Принцип работы цифрового фотоаппарата

Качество настройки фотоаппарата во многом зависит от понимания того, как вообще работает цифровой фотоаппарат и как формируется картинка на фоточувствительной матрице.

Для начала, важно понимать, как монитор отображает картинку: экран монитора представляет собой множество точек (пикселей), которые светятся в соответствии с уровнем яркости в этом месте фотографии. Если яркость точки в этом месте кадра минимальна, точка не светится - мы видим чёрную точку. Если яркость точки в этом месте снимка высока, точка сильно светится - мы видим белую точку.

В цифровой технике минимальный уровень яркости пикселя равен нулю (чёрная точка), максимальный - уровню 255 единиц (белая точка). Промежуточные яркости занимают, соответственно, диапазон яркости от нуля до 255.

Значит, чтобы представить фотографию в цифровом виде, фотоаппарат должен записать на карточку памяти изображение, которое представляет собой набор точек с присущей им яркостью.

На самом деле, пикселей на матрице современного цифрового фотоаппарата очень много и размер пикселя очень мал (в среднем от 0,12 до 0,3 мм), поэтому фотография выше лишь условно показывает, что снимок записывается в виде набора пикселей с определённой яркостью.

Итак, как же реализовать такую запись фотографии на карточку памяти фотоаппарата? Для этого в камере есть светочувствительная матрица (раньше это была фотоплёнка), по площади которой распределены фотоэлементы, каждый из которых реагирует на лучи света, попадающие на эту самую матрицу.

Принцип работы каждого из фотоэлементов - НАКОПИТЕЛЬНЫЙ. Т.е. чем больше света попало на фотоэлемент за время фотографирования, тем ярче будет фотография.

Попробуем пояснить принцип работы цифрового фотоаппарата через аналогию - ПРИНЦИП СТАКАНА.

Представьте себе, что у Вас есть воображаемый фото-стакан. Только если в обычный стакан мы наливаем воду, то в фото-стакане накапливаются лучи света. Степень заполненности стакана соответствует яркости пикселя. Т.е. если стакан пуст (лучей в фото-стакане нет), то яркость равна нулю (ноль лучей -> ноль яркости) - это чёрная точка. Если стакан немного заполнен лучами света, то это соответствует небольшой яркости (светимости) пикселя - это уже не чёрная, но пока ещё довольно тёмная (слабо светящаяся) точка. Если фото-стакан наполнен лучами света наполовину - это соответствует средней яркости пикселя (в цифровом эквиваленте - значение яркости 128 единиц). Если стакан наполнен больше, чем наполовину, это соответствует пикселю высокой яркости (светлая точка). Ну, а если стакан полностью заполнен лучами света - это соответствует точке максимальной яркости (белая точка) - яркость точки равна 255 единицам.

Таких фото-стаканчиков на матрице очень много (напомним, что размеры каждого пикселя современной матрицы фотоаппарата в диапазоне где-то от 0,12 мм до 0,3 мм). Сейчас в магазинах можно найти фотокамеры, у которых более 20 миллионов пикселей (фото-стаканчиков), равномерно распределённых по площади поверхности матрицы.

Перед нажатием на кнопку спуска, фотоаппарат очищает все фото-стаканчики, после чего происходит процесс фотосъёмки (накопления лучей света) и результат накопления лучей света записывается на карточку памяти. Причём, записывается значение каждого пикселя (фото-стаканчика) отдельно. Таким образом, получается фотография, а точнее файл, в котором перечислены все пиксели с присущей им яркостью.

Из рисунка выше, где изображены 5 принципиально различных ситуаций, видно, что если все фото-стаканчики пусты (накопленных лучей нет - вариант 1), то всё изображение будет чёрным. Зритель не поймёт, что же снимал фотограф - такая ситуация нас не устраивает.

Если все стаканчики полностью заполнены лучами света (вариант 5 на рисунке выше), то всё изображение будет абсолютно белым. Такой вариант нас тоже не устраивает.

Получается, что нас, как фотографов, интересуют варианты 2, 3 и 4 на рисунке выше:

• вариант 2 - недоэкспонированная фотография - она темнее среднего значения, но бывают случаи, когда нам нужен такой вариант яркости (например, для создания эффекта приглушённого освещения или его отсутствия - например, при фотографировании ночью или в сумерках),
• вариант 3 - нормально экспонированная фотография - это фотография, большая часть пикселей которой близка к средней яркости - именно этот вариант яркости фотографии наиболее желателен и именно его пытается реализовать фотоаппарат, если вы фотографируете в автоматическом режиме,
• вариант 4 - переэкспонированная фотография - она ярче среднего уровня, но в некоторых случаях нам необходимо реализовывать такой вариант яркости (например, для создания эффекта лёгкости, сказочности, при фотографировании неба).

Теперь рассмотрим вопрос о том, как управлять этой самой наполненностью фото-стаканчиков, т.е. яркостью нашей фотографии.

Представим себе, что наш фото-стаканчик закрыт крышкой - ни один луч не сможет попасть в него. Когда мы открываем крышку, то в фото-стаканчик попадают лучи и накапливаются в нём. Снова закрываем фото-стаканчик крышкой и подсчитываем количество накопленных лучей - записываем на карточку памяти. Вот так, собственно, и происходит сам процесс фотосъёмки.

Именно такой принцип работы цифрового фотоаппарата определяет 3 способа управления яркостью снимка:

Управление яркостью Фотографии. время выдержки

Один из способов управления яркостью фотографии - регулирование времени выдержки. Что это такое? ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ - это то время, в течение которого шторки фотоаппарата открыты и матрица накапливает лучи света (в нашем случае - это то время, в течение которого открыта крышка нашего фото-стаканчика). Соответственно, чем дольше открыта крышка фото-стаканчика, тем больше успеет накопиться лучей света в стаканчике. В реальном фотоаппарате эта крышечка представлена в виде шторок, закрывающих матрицу фотоаппарата от попадания на неё лучей света.

Таким образом, время выдержки - это время, в течение которого шторки открыты и матрица накапливает лучи света.

Почему в фотоаппарате шторка не одна, а две, мы расскажем в следующей статье, а сейчас перейдём ко-второму способу управлению яркостью фотографии.

Управление яркостью Фотографии. диафрагма

Итак снова посмотрим на наши фото-стаканчики - только теперь представим себе, что когда крышечка открывается, отверстие, через которое лучи света попадают в фото-стаканчик, можно сделать различного диаметра. Соответственно, чем больше диаметр отверстия, через которое лучи света попадают в фото-стакан, тем больше лучей накопится за одно и то же время. Представим себе, что крышка открывается на 1 секунду во всех пяти случаях (см. рисунок выше). При том, что время выдержки одинаково, количество света, прошедшее через отверстие и накопившееся в фото-стакане, различно.

В фотоаппарате как раз реализована такая возможность регулировать диаметр отверстия, через которое свет проходит и попадет на матрицу - и называется этот элемент ДИАФРАГМА. Чем больше диафрагма, тем ярче фотография, и наоборот, чем больше мы закрываем диафрагму, тем темнее изображение.

И тут есть сложность. Если время выдержки измеряется в секундах (и на фотоаппарате число времени выдержки - это и есть число, обозначающее время в секундах), то с диафрагмой всё сложнее. Число, стоящее рядом с буквой F - это число, показывающее, во сколько раз диафрагма закрыта. Например, F/4 - это диафрагма, закрытая в 4 раза, а F/10 - это диафрагма, закрытая в 10 раз. Так как число стоит в знаменателе, то понятно, что диафрагма 4 больше, чем диафрагма 10. По этой причине начинающие фотографы часто путают, при каких настройках диафрагма большая, а при каких - маленькая. Но я нашёл прекрасный способ, чтобы никогда не путать, когда диафрагма больше, а когда меньше. Каждый раз, когда настраиваете диафрагму, произносите про себя фразу "я закрываю диафрагму в (число) раз". Прекрасный способ - выручает! (проверено многими годами преподавания фотокурсов в нашей фотошколе).

Управление яркостью фотографии. светочувствительность

Третий способ управления яркостью фотографии - регулирование светочувствительности матрицы фотоаппарата. Если объяснять через тот же фото-стакан, то представим себе, что у нас есть несколько фото-стаканчиков, разных по размеру. Соответственно, и ёмкость у этих фото-стаканчиков будет разная. А теперь вспомним, что яркость в нашей условной схеме пропорциональна степени заполненности стакана. Так вот, представим себе, что световой поток один и тот же, а мы фотографируем (собираем лучи света) разными фото-стаканчиками (см. рисунок выше). Время открытой шторки (время выдержки) во всех случаях одно и то же. Как видно из рисунка, при одинаковом световом потоке пятый стаканчик быстрее наполнится светом, чем все другие фото-стаканчики. Т.е. при одном и том же световом потоке степень заполненности пятого стакана будет расти быстрее всех остальных.

Получается, что яркость фотографии, полученной с использованием пятого стаканчика, будет выше яркости всех остальных четырёх предыдущих (при прочих равных настройках фотоаппарата). Это свойство и называется - СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ (или ISO). Измеряется она в относительных единицах (100, 200, 400 и т.д.). Чем больше значение светочувствительности, тем ярче фотография.

Хотя на самом деле, светочувствительность - это более сложное явление, начинающим фотографам проще изучать это явление именно в такой интерпретации. На наших курсах я также объясняю это явление вторым способом (более близким по физическим процессам, протекающим в матрице фотоаппарата), кому интересно - приходите на базовый фотокурс - объясню.

Таким образом, мы получаем следующую картину - цифровой фотоаппарат записывает фотографии с помощью цифр, определяющих яркость каждой точки на фотографии. Эти значения яркости пропорциональны количеству света, который накапливают фотоэлементы на матрице во время фотосъёмки. А сумма этого накопленного света зависит от трёх параметров: времени выдержки, значения диафрагмы и светочувствительности. Графически это можно изобразить следующим образом:

Как видно из этого рисунка, яркость фотографии пропорциональна площади треугольника, образованного векторами, длина которых зависит от величины выдержки, диафрагмы и светочувствительности. Чем больше эти значения, тем больше векторы, тем больше площадь треугольника. И наоборот. Важный вывод из всей данной статьи: яркость фотографии зависит не от одного параметра, а сразу от трёх параметров. Мастерство фотографа заключается в том, чтобы грамотно настроить эти три параметра и успешно решить фото-задачу.

Как только учащиеся знакомятся с этой темой, у них сразу же возникают 2 вопроса:

• в реальных условиях, на фотосессии - какое сочетание выдержки, диафрагмы и светочувствительности нужно выставлять, если формально можно достичь одной и той же яркости при разных сочетаниях этих параметров?
• зачем нам так подробно изучать эту тему, если фотоаппарат в автоматическом режиме самостоятельно и довольно хорошо справляется с задачей управления яркостью фотографии?

Ответы на эти вопросы - в наших следующих статьях.