Kamerateknik. Uppdelning av ljuset i en 3CCD kamera

Transkript

1 Kamerateknik Bildsignalen i en kamera Videokamerans uppgift är att fånga och registrera ljus och färg som finns i naturen. Samtidigt ska detta ske på ett sådant sätt att vi människor uppfattar de återgivna färgerna naturliga.. För att uppnå detta, så kan man på elektronisk väg styra kamerans grundinställningar. Det finns ett kompatibilitetskrav för TV systemen som härrör från den svart-vita tiden. Nämligen den att vi ska kunna återge en färg-tv bild i en svart-vit mottagare och att kunna återge en TV bild från en svart-vit kamera som en svart-vit bild i en färg-tv mottagare. Samtidigt får inte bandbredden överstiga 7Mhz (VHF). Man har löst kompatibilitetskraven genom att separera luminansen (bildens gråskala eller ljushet) från krominansen (färgsignalen). Krominansen är i sin tur uppbyggd av tre grundfärger eller primärfärger, blått, grönt och rött. I en videokamera separeras ljuset till dessa tre primärfärger via optiska system som kan se ut på lite olika sätt. De olika färgerna registreras i små sensorer bestående av en mängd ljuskänsliga bildelement eller pixlar. Sensorerna kallas CCD chips. I enklare kameror registreras färgerna i ett chip. Framför detta chip har man placerat en mask bestående av ett färgfilter framför varje bildelement fördelat på så sätt att vart tredje bildelement registrerar respektive grundfärg. I mer avancerade kameror separeras grundfärgerna och registreras i tre olika CCD chip, ett för varje grundfärg. Färguppdelningen sker i ett optiskt system som består av dikroiska prismor. Uppdelning av ljuset i en 3CCD kamera Ytorna som reflekterar blått respektive rött ljus är belagda med ett spegelskikt vars tjocklek är ¼ av den våglängd av det ljus som ska reflekteras. Detta innebär att t.ex. det spegelskikt som ska reflektera blått ljus är: λ / 4 = 470 / 4 nm=117,5 nm. Färgseparationen i videokameran fördelar sig som diagrammet nedan visar.

2 Diagrammet visar vid vilka våglängder som spektralfärgerna separeras i en videokamera. Maximalt reflekterat ljus vid respektive primärfärg ligger vid våglängderna 470nm (blått) 535nm (grönt) och 610nm (rött). I kameran omvandlas ljuset till spänning. Olika primärfärger med samma energiinnehåll får samma värde på spänningen. Om en vit yta filmas, så blir alltså spänningen från varje CCD chips lika. Problemet är att ögat inte uppfattar primärfärgerna som kameran registrerar med lika inbördes intensitet. I diagrammet nedan finns en kurva som visar ögats spektrala (färg) känslighetskurva. I det fall där alla färger har samma energiinnehåll, så uppfattar ögat färgernas intensitet (luminans) olika. Ögat uppfattar olika färger olika intensivt. Det behövs mer energi (ljus) för ögat att uppleva blått lika starkt som t.ex. gröngult. Man kan ju fråga sig vilka argument som ligger till grund för att man använder blått ljus på utryckningsfordon I diagrammet ser vi att ögat uppfattar intensiteten i de primärfärger som kameran registrerar som olika. Förhållandet är för blått ( 470nm) 0,17, för grönt (535nm) 0,92 och för rött (610nm) 0,47 av maximal känslighet. På matematisk väg kan man enkelt räkna fram hur stor andel av den totala luminansen som varje primärfärg bidrar med. Denna uttrycks i den s.k. luminansnormen: U Y = 0,3. U R + 0,59. U G + 0,11. U B. Med luminansnormen kan man

3 kompensera skillnaderna mellan hur videokameran uppfattar olika färgers ljushet med människans. Vad man gör är att man ökar spänningen i TV mottagaren runt det gröna spektralområdet jämfört med andra färger. Luminansnormen används för att räkna fram luminanssignalsammansättningen i en videosignal. På så sätt använder sig också av normen när man ska kalibrera t.ex. kameror mot varandra med hjälp av en s.k. färgbalk. De olika primärfärgernas bidrag till färgbalken framgår av nedanstående figur. Om vi antar att den maximala spänningen från respektive chips är 1 volt, så kan vi med hjälp av luminansnormen räkna ut spänningen för alla färgerna i färgbalken. Exempelvis blir luminansspänningen för vitt: U Y = 0,3. 1V + 0,59. 1V + 0,11. 1V = 1V. Luminansspänningen för t.ex.cyan blir enligt figuren: U Y = 0,3. 0V + 0,59. 1V + 0,11. 1V = 0,7V. För svart blir U Y = 0,3. 0V + 0,59. 0V + 0,11. 0V = 0V. Luminansspänningarna för färgbalken kan man rita upp i ett katodstrålerör (oscilloskop) vilket används i studiosammanhang för att kontrollera och kalibrera luminanssignalens bidrag till videosignalen. Videokamerans uppbyggnad En videokamera består av tre delar, objektiv, kameradel och inspelningsdel. På de flesta kameror är kameradelen och inspelningsdelen hopbyggda, medan objektivet på mer professionella kameror är utbytbara. Optik Ett objektiv på en videokamera kan ha flera olika funktioner inbyggda och skiljer sig mycket mellan amatör- och professionella kameror. Vi tittar lite närmare på ett professionellt

4 objektiv. Objektivet sitter fast i kamerakroppen via en bajonettfattning. Man brukar tala om olika dimensioner på objektivfattningen. Då menar man egentligen måtten på bildelementen i kameran, d.v.s. CCD chipsen. Grovt uttryckt kan man säga att amatörkameror har 1/3 (tum), semiprofessionella 1/2 och professionella 2/3 objektivfattning. Skärpan ställs in med avståndsringen. Eftersom sökaren på videokameran har så dålig upplösning, så är det regel att man zoomar in maximalt mot det föremål som skall ligga i fokus och ställer in skärpan. Därefter zoomar man ut till önskat bildutsnitt. Vid fokusering. sker förflyttningen av linselementen via snäckdrev (en slags gänga). När man vrider den främre delen av objektivet med hjälp av fokuseringsringen, så förflyttas linselementen i förhållande till varandra utefter den optiska axeln. Normalt roterar främre delen av objektivet och frontlinsen med. Men vissa lite dyrare objektiv har s.k. innerfokusering. Detta innebär att den främre delen av objektivet inte snurrar med när man ställer in skärpan. Detta är speciellt tacksamt om man t.ex. använder filter som är beroende av orienteringen i rotationsplanet som exempelvis polarisationsfilter och avtonande (graduated) filter. På professionella objektiv ser man sällan än så länge någon autofokusfunktion. Detta beror till stor del på att man vid autofokus har sämre kontroll på var skärpan ligger i bild. Speciellt om något plötsligt passerar framför huvudmotivet kan man uppleva att skärpan åker fram och tillbaka på ett otrevligt sätt. Bländaren, d.v.s. det som styr hur mycket ljus som släpps in i kameran, brukar normalt både kunna regleras manuellt och automatiskt. Eftersom exponeringstiden är fixerad (normalt 1/60 sek) så är det med bländaren som man styr exponeringen. Om man har manuell inställning på bländaren, så finns det en knapp vid omkopplaren för auto-man som man kan trycka in för att momentant aktivera autobländaren. Detta är användbart för att snabbt kunna ändra bländarinställningen om man är osäker. Automatiken i bländarfunktionen är justerad för att återge en yta med 18% reflektion av maximalt vitt. Detta innebär att bländarautomatiken alltid eftersträvar att efterlikna omgivningen vid en yta som har 18% reflektion. Kameran eftersträvar alltså att göra en vit yta grå och en svart yta lika grå som den vita. Så är det inte alltid som vi vill ha det. En nattscen ska t.ex. vara mörk. Vid dessa tillfällen måste bländaren justeras manuellt. Bländaren kan också användas till att reglera skärpedjupet. Stor bländaröppning ger litet skärpedjup och liten bländare ger stort skärpedjup. Zoomen används för att ändra bildutsnittet (beskärningen). Den kan regleras både manuellt eller via servo. Det är vanligast att man använder sig av servot då den, speciellt på lite dyrare objektiv, fungerar mycket smidigt. Zoomen ska användas sparsamt. Det normala är dock att man vid t.ex. ändring av bildutsnitt på en tagning också spelar in zoomningen för att sedan ha möjlighet att använda även den vid redigeringen. Annars gäller som alltid att varje kamerarörelse, inklusive zoomning, ska vara motiverad. På de flesta objektiv finns också en makroinställning. Oftast kopplas makroläget in med en speciell knapp eller spak på objektivet. Makrot medger filmning på mycket nära håll. På vissa objektiv har man möjlighet att koppla in ett linselement i strålgången som fördubblar brännvidden (2X zoomläge). Vid inställning av fokus mot ett föremål zoomas objektivet in maximalt. Därefter zoomas det ut till önskat bildutsnitt. En förutsättning att detta ska fungera är att skärpeplanet är konstant vid zoomning. Detta går att justera med s.k. backfokusjustering. Med ett antal upprepade

5 inställningsförfaranden med ömsom maximalt inzoomat läge och ömsom maximalt utzoomat läge kan man justera objektivet så att skärpeplanet är konstant genom hela zoomregistret. Filter Filter används för att påverka det ljus som samlas in genom objektivet. Normalt placeras filtret framför objektivet. Några filter för färgfiltrering är dock inbyggda i kameran. Mer om detta i stycket om vitbalansering. Annars används färgfilter relativt sparsamt i videosammanhang av den enkla orsaken att man kan manipulera vitbalanseringen genom att medvetet vitbalansera mot en färgad yta. Ska man ha ett kraftigt färgstick eller en färg som avviker från färgtemperaturskalan använder man dock färgfilter. Alla ytor som vi ser omkring oss ser vi på grund av att dom reflekterar ljus. Gör dom inte det, så upplevs dom som svarta. Färgade ytor som t.ex. röda reflekterar mest ljus inom det röda våglängdsområdet, medan de övriga våglängderna absorberas av ytan. Det ljus som absorberas omvandlas till värme (ljusenergi övergår i värmeenergi). Det är därför som svarta ytor som absorberar det mesta av ljuset lättare blir varma än vita ytor som reflekterar det mesta av ljusenergin. Färgfilter fungerar på samma sätt. Ett grönfärgat filter släpper igenom ljus i det gröna våglängdsområdet medan de övriga våglängderna absorberas. Detta kallas för subtraktiv filtrering, d.v.s. man tar bort vissa bestämda våglängder. Det innebär t.ex. att om man sätter för ett grönt filter i ett ljus där de våglängder som representerar det gröna ljuset redan är bortfiltrerade så blir det svart. Man kan alltså inte lägga till färger med färgade filter. Prova att sätta ett grönt filter framför ett rödfärgat ljus. Vid normal belysning finns alla våglängder (färger) representerade, men vissa lysrör har egenheten att några våglängder saknas helt. Detta saknar normalt praktisk betydelse utom vid vissa kritiska tillfällen t.ex. modefotografering/filmning. Vid sådana tillfällen är det dock brukligt att man har med egen belysning för ljussättning. ND filter eller neutral density filter är ett neutralgrått filter som är gjort för att ta bort en viss mängd ljus likvärdigt över hela spektret. Det påverkar alltså inte färgbalansen. ND filtret används för att hjälpa kameran med att mörka ner bilden vid filmning i extremt ljusa miljöer t.ex. en solig vinterdag i fjällen. Videokameran har inte tillräckligt stort kontrastomfång för att man med enbart bländarens hjälp kan bemästra alla normala ljussituationer. ND filtret är också användbart då man även i mer normala ljusförhållanden vill ha större bländaröppning för att på så sätt minska skärpedjupet. UV- eller skylightfilter är nästan helt genomskinliga filter. Dessa är gjorda för att ta bort ljus i gränszonen till det ultravioletta området. Praktiskt rör det sig om att man tar bort lite av blådis främst när man filmar vid- eller på havet och i fjälltrakter där UV-strålningen gör sig mest påmind. Skillnaden mellan UV- och skylightfiltren är att skylightfiltret är marginellt lite mer rosafärgat. Eftersom filtren i praktiken inte tar bort något ljus och kan användas så gott som alltid, så brukar filtren även användas som ett skydd för objektivets frontlins. Det är betydligt billigare att byta ett repat eller spräckt filter än frontlinsen på objektivet. Det finns en uppsjö av mer eller mindre användbara effektfilter till kameran. De filter som används mest är bl.a. fog- eller softfilter och stjärn- eller överstrålningsfilter.

6 Avtonande filter räknas i vissa fall till effektfilter. Dom är uppbyggda så att ungefär ena halvan är helt klar medan andra halvan är grå eller färgad. Övergången mellan de båda områdena är successiv (avtonande). Finessen med dessa filter är att man kan filtrera en begränsad del av bilden. Exempelvis är filtren användbara vid filmning av landskap där himlen finns med. Normalt brukar himlen vara mycket ljusare än marken. Resultatet blir tyvärr ofta att kameran inte klarar av kontrastomfånget och man får låta himlen bli överexponerad. Genom att skjuta in ett gråtonat filter som endast mörkar ner himlen kan man få en dramatiskt förbättrad balans i exponeringen. Vill man öka dramatiken kan man använda sig av ett färgat filter t.ex. rökfärgat som ger en lätt domedagsprägel på scenen. Ett av de mer användbara filtren är polarisationsfiltret. Filtret kan liknas vid ett galler som tar bort ljus som svänger i ett visst plan. Ljus som reflekteras mot blanka ytor som vatten, glas, metall m.m. har också ljusvågor i ett visst plan reducerat. Genom att vrida polarisationsfiltret så att man även eliminerar de ljusvågor som inte är påverkade så kan man minska det reflekterade ljuset från dessa ytor påtagligt. Praktiskt kan man alltså ta bort blänk i vatten- och metallytor samt ta bort speglingar i glasrutor och på så sätt göra dessa genomskinligare. Man kan också få mustigare färger soliga dagar genom att man minskar påverkan av reflektionen i fuktpartiklar i luften. På detta sätt kan man också filtrera bort regnbågar, men det var kanske inte den effekten som man önskade. Vitbalansering En videokamera är avstämd för en färgtemperatur på Kelvin. Det är samma färgtemperatur som en halogenlampa avger. Om färgtemperaturen avviker från halogenlampans. T.ex. om man ska filma i dagsljus, så måste kameran kalibreras för detta annars blir bilden blåaktig. Detta kallas för att man vitbalanserar kameran. Kameran klarar till viss del på elektronisk väg att justera färgtemperaturen. Men avviker temperaturen för mycket, så måste man föra in ett färgat filter i objektivets strålgång. Skillnaden mellan kamerans grundinställning och dagsljusets färgtemperatur är normalt så stor att man använder sig av ett dagsljusfilter som gör att kameran får en grundinställning för Kelvin. Detta filter finns inbyggt i kameran och ändras på via en ratt ovanför objektivfästet. Normalt brukar det också finnar ett eller två olika ND filter kopplad till samma ratt. Vitbalanseringen går till så att man kalibrerar kameran mot en yta som definieras som neutral (vit) i den aktuella inspelningsmiljön. Den skall göras så fort ljussituationen förändras på så sätt att den tidigare definierade neutral (vita) ändrar färgtemperatur. Vitbalanseringen i kameran aktiveras via en vippbrytare. Slutartid Slutartid är den tid som bländaren är öppen. Eftersom bildfrekvensen i PAL är 25 bilder per sekund och varje bild utgörs av två delbilder (frames), så kan inte slutartiden vara längre än 1/50 sekund. Samma gäller slutarfrekvens, d.v.s. hur många gånger som slutaren öppnar och stänger per sekund. Den kan inte vara långsammare än 50 Hz. Slutartiden kan vara snabbare än motsvarande slutarfrekvens. Exempelvis kan slutartiden vara 1/250 sekund vid 50 Hz slutarfrekvens (slutaren hålls stängd lite längre mellan varje exponering). Däremot kan inte slutarfrekvensen vara snabbare än motsvarande slutartid. Justering av slutartiden används främst för att påverka exponeringen eller frysa snabba rörelser vid t.ex. tekniska applikationer. Nackdelen med snabb slutartid, förutom mindre ljusinsläpp till bildelementen, är just det att rörelser i bild fryses. Detta ger ett litet ryckigare

7 intryck. Det är rörelseoskärpan i varje enskild bild som gör att snabba rörelser på film uppfattas mjukare. Justering av slutarfrekvens används för att matcha datorskärmar med andra frekvenser för att eliminera flimmer (s.k. variable scan). Exponering I normalfallet justeras exponeringen med bländarinställningen. I de fall där det är så mörkt att största bländaröppningen inte räcker till för att erhålla korrekt exponering används elektronisk bildförstärkning. Förstärkningsgraden anges i db. Nackdelen med bildförstärkning är att bilden blir grynigare (mer brus i bilden). Vid högre ljusstyrka används neutralgrått filter (ND). Detta kan användas även i mer normala ljusförhållanden för att minska skärpedjupet (öppna bländaren mer). Slutligen kan man påverka exponeringen genom att ändra slutartid. Med kortare slutartider minskas exponeringen. Nackdelen är att rörelseoskärpan minskar och resultatet blir ryckigare intryck vid snabba rörelser. Ljud En professionell videokamera är utrustad med flera funktioner för att underlätta ljudinspelning. Ett digitalband typ DV eller DVCAM har två inspelningsbara ljudkanaler. På kameran sitter en mikrofon som via omkopplare kan fås att spela in på båda ljudkanalerna. På baksidan av kameran sitter två XLR kontakter där man kan koppla in två externa mikrofoner. En för respektive kanal. Omkopplarna ger valmöjlighet att, som tidigare nämnts, spela in ljud via kameramikrofonen på båda ljudkanalerna eller via kameramikrofonen på ena och extern mikrofon på den andra. Man kan också välja att spela in ljud på respektive ljudkanal via två separata mikrofoner. För att reglera inspelningsnivåerna har man möjlighet att välja automatisk nivåkontroll av inspelningen eller manuell justering. Den automatiska inställningen är praktisk när man bara ska spela in miljöljud. Ska man däremot göra en intervju är det en fördel att använda manuell justering. Det automatreglerade ljudet kan tendera att pumpa eftersom talet består av plötsliga svängningar mellan tystnad och tal. För att kontrollera ljudet i kritiska skeden, t.ex. vid en intervju, så behöver man hörlurar som kopplas till kameran.