Лекція 3. Основні параметри фотокамери.

1.Матриця, її будова і принцип роботи. Шуми матриці

Мільйони паличок і колбочок (3,3-7 млн. колбочок і 75-170 млн.паличок) в органах зору людини безперервно фіксують картину навколишнього світу. У мозок відправляється растрове зображення, що складається з точок. Такі точки називаються пікселями (Pixel, Picture Cell). Аналогічно , з великої кількості точок, формують зображення технічні засоби відтворення, в тому числі монітори і принтери. Загальне число точок в зображенні характеризує його інформаційну ємність.

Сенсор цифрової камери(матриця) складається з прямокутної сітки світлочутливих елементів( пікселів), в кожному з яких виникає електричний заряд,пропорційний кількості падаючого на нього світла. Кожний піксель – це крихітний фрагмент зображення, а загальна кількість пікселів визначає знімок. Кожний такий елемент реєструє 1 піксель зображення. Головний параметр цифрового зображення – його інформаційна ємність, що визначається перемноженням числа пікселів в строчках і стовпчиках (наприклад, 2560х1920=5 млн.=5Мп пікселів.).

Відомо, що чим більша площа матриці, тим більше світла вона збирає, тим якіснішою буде фотографія навіть при значному масштабуванні(збільшенні). В плівковій фотокамері розмір кадру 36х24 мм дозволяє збільшувати фотографію до 16 разів без суттєвих втрат якості. В цифрових камерах матриця такого розміру називається повноформатною і має площу (36х24) 864 мм². Такі матриці дорогі і в основному застосовуються сьогодні в професійних камерах. Широкого попиту серед «просунутих» фотоаматорів набули камери з матрицею APS-C з лінійними розміром кадру 25,1х16,7 мм і площею 419,2 мм².

Площа матриці,її ємність і розмір світлочутливого елементу тісно пов’язані між собою. Здавалось би, що чим менший розмір елементу, тим більша ємність і тим краще зображення. Але ж менший елемент збирає менше світла,менше генерує електричної енергії. Тому сигнал від кожного елемента необхідно підсилювати, що в свою чергу підсилює і шуми матриці, які в процесі збільшення кадру будуть проявлятись на фотографії. Оптимальним розміром світлочутливого елементу є 6-9 мікрон. При меншому розмірі виникають проблеми з світлочутливістю ISO матриці (фотографування в лісі,сутінках,приміщенні), при більшому – становиться більш примітною ступінчастість контрастних країв у зображенні.

Як елементи запису зображень в цифрових камерах можуть використовуватись CCD ( Charge Coupled Device) – ПЗЗ – пристрій з зарядовим зв’язком або CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) КМОП – комплементарний металоксидний провідник.

Пристрій із зарядовим зв’язком є мікросхемою, яка містить світлочутливі елементи, які реєструють світло, що потрапляє на них через оптику. Світлочутливі елементи трьох типів (R, G, B - red, green, blue) на ПЗЗ розміщені за принципом шахової дошки. Кожен елемент реагує на «свою»довжину хвилі. У ПЗЗ- матрицях світло перетворюється в електричні заряди фотодіодами. Потім електричні заряди передаються через мікросхему ПЗЗ на перетворювач, що може бути описане як релейний процес, і підсилюються.

Будова КМОП-матриці за розташування аналізуючих елементів аналогічна, однак вона має підсилювачі для кожного пікселя. Це дає змогу підсилювати сигнал кожного пікселя і збільшувати швидкість зчитування порівняно з ПЗЗ матрицею, для якої потрібне полінійне передавання даних. А оскільки КМОП-матриця може зчитувати лише потрібну інформацію, вона дозволяє зменшувати споживану потужність і скорочувати до мінімуму електричні шуми. Так, ПЗЗ-матриця споживає 20 В, а за тих же умов КМОП-матриця споживає 5 В. В КМОП-матриці можна встановити допоміжні пристрої на кожен кристал, що дозволяє мініатюризовати систему. Не зважаючи на це, КМОП-матриці через шум у кожному пікселі поступаються ПЗЗ-матрицям за якістю зображення, особливо в умовах недостатнього освітлення.

2. Форми запису зображень,носії даних.

Практично у всіх цифрових фотокамерах для запису зображення використовується формат JPEG, чимало фотокамер мають можливість запису зображення у форматі TIFF. «Просунуті» компактні цифрові камери і цифрові камери більш високого класу мають формат RAW.

Формат JPEG розроблений задовго до появи цифрових фотокамер. Він оптимізований для передачі зображень каналами зв’язку і публікації їх в Інтернеті. Тому головна увага приділяється компактності файлів навіть за рахунок втрати деякої частини вихідної інформації. В цьому форматі максимально зберігається яскравість файлів,але колір частково урізається(втрачається). Формат JPEG забезпечує достатню якість зображення для розглядання на моніторі, публікації в Інтернеті, збільшення до розміру А-4 включно.

Формат TIFF широко використовується в комп’ютерній графіці, дозволяє зберігати зображення з великою глибиною кольору(до 48 біт) без втрати даних про яскравість і колір, але має порівняно великий розмір файлу. При ступені стиснення формату JPEG до FINE- висока якість, візуальної різниці між двома вище вказаними форматами не буде. Тому і перевагу віддають формату JPEG за менший розмір файлу.

Формат RAW, в перекладі з англійської «сирий», є рідним для цифрової фототехніки. Деякими параметрами обробки масиву даних RAW в процесорі камери користувач управляє через меню (установка різкості,контрасту,балансу білого кольору та ін.),але не може їх гнучко налаштовувати із-за «зашитих» виробником камери алгоритмів. Тому масив RAW вимагає завантаження в графічний редактор комп’ютера (через RAW-конвертер) і обробки в комп’ютері. Дуже часто результат буде кращий за файл,що обробляється в цифровій камері.

Змінні носії даних служать універсальним засобом збереження і переноски інформації в цифровій фотографії. За принципами збереження інформації носії поділяються на три основні категорії: твердотілі накопичувачі, жорсткі диски і оптичні накопичувачі. Носії перших двох категорій отримали найбільше розповсюдження. Приладом для збереження інформації в твердотілих накопичувачах є енергонезалежні флеш-пам’яті. Вони мають відносно велику ємність, мале енергоспоживання та задовільну швидкість запису зображень. Відсутність рухомих елементів зумовило високу надійність твердотілих накопичувачів. Вони витримують падіння з висоти понад 3 метри,працюють при температурі від -25 до +75⁰С і можуть використовуватись понад 100 років без втрати і псування даних.

В даний час десятки фірм випускають декілька типів твердотілих накопичувачів: CompactFlash (CF), Smart Media (SM), Multimedia Card (MMC), Secure Digital (SD), mini Secure Digital (mSD), MemoryStick (MS), MemoryStick Duo(MSD), MemoriStick Pro (MSP), xD Picture Card (xD). З розвитком технологій виробництва флеш-пам’яті і збільшенням ємності, значно підвищується швидкість запису та зчитування інформації, суттєво знижується вартість носіїв.

3. Об’єктиви. Класифікація об’єктивів.

Призначення фотографії – зберегти світлову картинку навколишнього світу. Перш, ніж зафіксувати світло якимось чином, його треба зібрати так, щоб мініатюрне зображення, яке попадає на плівку чи сенсор, в точності відповідало реальній картині в полі зору камери. Об’єктив – це пристрій, який формує зображення на носієві (плівці чи матриці фотокамери). З оптичного пристрою – об’єктиву – починається будь-яка фотокамера, будь то професійна,компактна чи вбудована в мобільник камера. Від якості об’єктиву якість знімка залежить в тій же мірі, як і від параметрів матриці. Об’єктив складається з з набору лінз, зібраних в єдину систему всередині оправи.

Штатний об’єктив (жарг. Кітовий об’єктив, від англ. Kit – комплект) – об’єктив, яким комплектується камера для продажу. Дзеркальні камери нижнього цінового діапазону комплектуються недорогими об’єктивами з змінною фокусною відстанню.

Також «штатним» називають об’єктив, фокусна відстань якого дорівнює діагоналі кадру. Наприклад,для малоформатної камери з розміром кадру 24х36 мм штатним буде об’єктив з фокусною відстанню 43 мм.

Класифікувати об’єктиви можна за багатьма ознаками: по конструкції (монокль, перископ, триплет…), по діапазону значень фокусної відстані (фікс, варіооб’єктив (трансфокатор)), за призначенням (портретний, макро, довгофокусний, шифт, тилт, софт, суперзум).

І все ж найширше застосування має класифікація об’єктивів по куту бачення та фокусній відстані, що віднесені до розміру кадру. Ця характеристика переважно визначає сферу застосування об’єктиву.

Нормальний об’єктив – об’єктив, у якого фокусна відстань приблизно дорівнює діагоналі кадру. Для повноформатної матриці камери (еквівалентній 35 мм плівці) нормальним вважається об’єктив з фокусною відстанню 50 мм, не дивлячись на те, що діагональ кадру складає 43 мм. Кут поля зору нормального об’єктиву від 40^о до 51^о включно (часто біля 45^о). Вважається,що сприйняття перспективи знімку, зробленого нормальним об’єктивом, найбільше наближається до нормального сприйняття перспективи навколишнього світу людиною.

Ширококутний об’єктив (син. – короткофокусний об’єктив) – об’єктив з кутом зору від 52^о до 82^о включно, фокусна відстань якого менша широкої сторони кадру (менше 35 мм). Часто використовується для фотографування в обмеженому просторі, наприклад інтер’єрів.

Надширококутний об’єктив – це об’єктив з кутом зору від 83^о і більше градусів, а фокусна відстань менше малої сторони кадру (менше 24 мм). Надширококутні об’єктиви мають властивість перебільшеної передачі перспективи і часто використовуються для надання зображенню додаткової виразності.

Портретний об’єктив – якщо вказаний термін застосовується до діапазону фокусних відстаней, то звичайно мають на увазі діапазон від діагоналі кадру до її трикратного значення. Для 35 мм плівки (повноформатної матриці) портретним вважається об’єктив з фокусною відстанню 50-130 мм і кутом поля зору 18-45^о. Поняття портретного об’єктиву досить умовне і відноситься крім фокусної відстані до світлосили і характеру оптичного рисунку в цілому.

Довгофокусний об’єктив – об’єктив, у якого фокусна відстань значно перевищує діагональ кадру. Має кут зору від 10^о до 39^о включно і застосовується для фотографування віддалених предметів.

Наддовгофокусний об’єктив – об’єктив з кутом зору 9^о і менше.

В даний час масово застосовується сучасний тип об’єктивів з змінною фокусною відс -танню, який називають варіооб’єктив ( трансфокатор, Zoom – англ.).

Схематичне позначення фокусної відстані об’єктивів та їх кута зору: 1. Надширококутний об’єктив. 2. Ширококутний об’єктив. 3. Нормальний об’єктив. 4. Телеоб’єктив. 5. Супертелеоб’єктив.

4.Поняття світлосили і відносного отвору об’єктиву. Діафрагма об’єктиву.

Світлосила об’єктиву являє собою ще один вельми важливий параметр. Він такий же важливий, як фокусна відстань та кут зору об’єктиву. Даний параметр характеризує яскравість зображення, побудованого на матриці фотокамери. Чим більш світлосильний об’єктив,тим більше світла буде через нього проходити, тим яскравіше зображення їм створюється і тим більше можливості при зйомці в недостатній освітленості обійтись без спалаху чи штативу. І навпаки, при меншій світлосилі зображення буде темнішим.

Відношення діаметру максимально відкритої діафрагми до фокусної відстані і буде світлосилою об’єктиву (так званою геометричною світлосилою об’єктиву). Саме цю світлосилу виробники оптики і вказують на об’єктивах – 1:1,2, 1:1,4, 1:1,8, 1:2,8, 1:5,6 і т.д. Природно,що чим більше таке співвідношення, тим більша світлосила об’єктиву. Тому світлосильними об’єктивами вважаються ті об’єктиви, у яких співвідношення 1:2,8, 1:1,8, 1:1,4 і більше.

Для замітки, самий світлосильний об’єктив у світі був зроблений в 1966 році для NASA для зйомки темної сторони Місяця. Називається він Carl Zeis Planar 50mm f/0,7 і світлосила у нього дорівнює 1:0,7. Таких об’єктивів було випущено всього десять.

Відносний отвір об’єктиву – поняття, що використовують для кількісної оцінки параметра діафрагми. Він визначається як відношення діючого вхідного отвору до фокусної відстані . Змінюючи діючий отвір за допомогою діафрагми,ми змінюємо відносний отвір об’єктиву і відповідно змінюється світлосила об’єктиву.

Діафрагма об’єктиву – це світлонепроникна перегородка з круглим або майже круглим отвором посередині. Розмір отвору діафрагми може змінюватись в залежності від режиму зйомки вручну (режим пріоритету діафрагми Av або ручний режим М) або автоматично. В залежності від розміру отвору(діафрагми) змінюється кількість світла, що потрапляє на матрицю.

Діафрагма фотокамери впливає на такі параметри:

- Яскравість фотографії. Чим більше діафрагменне число, тим менше світла попадає на матрицю.

- Глибина різко зображуваного простору ГРЗП. Чим більший відносний отвір, тим менша глибина різкості і, як наслідок, більший ефект боке.

- Якість зображення. Повністю відкрита діафрагма фотокамери пропускає через об’єктив крайові промені, які можуть проявитись в абераціях. В той же час, надто маленька діафрагма також не бажана із-за дифракції світла на її краях. Обидва дефекти впливають на зменшення контрастності зображення. В зв’язку з цим повинно бути підібране оптимальне значення – середина діапазону можливих діафрагменних чисел об’єктиву.

Діафрагменне число – зворотно пропорційна величина до відносного отвору, яка визначає ступінь зменшення діафрагми фотокамери. Відображається в шкалі f-ступеней.

Кожне наступне значення по шкалі змінює освітленість матриці рівно в 2 рази. Чим більше значення діафрагменного числа, тим менше діафрагма фотокамери. Якщо об’єктив має крайні значення f1,4 ………… f32, то першому значенню відповідає самий великий відносний отвір і світла проходить більше всього, і навпаки.

Висновки для практичного застосування діафрагми:

- Діафрагма фотокамери, як і витримка, є одним із параметрів регулювання експозиції зображення. Впливає на глибину різкості, якість зображення.

- Чим більше значення діафрагменного числа, тим менша діафрагма фотокамери в діаметрі.

- Для досягнення більшого боке необхідно відкрити діафрагму найширше (f1,4 - f2,8).

- Оптимальним значенням для портретів є максимально відкрита діафрагма (f1,4 - f2,8) для сильного розмиття фону,красивого боке. Для пейзажної зйомки оптимально f11-16. Для студійної – f8-9.

5. Фокусування об’єктиву. Глибина різко зображуваного простору.

Основними способами фокусування є автоматичне фокусування AF, оптика з вільним фокусом (англ. fokus free) та ручне фокусування M. Оптика з вільним фокусом – це короткофокусні об’єктиви з максимально закритою діафрагмою. Найчастіше таке рішення зустрічається на дешевих «мильницях».

Для точного фокусування використовують різні види автофокусу. Автофокус – це система, що призначена для фокусування без втручання фотографа. Складається з пристрою контролю і системи сервоприводу фокусування об’єктиву. Одна з них – сенсорний блок, що вимірює відстань до об’єкту зйомки або що визначає чіткість зформованого об’єктивом зображення. Друга частина – мікропроцесор, що управляє, використовуючи оптимальні для поточних умов алгоритми фокусування.

Активний автофокус використовує інфрачервоний або ультразвуковий дальномір – на об’єкти зйомки подається імпульс (інфрачервоний чи ультразвуковий) і, відбитий від об’єкту, він потрапляє на спеціальний датчик фотокамери. По інтервалу між моментами посилки імпульсу і прийому відбитого визначається відстань до об’єкту.

Пасивний автофокус працює інакше. Якщо об’єкт зйомки не у фокусі і зображення «розмите», то часто розташовані лінійки світлочутливих елементів освітлені однаково. Якщо об’єкт у фокусі, то зображення різке, контрастне і різниця в освітленості сусідніх лінійок досить велика. На підставі цієї інформації мікропроцесор автофокусу визначає дистанцію зйомки. У ряді випадків інтенсивності світлового потоку недостатньо для впевненої роботи автофокусу, тому в багато моделей камер оснащуються лампою підсвічування автофокусу. Ці лампи можуть підсвічувати об’єкт зйомки як у видимій, так і у інфрачервоній області спектру.

Значна більшість камер обладнана автофокусом з блокуванням. Цей режим використовується тоді, коли об’єкт зйомки не повинен знаходитись в центрі кадру. Фотограф до половини натискує кнопку затвору, камера обраховує експозицію і дистанцію зйомки. Після цього можна остаточно скомпонувати кадр і дотискати кнопку затвору. У інших випадках для блокування фокусу використовується окрема кнопка, інколи вона поєднується з кнопкою блокування експозиції.

В сучасних DSLR фотокамерах при встановленні перемикача режимів фокусування в положення AF доступні такі режими автофокусування:

AF – A - авто – фотокамера автоматично вибирає покадрове автофокусування, якщо об’єкт нерухомий, і безперевне автофокусування, якщо об’єкт знаходиться в русі. Можна виконати спуск затвору, якщо камера зможе виконати фокусування.

AF-S - покадрове слідкуюче автофокусування – для зйомки нерухомих об’єктів. Фокусування блокується, якщо кнопка затвору натиснута наполовину.

AF-C - безперевне слідкуюче автофокусування – для зйомки рухомих об’єктів. Коли спускова кнопка затвору натиснута на половину, фотокамера фокусується безперевно.

Ручне фокусування М використовується для об’єктивів, що не підтримують автофокусування або у випадку, коли автофокусування не дає необхідних результатів.

Глибина різко зображуваного простору ГРЗП – це фотографічний термін, який визначає зону прийнятного різкого фокусування перед точкою реального фокусування і позаду неї. Простіше кажучи, якщо камера фокусується на конкретній точці, то зона попереду і позаду неї буде також різкою. Ця зона називається глибиною різко зображуваного простору.

Глибина різко зображуваного простору залежить від трьох факторів: діафрагми об’єктива або діафрагменного числа, фокусної відстані об’єктиву та дистанції до об’єкту зйомки.

Як відомо, діафрагма – це отвір змінного розміру, який визначає кількість світла, що попадає в камеру. Більший розмір отвору (менше діафрагменне число) – більше світла попадає на матрицю, менший отвір (більше діафрагменне число) – менше світла.

Розмір отвору також визначає і глибину різко зображуваного простору. Залежність ГРЗП від діафрагми обернено пропорційна. Слід запам’ятати три правила щодо ГРЗП: - чим більше відкрита діафрагма, тим менша глибина різко зображуваного простору. І навпаки.

- чим більша фокусна відстань об’єктиву, тим менша глибина різко зображуваного простору.

- чим менша дистанція до об’єкту зйомки, тим менша глибина різко зображуваного простору.

Управління глибиною різко зображуваного простору – важлива складова творчої фотографії. Використання дуже малої ГРЗП (великих діафрагм, наприклад f1,8) дозволить відокремити об’єкт від красиво розмитого фону. При використання малих значень діафрагми, наприклад f16, об’єкти і переднього плану, і фону будуть різкими – таким образом можна показати взаємозв’язок між об’єктами. При одному і тому ж значенні діафрагми ширококутні об’єктиви( з малою фокусною відстанню) дадуть набагато більшу ГРЗП у порівнянні з довгофокусними об’єктивами. При одних і тих же значеннях діафрагми і фокусної відстані об’єктиву фотографія, яка була зроблена з меншої відстані до об’єкту зйомки, буде більш розмитою ( з меншою ГРЗП), ніж фотографія, що була зроблена з більшої відстані (з більшою ГРЗП).