kursdelen fotografi - kth
TRANSCRIPT
Kursdelen Fotografi
Mera info på kursens hemsida!
Kompendium: Carlsson, K. Teknisk Fotografi, 6:e upplagan, 2008. ca. 150:-
Laborationsanvisningar:
Finns tillgängliga som pdf-filer på kurswebben.
Var går labbarna? Var köper vi kompendiet?
Maskin
KTHB
Jo, i Albanova!
Var i Albanova?
Till fotolabben i AlbaNova: Gå in genom huvudentrén vid Roslagstullsbacken 21. Gå sedan rakt fram nedför tre trapp-avsatser. Sväng vänster två gånger, sedan rakt fram så långt man kommer och in genom dörren till höger.
Kursexp. Fysik (i entré-planet) säljer komp. Öppet 11-13
Fotografi, något om kursinnehållet
• Optisk avbildning • Fotografiska objektiv • Fotometri • Kamerans uppbyggnad och funktion • Kvalitetsmått
”Hands on experience” på laborationerna!
Laborationsanvisningar:
Finns tillgängliga som pdf-filer på kurswebben. Varje student ska inför varje laboration skriva ut ett exemplar av aktuell laborationsanvisning och ta med denna till laborationen. OBS! Laborationerna innehåller läsanvisningar och förberedelseuppgifter som ska vara gjorda innan laborationen påbörjas.
Fotolabbar:
Lab. 1:
Lab. 2:
Färgfotografering med digitalkamera:
Färgtemperatur, skärpedjup, perspektiv, dpi-tal i utskrifter
Utvärdering av bildkvalitet: Upplösning, MTF Signal/noise ratio, Jämförelse mellan filmbaserad fotografi och digitalfotografi
Kamera
Sökare
Kamerahus
Lins
Bländare
Slutare Sensor: film eller CCD
Film CCD
Framkallning
Kopiering
Pappersbild
Datorbearbetning
Skrivare
Pappersbild
Varför använda olika brännvidder? Jo, man får olika avbildningsskala.
Inte bara avbildningsskalan påverkas av f utan även djupintrycket, dvs perspektivet.
Perspektiv
Fotograferingssituationen:
Betraktningssituationen:
α
Filmplan
h2
Objektiv
β α β
ff
h1
Framkallad film
Öga
β α
h1
h2
ff
Korrekt betraktningsavstånd = M x f
För stort avst. = Överdrivet djup
För kort avst. = Underdrivet djup
Blanda inte ihop perspektiv och skärpedjup!
Stort skärpedjup: Både förgrund och bakgrund skarp samtidigt. Litet skärpedjup: Bara motivdelar inom ett litet avståndsintervall är skarpa.
Förstoring sensor - slutbild
Objektivbrännvidd
Bländaröppningens storlek påverkar skärpedjupet
Film (sensor) plan
Objektiv
Skärpedjup
Inställt avstånd
Max. oskärpe-cirkel
Närgräns Fjärrgräns
Film (sensor) plan
Objektiv med bländare
Inställt avstånd
Max. oskärpe-cirkel
Flyttas rel. sensorn vid fokusering
Photometry is so confusing!!!
Don’t Panic!
There is
”The Hitchhiker’s Guide”
to
Radiometry & Photometry”
cd footcandle lux
stilb phot footlambert
apostilb
nit
lumen
Begreppet rymdvinkel
Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom formeln 2R
A=Ω .
Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr).
R
Sfärisk yta
Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis)
Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta.
Ω
P
Några grundbegrepp
Illustration av begreppet radians (“utstrålning”).
Radiansen kan skrivas som:
Sort: Watt per m2 och steradian. Om vi låter storleken på yt- och rymdvinkel- elementen gå mot noll får vi:
Ω
A
P
Utstrålningens riktningsberoende ges av
för “diffus” källa (= matt yta, t.ex. svartkropps-strålare). För att ta hänsyn till detta definieras radiansen enl. formeln:
För en svartkroppsstrålare beror R bara på temperaturen:
Exempel:
Hur stor strålningseffekt i watt sänder Vänerns yta ut mot månen en ljummen sommarnatt med 20 grader i vattnet? Månen står 45 grader över horisonten.
υ = 45o
A = 5648 km2 Ω = 5106.6 −× sr
Måne
P = ?
Irradians handlar om “instrålning” (summerat över alla riktningar)
Sort: Watt per m2
A
P
Fotometri = Mätning av ljus
(ljus = det vi ser med ögonen) Steg 1: Omvandla effekt (Watt) till ljusflöde med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva.
Enhet Lumen (lm)
Ögats känslighet
λ (nm)
400 500 600 700
Spektralfördelning av strålningsflöde
λ (nm)
400 500 600 700
X
K(λ) R(λ)
Ljusflöde,
Steg 2: Byt ut effekt, P, mot ljusflöde, Φ, i alla radiometriska storheter ⇒ vi får motsvarande fotometriska storheter.
Strålningsflöde (W) ⇒ Ljusflöde (lm)
P ⇒ Φ
Radians (W m-2 sr-1) ⇒ Luminans (lm m-2 sr-1)
⇒
Irradians (W m-2) ⇒ Belysning (lm m-2 = lux)
Exempel:
En 60 W glödlampa har ljusflödet 710 lumen, och strålar isotropt i alla riktningar. Den hänger 2.0 meter över ett golv. Hur hög är belysningen på golvet rakt under lampan?
Lägg en sfärisk yta med radie 2.0 m runt lampan. Belysningen på sfäriska ytan blir
⇒
Golv
R = 2.0 m
lux
Formelblad: Radiometriska och fotometriska storheter (Hjälpmedel på tentamen)
Begreppet rymdvinkel
Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom
formeln 2RA
=Ω . Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr).
Radiometri
Utstrålning:
Radians, ϑΩ
=cos
2
dAdPdR ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
srmW
2 .
För svartkroppsstrålare är 481080.1 TR ××= − , där T = temperaturen i Kelvin. Instrålning:
Irradians, dAdPI = ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
2mW Vänd!
R
Sfärisk yta Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis)
Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta.
Ω
P
Fotometri
Handlar om hur starkt ögat uppfattar strålningen (t.ex. så uppfattar vi synligt ljus, men inte ultraviolett, röntgen och infrarött). Därför omvandlas strålningseffekten med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva. Istället för strålningseffekt, får vi då en storhet som kallas ljusflöde, Φ, och som har sorten lumen (förkortas lm). Utstrålning:
Luminans, ϑΩ
Φ=
cos
2
dAddL ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
srmlm
2 .
För en svartkroppsstrålare beror L bara på temperaturen. För en perfekt matt reflekterande yta beror L på reflektionsförmågan och hur kraftigt den belyses. Instrålning:
Belysning, dAdE Φ
= ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ = luxmlm
2
IRIS-bländare
Metall-lameller Öppning som släpper in ljus. Diametern kan varieras.
Centralslutare
Används framförallt i kameror som ej har utbytbar optik. Sitter inbyggd i objektivet.
Öppningsförlopp
• Lamellerna är utformade så att
bländaröppningens storlek så lite som möjligt ska påverka effektiva exponeringstiden.
Tidsaxel
Metall-lameller
Ridåslutare
Används framförallt i kameror som har utbytbar optik, typ spegelreflexkameror.
Kamerahus sett framifrån
• Hela filmrutan exponeras ej samtidigt ⇒ distorsion vid snabbt rörligt motiv.
• Blixtfotografering kräver ofta lite längre slutartider.
PENTAX PENTAX PENTAX
Ridå 1 1 2
Stängd Kort slutartid Lång slutartid
Objektiv
Bländare
Ridå-slutare
Sensor Rörlig spegel
Mattskiva med fältlins
Pentaprisma
Digital camera
Circuit board Memory card
Sensor
Vad menas med korrekt exponering?
Exponering
Pixelvärde
Överexponering. Högdagrar blir “urfrätta”
Underexponering. Mörka partier försvinner i bakgrundsbruset.
Användbart exponerings-område
Hur få korrekt exponering? Många exponeringsmätare kan ställas om mellan olika viktningsfunktioner, t.ex.
• Spot-mätmätning
• Centrum-vägning
• ”Multi-pattern” Välj utgående från vad som är viktigt i motivet
Generella tips ang. exponering. Vad händer om man följer exp. mätarens råd?
Motiv
Bildresultat
Medelljust (betongvägg)
Korrekt ljushet
Ljust (snölandskap) För mörkt Mörkt (svart panter) För ljust
Exponeringsmoder
• ”Aperture priority”: Fotografen ställer in
bländaren, kameran väljer lämplig tid. Bra för: Kontroll av skärpedjup.
• ”Shutter priority”: Fotografen ställer in
slutartid, kameran väljer lämplig bländaröppning. Bra för: Kontroll av rörelseoskärpa.
• ”Fully automatic”: Kameran väljer allt –
fotografen har ingen kontroll. Bra för: Enkla standardbilder.
• ”Manual”: Fotografen ställer in allt själv.
Bra för: Fullständig kontroll av allt!
Histogram
Utmärkt exponeringshjälpmedel
i digitalkameror!!
Korrekt
Överexp. Underexp.
Bildkvalitet (teknisk, inte konstnärlig)
• Skärpa • Brus • Dynamik
Skärpa
• Optiken (avbildningsfel, diffraktion) • Sensorn (pixelarea, laddningsdiffusion)
Ex. på optiska avbildningsfel (mer utförligt i kompendiet):
• Sfärisk aberration • Kromatisk aberration • Astigmatism • Bildfältskrökning • Koma • Distorsion
Avbildningsfelen yttrar sig i
• Oskärpa • Geometrisk förvrängning • Färgade kanter (t.ex. svart/vit övergång
kan få regnbågens färger). De flesta felen minskar ju mindre bländaröppning man använder (högre bländartal) MEN: Diffraktionen ökar ju mindre bländaröppning man har
Aberrationer (exempel)
Sfärisk:
Kromatisk:
Bildfältskrökning:
Vitt ljus
Röd
Grön
Blå
Diffraktion
Intensitet
R = radiellt avstånd till första minimat
2R
Upplösningstest med streckmönster
M O T I V
B I L D
1 linjepar
Upplösningsgränsen anges som linjepar/mm i sensorplanet (oftast)
MTF (Modulation Transfer Function) Fördelar: Objektiv, ger mycket
information Nackdelar: Komplicerad, dyr Idé: Avbilda streckmönster med olika
tätheter, och mät hur mycket lägre kontrasten är i bilden jämfört med motivet.
MTF (Modulation Transfer Function)
Linjemönster i motivet
Luminansprofil
Linjemönster i bilden
Belysningsprofil
MTF-kurva
s0
Ortsfrekvens = linjetäthet =
Enhet m-1 (el. mm-1)
Modulationsgrad, MinMaxMinMaxM
+−=
Mbild < Mmotiv (kontrastförlust)
MTF-värde = Mbild/Mmotiv
Min Max
Koordinat i motivet
Luminans i motivet
Min Max
Koordinat i sensorplanet
Belysning i sensorplanet
MTF-kurva visar hur kontrastförsämringen varierar med mönstertätheten. M = M3
M = M2
M = M1
ν3
ν2
ν1
Mbild = M1 x MTF(ν1)
Mbild = M2 x MTF(ν2)
Mbild = M3 x MTF(ν3) = 0
Motiv Bild
MTF(ν1)
MTF(ν2) ν (ortsfrekvens i sensorplanet)
ν3ν2ν1 0
0
1 MTF-värde
Gränsfrekvens
MTFoptik
Vid F = 8 är gränsfrekv. ≈ 200 mm-1.
1
MTF
Diffraktionsbegränsat objektiv (utan avbildningsfel)
Verkligt objektiv Ortsfrekvens
Gränsfrekvens = Fλ1
Våglängd
Idealt
Bländartal
Mätning av MTF för digitalkameror.
Fotografering av kant + datorbearbetning.
a) b)
c) d)
e) f)
Luminans Pixelvärde
psf = Derivata av d) MTF = Fouriertransf. av psf
Sharpening = Problem vid MTF-mätningar
Bild av svart/vit kant
x
Pixelprofil i x-riktning
MTF
Sharpening = Nonsens-MTF
MTF ska bara visa kamerans hårdvaru-prestanda, och inte inbegripa ”pixel-pushing”.
Fotometriskt kvalitetsmått:
Signal/brus förhållande. SNR = Signal-to-Noise Ratio.
(Lab. 2)
Välj ut ett område med jämn gråton. Mät medelvärde och standardavvikelse.
Images with different signal-to-noise ratios
50 20 10
5 2 1
Dynamisk vidd, DR = Dynamic Range.
Anger hur stort kontrastomfång♣ hos motivet vi klarar av.
En bra kamera har DR > 3000 ♣ Förhållandet mellan högsta och lägsta motivluminans
Hög dynamisk vidd
Låg dynamisk vidd