Kursdelen Fotografi. Mera info på kursens hemsida! Kompendium: Carlsson, K. Teknisk Fotografi, 6:e upplagan, ca. 150:-

Transkript

1 Kursdelen Fotografi Mera info på kursens hemsida! Kompendium: Carlsson, K. Teknisk Fotografi, 6:e upplagan, ca. 150:- Laborationsanvisningar: Finns tillgängliga som pdf-filer på kurswebben. Var går labbarna? Var köper vi kompendiet? Jo, i Albanova! Maskin KTHB

2 Var i Albanova? Till fotolabben i AlbaNova: Kursexp. Fysik (i entréplanet) säljer komp. Öppet Gå in genom huvudentrén vid Roslagstullsbacken 21. Gå sedan rakt fram nedför tre trappavsatser. Sväng vänster två gånger, sedan rakt fram så långt man kommer och in genom dörren till höger.

3 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.

4 Fotolabbar: Lab. 1: Färgfotografering med digitalkamera: Färgtemperatur, skärpedjup, perspektiv, dpi-tal i utskrifter Lab. 2: Utvärdering av bildkvalitet: Upplösning, MTF Signal/noise ratio, Jämförelse mellan filmbaserad fotografi och digitalfotografi

5

6

7 Kamera Sökare Kamerahus Lins Slutare Sensor: film eller CCD Bländare Film Framkallning CCD Datorbearbetning Kopiering Skrivare Pappersbild Pappersbild

8

9

10

11

12 Varför använda olika brännvidder? Jo, man får olika avbildningsskala. Inte bara avbildningsskalan påverkas av f utan även djupintrycket, dvs perspektivet.

13 Perspektiv Fotograferingssituationen: Objektiv ff Filmplan β α α β h 1 h 2 Betraktningssituationen: Öga h 2 α β h 1 ff Framkallad film

14 Korrekt betraktningsavstånd = M x f Förstoring sensor - slutbild Objektivbrännvidd 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.

15

16 Bländaröppningens storlek påverkar skärpedjupet Inställt avstånd Max. oskärpecirkel Objektiv med bländare Flyttas rel. sensorn vid fokusering Film (sensor) plan Inställt avstånd Max. oskärpecirkel Fjärrgräns Närgräns Objektiv Film (sensor) plan Skärpedjup

17 Photometry is so confusing!!! footlambert cd lux lumen stilb phot footcandle nit apostilb Don t Panic! There is The Hitchhiker s Guide to Radiometry & Photometry

18 Begreppet rymdvinkel Sfärisk yta Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis) R P Ω Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta. Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom A formeln Ω =. 2 R Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr).

19 Några grundbegrepp P Ω A Illustration av begreppet radians ( utstrålning ). Radiansen kan skrivas som: Sort: Watt per m 2 och steradian. Om vi låter storleken på yt- och rymdvinkel- elementen gå mot noll får vi:

20 Utstrålningens riktningsberoende ges av för diffus källa (= matt yta, t.ex. svartkroppsstrålare). För att ta hänsyn till detta definieras radiansen enl. formeln: För en svartkroppsstrålare beror R bara på temperaturen:

21 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. Måne υ = 45 o P =? A = 5648 km 2 5 Ω = sr

22 P A Irradians handlar om instrålning (summerat över alla riktningar) Sort: Watt per m 2

23 Fotometri = Mätning av ljus (ljus = det vi ser med ögonen) Steg 1: Omvandla effekt (Watt) till ljusflöde med hjälp av ögats spektrala känslighetskurva. R(λ) K(λ) X λ (nm) λ (nm) Spektralfördelning av strålningsflöde Ögats känslighet Ljusflöde, Enhet Lumen (lm)

24 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 )

25 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? R = 2.0 m Golv Lägg en sfärisk yta med radie 2.0 m runt lampan. Belysningen på sfäriska ytan blir lux

26 Formelblad: Radiometriska och fotometriska storheter (Hjälpmedel på tentamen) Begreppet rymdvinkel Sfärisk yta Godtyckligt föremål som svävar i rymden (t.ex. en potatis) R P Ω Randstrålar från föremålet skär igenom sfäriska ytan, varvid en area A (streckade ytan) avgränsas på sfärens yta. Den rymdvinkel, Ω, under vilken vi från punkten P ser föremålet definieras genom A formeln Ω =. Största möjliga rymdvinkel är 4π. Enhet: steradian (sr). 2 R Radiometri Utstrålning: Radians, 2 d P R = dadωcosϑ W m sr 2. För svartkroppsstrålare är R = T, där T = temperaturen i Kelvin. Instrålning: Irradians, dp I = da W 2 m Vänd!

27 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, 2 d Φ L = dadωcosϑ lm m sr 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, dφ E = da lm 2 m = lux

28 IRIS-bländare Metall-lameller Öppning som släpper in ljus. Diametern kan varieras.

29

30

31

32 Centralslutare Används framförallt i kameror som ej har utbytbar optik. Sitter inbyggd i objektivet. Metall-lameller Tidsaxel Öppningsförlopp Lamellerna är utformade så att bländaröppningens storlek så lite som möjligt ska påverka effektiva exponeringstiden.

33 Ridåslutare Används framförallt i kameror som har utbytbar optik, typ spegelreflexkameror. Pentaprisma Bländare Mattskiva med fältlins Objektiv Rörlig spegel Ridåslutare Sensor PENTAX PENTAX PENTAX Ridå Stängd Kort slutartid Lång slutartid Kamerahus sett framifrån Hela filmrutan exponeras ej samtidigt distorsion vid snabbt rörligt motiv. Blixtfotografering kräver ofta lite längre slutartider.

34

35 Digital camera Circuit board Memory card Sensor

36

37 Vad menas med korrekt exponering? Pixelvärde Exponering Användbart exponeringsområde Underexponering. Mörka partier försvinner i bakgrundsbruset. Överexponering. Högdagrar blir urfrätta

38 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 Medelljust (betongvägg) Ljust (snölandskap) Mörkt (svart panter) Bildresultat Korrekt ljushet För mörkt För ljust

39 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!

40 Histogram Utmärkt exponeringshjälpmedel i digitalkameror!! Korrekt Överexp. Underexp.

41 Bildkvalitet (teknisk, inte konstnärlig) Skärpa Brus Dynamik Skärpa Optiken (avbildningsfel, diffraktion) Sensorn (pixelarea, laddningsdiffusion)

42 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

43 Aberrationer (exempel) Sfärisk: Kromatisk: Röd Vitt ljus Grön Blå Bildfältskrökning:

44 Diffraktion Intensitet R = radiellt avstånd till första minimat 2R

45

46 Upplösningstest med streckmönster M O T I V 1 linjepar B I L D Upplösningsgränsen anges som linjepar/mm i sensorplanet (oftast)

47

48

49 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.

50 MTF (Modulation Transfer Function) Linjemönster i motivet Luminansprofil Linjemönster i bilden Belysningsprofil MTF-kurva

51 s 0 Ortsfrekvens = linjetäthet = Enhet m -1 (el. mm -1 )

52 Luminans i motivet Max Min Koordinat i motivet Modulationsgrad, M = Max Max + Min Min Belysning i sensorplanet Max Min Koordinat i sensorplanet M bild < M motiv (kontrastförlust) MTF-värde = M bild /M motiv

53 MTF-kurva visar hur kontrastförsämringen varierar med mönstertätheten. 1 MTF-värde MTF(ν 1 ) Gränsfrekvens MTF(ν 2 ) 0 0 ν 1 ν 2 ν 3 ν (ortsfrekvens i sensorplanet) Motiv Bild M bild = M 1 x MTF(ν 1 ) ν 1 M = M 1 M bild = M 2 x MTF(ν 2 ) ν 2 M = M 2 M bild = M 3 x MTF(ν 3 ) = 0 ν 3 M = M 3

54 MTF optik MTF Idealt 1 Diffraktionsbegränsat objektiv (utan avbildningsfel) Verkligt objektiv Ortsfrekvens 1 Gränsfrekvens = λf Våglängd Bländartal Vid F = 8 är gränsfrekv. 200 mm -1.

55

56

57 Mätning av MTF för digitalkameror. Fotografering av kant + datorbearbetning. a) b) Luminans Pixelvärde c) d) psf = Derivata av d) MTF = Fouriertransf. av psf e) f)

58 Sharpening = Problem vid MTF-mätningar x Bild av svart/vit kant Pixelprofil i x-riktning

59 MTF Sharpening = Nonsens-MTF MTF ska bara visa kamerans hårdvaruprestanda, och inte inbegripa pixel-pushing.

60 Fotometriskt kvalitetsmått: Signal/brus förhållande. SNR = Signal-to- Noise Ratio. Välj ut ett område med jämn gråton. Mät medelvärde och standardavvikelse. (Lab. 2)

61 Images with different signal-to-noise ratios

62 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

63 Hög dynamisk vidd Låg dynamisk vidd

64 Sensortyper i digitalkameror CCD (Charge Coupled Device) CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS: Låg strömförbrukning Låg tillverkningskostnad Sensor + kringelektronik på samma chip Lämplig för höghastighetsfoto CCD: Högre bildkvalitet Eller, så var det!? Utvecklingen har gjort prestanda mer likvärdiga

65 Typiska sensorstorlekar Kompaktkamera: 5 mm x 7 mm (7-12 Mpixel) Pixelstorlek ca. 2 μm x 2 μm Spegelreflexkamera: 16 mm x 24 mm (10-12 Mpixel) eller 24 mm x 36 mm (10-24 Mpixel) Pixelstorlek från ca. 5 μm x 5 μm upp till 9 μm x 9 μm Antal Mpixlar inte bra kvalitetsmått Sensorstorlek bra kvalitetsmått!

66 CCD Pixel = Photogate Depletion volume p-doped silicon Photon E Thin film electrode (semi-transparent) Silicon dioxide (insulator) No E-field outside depletion volume. Electron/holes formed here recombine Electrodes Cross section thru CCD SiO 2 p-doped silicon Pixel 1 Pixel 2

67 After exposure Total charge is a measure of exposure Charge transfer

68 CCD (Charge Coupled Device) Charge is moved between pixels Read-out register (Covered pixels) To ADC (Analog-to- Digital Converter) Charge transfer efficiency, typ

69 Olika typer av CCD Full frame Frame transfer Interline transfer Buffertmatris Buffertkolumn Utläsningsregister Används i digitalkameror och videokameror. Exponering och datautläsning kan ske parallellt Används mest i vetenskaplig utrustning

70 Gammakorrektion Pixelvärde Med gammakorrektion (JPEG, TIFF) Utan gammakorrektion (RAW) Exponering Gammakorrektionen gör att vi klarar oss med färre bitar i den digitala signalen (t.ex. 8 bitar istället för 12)

71 Spectral sensitivity Sensitivity λ (nm) B G R IR (removed by filter) Typical quantum efficiency: % (Film approx. 1 %!!)

72 Active pixel in CMOS sensor Photons Incoming photons create charge Charge is transformed into voltage locally in each pixel External commands decide which pixel values that are read out

73 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Individuellt adresserbara pixlar. Full flexibilitet ang. vilka pixlar som läses ut. Row select register (choice: n) n Aktiva pixlar. Laddning omvandlas till spänning som läses ut m Column select register (choice: m) Output = pixel value (m,n) Snabbare än CCD. Används ofta i höghastighetsvideo.

74

75 Great flexibility due to CMOS sensor

76 RGB Bayer pattern in digital camera Each pixel only detects one primary color. The other two primaries are obtained through interpolation RGB response (arbitrary units) Wavelength (nm)

77

78 3 st. CCD matriser R G B g b Ljus från motivet r Objektiv r+g+b g+b Dikroiska stråldelare Färgkamera med 3 CCD matriser (används mest i videokameror)

79 Effekter av färginterpolation Avbildning av sned svartvit kant Med färginterpolation Utan färginterpolation

80 The End