Как работает фото камера

 Мы видим свет, отраженный в наши глаза, и камера так же видит.

Подумайте об этом. Возьмем что-нибудь простое – например камень. Выйдите с камнем в руке на улицу и посмотрите на него на ярком свету. Вы увидите камень. Занесите его в комнату с искусственным светом и вы всё ещё будете видеть камень. Зайдите с ним в темную комнату, в которой совсем нет никакого света. Вы можете чувствовать камень у себя в руке и вы знаете, что он ещё там, но вы не сможете видеть его потому что нет света. Ещё раз, то что вы видели было не камнем, а отражением света от камня.

Когда мы делаем снимок, в действительности мы записываем свет, который отражается отовсюду, куда мы направляем камеру. Это и есть экспозиция.

2. Запись того, что видит камера

Следующий пункт на нашем пути в понимании работы камеры – изучить как именно камера записывает то, что было экспонировано. Наиболее популярны сегодня, конечно же, цифровые камеры. Внутри них есть специальный компьютерный чип с высокой чувствительностью к свету. В целях упрощения данного урока я буду называть его плёнкой.

Компьютерный чип – это плёнка, которую использует камера чтобы снимать фотографии. Понятие плёнка может быть более знакомо большинству людей поскольку до цифровой фотосъемки плёнка была именно тем, что использовалось для записи экспонированных кадров. В том случае плёнка была буквально плёнкой, покрытой светочувствительным веществом. До плёнок фотографы использовали стеклянные пластинки, которые также приходилось покрывать слоем фоточувствительного вещества самостоятельно. Фирмы Kodak, Fuji и Agfa тогда ещё не были в этом бизнесе.

Камера в самом начале своего существования была просто светозащищённым ящиком. В нём было отверстие, прикрытое светонепроницаемой шторкой, называемой «затвор». Прямо перед затвором размещался объектив. Мы поговорим и о затворе и об объективе более детально в дальнейшем.

Когда вы нажимаете кнопку на своей камере, чтобы что-то сфотографировать, происходит следующее: затвор открывается и экспонирует «плёнку» к свету. Всего на короткое время. Короче чем моргание. Плёнка настолько чувствительна к свету, что столько короткая экспозиция – это всё, что ей нужно чтобы увидеть и записать всё, что находилось перед камерой пока затвор был открыт.

В старые плёночные времена после этого следовало перемотать кадр. Обычно это делалось рычажком в верхней части камеры, колесиком сзади или выполнялось с помощью встроенного электропривода камеры. Плёнка продвигалась по направляющим и для экспонирования был готов следующий кадр плёнки.

Если вам никогда не приходилось вытаскивать плёнку из кассеты, я расскажу, что она имеет примерно 24 мм в ширину и около метра в длину. Каждый раз когда вы нажимаете на кнопку спуска и открывается затвор – экспонируется только небольшой кусочек плёнки, примерно 36 мм в длину. Остальная плёнка тщательно закрыта. В далёкие предалёкие времена стеклянных пластинок, фотографы должны были после экспонирования извлекать пластину из камеры и хранить в светозащитном контейнере пока он или она не сможет проявить её. Чтобы сделать ещё один снимок нужно было вставить следующую стеклянную пластину.

В цифровую эпоху электроника камеры сохраняет отснятое изображение во встроенную память. Затем камера готова сделать следующий снимок. Встроенная память камеры обычно может хранить всю исходную информацию порядка 5-10 снимков. В тоже время фотографии из встроенной памяти обрабатываются и записываются на карту памяти. (Большинство современных цифровых фотокамер используют несколько основных стандартных типов карт памяти. CF и SD – наиболее популярны сегодня, но на протяжении развития технологии использовались десяток разных типов карт памяти.)

Эта запись информации на карты памяти – сравнительно медленный процесс. Вот почему камера использует встроенный буфер, чтобы быть готовой сделать следующий снимок не дожидаясь пока предыдущий запишется на карту.

3. Как работает затвор

Конечно, точное понимание принципов работы затвора не очень необходимо для съёмки хороших фотографий, но это требуется уяснить для понимания других фундаментальных понятий в фотографии.

Прежде всего, нужно объяснить пару терминов.

Кадр: Это ещё один термин, имеющий несколько разных значений. Например, одну экспозицию (одно фото) также можно назвать кадром.

Для удобства нашего обсуждения работы затвора, кадр – это отверстие в камере, закрываемое затвором. Когда затвор открыт – свет проникает в кадр чтобы экспонировать изображение.

Шторка: То, что мы обобщенно называем «затвор» - на самом деле стоит из нескольких частей.  Наиболее важны на самом деле две разные светозащитные шторки, которые и составляют основную часть затвора. Для целей данной статьи важно отметить, что каждая шторка может управляться индивидуально.

Первая шторка (шторка А) прикреплена к верхней части кадра. Она расширяется вниз, чтобы закрыть кадр и сокращается вверх чтобы раскрыть его. Вторая шторка (шторка Б) крепится к нижней части кадра. Она расширяется вверх чтобы закрыть кадр и сокращается вниз чтобы открыть его.

Предположим, что сейчас шторка А раскрыта вниз, закрывая кадр. Соответственно шторка Б сокращена, давая шторке А делать свою работу по блокировке света.

Когда вы нажимаете на кнопку спуска на камере чтобы снять фотографию, происходит следующая последовательность событий:

Шторка А сокращается вверх, экспонируя кадр.

• Шторка Б раскрывается вверх, закрывая кадр и заканчивает экспозицию.

Промежуток между этими двумя событиями – это выдержка. В следующий раз при нажатии кнопки спуска Шторка Б пойдет вниз, а затем за ней последует шторка А. Они будут двигаться так попеременно в течение всей жизни камеры. В старый плёночных камерах без электронного привода шторки не меняют направление движения. Взведением курка «поднимаются» шторки затвора, возвращаясь на место во время экспозиции, но остальные принципы, описанные здесь, верны.

При длинных выдержках (например 1/15 секунды), движения двух шторок могут быть отдельными событиями. На протяжении почти всего времени экспозиции, кадр остается полностью раскрытым. На быстрых выдержках (например 1/2000 секунды), обе шторки движутся одновременно, оставляя лишь небольшую щель между собой для экспонирования кадра.

Предположим, что была бы только одна шторка (пусть это будет шторка А). Шторка должна была бы сократиться вверх, а затем, после интервала, определенного настройкой выдержки, раскрываться вниз для завершения экспозиции.

Верхняя часть кадра будет последней экспонирована и первой закрыта. Для относительно длинных выдержек (порядка 1/4 секунды) разница во времени экспонирования между верхней и нижней частями кадра относительно общего времени экспозиции была бы незначительна и вы вряд ли заметили бы разницу. А на более быстрых выдержках (порядка 1/1000 секунды) разница относительно общей длительности экспозиции будет гораздо более заметна. Вы получите фотографию постепенно затемняющуюся снизу вверх.

Наличие двух шторок также позволяет использовать гораздо более короткие выдержки. Подумайте о механике, которую пришлось бы применять чтобы очень быстро перемещать шторку в одном направлении, затем останавливать, менять направление движения и также быстро возвращать обратно. Даже если бы такие механизмы использовались – они быстрее выходили бы из строя и чаще бы ломались.

4. Фокусировка

Самый минимальный набор компонентов, необходимый для фотосъёмки – это светочувствительный носитель (плёнка или цифровой чип), светозащищённая коробка (корпус фотокамеры), отверстие, через которое свет попадает на плёнку и способ контроля количества света (затвор). С помощью этого набора можно сделать например пинхол-камеру. Всё остальное просто делает фотографию «лучше»: быстрее, удобнее и гибче.

Следующей частью, которую мы добавим к этому минимальному набору будет объектив. Ваша камера может иметь встроенный объектив, который постоянно закреплен на ней, либо позволять вам менять объективы.

Всё, что делает объектив – это берет свет перед камерой и фокусирует его.

Проектор имеет плоскость для фокусировки.

Вспомните старомодный слайдпроектор или кинопроектор. Если взять один из слайдов или кусок плёнки и поместить его между лампой и стеной – свет от лампы не создаст какого-либо различимого образа на стене. В лучшем случае вы увидите размытые цветные пятна. Проектор использует объектив для фокусировки и направления света в определённой плоскости вместо того, чтобы он распространялся во всех направлениях.

Объектив вашей камеры делает тоже самое, но в обратном направлении. Вместо того, чтобы фокусировать распространяющийся наружу свет, он берет окружающий свет и фокусирует его на «плёнку». (Кстати наши глаза – тоже объективы. Они имеют почти такую же структуру и базовые функции, как и объектив фотокамеры.)

Рассмотрим как объективы производят и поговорим о механизме фокусировки. (Мы сейчас пропустим обсуждение работы диафрагмы – о ней будет рассказано в отдельном разделе.)

Линзы фокусируют свет на плёнку.

Даже самые простые объективы состоят как минимум из двух «элементов». Элемент – это один кусочек стекла. (На самом деле они могут быть изготовлены из пластика и других экзотических материалов). Каждый элемент имеет хотя бы одну изогнутую поверхность. Посмотрите внимательно на очки. Вы заметите, что их стекла отличаются от плоского оконного стекла. Обычно передняя поверхность каждой линзы изогнута наружу от глаза, а внутренняя поверхность изогнута внутрь центра линзы и также наружу от глаза.

В объективах фотокамеры элементы могут иметь одну плоскую поверхность и одну изогнутую, могут иметь две изогнутые в одном и том же направлении (как в очках) или могут иметь поверхности, изогнутые в противоположных направлениях, обе наружу или обе вовнутрь.

С одним куском стекла мы можем модифицировать свет, но не сможем фокусировать его. Вернёмся к нашему примеру со слайдом или куском плёнки между лампой и стеной. Если вставить увеличительное стекло или стекло из очков в эту конструкцию – вы заметите изменение в свете на стене, но всё ещё не сможете создать чёткое изображение.

Добавление второго кусочка стекла, также с хотя бы одной изогнутой поверхностью, даёт возможность фокусировки. Фокусировка осуществляется перемещением двух линз ближе или дальше относительно друг друга. (Также они могут вместе быть перемещены ближе или дальше относительно плёнки.)

Когда свет проходит через каждый стеклянный элемент объектива, изогнутые поверхности «искривляют» лучи света. Большинство объективов имеют гораздо больше двух элементов и в результате они могут модифицировать свет много раз и весьма сложным образом. Иногда два или более элемента склеивают вместе. Это называется группой. (Чтобы запутать вас ещё больше – отдельно стоящий элемент также может быть назван «группой»). Так что когда вы смотрите на характеристики объектива вы может увидеть что-то вроде «13 элементов в 7 группах». Теперь вы знаете что это значит.

Конечной целью всего этого является так модифицировать и сконцентрировать лучи, чтобы они сформировали четкую картинку на плёнке.

5. Точная регулировка света

С объективом на камере вы получаете выбор между резким изображением и нерезким. Для более тонкой настройки резкости и дополнительных эффектов нужно добавить кое-что ещё.

Диафрагма – это комплект светонепроницаемых лепестков, расположенных по кругу внутри объектива. В центре круга получается отверстие, похожее на дырку в бублике. (Формально слово «диафрагма» имеет два разных значения. Вся описанная конструкция называется диафрагмой, но и одно лишь отверстие тоже называется диафрагмой. В большинстве случаев люди, говоря «диафрагма» имеют в виду отверстие, а не конструкцию из лепестков, образующих отверстие.) Размер отверстия диафрагмы можно регулировать точным образом чтобы управлять количеством света, проходящим через объектив к плёнке.

Даже если ваша камера не дает вам напрямую управлять ей, все кроме самых простейших камер используют диафрагму.

Размер отверстия диафрагмы никогда не измеряется в абсолютных величинах. Например, вы никогда не услышите «у меня диафрагма 10мм». Вместо этого она выражается в относительных величинах, включающих фокусное расстояние объектива. Она также изменяется по логарифмической шкале, что делает концепцию чуть более сложной для людей не относящихся к науке. Так, например если диаметр диафрагмы 10мм, а фокусное расстояние объектива 100мм – вы можете сказать, что диафрагма f10. Это означает, что диаметр отверстия диафрагмы составляет 1/10 от фокусного расстояния. Те же 10мм на 50мм-объективе дадут f5 потому что диаметр составит лишь 1/5 от фокусного расстояния. (Буква «f» в этом выражении является сокращением от английского слова, означающего «фокусное расстояние».) Запутано? Определённо. Но всему есть свои причины. Сейчас разберемся!

Типичный ряд диафрагм: f1.4, f2, f2.8, f4, f5.6, f8, f11, f16, f22. Между каждыми соседними – один стоп. Изменение экспозиции в фотографии принято измерять «стопами». И каждая из указанных диафрагм позволяет попасть на плёнку вдвое меньшему количеству света, чем предыдущая и вдвое больше, чем следующая за ней. Существуют объективы, которые можно открыть на диафрагму более чем f1.4 или закрыть менее чем на f22, но они не так распространены.

Также ваш объектив может не иметь даже всего представленного тут диапазона. На передней части объектива вы можете найти маркировку наподобие «17mm f 5.6» или возможно «17mm 1:5.6». f5.6 в нашем примере показывает максимально  открытую диафрагму, доступную на этом объективе. Так что на данном экземпляре вы сможете использовать значения от f 5.6 до f 22. Реальные цифры вашего объектива могут отличаться от нашего примера и если у вас зум – у вас будет два комплекта значений. Первый относится к короткому положению зума, а второй – к длинному.

Так зачем это отверстие измеряют по такой системе? Чтобы понять это надо узнать, какую функцию это отверстие выполняет.

• Основная функция диафрагмы состоит в регулировке количества света, который может пройти через объектив и попасть на плёнку. Поскольку лепестки диафрагмы непрозрачные – то свет может пройти только через образуемое ими отверстие. Одна из причин, ради которой в объективе искривляются лучи света – это необходимость пройти через это отверстие. В результате, закрывая диафрагму, вы получаете нормальное изображение, а не светлый кружок на черном фоне.
• Побочный эффект, и самый важный по мнению фотографов, состоит в том, что изменение размера диафрагмы приводит к изменению количества картинки в зоне фокуса.

Это требует дополнительного объяснения, так что посвятим этому вопросу отдельный раздел.

6. Глубина резкости

Возвращаясь к нашему примеру с проектором – слайд плоский и экран, на который он проецируется - тоже плоский. Объектив проектора не имеет диафрагмы потому что количество света, которое он пропускает известно и неизменно и две плоских поверхности означают, что достаточно сфокусировать точку А на слайде в точку Б на экране.

Реальный мир трехмерен. Объектив может сфокусировать свет на плоскую поверхность, но этот свет исходит не от плоских поверхностей. Технически, объектив может идеально сфокусировать лишь одну плоскость за один раз. По мере удаления предметов от этой плоскости, независимо от того ближе или дальше от камеры, они будут выглядеть всё более расфокусированными. До некоторого момента степень размытости столь незначительна, что она практически не заметна невооруженным взглядом. В итоге вы получаете некоторый диапазон, в котором все предметы кажутся резкими, даже если технически в фокусе находится лишь одна точка. Этот диапазон называют глубиной резкости.

Чтобы охватить весь жаргон, который вам встретится в вашем знакомстве с фотографией, упомянем еще один термин – «кружок рассеяния». Представьте кончик карандаша. Свежезаточенный карандаш имеет очень острый кончик. Пусть точка, находящаяся в плоскости идеальной фокусировки будет как кончик такого карандаша. По мере использования карандаша он постепенно притупляется. Кончик становится круглее, больше и шире. Изменения происходят не внезапно, так что на многих промежуточных стадиях карандаш будет нам казаться столь же острым, как в начале.

Можно сказать, что это попадает в зону глубины резкости. В какой-то момент кончик карандаша становится толстым и совсем тупым. Вы ясно видите, что он уже не так остр как прежде. В этой точке происходит превышение размера кружка рассеяния и ваш мозг больше не путает чуть затупившийся карандаш с идеально острым. Вы точно знаете, что карандаш тупой, или в нашей метафоре, определяете часть изображения как нерезкую.

Какое всё это имеет отношение к диафрагме? Чем сильнее вы закрываете отверстие диафрагмы – тем больше становится глубина резкости. То есть гораздо большая часть кадра оказывается резкой. Это может быть полезно например при попытке снять большое цветочное поле так, чтобы оно всё оказалось резким, от нескольких шагов от вас до горизонта.

На этой портретной фотографии фон находится вне фокуса.

Понимание этого явления поможет вам понять и противоложное – по мере открытия диафрагмы глубина резкости уменьшается. Это часто используется в портретной съемке, где фотографы предпочитают получить в фокусе человека на приятно размытом фоне.

Я обещал объяснить почему значения диафрагмы следуют в таком трудном для понимания логарифмическом порядке, а не в конкретных значения размера отверстия. Теперь, когда мы немного изучили диафрагму и принцип её работы, а также узнали кое-что об объективах и фокусировке – соберем всё вместе. Причина в том, что одно и тоже отверстие диафрагмы будет давать разную картинку в зависимости от фокусного расстояния объектива. Отверстие диафрагмы 10мм будет огромным для 12мм объектива, достаточно скромным для 80мм объектива и совсем крошечным для 300мм объектива. Количество проходящего света и значение глубины резкости будет не одинаковым для разных объективов.

Это все равно, что сказать, что метр будет иметь одно значение в Сингапуре, другое значение в Норвегии и третье – в Австралии. Без стандартизации единицы измерения становятся бессмысленны. Поэтому вместо конкретного размера диафрагма представляется в виде дроби с фокусным расстоянием объектива. Это обеспечивает необходимую стандартизацию, так что эффект влияния диафрагмы на изображение будет примерно одинаковым при разных фокусных расстояниях объективов.

Шаг изменения диафрагмы может показаться случайным, но он на самом деле обеспечивает изменение вдвое отверстия диафрагмы и соответственно светопропускания.

7. Управление освещенностью с помощью выдержки

Фотографы могут настолько увлечься вторичным эффектом от диафрагмы – глубиной резкости – что совсем забывают об основном предназначении диафрагмы – регулировать количество проходящего через объектив света.

Мы уже говорили, что всё, чем занимается фотография – это записью и сохранением света. Следует отметить, что камера накапливает весь получаемый свет. Чаще всего плёнке вашей камеры или цифровой матрице требуется экспозиция всего в несколько долей секунды чтобы записать и сохранить изображение. Когда становится темнее – требуется открывать затвор на более длительное время чтобы он пропустил больше света.

Игры с экспозицией в ночное время

Пока открыт затвор камера накапливает свет. Если в вашем кадре окажется движущийся объект и его скорость будет выше используемой скорости затвора – он будет размыт в кадре. Это знание может быть полезным.

Иногда вам может быть необходимо снять предмет размытым или замороженным. Зная об отношения скорости объекта и скорости затвора можно выбрать более правильные настройки. Вам не потребуется выдержка 1/4000 чтобы заморозить движение прогуливающегося пешехода – 1/125 может быть достаточно.

Несложно догадаться, что для более быстродвижущихся объектов требуются более короткие выдержки. Будет полезно изучить влияние выдержки на изображение. Как передать ощущение движения. Или как может выглядеть движение на снимке.

Управление выдержкой может быть полезно при необходимости заморозить (или намеренно размыть) движущийся объект. Например, при съемке потока воды короткая выдержка заморозит отдельные капли. Очень длинная выдержка создаст эффект текучей сладкой ваты. И между этими крайностями множество доступных выдержек.

8. Светочувствительность

Пока мы говорили о двух способах управления светом, создающих экспозицию: диафрагме и выдержке. Есть ещё два способа управления светом. Первый из них – добавить больше света. Обычно это делается с помощью вспышки. Вспышка – это отдельная большая тема, которой мы посвятим отдельное руководство. Пока просто знайте, что это один из инструментов, которые можно использовать.

Другой способ часто обозначается аббревиатурой ISO. Она расшифровывается как Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization). Эта структура помогает вводить стандарты повсюду, от электричества и размеров шин до твердости стали и мягкости хлопка. Она также установила стандарты светочувствительности.

С фотографической точки зрения понятие светочувствительность прежде всего относится к плёнке. Давайте еще раз на секунду вернемся в прошлое и вспомним о плёнке. Вы могли прийти в любой магазин, где продавалась плёнка и найти там целый ряд различных вариантов. Можно было выбрать плёнку чувствительностью 100, 200 или 400 единиц и выше. (Вновь обращу ваше внимание на традиционное в фотографии изменение значений вдвое.)

Потребительская плёнка как правило имела значения светочувствительности от ISO50 до ISO800. Цифровые камеры как правило предлагают диапазон ISO от 50 до 6400. В предельных случаях значения светочувствительности могут достигать 30000 и более.

Шкала одинакова и для плёнки и для цифры. Вот краткая характеристика доступных значений:

• ISO25 очень нечувствительна, требует очень яркий свет.
• ISO50 вдвое чувствительней, но всё ещё требует сильного света.
• ISO100 основная и для плёнки и для цифры. Используется в основном солнечным днем или при сравнимом уровне яркости.
• ISO200 следующее значение по шкале. Можно назвать самой популярной плёночной чувствительностью. На улице может использоваться в сумерках и на рассвете.
• ISO400 следующий целый стоп. Подходит для съемки при сравнительно неярком свете помещения или в сумерках.
• ISO800 для ночных фотографий при малом свете.
• ISO1600 для использования в темноте.
• ISO3200 и выше для очень тёмных условий.

Как правило более чувствительный носитель (с большим значением ISO) даст на изображении больше зерна. В некоторых случаях зернистость может стать настолько большой, что повлияет на качество изображения. Как правило избегаемое, это однако иногда используется для получения определенного «настроения».

Между насыщенностью цветов и светочувствительностью также есть определенная связь. ISO 100 почти не имеет зерна, дает резкую картинку с яркими цветами. ISO 400 может иметь небольшое, но всё же заметное зерно и приглушенные цвета. ISO 1600 как правило имеет чрезвычайно заметное зерно и почти монохроматические цвета.

9. Подытожим

Мы рассмотрели основные части фотокамеры и способы, которыми камера контролирует свет, создающий ваши фотографии. Все эти методы совместно безгранично комбинируются, что позволяет достичь практически любого эффекта, который вы задумаете. Каждый из них имеет побочные эффекты, которые могут быть как желательны, так и нежелательны для фотографии, которую вы собираетесь сделать. Управляя количеством приникающего в камеру света, диафрагма также определяет глубину резкости. Управляя временем экспонирования с помощью выдержки, можно усиливать или ослаблять размытие движения. Определяя сколько света будет достаточно с помощью изменения значения ISO, приводим к изменению зернистости и насыщенности цветов.

Никто не говорит, что прочитав статью вы станете экспертом в данном вопросе. Возможно вам придется перечитать её не один раз. Возможно вам понадобится вернуться к этим вопросам через какое-то время чтобы освежить в памяти понятия. Цель данного материала в том, чтобы помочь вам заложить фундамент, на котором будет возможно осваивать другие уроки и самостоятельно изучать новые вопросы.

Удачных кадров!