В технических статьях мы уже много рассказали об органах управления яркостью цифрового изображения. Давайте соберём всё в одно место, чтобы было понятнее, как этим пользоваться.
Выдержка #
Время выдержки линейно влияет на яркость. Подержали затвор открытым в \(N\) раз дольше — “поймали” в \(N\) раз больше света.
В целом здесь нет особой сложности. Если хотите собрать много света, то просто ставьте выдержку побольше. Однако чаще всего Вы можете это делать ограниченно. Есть предел сверху, дальше которого увеличивать нельзя, так как не позволяют условия.
Смазывание #
Предел этот связан с движением. Если объект в кадре сдвигается за время выдержки, то он получается смазанным. Так как какое-то время побывал в разных частях кадра. Такое явление называют смазом, motion blur (размытие движением).
Чем быстрее движение в сцене, тем короче, или быстрее, приходится ставить выдержку. Кроме того, влияет угловое поле. Телеобъектив увеличивает изображение, поэтому одно и то же движение отобразит на большее количество пикселей матрицы. Аналогично влияет и расстояние до объекта. Если он близко, то он выглядит большим, и одно и то же его движение отобразится на большей площади сенсора.
Движение бывает не столь очевидным. Например Вы хотите сфотографировать человека, сидящего на диване; как бы он ни старался, он немного двигается, дёргается от сердцебиения, дышит, и при долгом затворе обязательно немного “размоется”. Или снимаете звёздное небо; Земля крутится вокруг своей оси, поэтому звёзды непрерывно “уезжают”, причём их скорость тем выше, чем ближе они к экватору. Или при долгой съёмке ландшафта облака могут ощутимо “уплыть”, заодно добавив перетекающих теней.
Шевелёнка #
Одним из наиболее неприятных движений является гуляние рук фотографа. У нас у всех есть тремор рук, это неизбежный эффект. По правде говоря, даже у промышленных робо-рук есть тремор, это сложноустранимая проблема в системе из малых подвижных суставов с большими рычагами. Из-за него даже неподвижную сцену получается снимать лишь ограниченное время без смаза. Ведь относительно камеры вся сцена будет шевелиться. Такой смаз называют шевелёнкой.
Как выбрать выдержку, чтобы шевелёнка не испортила кадр? Старое эмпирическое правило гласит: для полнокадрового фотоаппарата можно взять не более \(1 / f_\ell\) секунд, где \(f_\ell\) — длина фокуса в миллиметрах (на самом деле следует брать заднее фокусное расстояние, но обычно Вы его не знаете, а \(f_\ell\) очень хорошо его приближает в большинстве жанров). Если у Вас кропнутый фотоматериал, то это число нужно разделить на кроп-фактор.
Это правило опирается на типовой размер фотографии, которую потом предстоит рассматривать. В целом необязательно достигать того, чтобы ни один пиксель не “поехал”, достаточно, чтобы общая картинка выглядела достаточно чётко в условиях, в которых зритель будет на неё смотреть. Если предполагается обрезка, то следует выдержку сократить. Если планируется печать большого формата, которую будут видеть вблизи (баннер на башне не считается, он далеко), то тоже сократить. Если цель снимка — отправка в социальные сети, которые просматривают с маленького экрана телефона, то можно немного увеличить.
Есть и другие правила и формулы, рассчитанные на конкретные условия. Но это очень простое для запоминания и вычислений, поэтому имеет наибольшую популярность “в полях”. Более точные и хитрые можно найти в Интернете или приложениях, например PhotoPills.
Как можно снизить шевелёнку, чтобы можно было немного увеличить выдержку?
- Нужно научиться правильно держать фотоаппарат. При рядовой съёмке стоя локти упираются в тело, обе руки держат камеру, видоискатель прижат к области вокруг глаза. Руки образуют конструкцию из треугольников, благодаря чему сами они, будучи огромными рычагами, меньше болтаются. Если съёмка ведётся из положения сидя, то нужно добиться устойчивого положения ног, в идеале “стрельба с колена”, локти упереть на колени. Просто поищите видео с техниками, станет понятнее.
- Задерживайте дыхание и дожидайтесь стабилизации грудной клетки перед нажатием на кнопку.
- Если можно, не испортив композицию, прижать кисти с камерой к неподвижному объекту, например перилам или столбу, то пользуйтесь. Может здорово помочь, так как большая часть оставшегося тремора приходится на кисти, у них амплитуда движения меньше. Можно носить с собой искусственный такой объект — монопод.
- Если у объектива или камеры есть оптический стабилизатор, то используйте его. Он действительно хорошо помогает.
- Хороший штатив почти полностью убирает шевелёнку. Если только его не качает ветер или пинают дети. Чем штатив тяжелее, тем он устойчивее к таким воздействиям, но тем он тяжелее (🐺). Не забывайте, что при нажатии на кнопку Вы немного двигаете установку, поэтому рекомендуется использовать либо таймер на 2 секунды (есть в большинстве фотоаппаратов), либо удалённый спуск затвора (есть много вариантов, от механического тросика до приложения на телефоне).
Не забывайте, что это методы борьбы только с шевелёнкой. Если в сцене есть движение, то ни один из них не предотвратит смазывание.
Художественная составляющая выдержки #
В большинстве случаев мы хотим получать чёткие фотографии. Для этого мы ограничиваемся той выдержкой, которая не даёт смазов.
Однако можно использовать длинную выдержку как художественный приём. Типовые сценарии включают:
- “гладкую” воду;
- “молочные” водопады;
- растянутые облака;
- полосы от фар автомобилей в ночном городе;
- траектории звёзд (star trails);
- намеренный “смаз” в динамичной сцене, чтобы показать движение;
- “растворение” людей;
- и многое другое.
Бывает, что света настолько много, что длинную выдержку выставить невозможно, изображения получаются пересвеченными. В этом случае можно воспользоваться “подручными средствами”, уменьшающими поток света, чаще всего это уменьшение апертуры. Например фотография водопада выше сделана с поляризационным фильтром (уменьшает экспозицию примерно на 2 стопа, то есть вчетверо) и на диафрагме \(f / 22\), из-за чего затвор получилось продержать открытым хотя бы полсекунды. Но лучше использовать ND-фильтры (neutral density filters, фильтры нейтральной плотности). Они представляют из себя затемнённое стекло и попросту уменьшают поток света.
Если коротко, то выдержку фотограф выбирает, опираясь на художественный замысел и возможности при заданных условиях. А также подбирает инструменты. Много света, нужны чёткие фотографии — ставим короткую. Мало света, но сцена статичная — ставим на штатив, снимаем на длинной. Нужно “сгладить” морской пейзаж при ярком солнце — ставим на штатив, устанавливаем ND-фильтр, длинную выдержку. Подвижная сцена при тусклом свете — тут приходится искать компромисс, баланс между чёткостью и шумом, а также извлекать максимум из своей техники съёмки.
Сверхдлинные выдержки #
При очень длинных выдержках на цифровых фотоаппаратах появляется ещё одна проблема: нагрев сенсора. Тепловой шум увеличивается, появляются горячие пиксели.
Как правило, при выдержке в десятки секунд шум увеличивается незначительно, горячих пикселей мало, и они легко исправляются программно. При нескольких минутах всё становится гораздо хуже, перегретых ячеек становится совсем много, шум хорошо заметен даже при минимальном усилении.
Поэтому иногда вместо многоминутной выдержки на камеру без системы охлаждения лучше поднять ISO и подавить шум при обработке. Можно также сделать стэкинг: снять несколько фотографий с более короткой выдержкой и усреднить.
Диафрагма #
Влияние диафрагмы на изображение мы подробно описывали ранее. Если коротко, то с её помощью мы регулируем
- светосилу;
- глубину резкости изображаемого пространства (ГРИП);
- влияние несовершенств оптики.
Делая апертуру шире, мы уменьшаем f-число, тот самый знаменатель в настройках камеры, например с \(f / 8\) на \(f / 4\). При этом:
- в единицу времени фотоматериал получит больше света, пропорционально квадрату f-числа;
- ГРИП станет тоньше, то есть размытия будет больше;
- аберрации и виньетирование станут влиять больше.
И наоборот.
Как видим, все три пункта меняются одновременно. Если света в сцене достаточно, то обычно решают, насколько нужно убрать проблемы оптики (определяют диапазон f-чисел, которые дадут достаточное качество для конкретного объектива), какую ГРИП хочется получить, затем нивелируют экспозицию выдержкой. Поэтому во многих жанрах очень популярен режим приоритета диафрагмы: выбираете апертуру, электроника рассчитывает выдержку за Вас.
Если света мало, то часто приходится ставить самую широкую диафрагму и жить с компромиссными ГРИП и качеством. Хотя всегда можно немного поиграться.
Обратите внимание, что светосила определяется соотношением длины фокуса и диаметра апертуры. Если Вы упёрлись в возможности диафрагмы на зум-объективе, а света всё равно мало, то попробуйте уменьшить длину фокуса, скажем, в 2 раза. Это даст в 4 раза больше света. Но фотографию придётся кропнуть, из-за чего возможности удаления шума усреднением ухудшатся в 2 раза. Либо подойти ближе, хотя при этом изменится перспектива и связанные с ней эффекты. Также не забывайте, что ГРИП зависит от апертуры, длины фокуса и фокусного расстояния, следовательно художественная составляющая может измениться.
ISO #
При использовании цифрового фотоаппарата с усилением его можно свободно менять с помощью настройки, называемой ISO. С плёночным фотоаппаратом для этого придётся взять плёнку с нужной светочувствительностью, в последние десятилетия также называемой ISO.
И в том, и в другом случае яркость зависит линейно от выставленного значения. Например ISO 200 даст вдвое большую яркость, чем ISO 100.
Фотоплёнки достигают большей светочувствительности с помощью более крупного зерна при нанесении эмульсии. Это чревато более крупными точками со случайным разбросом от действительного значения, и выглядит это как больший шум. Здесь автору больше нечего добавить, так как он не работал с плёнками.
У цифровых фотоматриц под изменением ISO спрятано усиление, как мы уже подробно описывали. Мы не будем рассматривать цифровое, так как у современных фотоаппаратов оно уже малопригодно. Аналоговое же усиление увеличивает и полезный сигнал, и шум ещё до оцифровки.
Это значит, что отношение сигнал/шум в аналоговой области не меняется, однако можно более эффективно использовать разрядную сетку АЦП и получить меньше шума дискретизации. В то же время увеличение усиления уменьшает динамический диапазон, по сути наилучшее отношение сигнал/шум, которое можно получить. В результате Вы всегда получаете шумное изображение при высоких ISO.
Зачем эта настройка нужна? В отличие от предыдущих инструментов, она не меняет художественную составляющую. ГРИП остаётся тем же, размытие движением не меняется. Следовательно нужно сначала выставить диафрагму и выдержку. Если света ощутимо не хватает, и сделать с этим ничего не получается, то приходится прибегать к последней миле: увеличить усиление, чтобы получить хотя бы поменьше шума дискретизации.
Кроме того, ISO влияет на яркость JPEG, поэтому не обязательно будет редактировать RAW-файл, и это экономит кучу времени после длинных фотосессий. В этом случае полезно даже цифровое усиление на старых камерах, хотя оно не влияет на шум дискретизации.
Свет #
Не забывайте, что Вы не всегда невольный наблюдатель, который может лишь крутить колёсики и нажимать кнопки на фотоаппарате. Иногда можно добавить света в сцену.
Это может быть вспышка фотоаппарата (пользование вспышкой — отдельное искусство), включенный свет в комнате, открытое окно/дверь, ожидание более подходящих условий (в летний облачный день иногда достаточно подождать, когда тучка приоткроет солнце), перемещение объекта съёмки из тени в более светлое место и т.д.
Естественно, это нужно делать аккуратно, так как:
- изменение света меняет и тени, иногда в лучшую сторону, иногда в худшую;
- несколько разных источников затрудняют цветокоррекцию.
Автоматы #
Типовая последовательность действий при ручном выборе настроек примерно следующая.
- Устанавливаем минимально возможный ISO (при использовании цифрового фотоаппарата).
- Решаем, какой ГРИП хотим получить. Устанавливаем диафрагму.
- Решаем, какая выдержка нам потребуется. В большинстве случаев мы хотим получить резкий снимок, поэтому выставляем максимум, который не даст смазов, с небольшим запасом. Если света много, и есть пересветы, то уменьшаем выдержку до тех пор, пока не получим нужную яркость.
- Если света недостаточно, то увеличиваем ISO, пока не получим требуемую яркость.
- Если результаты неудовлетворительные, то решаем, что с этим можно сделать. Например света мало, и приходится чрезмерно задирать ISO; тогда можно расширить диафрагму или поставить камеру на штатив. Или хотели получить “молочный” водопад днём, но без пересвета можно выставить выдержку лишь в доли секунд, тогда нужно использовать ND-фильтр.
Этот неувлекательный процесс часто хорошо автоматизируется. В разных жанрах могут быть немного разные требования, поэтому в любительских фотоаппаратах и телефонах обычно бывают пресеты, например “спортивная съёмка” (короткая выдержка, автовыбор диафрагмы, автоматический ISO), “портрет” (умеренная выдержка, самая широкая диафрагма для красивого боке, авто-ISO), “ландшафтная съёмка” (диафрагма около \(f / 8\), умеренная выдержка, авто-ISO). Они не обязательно хорошо угадывают, что Вы пытаетесь снять, однако в среднем дают хороший результат, если фотограф совсем начинающий. К тому же режимы могут делать дополнительную обработку, например склейку нескольких снимков в “ночном режиме” или изменения контрастов в “портретной”.
Кто серьёзно занимается фотографией, гораздо чаще используют полуавтоматические режимы. У подавляющего большинства фотоаппаратов есть
- приоритет диафрагмы, когда выставляете апертуру, автомат подбирает выдержку;
- приоритет выдержки, когда устанавливаете выдержку, автомат подбирает диафрагму.
Кроме того, во всех режимах можно поставить авто-ISO. В ряде случаев это сильно выручает.
- В режиме приоритета диафрагмы выдержка будет увеличиваться до “безопасной”, при которой не должно возникать шевелёнки. Разумеется, если камеру держат более-менее ровно. Если этого не хватает, то дальше в ход идёт увеличение ISO.
- В режиме приоритета выдержки, если диафрагма упёрлась в свой предел, а яркости не хватает, то добавляется усиление.
- В ручном режиме можно выставить желаемые выдержку и диафрагму, дальше автомат подберёт ISO.
Естественно, ни один из режимов не является “единственно верным” и универсальным. Автомат не всегда понимает все условия и не обязательно даст хороший результат. Например при съёмке статичной сцены со штатива, если выставлены приоритет диафрагмы и авто-ISO, то камера попытается подавить шевелёнку, которой нет, и выкрутит усиление; чтобы этого не происходило, ISO лучше выставить на минимум. Поэтому всегда нужно понимать, какие параметры мы хотим ограничить, какие нам не важны, и в каком режиме это будет проще всего обеспечить.
Выбор экспозиции #
Как автомат выбирает, какая яркость “хорошая”? Он вычисляет среднюю яркость по некоторой зоне и приводит её к некоторому значению. Само значение связано с кучей мифов и недопониманий вокруг загадочного числа 18%, но по большому счёту оно не очень важно.
В этом процессе можно управлять двумя вещами.
- Область вычислений. Выбирается в настройках с названием навроде metering mode. Могут быть немного разными и отличаться названием между производителями камер, можно подробнее посмотреть в Интернете. Например есть точечный замер (яркость вычисляется по маленькой области), средневзвешенное (по большой области, но больший вес имеет её центр) и другие, более сложные.
- Корректировка экспозиции. Так как не всегда автомат делает свою работу правильно, результат его работы можно изменить, он добавит/убавит яркость.
Как для корректировки экспозиции, так и для её индикации (даже в полностью ручном режиме многие камеры показывают оценку) чаще всего используют величины EV, exposure value. Это относительная логарифмическая величина. За ноль принимается то, что автомат посчитал “правильной” экспозицией. От неё отсчитываются так называемые стопы, каждый стоп — изменение яркости в два раза. Например EV+1 вдвое ярче, чем EV0, EV-1 вдвое темнее, EV+2 вчетверо ярче, EV+3 в восемь раз ярче и т.д.
В студийных условиях, когда освещение не меняется слишком часто и хорошо контролируется, иногда используют серую карту. Это карточка нейтрально серого цвета, отражающая те самые 18% света. В идеале хорошо калиброванная. Её помещают в сцену, ставят по ней экспозицию, часто фотографируют для последующего использования в пост-обработке, затем убирают и проводят съёмки с этой экспозицией. Как дополнительный плюс, её нейтральность позволяет сделать и баланс белого. Недостатки подхода примерно такие же, как мы описывали для похожего эталонного объекта, colorchecker.
Одной из проблем является то, что “единственно правильной” экспозиции не бывает. Да, в среднем можно рассчитывать на отражение сценой 18% или 12% света, но как только появляется глянцевый фарфоровый чайник, кошка с тёмным окрасом или хотя бы снег, которые хочется запечатлеть с деталями, эти эмпирики перестают работать. Поэтому в среднем такие правила дают неплохой результат, но нельзя полагаться на них на 100%.
Гистограмма #
Многие камеры умеют показывать гистограмму значений. Это столбчатая диаграмма, в которой по оси X находятся значения из АЦП, по оси Y — сколько раз они встретились. Это очень удобный инструмент, так как:
- даёт более объективную оценку;
- в отличие от субъективного восприятия, не зависит от яркости экрана и освещения вокруг (например если Вы ночью забудете понизить яркость экрана и будете ориентироваться на глаз, то будете занижать экспозицию, так как в темноте тусклая картинка будет казаться нормальной);
- чётко показывает, когда произошёл клипинг (справа возникает характерная “палка”).
В целом Вы хотите выбрать такую экспозицию, чтобы объект съёмки занимал середину гистограммы, и при этом не было пересветов. Но обычно камеры не позволяют анализировать часть изображения, показывая статистику по всему месиву, поэтому понять, какая часть куда ложится, не всегда просто. Но какое-то представление это даёт.
Если фотоаппарат позволяет выбирать между монохромной и RGB гистограммой, то лучше использовать вторую. Первая показывает некую яркость на основе трёх каналов; если один канал ушёл в насыщение, а остальные остаются в тени, то по ней этого может быть не видно.
Exposure to the right #
Зачем нам выбирать экспозицию при съёмке, если можно её править на пост-обработке дома, в спокойной обстановке, на большом экране, возможно даже калиброванном? Во-первых, потому что есть шанс сразу сделать хороший снимок на JPEG и не тратить время на обработку вручную. Во-вторых, даже если мы снимаем только Raw, остаются проблемы клипинга и шума. Мы хотим, чтобы не было пересветов, но при этом фотография не “утонула” в шуме.
Популярной техникой для обеспечения этих свойств является exposure to the right (“экспозицию направо”), или ETTR. При съёмке корректируем экспозицию так, чтобы правый край гистограммы лишь немного не доходил до пересветов. То есть прижимаем её вправо, но не доводя до клипинга. К сожалению, не так много камер умеют делать это сами, поэтому обычно приходится крутить вручную.
Этот простой трюк гарантирует, что мы получили максимум света без потери деталей, то есть наилучшее отношение сигнал/шум. Если был снят Raw-файл, то в дальнейшем его можно править как угодно.
Когда этот подход уместен?
- Мы снимаем в Raw.
- Сложные условия, из-за которых мы хотим обрабатывать сами. Например большой динамический диапазон, когда приходится снимать здание в тени в полдень, оно получается совсем тёмным, а небо рискует уйти в пересвет. Можно снять с наилучшим отношением сигнал/шум одним кадром, потом использовать tone equalizer / curve для уравнивания яркостей.
Однако следует понимать, что в среднем он не даёт хорошую экспозицию. Поэтому в простых условиях он может вынудить Вас тратить время на пост-обработку тогда, когда это не нужно, исключительно чтобы вернуть яркость на место. Также, если Вы снимаете только JPEG, то может не получиться хорошо его обработать, потому что в нём tone mapping проведён не так, как задумано, и потеря информации могла сильно сказаться на важных частях кадра.
Итоги #
- Выдержка и диафрагма — эффективные инструменты, чтобы управлять экспозицией. Однако они влияют и на художественную составляющую, поэтому часто есть пределы, в которых их можно варьировать.
- Усиление не влияет на результат с художественной точки зрения. Но необходимость в его увеличении свидетельствует о недостаточном свете и плохом отношении сигнал/шум. Поэтому его следует использовать, только если нет возможности добавить фотонов.
- Иногда можно изменить условия освещения, чтобы улучшить качество снимка.
- Автоматы прекрасно помогают фотографу в большинстве жанров.