ABC fotografii cyfrowej cz. 4 - metody pomiaru ekspozycji

Czwartą część poradnika poświęciliśmy metodom pomiaru ekspozycji - jednej z najważniejszej czynności podczas wykonywania zdjęcia aparatem. W tej części dowiemy się czym jest poprawna ekspozycja i jak aparat ją oblicza. Poznamy takie pojęcia jak exposure value oraz metody pomiaru ewaluacyjnego, centralnie ważonego i punktowego.
Pomiar ekspozycji - metody
Dla otrzymania poprawnego technicznie zdjęcia muszą być spełnione dwa warunki. Obraz musi być ostry i poprawnie naświetlony. Ustawianiem ostrości zajmiemy się w innym artykule, ten poświęcony jest metodom pomiaru ekspozycji. Ekspozycja">, inaczej naświetlenie, określa ilość światła, która pada na matrycę lub film w aparacie analogowym w trakcie robienia zdjęcia. Ekspozycja zależy od ustawienia przysłony i od czasu otwarcia migawki. Im większy otwór przysłony, czyli im mniejsza liczba ją określająca, tym więcej światła wpada przez obiektyw. Z kolei, im dłuższy czas otwarcia migawki, tym dłużej światło działa na matrycę lub film, a więc silniej je naświetli.

Ekspozycję podaje się w jednostkach zwanych EV - od angielskiego terminu exposure value, co znaczy wartość ekspozycji. Istnieje wzór z którego można wyliczać EV dla różnych wartości przysłon i czasów otwarcia migawki, ale on by tylko zagmatwał objaśnienia, dlatego podamy gotową tablicę z obliczonymi już wielkościami EV.

border=1;sizex=11;sizey=10;headersx=0;headersy=0|
Przysłona/Migawka; 1 ; 1/2 ; 1/4 ; 1/8 ; 1/15 ; 1/30 ; 1/60 ; 1/125 ; 1/250 ; 1/500;
1 ; 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ;
1.4 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ;
2.0 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ;
2.8 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ;
4.0 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13 ;
5.6 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13 ; 14 ;
8.0 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13 ; 14 ; 15 ;
11 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13 ; 14 ; 15 ; 16 ;
16 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13 ; 14 ; 15 ; 16 ; 17
tabela 1: Wartości EV dla różnych przysłon i czasów otwarcia migawki, dla ISO 100.

Zmiana wartości EV o 1 zmienia DWUKROTNIE ilość światła wpadającego do aparatu. Wynika to z liczb podanych w tabeli. Na przykład dwukrotne skrócenie czasu naświetlania oznacza, że zmierzona wartość EV stała się większa od poprzedniej o 1 działkę. Analogiczny efekt daje zmiana przysłony. Zwiększenie wartości ISO o jeden "skok", np. ze 100 na 200 zmniejszy wartości EV o 1.

Można też na tę tabelę patrzeć od drugiej strony - im więcej światła pada na obiekt tym większą trzeba ustawić wartość EV aby zdjęcie nie zostało prześwietlone. Dla uzyskania prawidłowo naświetlonego zdjęcia należy zmierzyć ilość światła wpadającą przez obiektyw lub padającą na obiekt i w zależności od wyniku tego pomiaru ustawić przysłonę i czas migawki.

Aby nie komplikować opisu pomiaru ekspozycji, ograniczmy się do aparatów cyfrowych i do pomiaru typu TTL. TTL to pierwsze litery słów through the lens - poprzez obiektyw, czyli metoda TTL to pomiar światła wpadającego przez obiektyw do aparatu.

W aparatach fotograficznych wykorzystujących film, zasady pomiaru ekspozycji są analogiczne jak w cyfrowych, tylko musi w nich być dodatkowy element światłoczuły który służy do pomiaru natężenia światła. Natomiast w większości aparatów cyfrowych matryca, na której rejestrujemy zdjęcie, jest równocześnie elementem pomiarowym natężenia wpadającego światła. Wyjątkiem są tu lustrzanki cyfrowe, w których pomiar dokonywany jest przez dodatkowy czujnik - jak w aparatach na film.

W cyfrowych aparatach kompaktowych, z których korzysta większość fotografujących matryca jest wykorzystywana najpierw do pomiaru ekspozycji, a w następnym momencie do utrwalenia fotografowanych obiektów. Przypomnijmy, że aparat mierzy światło odbite od fotografowanych obiektów, na które jest skierowany. I tu pojawia się problem. Jak zmierzyć ekspozycję, jeżeli fotografowane obiekty, czy krajobraz, zawierają elementy o bardzo różnej jasności. Aby temu zaradzić, opracowano wiele metod pomiaru ekspozycji, które w założeniu powinny wyznaczyć taką wartość EV, która da możliwie najbardziej prawidłowo naświetlone zdjęcie. Co znaczy "naświetlone prawidłowo" zdjęcie?

Najłatwiej wyjaśnić to na przykładzie zdjęcia czarno-białego. Prawidłowo naświetlone zdjęcie powinno pozwalać na rozróżnienie możliwie największej liczby odcieni szarości, od białego do czarnego. W przypadku kolorów sprawa się komplikuje, ale idea jest ta sama. Zdjęcie ma odtwarzać maksymalną liczbę kolorów i ich odcieni.

Podstawowe metody pomiaru ekspozycji TTL to:
  • A. matrycowa (ewaluacyjna),
  • B. centralnie ważona.
  • C. punktowa.
We wszystkich metodach elementem pomiarowym jest matryca światłoczuła. W aparatach kompaktowych, jest to ta sama matryca, na której rejestrowane jest zdjęcie. W lustrzankach natomiast najczęściej montowany jest osobny element światłoczuły do pomiaru ekspozycji. Zasady pomiaru są tam takie same, ale odciążenie głównej matrycy od tych zadań pomocniczych pozwala w lustrzance na skrócenie czasu oczekiwania na gotowość aparatu do wykonania kolejnego zdjęcia. Nie mówiąc już o tym, że z technicznego punktu widzenia taki pomiar byłby niemożliwy (matryca jest zasłonięta lustrem i migawką). Dla prostoty opisu zajmiemy się jedynie aparatem kompaktowym.

W metodach A i B matryca "podzielona" jest na kilka prostokątów, od 3 w tanich, do 256 w drogich aparatach. Procesor odczytuje natężenie światła padające na poszczególne fragmenty matrycy. Innymi słowy - wyznacza ekspozycję dla każdego elementu i zapisuje wszystkie wartości EV w pamięci.

rys.1: Schemat matrycy światłoczułej dla pomiaru ekspozycji metodą A lub B Podział na 9 elementów jest wirtualny. Matryca tworzy jedną całość a jedynie program odczytuje osobno wartości ekspozycji dla każdego zaznaczonego elementu. Liczby w kolejnych segmentach matrycy to przykładowe wartości EV, które mogły zostać zmierzone dla nich.

Metoda ewaluacyjna.
Na podstawie wartości EV w poszczególnych segmentach, odpowiedni program oblicza wartość EV, jaką należy zastosować przy robieniu zdjęcia, aby wszystkie elementy matrycy wykorzystane do pomiaru światła zostały naświetlone w sposób najbliższy optymalnego. Niestety, jedyne co możemy powiedzieć o tych obliczeniach, to to, że wypadkowa wartość EV nie jest prostą średnią z wartości zmierzonych dla poszczególnych elementów matrycy, gdyż algorytmy, czyli przepisy obliczania tej wartości wypadkowej, opracowane przez różnych producentów, są ściśle strzeżoną tajemnicą.

W droższych modelach aparatów cyfrowych stosowane są metody matrycowe (ewaluacyjne) zwane inteligentnymi. Canon stosuje metodę, którą nazwał Intelligent Scene Analysis based on Photographic Space - iSAPS. Metoda polega na analizowaniu przez procesor elementów fotografowanej sceny, porównywanie ich z informacjami zapisanymi w pamięci procesora a pochodzącymi od setek, czy nawet tysięcy wykonanych zdjęć testowych i wybraniu z bazy danych najlepszych, dla danej sceny, parametrów określających ekspozycję. Szczegółów metody nikt, poza jej twórcami, nie zna. Podobny system porównywania z bazą danych stosuje Nikon obliczając ekspozycję w swoim systemie 3D Color Matrix II.

Metoda centralnie ważona.
Program zapisany w pamięci procesora aparatu mierzy ekspozycję dla każdego z wydzielonych elementów matrycy i oblicza tzw. średnią ważoną centralnie. Obliczana jest średnia ze zmierzonych wartości, ale liczby bliżej środka matrycy mają większe znaczenie (nadawana jest im większa waga). Mówiąc prościej, im bliżej środka matrycy (kadru), tym "ważniejsza" jest zmierzona dla niej liczba EV i ona będzie dominująca w obliczonej średniej. Gdyby np. dla matrycy "podzielonej" na 3 kawałki zmierzone ekspozycje, od lewej do prawej strony, wynosiły 14, 7 i 15, to zwykła średnia arytmetyczna byłaby :
(1/3)*14 + (1/3)*7 + (1/3)*15 = 12

natomiast średnia centralnie ważona mogłaby być obliczona jako:
(1/5)*14 + (3/5)*7 + (1/5)*15 = 10

Ułamki w nawiasach, to owe "wagi" dla obliczenia średniej wartości. W tym drugim obliczeniu wartość ekspozycji dla środkowego elementu brana jest z wagą trzykrotnie większą, niż wartości brzegowe. W przypadku większej liczby elementów dla których zmierzono ekspozycję, obliczenia będą bardziej skomplikowane i, podobnie jak w poprzedniej metodzie, dokładny algorytm, czyli przepis obliczania średniej, jest tajemnicą ściśle strzeżoną przez producenta.

Metoda punktowa.
W tej metodzie z matrycy wydzielony jest mały obszar, prostokąt lub koło o powierzchni 1,5% do 6% całej matrycy i pomiar dokonywany jest tylko dla obiektów odwzorowywanych w tym obszarze. Punkt, czy raczej obszar pomiarowy, może być usytuowany na stałe na środku matrycy a w bardziej zaawansowanych aparatach może on być ustawiony w dowolnym rejonie matrycy lub sprzężony z punktem ustawiania ostrości.

W jakich warunkach i w jakim celu stosować którąś z opisanych tu metod pomiaru ekspozycji to zupełnie inne, bardzo obszerne zagadnienie. Warto jedynie zauważyć, że dowolną wartość ekspozycji można uzyskać z kilku, a nawet kilkunastu kombinacji przysłony, czasu otwarcia migawki i ustawionej czułości ISO. Jak więc program aparatu cyfrowego decyduje, czy zdjęcie zrobić z nastawami ISO 100, f=2.8 i 1/125 s, czy ISO 200, f=8.0 i 1/30 s. To bardzo obszerne zagadnienie, warte omówienia w oddzielnym artykule.

Korekcja ekspozycji.
Każdy aparat cyfrowy ma możliwość korekcji ekspozycji. Typowy zakres takiej korekcji to od -2.0 EV do +2.0 EV, ze skokiem 1/3 EV. Co to znaczy i w jakim celu jest ta możliwość? Robimy np. zdjęcia w słoneczny dzień na stoku pokrytym czystym, białym śniegiem. W tych warunkach układ pomiarowy ekspozycji może nie być w stanie zmierzyć jej poprawnie albo ustali takie warunki ekspozycji, że śnieg będzie na zdjęciu szary. W takiej sytuacji możemy sami ustawić korekcję ekspozycji na pozycję np. +1/3 EV, czy +1.0 EV, co zapewni zwiększenie naświetlenia matrycy (i w tym wypadku - rozjaśnienie śniegu). W sytuacji bardzo słabego oświetlenia może zaistnieć konieczność korekcji "w dół", np. -1.0 EV, żeby czerń była czarna, a nie szara. Korekcja ekspozycji może też służyć uzyskiwaniu ciekawych efektów artystycznych, ale to już zupełnie inne zagadnienie.

Przykład zdjęć.
Pokazujemy 2 zdjęcia księżyca. Zdjęcie A zostało wykonane z ewaluacyjnym pomiarem ekspozycji. Procesor wyznaczył jakieś średnie natężenie światła dla całego kadru, którego znaczna część jest bardzo ciemna. Migawka została ustawiona na 1/8 s, a przysłona na F3.5. Sam księżyc jest biały bez żadnych szczegółów na powierzchni.

zdjęcie A

zdjęcie B

Zdjęcie B wykonano z pomiarem punktowym ekspozycji. Punkt, czy raczej obszar pomiarowy, ustawiono na księżyc. Tu parametry wyznaczone to: migawka 1/160 s a przysłona F4. Te ustawienia dają na zdjęciu szczegóły powierzchni księżyca, a reszta jest dokładnie czarna.

Warto zauważyć, że oryginalne pliki typu JPEG tych zdjęć zapisane na karcie pamięci mają wielkość 203 kB dla A i 1441 kB dla B. Dlaczego taka różnica przy tej samej rozdzielczości - będzie to omówione przy innej okazji.

Zapraszamy za tydzień do czwartej części naszego poradnika.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.


Następujące pojęcia w naszym słowniku pomogą w zrozumieniu tego tekstu: Aparat kompaktowy">, Czułość">, Ekspozycja">, Kompakt cyfrowy">, Lustrzanka cyfrowa">, Matryca światłoczuła">, Pomiar światła">, TTL">
 
Komentarze
Polecane artykuły
Ilya Shtutsa: „Dobra fotografia jest darem“
5 Lis 2018
O swoich początkach, darze jakim jest fotografia czy wpływie prac Arnolda Mindella opowiada nam Ilya Shtutsa - rosyjski entuzjasta street’a, który opisuje fotografię jako grę o nieprzewidywalnym wyniku.
2
Najnowsza sesja Vanity Fair należała do Polaków
2 Lis 2018
Suspiria, włoski horror z lat siedemdziesiątych, doczekał się odświeżenia i właśnie wchodzi na ekrany polskich kin. W obsadzie znalazły się takie gwiazdy jak Tilda Swinton i Dakota Johnson, ale zagrała w nim również Polka - Małgosia Bela. Postprodukcję obszernej sesji obsady filmu dla włoskiego Vanity Fair wykonało studio House OF Retouching.
0
Oded Wagenstein: „Nie możesz po prostu pojawić się u kogoś w drzwiach i poprosić o zdjęcie”
1 Lis 2018
W syberyjskiej wiosce Yar-Sale mieszka grupa starszych kobiet. Większość dni spędzają w odosobnieniu, odizolowane od świata, który kochały. Podczas gdy mężczyźni zwykle zachęcani są do pozostania w migrującej społeczności i utrzymania ról społecznych, kobiety muszą same radzić sobie ze starością. Fotograf Oded Wagenstein przybliża ich historię w projekcie “Forgotten Like Last Year’s Snow”.
0
Siena International Photo Awards 2018 to piękno świata pod różną postacią
30 Paź 2018
Za nami już czwarta edycja prestiżowego konkursu Siena International Photo Awards. W tym roku zwycięzcą został K M Asad - freelancer współpracujący między innymi z Getty Images. Jednak wśród laureatów nie zabrakło też Polaków. III miejsce w kategorii „The beauty of the nature“ zajął Mariusz Potocki, a Bartłomiej Jurecki otrzymał wyróżnienie w sekcji „Journeys & Adventures“.
0