Так как скорость света очень высока, почему скорость затвора имеет значение?

Когда затвор камеры открывается, если свет мгновенно достигает датчика (скорость света = 300 000 км / с), почему скорость затвора влияет на резкость / детализацию изображения? Почему при более коротких выдержках снимки становятся темнее и ярче при более медленных выдержках?

Наши глаза всегда открыты (когда мы не спим), но изображения не «переэкспонированы».

(Я думаю, что это может быть больше физический вопрос, чем фото)

почему выдержка влияет на резкость / детализацию изображения? Почему при более коротких выдержках снимки становятся темнее и ярче при более медленных выдержках?

Это происходит потому, что датчик освещенности в камере не измеряет интенсивность света мгновенно, а измеряет весь свет, полученный в течение всей экспозиции. Можно сказать, что датчик накапливает или суммирует свет ^{* в} течение всего времени воздействия. Свет состоит из дискретных фотонов, и чем дольше датчик подвергается воздействию, тем больше времени у фотонов на попадание на датчик.

Если вы хотите создать мысленную модель того, как работает датчик, представьте, как положить ведро на улицу, когда идет дождь. Если интенсивность дождя остается постоянной, то оставление ведра там вдвое дольше приведет к тому, что в ведро попадет вдвое больше воды, верно? Или, если интенсивность дождя удваивается, можно ожидать, что ведро заполнится вдвое быстрее. Это ведро похоже на один фотосайт (т.е. один пиксель) на цифровом датчике, а капли дождя похожи на фотоны. Весь датчик подобен массиву из нескольких миллионов этих ведер, каждое из которых измеряет капли дождя / фотоны в одном конкретном месте.

Таким образом, более высокая скорость затвора означает более короткие выдержки, что означает меньше времени для перемещения объектов в кадре или самой камеры. Размытие в движении происходит, когда объект в кадре перемещается относительно камеры, поэтому свет от заданной точки на объекте регистрируется в более чем одном месте на датчике. Чем короче экспозиция, тем меньше движения и тем резче конечное изображение.

Аналогичным образом, более длинные выдержки дают больше времени для накопления света на датчике; каждый фотосайт будет собирать больше фотонов и измерять большее значение. Те большие значения, взятые вместе, создают более яркое изображение. Как и при дожде, на измерение на каждом фотосайте также влияет интенсивность - более яркий свет заставляет измеренное значение в каждой точке увеличиваться быстрее. Итак, если вы хотите более яркое изображение, у вас есть два варианта: увеличить интенсивность света или использовать более длительную экспозицию. Вот почему диафрагма и скорость затвора имеют обратную зависимость: апертура контролирует интенсивность света, достигающего датчика. Если вы хотите использовать более короткую выдержку, не влияя на уровень экспозиции фотографии, вы можете увеличить диафрагму, чтобы впустить больше света; если вы хотите использовать более длинную выдержку,

^* Чтобы быть действительно ясным об этом, то, что на самом деле делает датчик, это накапливает эффект света. Когда фотон попадает на фотосайт на цифровом датчике, он создает небольшой электрический заряд; чем больше фотонов, тем больше заряд. После закрытия затвора камера измеряет накопленный заряд на каждом фотосайте. Пленка работает почти так же, за исключением того, что свет вызывает химическую реакцию, которая усиливается с увеличением количества света.

Нет, это вопрос фотографии хорошо. Но я предполагаю, что под «ясностью» вы подразумеваете «резкость», иначе вопрос не имеет смысла.

Если ваш объект находится на расстоянии 30 метров, свет от него достигнет датчика за 100 нс (миллиардных долей секунды). Это на несколько порядков быстрее, чем скорость затвора, мы можем фактически игнорировать 100 нс и сказать, что свет приходит мгновенно.

Предположим, у вас есть средняя скорость затвора, скажем, 1/60 секунды. Это означает, что с момента открытия затвора свет от объекта достигает датчика, и он будет продолжать это делать до тех пор, пока затвор не закроется 17 мс спустя. Теперь 17 мс - это немного, но при очень быстром движении, например, при проезде скоростного поезда или гоночной машины, сцена за это время может измениться. На скорости 300 км / га поезд будет двигаться на 1,4 м за 1/60 секунды. Если фронтальная проекция поезда находится на 1000-м пикселе слева при открытии затвора, возможно, он переместился на 1200-й пиксель слева при закрытии затвора, и вы получите полосу шириной 200 пикселей для всех позиций поезда в между.

Это то, что называется размытие в движении. Иногда вы хотите, чтобы размытие движения давало зрителю ощущение скорости поезда, и тогда вы будете использовать более медленное время затвора. Если вы перемещаете камеру вместе с объектом во время съемки, вы также получаете размытие в движении, но другого типа: поезд будет резким, но на фоне будет размытость.

Вы можете представить свет как электромагнитную волну, но для этого вопроса я буду использовать его второе «состояние» в качестве (огромного) набора частиц - фотонов.

Почему при более коротких выдержках снимки становятся темнее и ярче при меньших выдержках?

В определенный период времени некоторое количество фотонов проходит через линзу и возбуждает части полупроводникового чипа (пиксели).
Уровень возбуждения пропорционален количеству падающих фотонов и представлен яркостью отображаемого пикселя. При удвоении скорости затвора время экспозиции уменьшается вдвое, а яркость также уменьшается вдвое. Если вы вдвое уменьшите скорость затвора, вы удвоите время экспозиции и удвоите полученную яркость.

Почему выдержка влияет на резкость / детализацию изображения?

В течение времени каждый пиксель собирает фотоны, поражающие его. Камера и сцена не находятся в идеальном неподвижном положении. Руки фотографа слегка дрожат, и объект на сцене может двигаться. Это приводит к тому, что свет, собранный в микросхеме, становится (движение) размытым. Значимость размытия при движении пропорциональна времени экспозиции и обратно пропорциональна скорости затвора.
Для более высокой скорости затвора вы получаете более темные изображения; Чтобы компенсировать этот эффект, вы должны открыть диафрагму и / или увеличить (ISO) чувствительность.

• Диафрагма: открытая диафрагма приводит к более сильным аберрациям и более малой глубине резкости.
• ISO: более высокая чувствительность приводит к более ярким изображениям. Но более короткое время срабатывания затвора, обеспечиваемое более высокой чувствительностью, также приводит к снижению отношения сигнал / шум, что обычно приводит к более высокому шуму.

Наши глаза всегда открыты (когда мы не спим), но изображения не «переэкспонированы».

Наши глаза имеют автоматическую настройку диафрагмы (радужная оболочка), а наш мозг обеспечивает автоматическую коррекцию ISO. Вот почему наши глаза могут быть одурачены :)
Посмотрите в глаза вашего друга, когда есть солнечный день, вы увидите радужную оболочку и маленькую черную точку. Когда вы посмотрите на него темной ночью, вы увидите маленькое кольцо ириса и большой черный круг. Радужная оболочка автоматически настраивает количество света, достигающего вашей сетчатки.
Радужная оболочка также имеет свои пределы. Если кто-то вспыхивает в ваших глазах ночью, вы на некоторое время ослепнете - ваш широко раскрытый ирис не может закрыться достаточно быстро, чтобы приспособиться к быстрой смене света, и ваша сетчатка перестаралась Затем вашему радужке потребовалось некоторое время, чтобы снова широко раскрыться.

Сигналы, которые мозг получает от сетчатки, также учитывают его чувствительность к падающему свету и к сцене. Попробуйте кататься на лыжах с янтарными очками на целый день. После того, как вы удалите очки, синяя вещь будет выглядеть зеленой для вас.
Он также размещается на месте. Здесь вы можете увидеть зеленую точку между розовыми. Или ты не можешь? Еще одна хитрость: долго смотрите на перевернутое изображение, а затем смотрите на белую стену. Вы увидите оригинальное изображение.
Ваш глаз и мозг автоматически снижают их чувствительность в зависимости от воздействия, и между изменением света и изменением чувствительности есть некоторая задержка.

Объектив камеры предназначен для проецирования изображения внешнего мира на поверхность чипа изображения внутри и сзади камеры. Однако механическая дверца, называемая затвором, предотвращает воспроизведение световых лучей на чипе изображения. Чтобы сделать снимок, шторка кратковременно открывается, а затем закрывается. Это действие позволяет образующим свет световым лучам контактировать с чипом формирования изображения.

На поверхности чипа обработки изображений находятся миллионы фото-сайтов. Каждый получает световую энергию во время экспозиции, и эта энергия пропорциональна по интенсивности и цвету фактической перспективе. Когда световые лучи играют на этих участках, возникает электрический заряд. Количество заряда соответствует интенсивности света перспективы.

Тем не менее, заряды очень слабые и требуют, чтобы программное обеспечение в камере усиливало их до приемлемого уровня. Программное обеспечение также покрывает каждый заряд до числового (цифрового) значения. В результате получается изображение, составленное по системе «краска по номеру».

Поскольку яркость сцены является переменной, продолжительность экспозиции регулируется. Если изображение тускло освещено, время экспозиции будет увеличено для компенсации. И наоборот, если сцена ярко освещена, время экспозиции будет сокращено. Основная причина того, что скорость затвора регулируется по продолжительности, заключается в том, чтобы дать время накапливаться и становиться управляемым.

Скорость света невероятно высока, а расстояние, видимость до камеры и расстояние от объектива до датчика изображения спорны.

Речь идет о продолжительности источника света, а не о скорости света. Если я произнесу предложение, это может занять 15 секунд. Слово путешествует к вашим ушам со скоростью звука. если я говорю предложение быстрее, каждое слово попадает в ваши уши с той же скоростью, но «резкость» или ясность слов меняется по мере того, как я ускоряюсь или замедляюсь.

Фактическая скорость, с которой движется свет, не имеет значения. Тот факт, что это не мгновенно, очень важно. Даже если свет распространяется очень быстро, свет от объекта или сцены не попадает на сенсор или пленку одновременно. Свет достигает камеры от объекта в потоке энергии, который распространяется в течение некоторого времени. Пока затвор открыт, этот поток света записывается на фотографии. Если сцена изменяется в течение экспозиции, форма потока света, попадающего в камеру во время экспозиции, также изменяется.

В физике часто используется фраза, используемая для описания того, как свет одновременно демонстрирует свойства энергии волн и частиц: двойственность света . Для фотографирования мы обычно рассматриваем свет как поток фотонов, стекающих со сцены на сенсор (или пленку). Когда они ударяют по сенсору, они преобразуются в электроны в каждом пикселе, которые попадают в фотон. Когда они ударяют пленку, их энергия приводит к химическим реакциям с зернами химикатов в эмульсии пленки.

Почему выдержка влияет на резкость / детализацию изображения?

Время затвора определяет, как долго поток фотонов со сцены может попадать на сенсор. Если что-то изменит положение в сцене во время экспозиции, то свет от части сцены, которая переместилась, будет перемещаться по поверхности датчика и падать на разные пиксели. Если источником движения является сама камера, то вся сцена сместится, и каждая точка в сцене попадет на разные пиксели датчика. Каким бы ни был источник движения, результат будет размытым, поскольку свет от одной точки сцены распространяется на несколько пикселей. Чем дольше затвор удерживается открытым, тем больше размытость при той же скорости движения.

На оборотной стороне той же монеты, чем дольше затвор остается открытым, тем больше света захватывается на фотографии. Чем больше света захватывается датчиком, тем выше будет доля электронов, собранных датчиком от света от сцены (мы называем этот сигнал ), электронам, генерируемым электроникой камеры, которые также записываются вместе с ток от датчика пикселей. Эти рассеянные электроны - это то, что мы называем шумом, Считывание шума производится электроникой камеры. Фото (выстрел) шум создается случайной природой света из-за двойственности света. Эти фотонные частицы движутся по волнообразному пути, определяемому длиной волны каждого светового бита. Чем больше сигнала (света) у нас пропорционально шуму, тем больше деталей мы сможем воспроизвести на нашей фотографии. Это называется отношением сигнал / шум .

Таким образом, более короткое время затвора минимизирует эффект движения, но может привести к потере деталей из-за плохого отношения сигнал / шум. Более длительное время затвора увеличивает отношение сигнал / шум, но может привести к потере деталей из-за размытости при движении.

Почему при более коротких выдержках снимки становятся темнее и ярче при более медленных выдержках?

Поскольку чем дольше затвор остается открытым, тем больше света захватывается на фотографии. Это то же самое, что включать и выключать кран, держа чашку под краном. Чем дольше кран открыт, тем больше воды будет собираться в чашке. Чем дольше затвор остается открытым, тем больше легких частиц (фотонов) будет собираться датчиком (или пленкой).

Наши глаза всегда открыты (когда мы не спим), но изображения не «переэкспонированы».

Опять же, свет падает на наши глаза непрерывным потоком, а не единичным мгновением. Весь свет, собранный нашими сетчатками в течение дня, года или всей нашей жизни, не передается нашему мозгу в одно мгновение! Электрохимический сигнал от наших глаз к нашему мозгу непрерывно изменяется, поскольку сцена перед нашими глазами изменяется.

(Примечание: нижеследующее было написано до того, как вопрос, приведенный выше, был значительно переписан в его нынешнюю форму)

Свет - это электромагнитная энергия. Таким образом, есть два компонента, которые должны быть измерены в отношении фотографии: напряженность поля и продолжительность времени. Напряженность поля измеряет, насколько сильный свет над определенной областью. Продолжительность времени показывает, как долго сохраняется напряженность поля.

Это так же, как любая другая форма энергии. Если кто-то приложит постоянную силу к телу, тело будет ускоряться. Чем дольше эта сила применяется, тем дольше тело будет ускоряться и тем быстрее тело будет двигаться относительно своего начального состояния.

Кусок фотопленки собирает информацию об энергии, падающей на него в виде света. Чем дольше затвор остается открытым, тем больше информации собирается. Если оставить затвор открытым вдвое дольше, он будет собирать вдвое больше информации от этого источника света, предполагая, что сила света постоянна.

Проблема в фотографии в том, что свет часто не постоянен. По мере того, как вещи в мире перед камерой перемещают силу поля света в любой конкретной точке пленки или датчик изменяется. Пока затвор открыт, он продолжает собирать информацию о свете, падающем на каждую точку пленки или датчика. Если что-то в поле зрения камеры движется, будет записана информация обо всех положениях, через которые она прошла во время открытия затвора. Вместо того, чтобы быть записанным в том же месте на пленке или датчике, изображение движущегося объекта будет распространяться по области, по которой он движется. Это приведет к размытию. Даже если перед камерой ничего не движется, если сама камера движется, то же самое произойдет.

Дело не в скорости света, а в количестве света, которое имеет значение

Это также та же самая причина, почему это становится темнее, поскольку солнце садится; в этом случае скорость света не имеет значения

Ну, это не отличается в фотографии!

В очень темной сцене количество фотонов может быть настолько меньше, что пиксели едва соберут фотоны даже при длительной экспозиции

Слишком много, чтобы сказать, если вы хотите узнать подробности, вам нужно узнать о линзах, посмотрите это:

https://www.youtube.com/watch?v=1YIvvXxsR5Y

Чтобы ответить на ваш вопрос, более высокая скорость затвора предотвращает размывание пикселей на вашем датчике, что приводит к улучшению деталей и четкости. Это не скорость света, но замораживание движений, которое вызывает это.