Экспозиционная автоматика

Экспозиционная автоматика: версия для печати и PDA

Самая распространенная ошибка фотографа - неверно выбранные параметры экспозиции. Цифровые фотоаппараты отличаются высоким уровнем автоматизации, в том числе и выбора экспопараметров. Установка экспозиции - еще одна важная функция, возложенная на центральный микропроцессор цифровой камеры.

Цифровой фотоаппарат - высокоточное электронное устройство, управляемое встроенным компьютером. В принципе, то же самое можно сказать о любом современном зеркальном пленочном фотоаппарате, но с одним существенным отличием. Электроника пленочного фотоаппарата выполняет вспомогательные функции, а сама камера остается оптико-механическим устройством. Цифровой же фотоаппарат лишен значительной части привычных механических узлов. В нем нет пленки, которую приходится транспортировать мимо кадрового окна, затвор имеет миниатюрные размеры, а потому его детали обладают пониженной инерцией, механизм изменения относительного отверстия объектива часто совмещен с центральным затвором.

Рекламируя новую модель, производители с гордостью сообщают, что в камере установлен новый, более мощный микропроцессор. От быстродействия центрального микропроцессора камеры напрямую зависит быстродействие самого фотоаппарата. Процессор выполняет функции аналого-цифрового преобразователя АЦП, переводящего аналоговые сигналы ячеек сенсора в программный код, работает в системе автоматической фокусировки, установки экспозиционных параметров, управляет контроллером флэш-памяти, встроенной вспышкой и выполняет множество дополнительных функций, например, записи и оцифровки видео и звука. Микропроцессор - основа встроенного в камеру специализированного компьютера, который работает под управлением записанной в микросхему ПЗУ программы. Чем совершенней процессор, тем он быстрей выполняет управляющую программу, и тем сложней и функциональней может быть сама программа. Следует учитывать, что такие операции, как перевод изображения из одного формата в другой и аппаратная интерполяция (увеличение) разрешения, задачи ресурсоемкие и достаточно сложные. Даже мощному персональному компьютеру на базе новейшего микропроцессора Pentium требуется определенное время для изменения разрешения изображения в графическом редакторе Adobe Photoshop (программная интерполяция). Поэтому совершенство и вычислительная мощь компьютера цифрового фотоаппарата вызывает уважение.

К слову - при работе с миниатюрными цифровыми камерами очень часто можно заметить, что корпус камеры ощутимо нагревается. К примеру, в фотоаппаратах Canon Digital IXUS область нагрева находится с правой стороны, рядом со спусковой кнопкой. Этот нагрев и выдает работу микропроцессора, который при интенсивном обмене информацией с буферной памятью камеры и при выполнении вычислительных функций выделает большое количество тепла. С практической точки зрения нагрев камеры ничем не опасен и не должен вызывать какой-либо настороженности. Просто любопытный факт из "жизни цифровиков"…

Важнейшая вспомогательная функция, возложенные на компьютер цифрового фотоаппарата - установка экспозиционных параметров. Посмотрим, как устроен автоматический экспонометр цифрового фотоаппарата.

Из практики пленочной фотографии мы знаем, что стандартный ряд выдержек затвора выглядит, как - 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15, 1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, и выражается в долях секунды. То есть выдержка 1 - это 1 секунда, а выдержка 1/1000 - это тысячная доля секунды. Между собой величины ступеней длительности выдержки отличаются ровно вдвое. То есть при выдержке 1/125 количество света на поверхность сенсора попадет ровно в два раза больше, чем при выдержке 1/250, а при выдержке 1/60 - вдвое больше, чем при выдержке 1/125. При этом можно заметить некоторое округление - речь идет не о выдержке 1/120, а именно об 1/125. Дело здесь в общепринятом стандарте, а погрешность столько невелика, что ею пренебрегают.

Вспомним, что стандартный ряд значений диафрагмы построен по тому же алгоритму - каждое последующее значение отличается от предыдущего тем, что уменьшает пропускание света через объектив вдвое. К примеру, при диафрагме 4 света через объектив проходит вдвое больше, чем при диафрагме 5,6 (а площадь светового сечения объектива при этом уменьшается в 1,41 раза, поэтому значения диафрагмы отличаются друг от друга не вдвое, а именно в 1,41 раза). А при диафрагме 8 - вдвое больше, чем при диафрагме 11.

Поскольку затвор и диафрагма работают совместно, можно выстроить ряд парных значений выдержки и диафрагмы, при которых количество света, попадающего на поверхность сенсора, будет равным. Например, 1/30 - 16, 1/60 - 11, 1/125 - 8, 1/250 - 5,6, 1/500 - 4, 1/1000 - 2,8. Все пары, которые называются экспозиционными или экспопарами, в этом ряду равнозначны. То есть при установке любого значения выдержки и соответствующего ему значения диафрагмы экспозиция сенсора будет верной. Если же один из параметров сдвинуть на ступень в меньшею или большую сторону, то сенсор будет либо недоэкспонирован, либо переэкспонирован.

Задача автоматического экспонометра цифрового фотоаппарата - замерить интенсивность светового потока, попадающего на сенсор, определить последовательность экспозиционных пар и выбрать из этого ряда такую пару, которая бы в максимальной степени соответствовала характеру съемки.

В простейших экспозиционных автоматах пара "выдержка-диафрагма" выбирается по линейному алгоритму. То есть всегда выбирается среднее значение выдержки и диафрагмы из общего ряда экспопар. Поскольку в автоматических камерах затворы и диафрагмы работают бесступенчато, экспозиционные пары могут выглядеть иначе, чем пары стандартного ряда. Например, автомат может установить выдержку 1/170 и диафрагму 3,8. Но соотношение выдержки и диафрагмы при этом остается в рамках нормы, определяемой замером попадающего на сенсор света.

Таким же образом работает универсальная программа установки экспозиции в камерах среднего и старшего уровня. Однако в этих фотоаппаратах есть механизмы автоматической установки параметров экспозиции, более подходящих к определенным условиям. Например, в программе "спорт" экспонометр выберет из ряда экспозиционных пар самую короткую выдержку и установит соответствующую ей диафрагму. В результате камера сможет зафиксировать быстро перемещающиеся объекты, но глубина резкости при этом уменьшится. В режиме "портрет" происходит то же самое, но экспонометр при этом выбирает максимальное значение диафрагмы и устанавливает соответствующую ему выдержку, поскольку главная цель портретной программы уменьшение глубины резкости для получение наиболее эффектного снимка.

Чтобы правильно определить экспозиционные параметры, в экспонометр необходимо ввести значение светочувствительности сенсора. Цифровые фотоаппараты снабжены схемой аппаратной интерполяции, усиливающей светочувствительность. Значение светочувствительности выбирается в экранном меню дисплея выбором соответствующей опции (если меню англоязычное, то это пункт Sensitivity). Обычно установок четыре - Auto, 100, 200 и 400 (в некоторых моделях ряд может быть длинней - до 800, 1600 и вплоть до 3200). Светочувствительность указывается в стандартных единицах ISO. Нормальное положение минимальное, в данном случае 100 ISO. Это значение равно истинной светочувствительности сенсора, при котором матрица работает в обычном режиме, а схема интерполяции отключена. Режим Auto автоматически переключает сенсор в режим увеличенной светочувствительности при недостатке света и невозможности выбора экспозиционной пары, при которой сенсор будет экспонирован нормально. Следует заметить, что при включенном автоматическом режиме срабатывания встроенной вспышки светочувствительность будет увеличена в последнюю очередь, когда экспозиционный автомат придет к выводу, что света вспышки недостаточно.

При выборе увеличенного значения светочувствительности сенсора и при срабатывании схемы автоматического увеличения чувствительности АЦП камеры присваивает электрическим сигналам ячеек матрицы более высокое значение яркости. В результате получается более яркое изображение, как если бы сенсор и в самом деле обладал более высокой светочувствительностью. Но поскольку в данном режиме сигналы ячеек матрицы не соответствуют уровню реальной их засветки, резко возрастает уровень шумов сенсора. Возникают цветовые ореолы на границах контрастных переходов, а в тенях появляются цветные пятна. Это неизбежное последствие аппаратной интерполяции, устранить которое невозможно в принципе (но можно уменьшить, что и наблюдается в дорогих камерах). Сам процесс возникновения шумов непредсказуем, а убрать шумы при обработке снимка в графическом редакторе практически невозможно. Поэтому режим искусственного увеличения светочувствительности сенсора следует включать лишь в случае крайней необходимости (когда техническое качество снимка отходит на второй план).

Раз уж мы заговорили об аппаратной интерполяции, сделаем небольшое отступление от темы и ненадолго вернемся к теме "цифрового зума".

При цифровом увеличении фокусного расстояния тоже работает аппаратная интерполяция. В этом режиме экспонируется только половина поля сенсора (если зум двукратный), его центральная часть. Затем процессор камеры дополняет истинные пиксели несуществующими, удваивая разрешение снимка. В результате получается снимок полного разрешения, но половинного размера, возникает эффект увеличения фокусного расстояния объектива и сужения угла зрения. Однако, на практике интерполированные снимки выглядят просто ужасно. Дело в том, что компьютер фотоаппарата дополняет истинные пиксели несуществующими, присваивая им усредненные значения яркости и цветности, позаимствованные у соседних, реальных пикселей. При этом контраст изображения снижается, картинка становится размытой, нерезкой. При небольших увеличениях, да еще при просмотре на компьютерном мониторе вроде бы терпимо, но при печати интерполяция выходит боком - снимок неизбежно портится.

Точно так же работает и механизм программной интерполяции графического редактора. Вырежьте центральную часть снимка и удвойте разрешение, выбрав соответствующий пункт в меню программы. Результат увидите сами, хотя программная интерполяция работает чище и лучше, чем аппаратная - сказывается более совершенная программа и более мощный процессор персонального компьютера. Кроме того, разрешение фотографии в графическом редакторе можно вернуть к изначальному, отменить изменения и уж во всяком случае действовать осторожно, наблюдая получаемый результат...

И снова об автоматическом экспонометре цифрового фотоаппарата. Очень часто возникают ситуации, когда автомат экспозиции ошибается. Классический случай - фигура человека на снегу. Общая освещенность очень высока. Экспонометр установит значения выдержки и диафрагмы, исходя именно из интенсивности светового потока, отраженного снегом. В результате фигура человека получится на снимке слишком темной, детали в тенях будут непроработаны и плохо различимы. "Обмануть" экспозиционный автомат позволяет механизм введения экспозиционной поправки.

Экспозиционная поправка - это принудительное изменение значения светочувствительности сенсора при отсутствии реальных изменений самого значения, вводимого в экспонометр. Обычно вручную можно ввести две ступени значения светочувствительности в сторону увеличения и две ступени в сторону уменьшения. То есть для сенсора нормальной чувствительности в 100 ISO можно оперативно ввести значение от 25 до 400 единиц ISO. Шаг поправки - 1/3 ступени, что позволяет вносить небольшие коррективы экспозиции, не искажая снимок.

В случае съемки человека на снегу внесение экспозиционной поправки позволит добиться на снимке хорошо проработанной фигуры человека ценой передержки по снеговому полю. В большинстве случаев это вполне допустимо (снег-то все равно остается белым, только получится ярче и... белее).

Экспозиционную поправку можно ввести через экранное меню дисплея. Для этого следует нажать на верхний край джойпэда камеры. На экране появится меню, из которого тем же джойпэдом следует выбрать нужное значение в сторону увеличения или уменьшения светочувствительности.

В дорогих камерах средней группы и в полупрофессиональных моделях имеется режим автоматического брекетинга, как в зеркальных пленочных камерах. Брекетинг - это съемка серии кадров с автоматическим внесением экспозиционных поправок. Перед включение брекетинга следует выбрать в экранном меню настроек диапазон изменения светочувствительности. Затем при нажатии на спусковую кнопку камера сделает серию снимков в 3 или 5 кадров (в зависимости от модели и выбранного режима брекетинга). В серии из 5 кадров первый будет сделан с уменьшением светочувствительности (то есть с откорректированным значением, введенным в экспонометр, сама светочувствительность сенсора при этом не изменяется) в 2/3 ступени, в 1/3, с нормальным значением светочувствительности (нулевая поправка), с увеличением в 1/3 ступени и, наконец, в 2/3.

Режим брекетинга очень удобен для съемки сложных в плане освещения сцен. После съемки можно без спешки просмотреть результаты и неудачные кадры попросту стереть из памяти камеры. В этом отношении брекетинг цифрового фотоаппарата еще более ценен, чем такой же режим у пленочной камеры, где съемка серии с автоматическим введением экспозиционных поправок связан с повышенным расходом фотопленки…

Конструктивно автоматический экспонометр состоит из датчика замера освещенности, усилителя электрического сигнала, микропроцессора, функции которого выполняет микропроцессор цифрового фотоаппарата и блока управления, при помощи которого в экспонометр вводится значение чувствительности сенсора и экспозиционные поправки.

Датчик замера освещенности может быть выполнен в виде отдельного фотодиода, установленного на передней стенке корпуса камеры. Если посмотреть на переднюю панель фотоаппарата, можно увидеть несколько небольших затемненных окон. Одно обычно прикрывает световой индикатор (светодиод красного цвета) работы автоспуска, который при включенном автоспуске мигает. Второе - светодиод системы защиты от эффекта красных глаз (об этом речь ниже). Третье - датчик системы регулирования энергии светового импульса встроенной вспышки. Четвертое - датчик и приемник системы активной автофокусировки, И последнее - датчик замера освещенности автоматического экспонометра.

Заметим - набор датчиков и индикаторов разный для каждой модели фотоаппаратов, а сами датчики могут быть сгруппированы под общим защитным стеклом и выполнять сразу множество различных функций (так обычно и бывает). Большинство фотоаппаратов средней группы и абсолютное большинство фотоаппаратов полупрофессионального уровня снабжены системой экспонометрического замера TTL - Through The Lens, "за объективом". Именно эта система является наиболее точной и наиболее универсальной. Именно с таким экспонометром возможны различные съемочные эксперименты, вроде фотографирования через окуляр бинокля и микроскопа, через цветной светофильтр и даже очковую линзу (которая в данном случае будет выполнять функции импровизированной макро-линзы). Поэтому выбирать камеры с отдельным датчиком экспозамера вряд ли стоит (если, конечно, низкая цена камеры для вас не самый важный показатель).

Если в качестве экспозиционного датчика в бюджетных фотоаппаратах используется фотоэлемент, который при попадании на него света генерирует ток небольшой силы, то в камерах с системой TTL для замера используется сам сенсор. В системах с зеркальным видоискателем используется набор датчиков, установленных на пентапризме, как в пленочных зеркалках.

Если датчик установлен на передней панели фотоаппарата, то замер производится только интегральным методом. Автоматический экспонометр ориентируется по интенсивности света, отраженного от объекта и попадающего на фотоэлемент. Это самый неточный способ замера, правильно работающий лишь в условиях рассеянного освещения.

Более точен локально-интегральный метод, используемый в системах TTL. При этом замеряется количество света, попадающего на всю площадь кадра, но основной замер производится по центральной части, занимающей около 30% кадрового окна. Этот способ определения экспозиционных параметров применяется в значительной части недорогих камер начального уровня.

Еще более точен локальный замер, где экспозиция устанавливается по яркости света, попадающего в центральную часть кадра, занимающую не более 2% кадрового окна. Этот способ замера используется в профессиональной аппаратуре наряду с локально-интегральным и многозонным замером. В условиях сложного освещения локальный замер незаменим. Но в большинстве стандартных ситуаций он может приводить к ошибкам, так как не учитывает светового потока, отраженного другими попадающими в кадр объектами.

Универсальным и чаще всего используемым в цифровых фотоаппаратах любительского класса является многозонный замер экспозиции. При этом поле кадра разделено на ряд зон - верхнюю, центральную, нижнюю и боковые. Общее число зон у разных моделей фотоаппаратов колеблется от 3 до 255 (пример последних - компактные камеры Nikon). Многозонные датчики настроены на разную степень освещенности, в центре и верхней части кадра (на которые приходятся солнце и небо) больше, в нижней части (на которую приходится темный грунт) меньше. Это позволяет правильно оценивать освещенность большинства сцен, в том числе и в очень сложных условиях. Датчики многозонного замера (в качестве которых могут использоваться определенные участки сенсора камеры) используются и в системе пассивной автофокусировки, которой оснащаются камеры средней группы, полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты.

У встроенного автоматического экспонометра цифровой камеры есть одно применение, о котором, возможно, не все догадываются. Дело в том, что значение экспопараметров, которые определяются экспонометром камеры, при половинном нажатии на спусковую кнопку, пусть и не во всех моделях камер, но выводятся на контрольный дисплей. Если заглянуть в оптический видоискатель фотоаппарата, то в центре его можно увидеть прямоугольную рамку (либо перекрестье), обозначающую зону действия датчиков автофокуса и экспозамера. Следовательно, сам фотоаппарат можно использовать в качестве… высокоточного экспонометра с ограниченным углом замера отраженного света! А это значит, что компактный цифровой фотоаппарат (и, разумеется, зеркальный, в котором точность замера максимально высока) пригодится и для съемки механической пленочной камерой. Наводим видоискатель цифрового фотоаппарата на снимаемый объект, наполовину нажимаем кнопку, считываем с дисплея показания автоматического экспонометра и переносим эти параметры на пленочную камеру, с соответствующим пересчетом, конечно, по чувствительности пленки и необходимым сдвигом по линейке экспозиционных пар. Экспонометр, к примеру, выведет пару выдержка 1/60 - диафрагма 5,6, а нам нужна выдержка не длинней 1/250. Устанавливаем на пленочном фотоаппарате выдержку 1/250 и диафрагму 2,8 (к примеру, в реальности соотношения выдержки и диафрагмы могут быть иными).