Треугольник экспозиции: диафрагма, выдержка и светочувствительность ISO

Сенсоры цифровых камер

В цифровых камерах для получения изображения используется сенсорная матрица из миллионов миниатюрных ячеек-пикселей. Когда вы нажимаете кнопку спуска на своей камере, и начинается экспозиция, каждый из этих пикселей представляет собой «фототермос», который открывается, чтобы собрать и сохранить фотоны в своей ёмкости. По завершении экспозиции камера закрывает все фототермосы и пытается определить, сколько фотонов попало в каждый. Относительное количество фотонов в каждой ёмкости далее преобразуется в различные уровни интенсивности, точность которых определяется разрядностью (от 0 до 255 для 8-битного изображения).

В ёмкости не содержится информации о том, сколько каждого цвета попало в неё, так что вышеописанным способом можно было бы получить только чёрно-белые изображения. Чтобы получить цветные изображения, поверх каждой ёмкости помещают фильтр, который пропускает только определённый цвет. Практически все современные цифровые камеры могут захватить в каждую из ёмкостей только один из трёх первичных цветов и таким образом теряют примерно 2/3 входящего света. В результате камере приходится складывать остальные цвета, чтобы иметь информацию обо всех цветах в каждом пикселе. Наиболее известный матричный цветофильтр, который называется «фильтр Байера», показан ниже.

Матричный цветофильтр

Матрица Байера состоит из чередующихся рядов красно-зелёных и зелено-синих фильтров. Обратите внимание, что в матрице Байера содержится вдвое больше зелёных сенсоров, чем синих или красных. Дисбаланс первичных цветов вызван тем, что человеческий глаз более чувствителен к зелёному цвету,чем к красному и синему вместе взятым. Избыточность по зелёным пикселям даёт изображение, которое кажется менее шумным и более чётким, чем казалось бы при равном количестве цветов. Это объясняет также, почему шум в зелёном канале намного меньше, чем в остальных (пример см. в статье «Что такое визуальный шум»).

Исходная картинка (в двукратном увеличении)	Что видит ваша камера (через матрицу Байера)

Примечание: не все цифровые камеры используют матрицу Байера, но это наиболее распространённый вариант. Сенсор Foveon, используемый в камерах Sigma SD9 и SD10, регистрирует все три цвета в каждом пикселе. Камеры Sony снимают четыре цвета в похожем массиве: красный, зелёный, синий и изумрудно-зелёный.

Дебайеризация

Дебайеризация — это процесс трансляции матрицы первичных цветов Байера в итоговое изображение, в котором содержится полная информация о цвете в каждом пикселе. Как это возможно, если камера не в состоянии непосредственно измерить полный цвет? Один из способов понять этот процесс — это рассматривать каждый массив 2x2 из красной, двух зелёных и синей ячейки как одну полноцветную ячейку.

→

В целом этого достаточно, но большинство камер предпринимают дополнительные шаги, чтобы получить из этой матрицы ещё больше информации об изображении. Если бы камера рассматривала каждый из массивов 2x2 как одну точку, её разрешение упало бы вдвое. С другой стороны, если бы камера считала цвета, используя несколько перекрывающихся массивов 2x2, она могла бы получить более высокое разрешение, чем это возможно для единичных массивов 2x2. Для увеличения количества информации об изображении можно использовать следующую комбинацию из перекрывающихся массивов 2x2.

		→

Обратите внимание, что мы не рассчитывали информацию об изображении на границах матрицы, поскольку предположили, что изображение имеет продолжение в каждую из сторон. Если бы это действительно были границы матрицы, расчёты оказались бы менее точны, поскольку здесь нет больше пикселей. Это не является проблемой, поскольку для камер с миллионами пикселей граничная информация может быть смело отброшена.

Существуют и другие алгоритмы разбора матриц, которые могут извлечь несколько большее разрешение, собирают менее шумные изображения или адаптивно реагируют на разные участки изображения.

Дефекты дематризации

Изображения с мелкими деталями на пределе разрешающей способности цифрового сенсора могут порой сбивать с толку алгоритм разбора матрицы, приводя к неестественно выглядящим результатам. Наиболее известный дефект — это муар, который может проявляться как повторяющиеся текстуры, дефекты цветопередачи или образованные из пикселей сюрреалистические лабиринты:

Выше показаны два снимка с различным увеличением. Обратите внимание на появление муара во всех четырёх нижних квадратах, а также на третий квадрат первого снимка (плохо различимый). В уменьшенной версии в третьем квадрате можно наблюдать как лабиринты, так и дефекты цвета. Такие дефекты зависят как от типа текстуры, так и от программного обеспечения, которое производит исходный (RAW) файл цифровой камеры.

Матрица микролинз

Вас может заинтересовать, почему на первой диаграмме в этой главе ёмкости не были расположены непосредственно друг рядом с другом. У сенсоров в камерах в действительности нет полного перекрытия поверхности. На самом деле зачастую под пиксели отведено не более половины общей площади сенсора, поскольку нужно где-то разместить остальную электронику. Для каждой ёмкости существуют направляющие, которые отправляют фотоны в ту или иную ячейку. В цифровых камерах применяются «микролинзы» поверх каждой группы пикселей, чтобы повысить их способность собирать свет. Эти линзы подобно воронкам собирают фотоны, которые могли иначе остаться неиспользованными.

Хорошо сконструированные микролинзы могут улучшить сбор фотонов каждой ячейкой и, следовательно, создать изображения, в которых содержится меньше шумов при одинаковом времени экспозиции (выдержке). Производители камер оказались способны использовать усовершенствования в производстве микролинз, чтобы снизить или сохранить уровень шума в новейших камерах с высоким разрешением, несмотря на сокращение размеров ячейки в связи с упаковкой большего числа мегапикселей в тот же размер сенсора.

За дополнительной информацией о сенсорах цифровых камер обратитесь к главе:
Размеры сенсоров цифровых камер: как они влияют на фотографию?

Введение в экспозицию

Параметры экспозиции снимка определяют, насколько тёмным или светлым окажется изображение, снятое вашей камерой. Хотите верьте, хотите нет, но параметров настройки всего три: диафрагма, выдержка и светочувствительность ISO («треугольник экспозиции»). Умелое их использование является существенной стороной выработки интуиции фотографа.

Что такое экспозиция

Получение правильной экспозиции более всего похоже на попытку собрать дождевую воду в ведро. Хотя сила дождя находится вне вашего контроля, тем не менее, вам подвластны три фактора: диаметр ведра, время, на которое ведро выставляется под дождь, и объём воды, который вы хотите получить. Всё, чего нужно добиться, — это набрать не слишком мало («недодержать») и не слишком много («передержать»). Ключевой момент в том, что возможно множество различных комбинаций размеров ведра, времени и количества воды. Например, одно и то же количество воды можно получить за меньшее время, если взять более широкое ведро, и наоборот, узкое ведро понадобится держать под дождём намного дольше.

В фотографии параметрами экспозиции являются диафрагма, выдержка и светочувствительность ISO, которые аналогичны диаметру ведра, времени и количеству воды, описанным выше. Далее, как дождь, так и естественный свет находятся вне контроля фотографа.

Треугольник экспозиции: диафрагма, выдержка и светочувствительность ISO

Каждый из параметров влияет на экспозицию по-разному:

Диафрагма: управляет площадью, через которую свет попадает в камеру
Выдержка: управляет длительностью экспозиции
Число ISO: управляет чувствительностью сенсора вашей камеры к количеству света

Как следствие, можно использовать любую комбинацию этих трёх параметров для достижения одинаковой экспозиции, Важно, однако, знать, чем можно пожертвовать, поскольку каждый из параметров влияет также и на другие свойства изображения. Например, диафрагма влияет на глубину резкости, от выдержки зависит размытие движением, а светочувствительность ISO определяет величину визуального шума.

Далее мы рассмотрим, что означает каждый из параметров, как оценить его влияние, и как режимы съёмки камеры влияют на сочетание параметров.

Выдержка

Затвор камеры определяет, когда сенсор камеры открыт или закрыт для света, поступающего через объектив. Длительность выдержки определяет, на какой промежуток времени сенсор будет открыт. «Выдержка» и «длительность выдержки» обозначают одно и то же, и сокращение выдержки означает сокращение длительности выдержки.

В цифрах. Влияние выдержки на экспозицию, вероятно, оценить проще всего: оно соотносится с количеством света, поступающего в камеру, как 1:1. Если время выдержки удваивается, количество света, поступающего в камеру, также удваивается. Кроме того, для этого параметра возможен наиболее широкий диапазон значений:

Выдержка	Использование
от 1 до 30 секунд и более	Съёмка ночью и при малом свете со штатива
от 2 до 1/2 секунды	Придание гладкости текущей воде Ландшафтная съёмка со штатива с большой глубиной резкости
от 1/2 до 1/30 секунды	Получение размытия движением для фона движущегося объекта Аккуратная съёмка с рук со стабилизацией
от 1/50 до 1/100 секунды	Типовая съёмка с рук без существенного увеличения (зума)
от 1/250 до 1/500 секунды	Заморозка предмета в движении Съёмка с рук с существенным увеличением (телеобъективы)
от 1/1000 до 1/4000 секунды	Заморозка очень быстрого и очень близкого движения

Как это выглядит. Выдержка является мощным инструментом заморозки или акцентирования движения:

Длинная выдержка	Короткая выдержка

В творческой съёмке или для водопадов, например, размытие движением иной раз желательно, тогда как в большинстве других случаев его нужно исключить. Как следствие, обычно выдержку выбирают, исходя из значения, которое сможет обеспечить резкий снимок — либо для заморозки движения, либо для исключения сотрясения камеры при съёмке с рук.

Как узнать, какая выдержка обеспечит резкий снимок с рук? Используя цифровые камеры, проще всего поэкспериментировать и оценить результаты на экране камеры (при полном увеличении). Если при правильном выборе фокуса снимок получается смазанным, скорее всего, понадобится сократить выдержку, держать руки более стабильно или использовать штатив.

Диафрагма

Число диафрагмы камеры управляет площадью, через которую свет может проникать сквозь объектив. Величину диафрагмы обозначают в терминах f-ступеней, которые на первый взгляд не интуитивны, поскольку по мере того как f-ступень нарастает, площадь светопропускания убывает. На жаргоне фотографов, если кто-то говорит «закрыл» или «открыл» диафрагму, обычно он имеет в виду увеличение или уменьшение f-ступени, соответственно.

В цифрах. Всякий раз, когда f-ступень уменьшается вдвое, площадь светопропуская увеличивается вчетверо. Это непосредственно следует из того, что площадь круга пропорциональна квадрату его радиуса, но большинство фотографов просто запоминают f-ступени, которые соответствуют каждому увеличению или уменьшению количества света вдвое:

Диафрагма	Светопропускание	Пример выдержки
f/22	1X	16 секунд
f/16	2X	8 секунд
f/11	4X	4 секунды
f/8.0	8X	2 секунды
f/5.6	16X	1 секунда
f/4.0	32X	1/2 секунды
f/2.8	64X	1/4 second
f/2.0	128X	1/8 секунды
f/1.4	256X	1/15 секунды

Приведенные выше комбинации выдержки и диафрагмы обеспечивают одинаковую экспозицию.

Примечания: доступные варианты выдержки не всегда позволяют увеличить или сократить выдержку
в точности вдвое, но приближения всегда настолько близки, что разница будет пренебрежимо мала.

Вышеприведенные f-ступени являются стандартно доступными практически на любой камере, хотя большинство камер позволяют также и более гибкую настройку, например, f/3.2 и f/6.3. Диапазон значений может варьироваться в зависимости от камеры и объектива. Например, компактная камера может располагать диапазоном от f/2.8 до f/8.0, тогда как у цифровой зеркальной камеры с портретным объективом диапазон может составлять от f/1.4 до f/32. Узкий диапазон диафрагмы обычно не является большой проблемой, однако более широкий диапазон обеспечивает большую творческую гибкость.

Техническое примечание: для многих объективов светопропускание подвержено также влиянию передаточной эффективности, хотя она практически всегда является намного меньшим фактором, чем диафрагма. Кроме того, она находится вне пределов контроля фотографа. Разница в передаточной эффективности обычно более заметна при использовании сильного увеличения (зума). Например, объектив Canon 24-105 мм f/4L IS пропускает при диафрагме f/4 примерно на 10-40% меньше света, чем аналогичный объектив Canon 24-70 мм f/2.8L при диафрагме f/4 (в зависимости от фокусного расстояния).

Как это выглядит. Величина диафрагмы камеры определяет глубину резкости снимка (диапазон расстояний, в пределах которого объекты выглядят резкими). Снижение f-ступени означает уменьшение глубины резкости: