Migawka jest tylko jednym z kilku ważnych elementów aparatu, które pozwalają sprawować większą kontrolę nad wyglądem obrazów wideo. Naszą eksplorację zacznijmy od omówienia korzyści, jakie daje nam migawka. Zanim jednak otworzymy kamerę, aby przyjrzeć się wewnętrznemu działaniu szybkiej migawki, przyjrzyjmy się bardziej ogólnej funkcji wszystkich migawek.
Migawka aparatu kontroluje czas, przez jaki światło może dostać się do obiektywu. Inną ważną kontrolą ekspozycji w dowolnej kamerze (zdjęcia lub wideo) jest jej przesłona, która wpływa na „przestrzeń”, przez którą musi przejść światło, więc nasza dzisiejsza dyskusja będzie dotyczyła przestrzeni i czasu. Nie martw się, to nie jest nauka o rakietach. Wszystko, czego naprawdę potrzebujesz, to zrozumienie kilku prostych terminów i relacji.
Krótko mówiąc, migawka i przesłona współpracują ze sobą, aby kontrolować ilość światła wpadającego do obiektywu kamery. Migawka kontroluje czas ekspozycji światła na CCD (Charge Coupled Device). Tęczówka kontroluje wielkość otworu, przez który światło może dostać się do soczewki. Chociaż jest to dość proste, każdy z nich wpływa na ostateczny obraz:każdy daje nam kontrolę nad wyglądem i stylem naszych obrazów wideo.
Poszerzanie zainteresowania
Tęczówka kamery działa podobnie jak tęczówka oka. Jeśli światło jest jasne, tęczówka oka zamyka się, przez co otwór, przez który przechodzi światło, jest mniejszy, dzięki czemu światło nie oślepia. W słabym świetle tęczówka oka "rozszerza się", otwierając się szeroko, aby wpuścić więcej światła. To samo dotyczy systemu automatycznej ekspozycji w kamerach. Wspaniałą rzeczą w tęczówce jest to, że pozwala kontrolować głębię ostrości na zdjęciach. W słabym świetle przysłona kamery otwiera się. W jasnym świetle zamyka się. Ale gdy otwór staje się mniejszy, głębia ostrości lub zakres, który jest ostry, wzrasta. W rzeczywistości, jeśli przysłona jest wystarczająco zamknięta, nie potrzebujesz nawet obiektywu, aby ustawić ostrość obrazu. Cały świat staje się ostry, gdy otwór jest bardzo mały.
Pierwszy aparat, camera obscura, nie miał obiektywu, migawki ani nawet filmu. Na długo zanim ktokolwiek pomyślał o takich rzeczach, starożytni zauważyli, że kiedy światło przechodziło przez mały otwór do zaciemnionego pokoju, obraz był wyświetlany w miejscu, w którym światło padło na ścianę lub podłogę. Po odrobinie eksperymentów odkryto, że im mniejszy otwór, przez który przechodziło światło, tym obraz jest ostrzejszy. Zaowocowało to opracowaniem camera obscura, która wykorzystuje mały otwór (aw późniejszych wersjach soczewkę) w ścianie zaciemnionego pokoju lub pudełka, aby wyświetlać obrazy na powierzchni rysunku, gdzie byłyby śledzone, dając bardzo dokładne i szczegółowe rysunki.
Kamera otworkowa to bardziej nowoczesny przykład tego samego podejścia do obrazowania. Wszystko czego potrzebujesz to pudełko po butach, szpilka i trochę filmu. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o fotografii otworkowej, możesz znaleźć mnóstwo informacji w Internecie.
Problem z otworkiem
Chociaż użycie małego otworu zamiast obiektywu może dawać obrazy, które są ostro skupione od niemal powierzchni obiektywu do nieskończoności, ma jedną dużą wadę. Maleńki otwór nie przepuszcza zbyt wiele światła. Aby uzyskać więcej światła, można powiększyć otwór, ale wtedy ostrość obrazu zostanie utracona. Używając soczewki zamiast otworka, możesz zbierać światło na całej powierzchni soczewki i nadal uzyskać obraz, który jest ostry na CCD lub kliszy.
Obiektyw przepuszcza więcej światła do aparatu, ale obszar, który będzie ostry, jest zmniejszony. Im większa średnica obiektywu, tym gorszy staje się problem. W przypadku obiektywów o bardzo dużej średnicy obszar ostrości lub głębia ostrości, jak to się nazywa, można zmniejszyć do ułamka cala. Innym czynnikiem wpływającym na głębię ostrości jest ogniskowa lub powiększenie obiektywu. Teleobiektywy wytwarzają płytkie pole, podczas gdy obiektywy szerokokątne wytwarzają głębsze pole.
Wejdź do Iris
Jeśli sprawisz, że obiektyw jest wystarczająco duży, aby zapewniać wysokiej jakości obrazy przy słabym oświetleniu, potrzebujesz sposobu na zmniejszenie ilości światła wpadającego do aparatu w jaśniejszych warunkach. Gdy światło jest zbyt jasne, tęczówka jest używana do maskowania części soczewki (patrz rysunek 1). Pozwala to nie tylko fotografowi lub kamerzyście regulować ilość światła wpadającego do obiektywu, ale także pozwala mu dostosować głębię ostrości, a tym samym kontrolować fragmenty obrazu, które są wyostrzone, a które nie są . Starannie dobierając ustawienie przysłony, możesz ostro skupić się na części kadru, jednocześnie eliminując ostrość innych elementów, nadając obrazom trójwymiarowy wygląd, którego nie można osiągnąć w żaden inny sposób.
Przesłona pomaga kontrolować przestrzeń w obrazie, który jest wyostrzony. Skupienie samej soczewki określa położenie tej przestrzeni, a tęczówka kontroluje jej głębokość. Tyle o „przestrzeni”, ale co z czasem? Czas, w którym matryca CCD może zbierać światło, wpływa również na całkowitą ekspozycję. Na przykład, jeśli wpuścisz o połowę mniej światła poprzez zmniejszenie otwarcia przysłony, nadal możesz uzyskać tę samą ekspozycję, pozwalając światłu wchodzić do aparatu przez dwa razy dłużej.
Wejdź do migawki
Aby kontrolować czas, przez jaki film lub czujnik jest wystawiony na działanie światła, aparaty fotograficzne używają jakiejś formy migawki. W prostym aparacie otworkowym migawka jest kawałkiem ciemnego papieru lub innego nieprzezroczystego materiału, który otwiera się i zamyka ręcznie, aby zsynchronizować czas naświetlania. Działa to dobrze przy bardzo długich czasach naświetlania, ponieważ możesz po prostu sprawdzić zegarek lub policzyć sekundy. Jednak nowoczesne emulsje filmowe i matryce CCD mogą być naświetlane w ułamkach sekundy, więc do kontrolowania czasu naświetlania potrzebujemy czegoś bardziej wyrafinowanego niż zwykły kawałek czarnego papieru konstrukcyjnego. Umożliwiając szeroki zakres dokładnych czasów naświetlania, migawka kamery współpracuje z przesłoną, zapewniając pełną kontrolę nad czasem i przestrzenią obrazu.
Wiele kamkorderów ma przesłony, które obsługują czasy naświetlania od kilku sekund do 1/10 000 sekundy. Dłuższe czasy otwarcia migawki (dłuższy czas trwania) pozwalają na użycie małej przysłony, aby uzyskać większą głębię ostrości przy jednoczesnym zapewnieniu dużej ilości światła w filmie. Możesz jednak mieć problem, jeśli aparat lub obiekt poruszy się podczas naświetlania. Wszystko, co się porusza, zostanie rozmyte na ostatecznym zdjęciu, a jeśli kamera się poruszy, cały obraz zostanie rozmazany. Oczywiście to rozmycie można wykorzystać do uzyskania efektu, jak to często widać na zdjęciach wodospadów, gdzie stosuje się długie czasy naświetlania, aby nadać zdjęciom bardziej marzycielski i idealistyczny wygląd. Krótsze czasy otwarcia migawki (krótki czas trwania) pozwalają na użycie większego otwarcia przysłony, nawet w jasnym świetle, zmniejszając głębię ostrości i tworząc ładny trójwymiarowy wygląd przedstawiony wcześniej (patrz Rysunek 2). Ponadto krótkie czasy otwarcia migawki umożliwiają wykonywanie zdjęć, gdy obiekt jest w ruchu, bez rozmycia obiektu. Migawka może otwierać się i zamykać tak szybko, że położenie obiektu prawie wcale się nie zmienia, a idealnie ostry nieruchomy obraz szybko poruszającego się obiektu jest możliwy, jeśli migawka jest wystarczająco szybka.
Migawki w większości aparatów fotograficznych to mechaniczne urządzenia, które otwierają się, by przez jakiś czas wpuszczać światło, a następnie ponownie się zamykają. Niektóre migawki szybko przesuwają się po filmie, a inne znajdują się w samym obiektywie, ale idea jest zawsze taka sama. Otwórz na chwilę, a następnie szybko zatrzaśnij ponownie, we właściwym czasie. Żaluzje mechaniczne mają jednak masę, która ogranicza prędkość, z jaką można je otwierać i zamykać. To generalnie ogranicza maksymalny czas otwarcia migawki (lub minimalny czas ekspozycji) do około 1/8000 sekundy w aparatach fotograficznych.
Niektóre aparaty fotograficzne pozwalają uniknąć masowego problemu dzięki elektronicznym migawkom. Do tej odrobiny techno-magii używane są dwie soczewki polaryzacyjne. Soczewka spolaryzowana przepuszcza światło spolaryzowane w jednym kierunku, jednocześnie blokując światło o innej polaryzacji. Jeśli złożysz razem dwie spolaryzowane soczewki, zorientowane tak, że obie przepuszczają światło o tej samej polaryzacji, światło, które przechodzi przez pierwszą soczewkę, przejdzie również przez drugą soczewkę. Ale jeśli obrócisz jedną z soczewek tak, aby jej polaryzacja była przeciwna do drugiej, pierwsza soczewka przepuszcza światło o niewłaściwej polaryzacji dla drugiej i żadne światło nie przejdzie przez parę soczewek. Można było zatem zrobić migawkę z dwóch filtrów polaryzacyjnych, które można „otwierać i zamykać” po prostu obracając jedną z soczewek. Co więcej, można zbudować filtr polaryzacyjny, który zmieni polaryzację po podaniu sygnału elektrycznego, dzięki czemu można zaprojektować przesłonę, która w ogóle się nie porusza. Po prostu zmieniasz napięcie, aby otworzyć i zamknąć migawkę. Aparaty z tego rodzaju systemem migawki nie wydają dźwięków klikania, które wydają aparaty z mechanicznymi migawkami, a ich migawki można otwierać i zamykać ponownie w ciągu 1/10 000 sekundy lub mniej. Tak wysoka prędkość migawki może zatrzymać ruch huśtawki golfowej lub pędzącego samochodu i stworzyć krystalicznie czyste obrazy szybkiej akcji, doskonale zatrzymane w czasie.
Wraz z pojawieniem się urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym, czyli CCD, całe to mechaniczne i elektrooptyczne bałaganiarstwo stało się niepotrzebne. Sama matryca CCD podwaja się jako wirtualna migawka elektroniczna, którą można otwierać i zamykać tak szybko, jak sygnał elektroniczny, który można włączać i wyłączać, bez żadnych dodatkowych części i z bardzo niewielką dodatkową złożonością. Zamiast używać fizycznej migawki do kontrolowania czasu naświetlania, nowoczesna kamera CCD po prostu odrzuca światło, które pada na jej powierzchnię, symulując zamkniętą migawkę. Aby otworzyć wirtualną migawkę, CCD może zacząć zbierać energię świetlną. Kiedy nadejdzie czas, aby przestać zbierać światło, CCD jest po prostu zatrzymywany, a wirtualna przesłona jest zamknięta. Jedną z zaskakujących rzeczy, które można znaleźć, gdy spojrzymy na migawkę w naszych kamerach, jest to, że jej nie ma.
W ogóle nie ma migawki?
Tak. Współczesna kamera naprawdę nie ma niczego, co można by określić jako migawkę. Zamiast tego, w momencie zamknięcia mechanicznej migawki, CCD jest po prostu niewrażliwy na światło. Przyjrzyjmy się bliżej samej matrycy CCD i zobaczmy, jak to się robi.
Wewnątrz matrycy CCD znajduje się duża liczba "komórek" wrażliwych na światło. Liczba pikseli dla CCD mówi, ile komórek zawiera CCD. Kiedy światło pada na jedno z tych komórek, wewnątrz komórki powstaje ładunek elektryczny. Im więcej światła pada na ogniwo, tym większy ładunek się kumuluje. Komórki w rzeczywistości nie zbierają „światła”, ale zamiast tego przekształcają je w ładunek elektryczny, który jest proporcjonalny do światła padającego na komórkę.
Zauważ też, że komórka światłoczuła nie ma wrażliwości na kolor. Akumuluje swój ładunek niezależnie od koloru światła padającego na jego powierzchnię. Aby uzyskać kolorowe obrazy, przed komórkami umieszcza się filtry, dzięki czemu niektóre z nich widzą kolor czerwony, inne niebieskie, a inne zielone. Można to zrobić z pojedynczym CCD i złożonym zespołem czerwonego, zielonego i niebieskiego filtra soczewkowego lub przy użyciu trzech oddzielnych CCD z pojedynczym filtrem koloru nad każdym (patrz Rysunek 3).
Początkowo każde wyjście ogniwa jest zwierane do masy, dzięki czemu ładunek generowany przez każde światło padające na ogniwo jest natychmiast rozładowywany. W tym stanie ogniwa nie pobierają ładunku, a wirtualna migawka jest „zamknięta”. Aby uchwycić obraz, dren z komórek zostaje zamknięty, a ładunki zaczynają się kumulować proporcjonalnie do światła padającego na komórkę. Pod koniec okresu narażenia, ładunki w każdej komórce są przekazywane do Rejestru Transferu Pionowego, który następnie przekazuje każdy ładunek, w stylu brygady kubełkowej, do Rejestru Transferu Poziomego. Tam dołączają do parady ładunków z innych pionowych rejestrów transferowych i są przesyłane pojedynczym plikiem do obwodów przetwarzania i nagrywania wideo (patrz rysunek 4).
„Ruchome” obrazy, które widzimy jako wideo, to w rzeczywistości seria szybko wyświetlanych klatek. Wszystkie kamery NTSC wytwarzają 30 nieruchomych klatek na sekundę. Każda ramka składa się z dwóch pól, co daje łącznie 60 pól na sekundę. Istnieje jednak tendencja do produkowania kamer zdolnych do rejestrowania 30 klatek na sekundę bez pól, czasami nazywanych trybem skanowania progresywnego lub „filmem z ramką”. W tym trybie kamery te nie rejestrują 60 dyskretnych pól, ale wysyłają sygnał do telewizora lub magnetowidu w standardowym formacie NTSC 60 pól/30 klatek na sekundę. Ten tryb jest zwykle używany do zbierania obrazów, które zostaną wyeksportowane do komputera jako zdjęcia.
Przy „normalnej” szybkości matryca CCD pobiera ładunek przez cały czas działania 1/60 sekundy, dzięki czemu 1/60 jest domyślnym ustawieniem migawki dla normalnego fotografowania. Jest to wystarczająco szybkie, aby uniknąć większości rozmyć spowodowanych ruchem aparatu i wolnym ruchem w kadrze. Ale nasze kamery pozwalają nam teraz wybierać czas otwarcia migawki szybszy lub wolniejszy niż szybkość klatek kamery. Ustawienia wolnej migawki po prostu pozwalają CCD pozostać aktywnym przez kilka (lub wiele) interwałów pola i rejestrować poprzednio uchwycony obraz podczas okresu naświetlania. Podczas fotografowania z długim czasem otwarcia migawki wynoszącym 1/15 sekundy, CCD pozostaje aktywny przez okres czterech pól. Jego ładunki są następnie wyprowadzane do nagrywania, a te same dane są rejestrowane przez cztery klatki, podczas gdy CCD wypełnia swoje komórki przez kolejną 1/15 sekundy. W ten sposób liczba klatek na sekundę jest utrzymywana na stałym poziomie, mimo że migawka działa z zupełnie inną prędkością.
Superszybka i cicha obsługa szybkich migawki jest jeszcze prostsza. Zamiast usuwać dren z ogniw na początku interwału pola 1/60, ładunek może nadal odprowadzać swój ładunek przez część całkowitego czasu pola. Jeśli na przykład zostanie wybrany czas otwarcia migawki 1/120, przetworniki CCD będą nadal zużywać energię przez pierwszą połowę interwału klatek i zbierać światło tylko w drugiej połowie. W przypadku wyższych prędkości komórki są po prostu opróżniane przez większy procent czasu polowego.
W końcu mamy wirtualną migawkę bez ruchomych części i bez masy. W rzeczywistości nasze okiennice w ogóle nie istnieją. A jednak nadal dają nam kontrolę nad przestrzenią i czasem naszych obrazów i ekspozycji.
Wkładamy wszystko do pracy
Cała ta teoria jest interesująca, ale prawdziwa wartość szybkiej migawki leży w kontroli, jaką zapewnia ona nad wyglądem zdjęć. W połączeniu z przysłoną uzyskujesz kontrolę nad głębią ostrości, rozmyciem ruchu i jasnością samego obrazu. Przegląd relacji wydaje się być w porządku.
Mniejsze ustawienia średnicy przesłony przepuszczają mniej światła, ale dają większą głębię ostrości. Jeśli jasność obrazu ma pozostać stała, należy użyć wolniejszego czasu otwarcia migawki.
Większe ustawienia przysłony zmniejszają głębię ostrości, uwydatniając obiekt i tworząc bardziej trójwymiarowy obraz. Aby utrzymać jasność obrazu na tyle niską, aby przesłona była otwarta na szerszą średnicę, wymagana jest wyższa szybkość migawki.
Krótsze czasy otwarcia migawki powodują zatrzymanie ruchu, dając ostre obrazy pomimo względnego ruchu między obiektem a aparatem. Aby uzyskać wystarczającą ilość światła przy dłuższych czasach otwarcia migawki, przysłona musi być szerzej otwarta, aby wpuścić więcej światła, w wyniku czego głębia ostrości jest zmniejszona.
Bardzo długie czasy otwarcia migawki mogą być używane, aby umożliwić matrycom CCD zebranie większej ilości światła w warunkach słabego oświetlenia lub aby mniejsza przesłona otwierała większą głębię ostrości. Kompromis polega na tym, że ten sam obraz będzie powtarzany na kilku polach, co może skutkować nierównym ruchem przypominającym stroboskop. Również długi czas otwarcia migawki pozwoli na większe rozmycie ruchu, co może być albo problemem, albo efektem artystycznym.
Wreszcie, przesłona i przesłona wspólnie kontrolują całkowitą ilość światła, które jest używane do nagromadzenia ładunku w komórkach CCD, a każdy z nich lub oba można dostosować, aby uzyskać obraz ciemniejszy lub jaśniejszy niż oryginalna scena .
Ucz się przez działanie
Teraz znasz już teorię działania szybkich migawek kamer. Ale jeśli chodzi o wybór najlepszego trybu ekspozycji lub ustawień migawki i przysłony dla określonej sytuacji lub efektu, nic nie zastąpi doświadczenia i praktyki. Poświęć trochę czasu na eksperymentowanie z różnymi trybami ekspozycji i ustawieniami kamery, a zyskasz znacznie większą kontrolę nad wyglądem gotowego produktu.