Upload
duongdang
View
219
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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
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
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
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
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
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
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
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