Хроматические аберрации
Явление, часто наблюдаемое нами в природе, например, радуга. После дождя или во время него мы часто наблюдаем разложение белого света на полный цветовой спектр – радугу. Это происходит вследствие преломления лучей света в каплях воды, имеющих сферическую форму – фактически капли воды представляют из себя линзы с большой кривизной поверхности. Лучи света сильно преломляются, а так как у каждого цветового спектра света своя длина волны, то лучи каждого из спектров преломляются на свой угол и луч белого света расслаивается на цветной пучок. Именно это явление и приводит к возникновению радуги, мы просто наблюдаем хроматическую аберрацию дневного света, вызванную сильным его преломлениям в каплях дождя.
На примере абстрактного однолинзового объектива хроматические аберрации будут выглядеть следующим образом:
Сильным хроматическим аберрациям подвержены в основном краевые лучи, входящие в поверхность линзы под острым углом и сильно преломляемые линзой при их фокусировке. Лучи же, проходящие в центре линзы, практически лишены такого недостатка, так как их угол падения на плоскость преломляющей среды практически равен 90 градусам. Именно так работает объектив на полностью открытой диафрагме, однако это легко исправить, если прикрыть диафрагму достаточно сильно до значения f 11:
Как видно из приведенной схемы, основные лучи, приносящие нам хроматические аберрации (а значит цветовые искажения и снижение контурной резкости будущей фотографии), отсечены и не участвуют в формировании изображения.
После этого, сразу возникает желание закрыть диафрагму еще сильнее, чтобы наше формируемое изображение стало идеально резким, но это будет неверный шаг, так как чрезмерное закрытие диафрагмы приведет к проявлению другого негативного явления – виньетированию оптики. Оно связано с волновой природой света и, как следствие, возможностью света огибать препятствия. Конечно, это явление незначительно, и в жизни мы его практически не замечаем, но при создании такой миниатюры, как оригинал снимка размером 24Х36мм, этого вполне достаточно, чтобы снизить резкость будущего кадра. Виньетирование, как и хроматические аберрации, присутствуют в объективе всегда, оно проявляется в лучах проходящих мимо края диафрагмы объектива. При чрезмерном диафрагмировании (более f11) основной поток света будет формироваться именно этими лучами, а лучей, проходящих через центр оптики, не касающиеся краев диафрагмы в световом потоке, формирующем изображение, будет минимальное количество. Мы сразу увидим падение резкости, так как лучи, подвергнутые виньетированию, не могут быть достаточно сфокусированными и начинают размывать границы изображения, делая его не резким:
Вследствие расчетов и практической съемки было установлено, что золотым сечением оптики (оптимальной диафрагмой, дающей максимальную резкость в любой оптической системе) можно считать f 11, именно при таком диафрагмировании вы получите максимальное качество изображения, на которое способен ваш объектив. Конечно, не стоит относиться к f 11, как к единственной правильной диафрагме, очень часто условия освещенности не позволяют ее устанавливать, однако при возможности к ней надо стремиться в любом сюжете.
С точки зрения оптики, на научном уровне, мы описали процессы виньетирования и хроматической аберрации достаточно вольно, я бы даже сказал, не верно. Но зато такие адаптированные понятия сложных процессов проще воспринимать обычному фотографу, в целях которого не стоит задача написания диссертации на тему аберраций 1,2 и 3 порядка, а также аберраций высшего порядка. Для качественной съемки приведенного здесь материала вполне достаточно.
Свойства чувствительности матрицы (пленочного кадра) – по мере повышения чувствительности увеличивается и яркость кадра, это особенно важно, если снимать в условиях слабой освещенности. Однако повышение чувствительности приводит к снижению качества изображения и появлению так называемых цифровых шумов (крупного зерна в случае с пленкой). Нам стоит разобраться, в каких пределах стоит поднимать чувствительность и как это будет воздействовать на качество наших будущих фотографий.
Устройство матрицы.
Любая матрица состоит из миллионов пикселей, точек, содержащих 4-е регистратора с цветными фильтрами. Независимо от производителя и модели камеры матрицы устроены и работают примерно одинаково. Каждый из чувствительных элементов пикселя представляет из себя светочувствительный полупроводник: фотоконденсатор, либо фоторезистор. В зависимости от типа примененного полупроводника в каждой точке матрицы при попадании фотонов света происходит либо повышение сопротивления (в случае с фоторезистором), либо увеличивается заряд ячейки (в случае с фотоконденсатором). Программа считывает эти изменения и отображает их в виде яркостей точек на мониторе, где чем больше заряд или сопротивление, тем ярче будущая точка изображения. Однако такая фотография не будет иметь цветов, поэтому каждый из чувствительных элементов накрыт цветным фильтром и воспринимает только те цвета, которые фильтр пропустит.
Дело в том, что у материи нет цвета и мы видим, например, зеленое стекло «зеленым» только потому, что оно способно пропускать из всего видимого спектра лучей только зеленые лучи.
Для регистрации цвета выбрали набор основных цветов: красный, зеленый, синий (RGB). Путем аддитивного вычитания и сложения, из этих основных цветов возможно получить любой цвет радуги, то есть полный цветовой спектр. В самой программе прописаны координаты каждого светочувствительного элемента на матрице и цвет фильтра, которым он накрыт. Так получается цветное изображение, и наши мониторы в обратном порядке воспроизводят цветные точки разной яркости из записанного файла и создают цветное изображение, которое мы видим:
Соотношение цветов на матрице.
Вы уже заметили, что мы говорили о четырех светочувствительных элементах в одном пикселе, но цвета мы назвали только три. Все правильно, в каждом пикселе есть один красный фильтр, один синий и целых два зеленых фильтра. Так сделано для того, чтобы матрица лучше видела зеленый цвет. Наши глаза тоже лучше воспринимают именно зеленый и, если нарушить соотношение цветов на пикселе матрицы, то снимки, сделанные цифровым фотоаппаратом, не будут похожи по цветам на то, что видят наши глаза.
Способ и качество изготовления матрицы цифрового фотоаппарата.
Пиксели матрицы слишком малы для того, что бы их можно было изготавливать в привычном понимании этого слова. Современные матрицы выращиваются в виде многослойного кристалла, где каждый из слоев несет свою отдельную функции (проводники, цветные фильтры, аноды, катоды, изоляторы):
Но как нам известно из еще школьного курса физики, вырастить идеальный кристалл без нарушения структуры кристаллической решётки пока невозможно. Как следствие любая матрица на своей площади имеет множество отклонений от нормы:
- не работающие пиксели (в простонародье – «битые пиксели»)
- пиксели с аномальной чувствительностью (как совсем маленькой, так и завышенной в несколько раз)
- пиксели с нарушением фильтров, реагирующие на свет с разным отклонением цветности (на форумах начинающих фотографов их называют «горячие пиксели»).
Эти дефекты неизлечимы и присутствуют на любой матрице любого фотоаппарата еще при выпуске с завода. Производители вычисляют эти пиксели и «прячут» их программным способом, также в современных фотоаппаратах есть функция меппинг, позволяющая вам самостоятельно убрать неработающие точки изображения. Внимание, тестировать сказочными программками фотоаппараты при покупке не стоит – это самообман и потеря времени, абсолютно все матрицы имеют достаточно большое количество дефектов уже с завода – физику процесса выращивания кристаллов еще не удалось обойти никому.
Цифровые шумы – исходя из вышесказанного становиться понятно, что матрица с показателем минимальной чувствительности 100 ISO является таковой условно (производитель указал среднюю чувствительность поверхности матрицы). При малейшем повышении чувствительности (например, со 100 до 200 ISO) во время съемки, некоторые дефектные пиксели матрицы будут уже работать с предельной нагрузкой, их работа станет нестабильной, например, появятся зеленые точки там, где их в реальности не должно быть. Программное обеспечение фотоаппарата будет пытаться спрятать эти точки, для этого у нее есть два основных инструмента:
– размытие кадра (приводит к снижению резкости изображения)
– замена сигнала неправильно отработавших пикселей на ближайшие чистые сигналы (это приводит к некоторому снижению детализации изображения из-за копирования фактуры).
Как мы видим, поднятие ISO неизбежно влечет за собой снижение резкости снимка, причем по нарастающей в пределах от 100 до 800 ISO, после 1600 ISO в кадре появляются уже цветные искажение, так как камера не способна на такой высокой чувствительности кадра скрывать многочисленные сбои матрицы:
Из всего вышесказанного о чувствительности матрицы фотоаппарата становиться ясным, что всегда стоит стремиться выбирать минимально возможную чувствительность пригодную для съемки в данных условиях освещенности.
Общие рекомендации по выбору чувствительности можно охарактеризовать следующим списком:
- Солнечный день: 100 ISO
- Пасмурно: 200-400 ISO
- Съемка вечером, ночью и в помещении: 800-1600 ISO
IV. Экспонометрия
Каждая современная камера оборудована встроенным экспонометром, это устройство помогает фотографу оценить освещенность будущего кадра и принять решение по установке экспозиционных параметров (выдержки, чувствительности и диафрагмы).
Шкалу индикации экспонометра можно обнаружить в нижней строке видоискателя камеры, она появляется в случае установки на камере ручного режима управления экспозиции «М» и обычно она имеет обозначение:
- <| . . | . . 0 . . | . . |> +
Или
- 2 . . 1 . . 0 . . 1 . . 2 +
В видоискателе это выглядит следующим образом:
Современные экспонометры имеют один единственный эталон в соотношении, с которым они и измеряют количество света, поступающего в камеру. Чтобы снимок, сделанный по данным экспонометра был не очень светлым и не очень темным, а средним (нормальным) по освещенности, в качестве эталона экспонометра была выбрана средняя 18% яркость – то есть карточка среднего серого цвета. В большинстве цифровых фотоаппаратов для того чтобы получить из серого белое, достаточно пересветить будущий кадр на полные две ступени экспозиции (+2Ev). Так, для съемки заснеженной равнины, нам необходимо намеренно пересветить снимок на две ступени экспозиции, не взирая на то, что экспонометр сообщает, что сюжет отклоняется от центра шкалы экспонометра на эти самые две ступени экспозиции. Если не пересвечивать кадр и просто добиться нулевой отметки по шкале экспонометра в момент, когда видоискатель камеры направлен на заснеженную долину, то будущий кадр получиться серым. Ведь ноль шкалы экспонометра соответствует 18% среднему серому цвету (по яркости) и камера будет рекомендовать параметры для этого снимка, превращающие белоснежную целину в серую массу.
Прежде чем более подробно разобрать процедуру замера экспозиции с помощью экспонометра, нам стоит уточнить некоторые понятия:
Среднесерым считается именно 18% яркость, а не 50%, так как черный цвет практически не отражает света и его яркость стремиться к 0% - 5%,
а белый цвет отражает всего лишь 36% - 45% всего падающего света. Если вы не согласны, то проведите эксперимент, возьмите белый лист бумаги и попробуйте пускать им солнечных зайчиков – ничего не получится. Правильно, потому что белый лист слишком много поглощает света, а вот зеркальце будет работать нормально, так как отражает примерно 95% падающего на него света. Так и получается, что серый цвет (средняя яркость 18%) - это как раз середина между черным (яркость 5%) и белым цветом (яркость 45%).
Итак, современный экспонометр хочет сделать весь мир серым, если же кадр должен быть темнее или светлее, вам необходимо об этом помнить и при необходимости вносить либо поправки в полуавтоматических режимах камеры, либо добиваться нужного отклонения показаний встроенного экспонометра при съемке в ручном режиме. Все это будет справедливо, пока кадр замеряется по всей площади в целом, мало того, должную яркость кадра вам предстоит определять самостоятельно на глазок и уже после этого вносить поправки в работу экспонометра камеры. Но, к сожалению, это не слишком точный способ.
Есть более точные способы и связаны они с выбором зоны замера экспозиции и заблаговременным точным замером яркости эталонного предмета.
Для начала, давайте разберемся с вариантами зон замера экспозиции, на приведенных ниже рисунках. Красной зоной показана область, в пределах которой производиться замер. Также стоит не забывать, что во время работы экспонометра каждая из выбранных зон должна быть направлена на область будущего кадра, которую необходимо замерить. Экспонометр находиться в режиме замера непрерывно, и установка необходимых экспонометрических параметров имеет смысл только пока объект замера не вышел за рабочую зону экспонометра. Так сказать, что будем снимать, то и замеряем, и все параметры меняем, не отводя объектива от объекта съемки, именно для этого все экспонометрические настройки продублированы в видоискателе камеры.
Варианты зон замера:
- матричный замер – замер производится по всей площади кадра
- средневзвешенный – замер производиться в центральной трети площади кадра
- точечный замер – замер экспозиции производится в центральной точке кадра (не более 2% от площади кадра).
Теперь мы знаем, что можно уменьшить зону замера экспонометра до одной маленькой центральной зоны, что даст нам возможность выборочно произвести замер однозначно читаемой яркости в выбранном кадре. Даже если она занимает малую площадь от него.
Пример.
Мы снимаем письменный стол с лежащими на нем письменными принадлежностями:
- выбираем ручной режим установки экспозиции,
- нам не обязательно пытаться определить на глаз яркость всего сюжета относительно 18% серого, мы можем выбрать только белый машинописный лист, переключиться в точечный замер экспозиции и установить требуемые параметры выдержки, чувствительности и диафрагмы с таким условием, чтобы экспонометр, будучи направленный своей рабочей зоной на поверхность белого листа, показывал нам пересвет среднесерой 18% яркости (то есть отметки «0» экспонометра) на полных две ступени (+2Ev)
- далее, так как установленные вручную параметры не могут быть изменены экспонометрической системой самостоятельно (как это происходит в режимах A, S, P), не меняя настроек камеры, поворачивая ее, располагаем объекты съемки в кадре должным образом и снимаем.
Внимание! Домашнее задание с последующим разбором его преподавателем школы и методички по применению полученных теоретических знаний на практике – являются платной частью курса. После оплаты 100% стоимости курса слушатель получает все необходимые материалы на почту вместе с графиком сдачи домашних заданий для проверки преподавателем школы.
Домашнее задание №1.
Необходимо в ручном экспозиционном режиме камеры «М» сделать 10 разных снимков, которые должны отличаться по жанру (2 снимка - портрет, 2 - пейзаж, 2 - репортаж, 2 - натюрморт, 2 - жанр). Снимать необходимо в формате jpg. Основная задача фотографа - подобрать правильные экспонометрические параметры для съемки.
Приложение к домашнему заданию.
Степень воздействия экспозиционных параметров f, t, ISO, в порядке убывания:
1. t – выдержка, важнейший параметр съемки, если кадр будет смазан, то уже не важно, какая была чувствительность и диафрагма.
2. ISO – повышение чувствительности неизбежно снижает качество кадра. При малейшей возможности необходимо стремиться установить данное значение до рекомендуемых 100 ISO, при условии, что параметры выдержки соблюдены.
3. f – в случае, если выполнены условия короткой выдержки и достигнуто минимальное значение чувствительности, необходимо стремиться установить диафрагму f11.
Вывод: первое, что необходимо сделать фотографу перед съемкой - это определить чувствительность кадра, жестко контролировать выдержку, чтобы она не была длиннее минимально необходимой и, по возможности, если чувствительность кадра достигла минимума, стремиться к установке диафрагмы f11.
Прядок установки экспозиционных параметров в ручном режиме «М»:
1. Установить чувствительность в зависимости от условий освещенности.
2. Полностью открыть диафрагму объектива, чтобы пропустить максимум света в камеру.
3. Установить необходимую выдержку, учитывающую как скорость объекта съемки, так и фокусное расстояние объектива. Установка производится по указаниям экспонометра камеры (необходимо достигнуть не только нужной выдержки, но и нужной освещенности кадра).
4. Если света оказалось недостаточно для установки необходимой выдержки, то повышаем чувствительность, если света оказалось много, то (при условии, что ISO не выше 100 и уже установлена необходимая выдержка) можно попробовать прикрыть диафрагму (не забывайте, что рекомендуемая диафрагма f11, но она не обязательна, к ней надо просто стремиться).