Почему движущиеся объекты на фотографиях выглядят размытыми?

При съемке на большинстве камер, если вы снимаете движущийся объект, объект выглядит размытым. Почему это происходит именно так?

Сначала я расскажу о том, что обычно делают камеры, а затем о том, как движение влияет на эту операцию.

Чтобы изображение было четким и сфокусированным, весь свет, приходящий из одной точки на фотографируемом объекте, должен попадать в одну точку на пленке или сенсоре. Если вы делаете снимок лица, вы хотите, чтобы весь отраженный от левого глаза свет падал на одну часть датчика изображения, а весь отраженный от носа свет падал на другую часть. Если изображение не сфокусировано, свет от разных частей лица может попадать на один и тот же сенсор, а свет от одной и той же части лица может распространяться на все остальные части. Это приводит к изображению, где каждая часть лица смешана с другими частями. Это называется размытым изображением.

Если объект движется, происходит похожее размытие, потому что затвор камеры открыт в течение определенного периода времени. Представьте, что вы фотографируете человека, и этот человек двигает рукой. Когда затвор открывается впервые, камера направляет свет от человека на определенную часть датчика изображения. Однако, поскольку рука движется, свет от нового положения руки будет направляться камерой в другую часть датчика. Таким образом, камера будет получать свет со всех положений руки, когда затвор открыт. Этот свет с разных позиций руки попадет на разные части датчика. Это приводит к тому, что выглядит как размазанное изображение руки, прослеживающей траекторию движения.

Это происходит потому, что ваш объект движется относительно кадра камеры во время экспозиции, а скорость затвора недостаточно высока, чтобы зафиксировать ее.

Вдаваясь в детали:

Скорость затвора или время экспозиции - это период времени, в течение которого пленка или цифровой датчик внутри камеры подвергается воздействию света, когда затвор камеры открыт при съемке фотографии. Количество света, которое достигает пленки или датчика изображения, пропорционально время контакта. Например: 1/500-я секунда пропускает вдвое меньше света, чем 1/250-я. Когда скорость затвора медленная (т. Е. Ниже 1/60 секунды), на фотографиях появляются даже относительно медленные движения. Для краткости, быстрые выдержки затвора создают эффект замораживания движения в снимаемой вами сцене, и наоборот, медленные выдержки затуманивают движение в сцене.

На приведенной ниже диаграмме показано, как различные скорости затвора влияют на ощущение движения, если вы фотографируете бегущего человека. Высокая скорость затвора замораживает движение. Чем меньше скорость затвора, тем более размытым становится бегущий человек на фотографии.

И медленные скорости затвора обычно вызваны недостаточным освещением. Вот почему вы редко видите проблемы с размытостью изображения на улице в солнечные дни.

Решение:

Решение состоит в том, чтобы увеличить скорость затвора. И часто единственный способ сделать это - добавить больше света. Одним из очевидных способов сделать это является использование вашей вспышки. Если вы находитесь внутри днем, вы также можете просто выйти на улицу. Вы также можете увеличить выдержку, уменьшив (расширив) диафрагму. Более широкая диафрагма пропускает больше света, обеспечивая более высокую скорость затвора. Если у вас самая широкая диафрагма и вы все еще не получаете достаточную скорость, вы можете попробовать получить «быстрые» объективы (объектив с большей максимальной диафрагмой, то есть с меньшим минимальным числом f): стекло с диафрагмами 2.8 или шире.

Вы также можете попробовать более быструю настройку ISO.

То же самое происходит с вашими собственными глазами, хотя ваш мозг старается изо всех сил скрыть это. Основная проблема связана с тем, как изображение создается в первую очередь.

Зрение - это интерпретация видимого света, отраженного (обычно; мы можем пока игнорировать активное свечение) от объектов. Чтобы увидеть что-то, оно должно быть освещено и отражать этот свет иначе, чем его окружение. Свет формируется из крошечных безмассовых частиц, называемых фотонами - носителями электромагнитного заряда. Когда фотон попадает в сетчатку глаза (или пленка в камере, или чип в цифровой камере), он откладывает часть своей энергии в какой-то фоточувствительный материал, вызывая изменение, которое можно измерить и интерпретировать , Измеряя реакцию фоточувствительного материала во многих отдельных точках, мозг (или чип) восстанавливает изображение вашего окружения.

Фотон имеет три важных свойства - энергию, положение и направление. Немного геометрии и оптической коррекции, зрение использует направление фотона и место, где он взаимодействует с фоточувствительной поверхностью, чтобы выяснить, откуда пришел фотон - примерно, какая 3D-точка соответствует данной 2D-точке на образ. Энергия определяет цвет конкретного фотона. Идея состоит в том, что свет, исходящий от объекта, который вы видите, идет примерно параллельно, что делает 3D-> 2D-проекцию тривиальным. Вы получаете статическое размытие на фотографии, когда оптическая коррекция недостаточна для компенсации рассеяния фотонов в воздухе - чем больше расстояние до объекта, тем больше рассеянных отраженных фотонов в среднем, и вам нужно больше коррекции, чтобы привести их назад, чтобы быть параллельным.

Но изображения обычно не чисто черно-белые. Есть две вещи, которые важны для человека - цвет и интенсивность. Цвет соответствует энергии фотонов, а интенсивность соответствует количеству фотонов. И вот тут все становится интересным - чтобы получить какое-либо полезное изображение, вам нужно поглотить огромное количество отдельных фотонов - один фотон на самом деле мало что вам говорит. Так что на самом деле происходит то, что вы берете (примерно) среднее количество фотонов, которые достигли вашего датчика за определенный промежуток времени - это дает вам относительную яркость вещей на изображении, а также хорошее представление о цвете объектов.

Человеческий глаз добавляет несколько дополнительных сложностей, поэтому давайте продолжим с пленочной камерой в старом стиле. Пленка изготовлена ​​из материала, который постоянно меняется при воздействии света (подумайте о том, что происходит с бумагой, оставленной на солнце в течение нескольких месяцев - но гораздо быстрее). Для простоты предположим, что исходный материал совершенно черный, а измененный материал - совершенно белый. Каждый отдельный фотон вызывает изменение одной молекулы, но наши глаза не могут видеть цвета отдельных молекул - они усредняют информацию из определенной области. Таким образом, чем больше фотонов попадает в определенную область пленки, тем ярче она будет выглядеть, что соответствует более яркому свету, исходящему из этого конкретного направления в пространстве (и, следовательно, заданному объему пространства, соответствующему, скажем, вашему ярко-красному T- Рубашка). Однако в какой-то моментвсе молекулы в данной области пленки изменяются - дальнейшее освещение не может сделать его ярче. Детали теряются, потому что окружающие области становятся ярче, а насыщенные области - нет. С другой стороны шкалы, если света будет слишком мало, будет слишком мало фотонов, чтобы сформировать приличное изображение - все будет слишком темным, со случайными яркими пятнами.

Таким образом, чтобы получить хорошее изображение, вам нужно сбалансировать время, в течение которого вы выставляете фильм на свет. Слишком длинный, и ваше изображение слишком яркое и теряет контраст. Слишком короткий, и недостаточно данных для усреднения до хорошего изображения. В качестве побочного сведению, это физическое (в отличие от биологической) причин , почему ночное зрение моно-хроматической - если есть слишком мало фотонов , поступающих в, их результаты распределения цвета в (случайном выглядящий) цветового шума , что делает его труднее увидеть. Использование только интенсивности при игнорировании цвета приводит к получению более четкого и яркого изображения.

Итак, давайте представим, что вы на секунду демонстрируете немного фильма 3D-сцене. Более яркие части сцены приводят к большему количеству света, взаимодействующего с соответствующими областями в 2D-изображении. Но теперь представьте, что в точке 0,5 с парень на сцене двигает рукой. Первая половина экспозиции держит свою руку в исходном положении, в то время как вторая половина больше не получает фотоны из исходной позиции, а вместо этого получает их из новой позиции. Общее количество фотонов, отраженных от руки, одинаково, но теперь они распределены по двум различным местам в 2D-изображении; и усредняется с фотонами, которые исходили из фона, когда руки там не было. Если ваша рука движется с постоянной скоростью, соответствующие фотоны будут равномерно распределены по пути, который проходит рукой между началом экспозиции и концом. Вы получаете среднее значение для всех отдельных «изображений», как если бы вы сделали сотню фотографий людей с немного различными позами и усреднили их вместе.

Как вы можете бороться с этим? Если света достаточно, вы можете сократить экспозицию - это означает, что для получения видимого размытия объект должен двигаться быстрее по сравнению с более длительной экспозицией. Если света недостаточно, это приведет к шуму ( отдельные фотоны, которые вы измеряете, довольно случайны - они просто имеют предсказуемое распределение во времени; гораздо больше красных фотонов отражается от красной рубашки, чем зеленые фотоны, например). Если вы хотите сфотографировать один движущийся объект, вы можете попытаться устранить любое относительное движение между камерой и объектом - отслеживать объект. Люди делают это автоматически - вы двигаете глазами и головой, чтобы следовать за движущимся объектом, который хотите исследовать, что дает вам четкую картину движущегося объекта, а все остальное это размытие (которое мозг обычно компенсирует, а камера - нет).

Объективы камеры тщательно генерируют изображение (обычно с ног на голову) того, на что вы нацеливаете камеру на набор датчиков.

Эти датчики складывают свет, который светит на них. Тогда их можно спросить "сколько света ты видел?" и сброс.

Как правило, мы выставляем эти датчики только на короткий период времени. Свет, приходящий с определенного направления в течение этого короткого периода времени, в конечном итоге становится количеством света, которое улавливает конкретный датчик.

Затем датчики сопоставляются с пикселями на изображении.

Когда объект движется быстро относительно количества времени, в течение которого мы выставляем датчики, датчики на краю движущегося объекта сначала обнаруживают «здесь нет объекта», а затем «здесь есть объект». Количество «объект» против «нет объекта» зависит от того, насколько близко вы находитесь к краю объекта и как быстро он движется.

Если объект представляет собой сплошной блок цвета, а фон - другой цвет, это приводит к плавному градиенту, переходящему от фона к цвету объекта на краю объекта по направлению движения. Мы интерпретируем это как «размытие в движении».

По большей части, объекты и фон достаточно различны, что мы можем заметить, даже если они не являются однородными по цвету.

Мы видим это только иногда, потому что камеры меняются, как долго они «остаются открытыми», в зависимости от того, сколько света есть. Чем меньше света, тем дольше они остаются открытыми, тем сильнее будет размытие при движении. Точно так же, чем быстрее объект, тем больше он будет размываться в течение заданного фиксированного времени «оставаться открытым».

Современная компьютерная наука фактически уменьшила эту проблему; во-первых, делая датчики более чувствительными к свету, а во-вторых, постобработкой. Многие камеры обнаружат равномерное размытие движения (вызванное движением руки) и инвертируют его после захвата изображения. Теоретически это может быть сделано даже для одного движущегося объекта в сцене, но определить, что является объектом, а что нет, здесь сложнее. Я не знаю о камере, которая делает это автоматически.

Когда кнопка спуска нажата, изображение внешнего мира быстро проецируется на датчик изображения (или пленку). Это действие называется «разоблачение». Чтобы ответить на ваш вопрос, вам нужно знать, что во время экспозиции проецируемое изображение записывается. Ключевым моментом является то, что датчик изображения (или пленка) со временем накапливает световую энергию. Если изображение изменяется каким-либо образом во время экспозиции, записанное изображение, скорее всего, покажет это как размытость. Мы стараемся держать камеру как можно тише, чтобы избежать этого пуха. Кроме того, мы стараемся выбрать очень быструю выдержку. Таким образом, наши изображения - это застывшие во времени моменты.

На фотографиях есть два основных вида размытия (ну, три, но я предполагаю, что вы сохраняете свою камеру достаточно чистым): размытие фокуса и размытие в движении.

Размытие фокуса происходит, когда объект вашей фотографии просто не в фокусе. Чтобы решить эту проблему, убедитесь, что автофокус включен, и повторите попытку. Если это не в фокусе, перефокусируйтесь и снимайте снова. Довольно просто. В камерах типа «наведи и снимай» наиболее вероятная причина, по которой ты не в фокусе, заключается в том, что объект сместился или интеллектуальная система фокусировки была не такой умной и сфокусированной на неправильном объекте.

С другой стороны, размытость изображения не происходит, потому что ваш объект не в фокусе. Это происходит потому, что ваш объект движется относительно кадра камеры во время экспозиции, а скорость затвора недостаточно высока, чтобы зафиксировать ее. Давайте рассмотрим эти два аспекта отдельно.

Итак, решение состоит в том, чтобы увеличить скорость затвора. И часто единственный способ сделать это - добавить больше света. Одним из очевидных способов сделать это является использование вашей вспышки. Если вы находитесь внутри днем, вы также можете просто выйти на улицу. Иногда разница между тенью и солнцем - это дополнительный свет, который вам нужен.