Вы когда-нибудь задумывались, что такое фотоаппарат и как работает камера? Как работает этот хрупкий механизм, когда вы делаете фотографию? Вы не одиноки.
За последние полтора столетия фотоаппараты претерпели значительные изменения. Фотография радикально изменилась. Современные камеры – это результат бесчисленных лет развития, но основные принципы остаются неизменными.
Так как же работает фотоаппарат? Вот наше руководство.
Какова роль света?
Если мы хотим понять, как работает фотоаппарат, нам нужно знать, как работает свет. Фотография не существовала бы без нашего понимания света.
Не погружаясь дальше в дикие территории физики, давайте проясним основы.
Свет движется по прямой траектории. Он не делает изгибов (по крайней мере, практически для нас, фотографов). Он отражается и поглощается.
Для наших глаз и камер свет – это волна. Он обладает теми же свойствами, что и звук, различается по длине волны, частоте и амплитуде. Он различается по уровню энергии.
Задача фотографа – собрать и запечатлеть свет в своем собственном вкусе и форме.
Основная концепция фотоаппаратов
За исключением самых первых камер-обскура (в которых не было стекла), две основные части камер – это объектив и детектор света.
Объектив камеры собирает свет и проецирует его на поверхность светового детектора пленки или цифрового сенсора.
Потом, через различные способы обработки, вы получаете конечное изображение, сформированное по вашему вкусу.
Фотография – это все, что происходит между этими этапами и даже до них.
И вы, фотограф, имеете над этим контроль.
Объектив
Объектив – это первая встреча света с камерой.
Свет проходит через объектив. С помощью различных оптических формул он изменяет способ проецирования изображения. Это один из самых мощных инструментов самовыражения, поэтому вам крайне важно понимать, как он работает.
Оптическая структура
Ваш объектив фотоаппарата на самом деле не является одной линзой. Он состоит из множества отдельных линз и групп линз.
Структура является результатом тщательного проектирования и тестирования. Существуют некоторые стандартные формулы, например 50mm f/1.8 или f/1.4. Они очень похожи у разных производителей и были разработаны очень давно.
Некоторые продвинутые и экстремальные объективы для камер имеют формулы, которые еще недавно были невозможны.
Оптическая формула линзы определяет изображение, которое она может проецировать на сенсор.
Фокусное расстояние
Проще говоря, фокусное расстояние определяет величину зума. Меньшее фокусное расстояние дает более широкий угол обзора. Более высокое фокусное расстояние дает более узкий кадр сцены.
С технической точки зрения, фокусное расстояние – это расстояние между точкой схождения объектива и матрицей или пленкой.
Это означает, что телеобъективы действительно должны быть такими (за исключением зеркальных объективов). Однако широкоугольные объективы могут быть удивительно длинными.
Зум-объективы меняют свою точку туда-сюда. Примитивные объективы имеют фиксированную точку, и элементы перемещаются только для фокусировки.
Апертура
Диаметр линзы определяет максимальное количество света, которое может пройти.
В большинстве объективов имеется диафрагма. Радужка используется для сужения диаметра. Она работает подобно зрачку в вашем глазе: чем он уже, тем меньше света пропускает.
Кроме того, более плотная радужка обеспечивает большую глубину резкости и меньшее разделение заднего плана.
Значение диафрагмы указывается в виде F-стопов. F-stop – это коэффициент. Вы можете рассчитать его, разделив фокусное расстояние на диаметр объектива (у диафрагмы).
Например, F-стоп объектива 50 мм с диаметром диафрагмы 25 мм равен f/2.
Конечно, при увеличении фокусное расстояние меняется. В объективах с постоянным минимальным апертурой, например, 24-70mm f/2.8, диафрагма постепенно открывается по мере увеличения. Таким образом, соотношение сторон остается неизменным.
Фокусировка
Как и ваш глаз, объектив камеры видит мир в фокальных плоскостях. Эти плоскости параллельны переднему элементу объектива камеры и (в большинстве случаев) матрице. Исключение составляют tilt-shift и чрезвычайно широкоугольные объективы.
Чтобы получить определенную плоскость в фокусе, элемент объектива должен перемещаться внутри линзы. Вы можете управлять этим элементом с помощью автофокуса или вручную, поворачивая кольцо фокусировки.
Существует диапазон фокусировки, на который способен каждый объектив. Чем ближе фокусировочный элемент к матрице, тем дальше он фокусируется.
За исключением объективов, предназначенных только для макросъемки, большинство из них фокусируется до бесконечности. Бесконечность – это плоскость, за которой находится идеальный фокус. Физически можно пойти дальше, но это не имеет смысла, поскольку после этого изображение снова становится размытым.
При съемке близкого плана фокусировочный элемент отдаляется от матрицы. Таким образом, любой не макрообъектив можно сделать способным к макросъемке, добавив удлинительные трубки между корпусом и объективом.
Обычно кольцо фокусировки физически связано с механизмом фокусировки внутри объектива. В этом случае ручная фокусировка дает вам прямой контроль. В некоторых объективах есть только электронное управление.
Это происходит в тяжелых объективах (например, Canon 85mm f/1.2 II). В миниатюрных конструкциях, где обычное кольцо фокусировки было бы непрактичным (например, Canon 40mm f/2.8 pancake lens), оно также часто используется.
Стабилизация
В некоторых современных объективах можно найти элемент, который активно стабилизирует движение камеры. Обычно эта деталь представляет собой конструктивно обособленный блок на задней части с одной линзой.
С помощью гироскопа он измеряет и противодействует вашему рукопожатию и другим движениям.
Название систем стабилизации отличается от бренда к бренду. Canon называет свою систему IS (стабилизатор изображения), Nikon – VR (Vibration Reduction), Sony – OSS (Optical SteadyShot) и так далее. Все они по большей части делают одно и то же.
Вес и эргономика
Размер и вес линз зависят от множества факторов.
Как правило, более высокая диафрагма означает более крупные объективы. Широкий диапазон зума также приводит к более длинным объективам при увеличении, но они часто бывают выдвижными.
Кроме того, чем больше размер предполагаемой матрицы, тем более громоздким должен быть объектив.
Стабилизация также сопровождается увеличением веса.
Чаще всего производители разрабатывают свои объективы так, чтобы обеспечить отличный баланс с камерами. Но в некоторых случаях это невозможно. Быстрые телеобъективы и супертелеобъективы (например, Canon 200mm f/2.8) и быстрые сверхширокоугольные объективы (например, Sigma 14mm f/1.8) должны иметь огромные передние элементы, поэтому они могут казаться несбалансированными.
Подключение к корпусу камеры
В этом смысле существует два типа объективов для фотокамер: сменные и фиксированные на корпусе.
Фиксированные объективы в основном используются в потребительских компактных и мостовых камерах. Некоторые бренды, например, Leica, выпускают камеры с фиксированными объективами высшего уровня.
Не так много вариантов с фиксированными объективами, вы получаете то, что получаете.
Кроме того, на DSLR (цифровых однообъективных зеркальных фотоаппаратах) и MILC (Mirrorless Interchangeable Lens Camera), вы можете менять объективы камеры независимо от ее корпуса.
Для соединения объективов с корпусами камер каждый производитель (или альянс) камер имеет стандартные крепления объективов.
Помимо надежного и устойчивого крепления объективов, каждый маунт имеет электронный протокол. Это необходимо для обеспечения питания автофокуса и стабилизации. По каналам передачи данных также передается информация о диафрагме, фокусном расстоянии, зуме и общая информация об объективе.
Самые известные типы креплений для камер включают Canon EF/EF-S (DSLR), EF-M (кроп-сенсорные беззеркалки) и RF (полнокадровые беззеркалки), а также Nikon F (DSLR) и Z (беззеркалки), Sonys A (DSLR) и E (беззеркалки) и многие другие.
Камеры
После прохождения через объектив свет попадает в камеру, где его фиксирует сенсор или пленка.
Видоискатель
Все зеркальные и многие беззеркальные камеры оснащены видоискателями. Он может быть оптическим или электронным.
В цифровом зеркальном фотоаппарате с оптическим видоискателем, когда свет поступает из объектива, он отражается от полупроницаемого зеркала. Затем большая часть света отражается на пентапризму и попадает в видоискатель.
Некоторая часть света отражается вниз через вторичное зеркало на датчик автофокуса.
В беззеркальной камере нет оптического соединения между объективом и вашим глазом. Свет всегда попадает непосредственно на сенсор.
С матрицы изображение в реальном времени передается в цифровом виде в электронный видоискатель (EVF) или на задний экран.
Затвор
Затвор – это механизм, который пропускает свет на пленку или матрицу в течение определенного времени (скорость затвора).
До эпохи цифровых камер единственным вариантом был механический затвор. Они физически перемещают препятствие на пути света.
Роликовый механический затвор, который используется в большинстве камер, имеет две шторки. Когда вы нажимаете на кнопку спуска затвора, первая шторка поднимается и пропускает свет на датчик камеры. Затем, по истечении заданного времени выдержки, вторая шторка захлопывается. Датчик снова блокируется.
Одним из недостатков rolling shutters является то, что вы не можете использовать стандартную вспышку ниже определенной выдержки. Обычно это около 1/200 секунды. Ниже этого значения они не экспонируют весь кадр одновременно.
Существует окно между шторами, которые перемещаются с одной стороны на другую.
В свою очередь, вспышка происходит мгновенно, поэтому, если вы опустите скорость ниже этой, будет освещена только полоса кадра. Вы можете избежать этой проблемы, используя высокоскоростную синхронизацию.
Электронные затворы – продукт эпохи цифровых камер. Они используются для быстрого и непрерывного считывания изображения.
А есть практически в каждой цифровой камере. Он работает, собирая данные с сенсора блоками (обычно рядами пикселей), двигаясь вниз.
Это позволяет вести бесшумную съемку и использовать очень короткие выдержки, в некоторых случаях 1/32000 секунды. Недостатком является то, что быстро движущиеся объекты выглядят искаженными из-за асинхронного считывания.
В камерах потребительского уровня для просмотра в реальном времени и записи видео используются электронные затворы.
В некоторых современных камерах можно найти . Он считывает данные со всего кадра одновременно, решая проблему полосатости искажений. В основном используется для профессиональной видеозаписи.
Датчик
Цифровые датчики состоят из пикселей. Пиксели – это крошечные солнечные батареи, преобразующие свет в электричество.
Большинство цифровых камер оснащены стандартным однослойным КМОП- или ПЗС-датчиком. КМОП – это более новая технология, позволяющая считывать отдельные пиксели и обеспечивающая низкое энергопотребление.
Пиксели располагаются в порядке, называемом использованием цветовых фильтров. Мозаика Байера состоит из блоков по четыре пикселя: два зеленых, один красный и один синий.
Поскольку каждый пиксель чувствителен только к своему цвету, конечным результатом является изображение с разбросанными красными, зелеными и синими точками.
Чтобы получить плавные тона и ровную фотографию, процессор или ваше редакторское программное обеспечение должны будут выполнить
ISO-чувствительность
В пленочных камерах вы меняете пленку на пленку другой чувствительности. В цифровых камерах этот процесс происходит по-другому.
Когда вы (или ваша камера) устанавливаете значение ISO, в зависимости от вашей камеры и точного значения ISO может произойти несколько вещей.
Камеры с КМОП-сенсорами (большинство цифровых камер) имеют крошечный усилитель для каждого отдельного пикселя. После экспонирования кадра он усиливает пиксели до более высокого уровня в соответствии с ISO.
До определенного значения, обычно ISO 1600, это единственное усиление.
Помимо этого, ISO – это цифровой тег, который встраивается в сырой файл или цифровое усиление для файлов jpg.
Цифровое преобразование и обработка
После считывания с матрицы цифровой камеры и прохождения через усилитель данные преобразуются в цифровые. Это задача аналогово-цифрового преобразователя.
Большинство современных камер преобразуют изображение в 16-битное, но используют только 14 бит из них. Дополнительные 2 бита обеспечивают большую гибкость при пост-продакшне и фильтрации.
14 бит означает, что для каждого пикселя существует 16.384 возможных значений. Это позволяет добиться огромного цветового и тонального диапазона в современных цифровых камерах.
Затем пиксельные данные поступают в процессор изображений. Процессор выполняет несколько алгоритмов, фильтрацию, дебайеризацию и сжатие, если вы выбираете вывод jpg.
После этого окончательное изображение наносится на вашу карту.
Заключение
Теперь у вас есть более глубокое понимание того, как работают камеры. Вы можете применять эти знания в повседневных ситуациях, а также для решения сложных технических вопросов.
Понимание того, как работает ваша камера, открывает больше возможностей для использования вашего оборудования и использования его возможностей.
