejestru odczytu skąd trafiają szeregowo do przetwornika A/C CMOS Sposób przetwarzania informacji i dostęp do niej Każdy element światłoczuły posiada wzmacniacz sygnału oraz rejestr odczytu, adresowanie rejestrów odbywa się za pomocą wierszy i kolumn Wykorzystanie powierzchni matrycy do rejestracji obrazu Do 100%; Wysoka czułość; Niski poziom szumów Do ok. 90%; Mniejsza czułość; Wysoki poziom szumów Rozdzielczość Wysoka Średnia Szybkość działania Mała; Nie nadaje się do rejestracji obrazów ruchomych Duża; Możliwość wykorzystania w kamerach cyfrowych Właściwości technologii produkcyjnej Specjalna linia produkcyjna przeznaczona wyłącznie do Dopracowana technologia wykorzystywana do produkcji produkcji matryc CCD; Brak możliwości integracji wielu układów scalonych; Możliwości integracji wielu obwodów obwodów w jednym układzie scalonym w jednym układzie scalonym Koszt produkcji Wysoki Niski Zużycie energii Duże; Praca przy stosunkowo dużym napięciu zmiennym Małe; Praca przy niskim napięciu stałym Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego stosowane w fotografii : klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. 7
Czujniki i nastawniki stosowane w aparatach Canon EOS Mikroprocesory stosowane w aparatach Canon EOS Pomiar ostrości Pomiar ogniskowej Czujnik ruchu soczewek obiektywu Czujnik zamocowania obiektywu Czujnik parametrów kliszy Czujnik otwarcia komory aparatu Czujnik przesuwu kliszy Korpus aparatu + obiektyw Canon EOS 620 Pomiar ekspozycji Lampa błyskowa Pomiar ekspozycji Pomiaru wielopunktowy Pomiar ostrości Canon EOS 1N BASIS (Base-Stored Imaging Sensor) Pomiar centralnie-ważony 8
Canon EOS620 Pomiar ostrości Pomiar ostrości Zasada działania sensora BASIS BASIS Sensor Pomiar ostrości Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego MOS Sensor stosowane w fotografii : klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. Diafragma elektromagnetyczna EMD (ang. Electromagnetic Diaphragm) Zastosowanie - ustawianie przysłony 9
Silnik AFD (ang. Arc Form Drive) Zastosowanie - ustawianie ostrości Pierścień USM (ang. UltraSonic Motor) Zastosowanie - ustawianie ostrości W napędzie AFD występuje konwencjonalny silniczek elektryczny Silniczek USM zamienia wibracje ultradźwiękowe w ruch obrotowy. Podstawowe cechy: Pierścień USM (ang. UltraSonic Motor) Zastosowanie - ustawianie ostrości Wysoki moment obrotowy przy małej prędkości umożliwia pominięcie układów redukujących prędkość (przekładnie). USM może wykonać większą pracę przy niskiej prędkości niż normalny silnik elektromagnetyczny. Duży moment hamujący. Kiedy silniczek jest wyłączany obiektyw natychmiast się zatrzymuje na zasadzie hamulca tarczowego. Prosta konstrukcja i bardzo cicha praca. Szybka reakcja na włączanie i wyłączanie pozwalająca na precyzyjne kontrolowanie prędkości obrotowej w szerokim zakresie od 0,2 do 80 obr/min. Mały pobór energii. Możliwość jednoczesnego ręcznego i automatycznego ustawiania ostrości (FTM Full Time Manual focusing). Są trzy możliwe sposoby wykorzystania funkcji FTM: Poprawianie ostości najpierw Auto, później Manual, Pre-ostrzenie najpierw Manual, później Auto, Ostrzenie wyzwalane przyciskiem Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego stosowane w fotografii : klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. Tryb automatyczny Program Mode Flexible Program Mode Tryby pracy: P - Tryb automatyczny (Program Mode) Tv - Preselekcja czasu naświetlania (migawki) (Shutter-Priority Mode) Av - Preselekcja przysłony (Aperture-Priority Mode) M - Ręczne ustawienie czasu naświetlania i przysłony (Manual Exposure Mode) A-DEP - Preselekcja głębi ostrości (Depth of Field) 10
Preselekcja migawki Preselekcja przysłony Shutter-Priority Mode Aperture-Priority Mode Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego Ręczne ustawienia czasu naświetlenia i przysłony Manual Exposure Mode stosowane w fotografii : klisza fotograficzna, matryca CCD, matryca CMOS. : mikroprocesorowy system sterowania, pomiar parametrów ekspozycji. Dodatkowe opcje dostępne w aparatach fotograficznych wybór metody pomiaru naświetlenia (wielopunktowy, jednopunktowy, centralnie ważony), wykonanie trzech zdjęć ze zmienioną ekspozycją (Auto Bracketing) - typowe dostępne korekcje: ±1/2EV i ±1EV lub ±1/3EV, ±2/3EV i ±1EV, blokada parametrów ekspozycji (AE Lock), ustawienie ostrości: ręczne (Manual Focus) automatyczne (Autofocus): focus jednopunktowy, wielopunktowy, pojedynczy, ciągły. Opcje dostępne tylko w aparatach cyfrowych: zmiana rozdzielczości obrazu, ustawianie czułości (Sensitivity), balans bieli (While Balance) (światło żarowe, jarzeniowe, słoneczne), system stabilizacji obrazu IS (ang. Image Stabilization), korekcja kontrastu (niski, normalny, wysoki), korekcja nasycenia barw (niski, normalny, wysoki). Korekcja parametrów ekspozycji - naświetlenia (Exposure Compensation) Korekcję poziomu naświetlenia wprowadza się poprzez zmianę czasu otwarcia migawki i/lub przysłony - za pomocą: pamięci automatycznego naświetlenia, wstępnego nastawienia korekcji naświetlenia albo sekwencji zmiennych naświetleń. Jak korygować parametry ekspozycji w zależności od odcienia obiektu + 2 1/2 EV bezszczegółowa biel + 2 EV skrajnie jasny + 1 1/2 EV bardzo jasny + 1 EV jasny + 1/2 EV średnio jasny odczyt światłomierza odcień średni - 1/2 EV średnio ciemny - 1 EV ciemny - 1 1/2 EV bardzo ciemny - 2 EV skrajnie ciemny - 2 1/2 EV bezszczegółowa czerń Korekcja parametrów ekspozycji 0EV +1EV +2EV 0EV -1EV -2EV Balans bieli polega na kompensacji barw obrazu zarejestrowanego przez matrycę cyfrową dla temperatury barwowej oświetlenia, jakie towarzyszyło wykonaniu fotografii. Temperatura barwowa związana jest ze spektrum promieniowanej przez źródło energii i stanowi obiektywną miarę wrażenia barwy danego źródła światła. Im temperatura jest wyższa tym światło jest bardziej zimne - niebieskie, im temperatura jest mniejsza tym światło jest bardziej ciepłe - czerwone. Płomień zapałki 1700K Wschodzące i zachodzące słońce 1850K Świeca 1925K Żarówka 100W 2500-3000K Żarówka halogenowa 3400K Światło słoneczne 1h po wschodzie 3500K Światło księżyca 4100K Światło słoneczne rano i po południu 4200K Światło dzienne 5500-6000K Żarówka jarzeniowa, słońce w południe 6500K Światło w pochmurny dzień 7000-8000K Lampa błyskowa 9000K Czyste niebieskie niebo 10 000-15 000K 11
Balans bieli 12