Vše o světle - 11. Měření světla a expozice - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

6. dubna 2007, 00.00 | Ideální expozice za každé situace je snem každého fotografa. Umožní zachovat všechny podstatné detaily na snímku, dobře vyjádří náladu scény a má i správně saturované barvy. Za normálních okolností je to úloha automatiky, často je ale třeba jí významně pomoci.

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

V článku Vše o světle - 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů bylo popsáno, že každá buňka senzoru počítá fotony dopadajícího světla a po zesílení signálu (ISO) a po A/D převodu ho ve formě čísla předává k dalšímu zpracování obrazovému procesoru. Avšak i zcela zastíněná buňka, na kterou nedopadne žádný foton, může generovat malý falešný signál. Tomu se říká šum a ten obtěžuje život inženýrům při návrhu fotoaparátu i vlastním fotografům. Proto každá buňka začíná smysluplně pracovat až od určitého počtu na ní dopadnutých fotonů, kdy signál vyprovokovaný těmito fotony je silnější než přirozený šum. Tomuto minimálnímu množství světla, které však již lze od šumu efektivně odlišit, se říká práh citlivosti buňky.

I bez podrobnějšího popisu je jasné, že každá buňka senzoru "dobře pracuje" jen v určitém rozsahu světla – od prahu její citlivosti, kde se signál dá rozlišit od šumu, po její maximální možný výstupní signál.

Z druhé strany je schopnost buňky měřit světlo omezena situací, kdy na buňku dopadá příliš mnoho světla a buňka již generuje svůj maximální signál. Další zvětšování počtu fotonů již buňka neregistruje a stále předává elektronice jen svůj maximální signál. Je-li nadbytečného světla dokonce příliš, může hrozit i blooming – tedy chybné přelití přebytečného náboje do okolních buněk. Vzájemnému poměru nejsilnějšího ale stále ještě dobře zaznamenaného signálu ku prahu citlivosti se říká dynamický rozsah buňky – tedy rozsah světla, ve kterém buňka dobře pracuje.

Ideální expozice
Každý senzor je ale tvořen mnoha miliony buněk – typicky 6 až 10 miliony (6-10 MPix). A na každou buňku dopadne jiné množství světla podle toho, jaký obraz (jako scénu) promítá na senzor objektiv. Určení ideální expozice přitom není nic složitějšího než nechat na všechny buňky senzoru dopadnout tolik světla, aby byly všechny uvnitř svého dynamického rozsahu, a tedy správně "fungovaly".

Stanovit správnou expozici pro jednu buňku není v zásadě žádný problém. Stanovit ji ale pro 10 milionů buněk bude nutně vyžadovat kompromis jako na tomto snímku, kde část buněk (žlutě) je podexponována a signál se topí v šumu a současně je část buněk přeexponována (modře). Tyto buňky pak předávají svůj maximální signál a další kresbu v těchto místech již nejsou schopny rozlišit.

Stanovit správně expozici pro např. 10 milionů buněk je ale úloha zjevně nemožná. V reálné scéně zaznamenané 10 MPix senzorem se musí vždy najít alespoň jedna buňka, která bude přeexponovaná (např. slunce na snímku níže) a alespoň jedna buňka, která bude podexponovaná, tedy pod prahem své citlivosti. Takto technokraticky tedy expozici pojmout není možné a je třeba hledat kompromis. Ten spočívá v nalezení takové expozice, aby bylo minimum buněk mimo svůj rozsah ale zejména, aby na snímku bylo správně prokresleno to, co je pro lidského pozorovatele důležité. Tím se nám z ryze technického pojetí expozice stává expozice subjektivní, a s tou mají a dlouho ještě budou mít stroje (expoziční automatika) neschopné lidského pohledu na věc problémy.

Na správnou expozici je možné se dívat ze dvou pohledů. Z technického hlediska se jedná o ideální využití dynamického rozsahu všech buněk senzoru, z praktického hlediska se jedná o takové podání snímku, kdy se snímek lidem nejvíce líbí.

Jak fotoaparát ovládá expozici
Aby fotoaparát zabezpečil správnou expozici všech buněk svého senzoru, musí řídit množství světla, které na senzor dopadne. Již mnoho desítek let fotoaparáty řídí toto světlo dvěma nástroji – expozičním časem a clonou.

Expoziční čas říká, jak dlouho je senzor účinkům světla vystaven a jak dlouho tedy každá buňka počítá fotony. Tuto dobu určuje tzv. závěrka. Filmové fotoaparáty měly vždy závěrku mechanickou, tedy oponě podobné zařízení, které fyzicky kryje senzor/film a odkrývá ho jen na určenou dobu. Jednodušší digitální fotoaparáty mají závěrku realizovanou elektronicky, tedy na začátku expozičního času je senzor vynulován a po určité době je z každé buňky přečten počet nachytaných fotonů. Dražší digitální fotoaparáty mají závěrku mechanickou podobnou filmovým přístrojům kombinovanou se závěrkou elektronickou.

Závěrka je mechanické zařízení vzdáleně podobné oponě, které kryje film či senzor a otevírá se jen na nastavenou dobu.

Clona říká, jak velikým otvorem prochází světlo v objektivu.Čím více je clona v objektivu uzavřena (otvor je malý), tím méně fotonů objektivem projde a dopadne na senzor. Clona je umístěna ve středu objektivu a vyrobena z tenkých kovových lamel, které se podle pokynů z těla fotoaparátu zužují či roztahují. Počet fotonů procházejících clonou je úměrný její ploše a tak fotoaparát podle nastaveného clonového čísla vypočítá odpovídající průměr clony a dá pokyn objektivu k jejímu nastavení.

Clona je řiditelný otvor v objektivu. Čím větší je otvor, tím více světla dopadne na senzor.

Řada standardních clonových čísel a jim odpovídající otvor v objektivu.

ISO citlivost
Třetím faktorem, který ovlivňuje expozici, je ISO citlivost. Nejedná se ale o řízení množství světla dopadnutého na senzor, ale o řízení citlivosti senzoru na světlo. V dobách filmu se citlivost určovala tím, jak citlivý film jste do těla fotoaparátu založili. Senzor dokáže citlivost svých buněk ovlivňovat elektronicky, a tak je možné každý snímek exponovat s jinou citlivostí. Tím získala expoziční automatika pod kontrolu další nástroj pro zvládání obtížných světlených podmínek. Pro srovnání – u filmových přístrojů to znamenalo vyměnit film za jiný. ISO citlivost ale nijak nemění množství světla dopadnutého na senzor, jen mění reakční citlivost senzoru na něj!

Reciprocita
Důležitý princip expozice je tzv. expoziční reciprocita. Pokud prodloužíte expoziční čas na dvojnásobnou hodnotu, na senzor dopadne dvojnásobné množství fotonů. Pokud současně uzavřete clonu (zmenšíte její otvor) na poloviční plochu, množství procházejících fotonů zredukujete na polovinu. Tyto dvě změny se tedy vzájemně vykompenzují a výsledkem je stejně exponovaný snímek. Podobných dvojic je možné najít velmi mnoho a do hry je možné vzít i ISO citlivost, kdy například dvojnásobný čas je možné vykompenzovat poloviční citlivostí. Úkolem stanovení správné expozice tedy není jen stanovit správné množství světla, ale stanovit i správnou trojici ISO - clona - čas.

Správná expozice je určena trojicí ISO - clona - čas. Takových trojic je ale velké množství, a tak vedle expozice je do úvahy třeba vzít další faktory. Čas je třeba podřídit všemu, co se hýbe, ISO zvedá šum a clona ovlivňuje hloubku ostrosti. Na snímku je ukázka účinku expozičního času 2 vteřiny.

Expoziční senzor a expoziční automatika
Někdy v 50. letech minulého století spatřily světlo světa první expozimetry přímo vestavěné ve fotoaparátech. Měřily fotografovanou scénu velmi jednoduše - prostě zprůměrovaly světlo, které se na scéně vyskytuje (tzv. Average metering). Na základě znalosti průměrného množství světla na scéně bylo potom možné nastavit vhodný expoziční čas a clonu pro film s určitou ISO citlivostí. I takto jednoduchý expozimetr vestavěný ve fotoaparátu byl velkým přínosem pro fotografy a umožňoval mnohem rychlejší reakci na měnící se světelné podmínky a to i přesto, že jak clonu, tak čas bylo nutné nastavovat podle údajů z expozimetru ručně.

S nástupem moderních fotoaparátů vybavených elektronikou se výrazně zdokonalil vestavěný expoziční senzor (expozimetr) a hlavně elektronika mohla sama nastavovat expoziční čas i clonu a u digitálních fotoaparátů i ISO citlivost. Tím byla umožněna plně automatická expozice a všechny parametry (ISO, clona i čas) tak mohou okamžitě a automaticky reagovat na proměnné světelné podmínky.

Dnešní expoziční senzor digitálních fotoaparátů má za úkol změřit množství světla na scéně a stanovit pokud možno ideální expozici pro všechny buňky senzoru, což je řádově složitější úloha, než jednoduše světlo na scéně zprůměrovat. Přitom expoziční senzor může být speciální CCD/CMOS čip určený jen k tomuto účelu (DSLR) či přímo hlavní senzor fotoaparátu (většina kompaktních fotoaparátů).

Expoziční automatika ale musí stanovit jednu trojici expozičních hodnot (čas, clona a ISO), a ta musí být stejná pro všechny buňky senzoru. Nejtěžší úloha tedy je stanovit kompromis tak, aby co největší počet buněk byl exponován uvnitř svého dynamického rozsahu a současně se snímek subjektivně líbil.

"Absolutní pravda" u expozice neexistuje, tak ji zbytečně nehledejte, a ani nemá smysl obviňovat automatiku. Např. na tomto snímku je tmavá tvář a tělo domorodce to, na čem nám záleží, a ne pozadí za ním.

Maticové měření
V současné době zřejmě nejsložitější a pro automatické fotografování nejlepší metoda. Také proto je zvolena u řady fotoaparátů jako výchozí. Přesný název se liší výrobce od výrobce (multi-zone, matrix, evaluative, honeycomb, segment metering či esp - electro selective pattern) a jako první ji uvedl na trh Nikon a pojmenoval Automatic Multi-Pattern.

Princip této metody je v tom, že si rozdělí snímek na určitý počet zón, jejichž počet bývá od desítek do několika tisíc (počet však jinak nesouvisí s přesností). V každé zóně je potom změřeno množství světla a společně s řadou dalších údajů (zvolený zaostřovací bod, ohnisko objektivu, vzdálenost k fotografovanému objektu, barva na scéně atp.) jsou tyto hodnoty porovnány s rozsáhlou databází typických scén a známých situací (např. Nikon uvádí přes 30 000 scén v databázi). Podle nalezené odpovídající scény je potom nastavena trojice expozičních hodnot ISO, clona, čas. Bohužel výrobci jsou velmi skoupí na podrobnější údaje o práci této metody, a tak je konkrétní reakce fotoaparátu třeba v praxi vyzkoušet.

Maticové měření pracuje na principu rozdělení scény do zón a hledání podobných scén v databázi známých scén. Tato metoda je asi nejlepší pro běžné fotografování, zcela zvláštní světelné podmínky ale nezvládne. Na ukázce je 16 zón fotoaparátu Pentax.

I když maticové měření je velmi sofistikované, tak někteří fotografové (zejména velmi pokročilí) tuto metodu měření nepreferují. Díky její komplexnosti a složitosti nemají totiž ani tušení, jaké výsledky nabídne. Preferují proto tradičnější metody měření, zejména měření se zdůrazněným středem.

Měření se zdůrazněným středem (Center-weighted average metering)
Při této metodě se z 60 až 80 % určuje expozice ze střední části snímku, pouze z 20 % se uvažuje okraj snímku. Některé fotoaparáty umožňují i nastavit velikost střední části případně určit, jak se klade důraz na střed ve srovnání s okrajem snímku. Výhoda této metody je, že se nenechá tak snadno "rozházet" zejména jasnými světly na okraji snímku a je lépe odhadnutelná.

Měření se zdůrazněným středem je skvělé například na portréty, u kterých se obličej nalézá právě ve středu snímku a na pozadí nám příliš nezáleží.
 

Měření se zdůrazněným středem se hodí i všude tam, kde dokážete naměřit expozici na "světelně průměrné" ploše a potom případně překomponovat snímek. Velikost plochy můžete přitom řídit ohniskem (zoomem). Chce to trochu cviku a znát svůj fotoaparát, ale je to velmi účinná metoda.

Bodové měření (Spot, Partial metering)
Tato metoda určuje expozici celého snímku na základě hodnoty jasu v jednom jediném malém bodě. Ten bývá nejčastěji ve středu hledáčku, některé fotoaparáty však umožňují definovat i místo měření, obvykle ve vztahu k zvolenému zaostřovacímu bodu. Měření nazývané "Spot" měří opravdu jen velmi malý bod - typicky 2 % snímku. Některé fotoaparáty (Canon) mají ještě metodu "Partial", která mírně zvětší velikost bodu, typicky na 8 %.

Bodové měření určuje expozici podle jednoho jediného malého bodu ve scéně, nejčastěji ve středu snímku. Velikost bodu závisí na fotoaparátu, bývá ale kolem 1-8 % plochy snímku.

Tato metoda je zcela nevhodná pro běžnou reportážní práci, protože výsledky silně kolísají podle nasměrování fotoaparátu. Používá se nejvíce pro naměření expozice na ploše o známé odrazivosti (střední šedá tabulka) nebo na prozkoumání jasů a jejich rozdílů ve scéně.

Naměříte-li expozici bodovým měřením na 18% střední šedou tabulku, kterou potom ze scény odstraníte, bude expozice technicky zcela přesná. Subjektivní hledisko se ale může velmi lišit.