Fotografia cyfrowa

1

Fotografia cyfrowa Radosław Mantiuk

radoslaw.mantiuk@gmail.com

Fotografia cyfrowa

2

Potok fotografowania

§  Dane rejestrowane w pierwszym etapie potoku wykorzystywane są w kolejnych etapach. §  Błędy przekazywane są do kolejnych etapów potoku.

Etapy powstawania fotografii cyfrowej.

Fotografia cyfrowa

3

Human Visual System (HVS) System umożliwiający człowiekowi percepcję (ang. perception) obrazów.

KOLOR

Luminancja (jasność) Chrominancja -  odcień -  nasycenie

Fotografia cyfrowa

4

Spektrum elektromagnetyczne

Światło - widzialny zakres fal elektromagnetycznych.

Fotografia cyfrowa

5

Zakres widzialnej luminancji i chrominancji Człowiek "widzi" więcej kolorów i szerszy zakres luminancji niż są w stanie zarejestrować/wygenerować urządzenia techniczne (np. monitory, aparaty cyfrowe).

3*10-5 [cd/m2] ciemnie niebo, 2*109 [cd/m2] słońce 8-bitowe formaty graficzne

zakres dynamiki luminancji

Fotografia cyfrowa

6

Okno ekspozycji (1) Zmiana ekspozycji przesuwa okno rejestrowanej luminancji.

10

Fotografia cyfrowa

7

Okno ekspozycji (2) Zmiana ekspozycji przesuwa okno rejestrowanej luminancji.

10

Fotografia cyfrowa

8

Zdjęcie HDR Zdjęcie HDR po kompresji tonów.

10

Fotografia cyfrowa

9

Cyfrowy aparat fotograficzny korpus (ang. body) obiektyw (ang. lens)

Fotografia cyfrowa

10

Cyfrowy aparat fotograficzny

Fotografia cyfrowa

11

Lustrzanka DSLR SLR - ang. Single-Lens Reflex

Fotografia cyfrowa

12

Matryce światłoczułe

•  matryca fotodiod (ang. photodiodes) •  światło zamieniane na impuls elektryczny •  miarą mocy światła jest napięcie impulsu

•  wymiary matrycy mniejsze od filmu 36mm (35x24 mm)

•  współczynnik skalujący ogniskową obiektywu (powiększenie ogniskowej)

•  aberracje obiektywów

Fotografia cyfrowa

13

CMOS vs CCD CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductors) •  dostęp do pojedynczych komórek •  sprzętowa redukcja szumów •  tania technologia •  większe rozmiary matrycy CCD (Charge-Coupled Devices) •  większa czułość na światło •  mniejszy szum •  odczyt komórek rzędami

Fotografia cyfrowa

14

Sensory CMOS Foveon Trzy fotodiody ułożone wertykalnie na sobie. Rejestracja wartości pikseli dzięki różnej głębokości wnikania fal świetlnych w strukturę silikonu dla różnych długości fal.

•  Duże zaszumienie zdjęć wykonanych przy słabym oświetleniu. •  Nie jest potrzebny demosaicing (obraz jest ostrzejszy, nie ma artefaktów

wynikających z interpolacji).

Fotografia cyfrowa

15

Czułość matrycy (ang. ISO sensitivity / ISO speed)

Sv - wartość czułości matrycy, jednostka [ISO]

Większe Sv to bardziej czuła matryca.

Zwiększenie czułości zwiększa również szum.

Fotografia cyfrowa

16

Przesłona (ang. Aperture) (1) diafragma (ang. diaphragm) (ang. aperture stop) - limituje ilość światła, które dostaje

się do matrycy światłoczułej

duża przesłona mała przesłona

szybkość obiektywu (ang. lens speed) - im większa przesłona tym szybszy obiektyw

Fotografia cyfrowa

17

Przesłona (ang. Aperture) (2) Av - wartość przesłony (ang. aperture value, APEX), względna jednostka [f/number]

wartość APEX, np. N=16 €

f /#= N =fD

Im większy f-number tym mniej światła dociera do matrycy i mniejsza jest przesłona.

W aparatach wykorzystywane są standardowe wartości f-number nazywane f-stops. Jeden f-stop oznacza dwukrotne zwiększenie/zmniejszenie ilości światła przechodzącego przez obiektyw (dwukrotną zmianę powierzchni przesłony).

kolejne wartością są wielokrotnościa

€

2 ≈1.414

Wartości f-stop mogą zmieniać się o połowę:

Fotografia cyfrowa

18

Głębia ostrości (ang. depth of field) Obszar sceny o dostatecznej ostrości.

•  Aparaty bez efektu DOF (ang. hyperfocus distance).

Fotografia cyfrowa

19

Migawka (ang. shutter) Urządzenie machaniczno-elektroniczne regulujące czas naświetlania matrycy. szybkość migawki - ang. shutter speed

Migawka szczeliniowa (w aparatach z wymiennymi obiektywami)

Migawka w przesłonie

•  Migawka powinna synchronizować się z lampą błyskową •  Migawki elektroniczne.

Migawka płytkowa (bardzo szybka)

Fotografia cyfrowa

20

Czas ekspozycji (ang. exposure time) (1)

Tv - wartość czasu ekspozycji, jednostka [sekundy]

np. T = 1/512

Fotografia cyfrowa

21

Czas ekspozycji: Rozmycie ruchu (ang. motion blur)

Fotografia cyfrowa

22

Czas ekspozycji: Długi czas naświetlania

Fotografia cyfrowa

23

Czas ekspozycji: czas naświetlania ???

Fotografia cyfrowa

24

Efekt uzyskiwany przy krótkim czasie naświetlania

Fotografia cyfrowa

25

Ekspozycja (ang. Exposure) Zmiana ekspozycji poprzez zmianę przesłony lub czasu ekspozycji. Zasada odwrotności (ang. reciprocal) - większa przesłona wymaga mniejszego czasu, aby uzyskać tą samą ekspozycję.

zakres ekspozycji (ang. exposure latitude) - dopuszczalna zmiana ekspozycji, nie powodująca pogorszenia jakości zdjęcia

szum - ciemne obszary saturacja/rozbłyski - jasne obszary

bracketing (ang. exposure bracketing) - wykonanie serii zdjęć tej samej sceny z różnymi ustawieniami ekspozycji

Fotografia cyfrowa

26

Wartość ekspozycji Znając ekspozycję można obliczyć luminancję lub illuminancję sceny.

€

Ev = log2N 2

t

f-number

czas ekspozycji

€

Ev = log2L ⋅ SK

luminancja czułość matrycy (ISO)

stała kalibracyjna

€

Ev = log2E ⋅ SC

illuminancja czułość matrycy (ISO)

stała kalibracyjna

€

L = 2Ev−3dla S = 100 i K = 12.5

Fotografia cyfrowa

27

Światłomierz (ang. light meter) Rodzaje mierników: §  pomiar światła odbitego od obiektów (ang. reflective light meter), wbudowane w aparatach,

pomiar średniej luminancji (zakłada się średnie odbicie światła 12-18%) §  center-weighted metering, §  spot metering, §  matrix metering,

§  pomiar światła padającego na obiekty (ang. incident light meter), pomiar illuminancji

Fotografia cyfrowa

28

Rejestracja kolorów przez matrycę światłoczułą Demosaicing - zamiana punktów matrycy na piksele RGB obrazu cyfrowego.

CFA (Color Filter Array) - wzór Bayer'a

Fotografia cyfrowa

29

Demosaicing: Konwersja kolorów

Fotografia cyfrowa

30

Demosaicing: metoda najbliższego sąsiada Powielanie pikseli.

Fotografia cyfrowa

31

Demosaicing: interpolacja dwuliniowa Liniowa interpolacja brakujących wartości.

€

R2 =R1 + R32

€

R4 =R1 + R72

€

R5 =R1 + R3 + R7 + R9

4

€

G5 =G2 +G4 +G6 +G8

4

Fotografia cyfrowa

32

Demosaicing: zipper

Fotografia cyfrowa

33

Demosaicing: false colors

Fotografia cyfrowa

34

Demosaicing: efekt Moire’a

Fotografia cyfrowa

35

Demosaicing: rozmycie obrazu

Fotografia cyfrowa

36

Demosaicing: przykłady

obraz oryginalny

metoda najbliższego sąsiada

interpolacja dwuliniowa

interpolacja bazująca na gradientach

Fotografia cyfrowa

37

Soczewka - obiektyw Soczewka - symetryczny element optyczny załamujący, skupiający lub rozpraszający światło. Wykonana ze szkła lub przezroczystego plastiku.

Fotografia cyfrowa

38

Rodzaje soczewek

soczewka skupiająca

soczewka rozpraszająca

Obliczanie ogniskowej R1 - promień powierzchni położonej bliżej źródła światła R2 - promień powierzchni oddalonej od źródła światła n - współczynnik załamania materiału soczewki d - grubość soczewki

Fotografia cyfrowa

39

Obrazowanie w soczewkach (1)

Obliczanie ogniskowej dla cieńkich soczewek

powiększenie

Fotografia cyfrowa

40

Obrazowanie w soczewkach (2)

Obliczanie ogniskowej dla cieńkich soczewek

powiększenie

Fotografia cyfrowa

41

Cechy obiektywów

•  Rodzaje: szerokokątne, standardowe, teleobiektywy. •  Rodzaje: stałoogniskowe, ze zmienną ogniskową (typu zoom). •  Jasność obiektywu. •  Aberracje. •  Rozdzielczość (MTF). •  Mechanika wspomagająca stabilizację matrycy (brak poruszeń). •  Typ mocowania (np. Canon EF). •  Specjalne zastosowania (np. typu shift).

Fotografia cyfrowa

42

Obiektywy stałoogniskowe •  bardzo dobre własności optyczne, •  jasne, •  mało uniwersalne.

Fotografia cyfrowa

43

Obiektywy typu zoom

•  wpływ powiększenia ogniskowej na jasność obiektywu, •  aberracje

Fotografia cyfrowa

44

Obiektywy szerokokątne

•  duże aberracje

Fotografia cyfrowa

45

Teleobiektywy •  duże rozmiary w przypadku jasnych teleobiektywów, •  mała głębia ostrości

Fotografia cyfrowa

46

Fotografia wykonywana w podczerwieni (ang. infrared photography) §  Większość aparatów cyfrowych ma nałożony filtr na matrycę blokujący pasmo

podczerwieni.

§  Wykonanie fotografii w podczerwieni wymaga zastosowania filtra na obiektyw (R72, 78C). Filtr ten blokuje światło widzialne i pozwala zarejestrować słabsze promieniowanie podczerwone (osłabione przez filtr na matrycy).

•  Podczerwień w inny sposób niż światło widzialne odbija się od powierzchni obiektów (dlatego np. liście są b. jasne, a skóra człowieka ma własność podpowierzchniowego rozpraszania światła).

Fotografia cyfrowa

47

Fotografia wykonywana w podczerwieni Odbijanie światła przez różne materiały.

Fotografia cyfrowa

48

Fotografia wykonywana w podczerwieni Przykłąd zastosowania zespołu filtrów.

Fotografia cyfrowa

49

Filtry (1) Charakterystyki filtrów.

Fotografia cyfrowa

50

Filtry (2) Charakterystyki filtrów.

Fotografia cyfrowa

51

Dyspersja Zależność współczynnika załamania ośrodka od długości fali świetlnej. Fale o różnej długości załamują się pod różnym kątem.

Pryzmaty o różnym współczynniku dyspersji.

Fotografia cyfrowa

52

Aberracje chromatyczne Soczewki obiektywu mają inne współczynniki załamania dla różnych długości fal. W rezultacie następuje przesunięcie punktu ogniskowania dla różnych długości fal. Aberracje: •  podłużne - przesunięcie wzdłuż osi optycznej •  boczne - przesuniecie na płaszczyźnie optycznej

aberracja chromatyczna jest szczególnie widoczna w obszarach o dużym kontraście (color fringes - frędzle)

Fotografia cyfrowa

53

Aberracje chromatyczne: obiektywy achromatyczne Układ dwóch soczewek zmniejszających aberracje chromatyczną (achromatic doublet, achromat). Dwie soczewki wypukła i wklęsła wzajemnie kompensują swoją dyspersję.

crown glass - typ szkła charakteryzujący się małym współczynnikiem załamania i małą dyspersją (małą liczbą Abbe) flint glass (szkło krzemienne) - typ szkła o dużym współczynniku załamania i małej liczbie Abbe

apochromatic lenses - układ więcej niż dwóch soczewek redukujących efekt aberracji chromatycznej

Fotografia cyfrowa

54

Liczba Abbe - miara dyspersji

Liczba Abbe i współczynniki załamania dla różnego typu szkła.

Fotografia cyfrowa

55

Aberracje chromatyczne: purple fringes purpurowe frędzle - powodowane przez układ mikrosoczewek na sensorze skupiający prawidłowo kolor zielony, a wprowadzający aberracje dla kolorów czerwonego i niebieskiego.

Fotografia cyfrowa

56

Aberracje sferyczne Zmiana współczynnika refrakcji wraz z oddalaniem się od osi optycznej skutkujące nieprawidłowym ogniskowaniem promieni. Aberracja sferyczna rozmywa obraz.

aberrację zmniejsza się za pomocą układu soczewek achromatycznych

Fotografia cyfrowa

57

Zniekształcenia promieniste (radial distorions) Symetryczne zniekształcenia obrazu.

zniekształcenia beczkowe (ang. barrel distortions)

zniekształcenia poduszkowate (ang. pincushion distortions)

Fotografia cyfrowa

58

Astygmatyzm Promienie poruszające się w dwóch prostopadłych względem siebie płaszczyznach mają różne ogniska (punkty skupienia). Ostre będą pionowe i poziome linie położone w różnej odległości od obserwatora.

astygmatyzm trzeciego rzędu - rozmywanie obiektów oddalonych od osi optycznej astygmatyzm spowodowany brakiem symetrii systemu optycznego (wady soczewek)

Fotografia cyfrowa

59

Coma Nieprawidłowe ogniskowanie promieni biegnących pod pewnym kątem do osi optycznej. Rozmywanie jasnych elementów na brzegach pola widzenia (rozmycie ma kształt komety).

positive coma

Fotografia cyfrowa

60

Winietowanie (1) Spadek jasności oraz nasycenia kolorów zdjęcia wraz z oddalaniem się od osi optycznej aparatu. Winietowanie jest większe dla obiektywów o mniejszych ogniskowych i dla dużych otworów przesłony.

€

E ⇒ cos4 θ

€

θ

Fotografia cyfrowa

61

Winietowanie (3) Pomiar winietowania.

Fotografia cyfrowa

62

Winietowanie (2) Pomiar winietowania (zależność od przesłony).

Fotografia cyfrowa

63

Głebia ostrości (ang. depth-of-field, DOF) Ostre będą tylko obiekty, których obraz pojawia się dokłanie w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu (na sensorze). Małe odchylenia nie powodują zauważalnego rozmycia obiektów. DOF maleje (mniejszy obszar ostry na zdjęciu): •  większej przesłony (większy otwór), •  większej ogniskowej, •  większego sensora.

circle-of-confusion - maksymalny rozmiar plamy światła powstającej w wyniki skupiania promienia poza ogniskiem.

Fotografia cyfrowa

64

Wpływ przesłony na głebie ostrości Im większa przesłona tym mniejsza głebia ostrości.

Fotografia cyfrowa

65

Rozdzielczość obiektywu Zdolność do rejestracji drobnych szczegółów, ostrość zdjęcia (ang. sharpness). OTF (ang. Optical Transfer Function) (transformacja Fouriera funkcji PSF (ang. Point Spread Function) MTF (ang. Modulation Transfer Function) MTF definiuje w jaki sposób system optyczny filtruje obraz sceny. Określa rozdzielczość optyczną obiektywu.

http://www.imatest.com/

Fotografia cyfrowa

66

MTF - obiektywy Modulacja - miara zmian wprowadzanych w pierwotnym obrazie przez obiektyw. MTF mierzy zdolność do rejestracji określonych częstotliwości.

Canon EF 24-105 f/4L IS USM

odległość od osi optycznej (w [mm])

MTF

grube linie: 10 lp/mm, cieńkie: 30 lp/mm. czarne: minimalna przesłona, niebieskie f/8 ciągła linia - wzory typu meridional (okręgi) kreskowana linia - sagittal (wzor kreskowy)

Fotografia cyfrowa

67

Szum (ang. noise) (1) Informacja na zdjęciu nie pochodząca od radiancji sceny. •  reset noise - szum wynikający z niecałkowitego wyzerowania sensora, przed wykonaniem zdjęcia wartość sensora dla piksela może być zmierzona i odjęta od wartości po wykonaniu zdjęcia, •  fixed pattern noise (ang. dark signal non-uniformity, DSNU) - szum wynikający z niedokładności wykonania sensora, można go zarejestrować wykonując zdjęcie z zasłoniętym obiektywem, •  dark current (shot) noise - szum wywołany elektronami poruszanymi przez wibracje termiczne w całkowitej ciemności, •  transfer noise - szum związany ze zbieraniem danych z sensora, powiększany przez wzmacnianie sygnały (ang. gain), •  quantization noise - szum kwantyzacji wynikający z kwantyzacji analogowego sygnału pochodzącego z sensora, •  photon noise - zależny od irradiancji sceny, fotony docierają do sensora w losowej liczbie, jeżeli jest ich mało to tworzą niejednolite rozkłady, dla dużej liczby fotonów wpływ szumu maleje.

Fotografia cyfrowa

68

Photon noise

Mała liczba fotonów wywołuje szum wynikający z nieprawidłowego rozkładu sygału (zgodnie z rozkładem Poisson'a) dla dużej liczby fotonów rozkład staje się normalny.

Fotografia cyfrowa

69

Szum (ang. noise) (2) Photon shot noise

Odchylenie standardowe wartość szumu rośnie jako pierwiastek kwadratowy wartości sygnału.

Fotografia cyfrowa

70

Literatura

§  www.dpreview.com §  www.clarkvision.com §  Christian Bloch, Technika HDRI w fotografii, HELION, 2010 §  Erick Reinhard, Wolfgang Heidrich, Paul Debevec, Sumanta Pattanaik, Greg Ward,

Karol Myszkowski, High dynamic range imaging: acquisition, display, and image-based lighting, Morgan Kaufmann, 2010