Kursdelen Foto & Bild (ca. 3p)

Transkript

1 Kursdelen Foto & Bild (ca. 3p) Mera info på kursens hemsida! Kompendium: Carlsson, K. Teknisk Fotografi, 4:e upplagan, :- (Kontant eller kontokort med PIN-kod) 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. Var går labbarna? Var köper vi kompendiet?

2 Jo, i Albanova! Maskin Här är vi nu Länk till kartan finns på kurshemsidan!

3 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.

4 Fotografi, något om kursinnehållet Kamerans uppbyggnad och funktion Fotografiska objektiv Sensorer (film & CCD/CMOS) Filmframkallning, kopiering Digital bildframställning Tonreproduktion Färglära & färgbilder Kvalitetsmått (jämförelse film & digitalfoto) Hands on experience på laborationerna!

5 Fotolabbar: Lab. 1: Svartvit fotografering och framkallning Lab. 2: Svartvitt kopieringsarbete, tonreproduktion Lab. 3: Fotografering med digitalkamera. Framställning av pappersbilder Lab. 4: Utvärdering av bildkvalitet. Jämförelse mellan filmbaserad fotografi och digitalfotografi

6 Camera obscura Hålkamera anno 1544

7 Transportabel camera obscura för turister (1700-tal) Användes som rithjälpmedel Utrustad med lins = Ljusstarkare bild

8 The world s first photograph (Nicéphore Niepce, 1827)

9 The first Kodak camera was introduced by George Eastman in August 1888.

10 The world s first color photograph (James Clerk Maxwell, 1861)

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

12 Strålgång i tunn lins a = objekt (motiv-) avstånd f = brännvidd A Bild Objekt (motiv) B Linsformeln: = a b 1 f b = bildavstånd Avbildningsskala, B b M = = {om a >> f b f } A a f a

13 Hemövning: Visa att allmängiltiga uttrycket är f M = a f

14

15 Linssystem (objektiv) 1:a linsytan Kan brytas många gånger H H Sista linsytan f n 2 n 1 f Brytn. index Huvudplan Om n 1 = n 2 f = f (därav följer inte att huvudplanen sammanfaller)

16 Avbildning i objektiv H H f a b Linsformeln gäller, liksom uttryck för avbildningsskala mm.

17 Normalobjektiv, vidvinkel & tele Sensorformat Objektiv d f om a stort Inte så precisa gränser Normal: Vidvinkel: Tele: f d f > 1. 4d f < 0. 9d

18 Zoomobjektiv har variabel brännvidd. Zoomfaktor = f f max min ofta ca Zoom-objektivets princip Huvudplan Sensorplan f tele Huvudplan f wide

19 Varför använda olika brännvidder? Jo, man får olika avbildningsskala. Inte bara avbildningsskalan påverkas av f utan även djupintrycket, dvs perspektivet. Blanda inte ihop perspektiv och skärpedjup! Stort skärpedjup: Litet skärpedjup: Både förgrund och bakgrund skarp samtidigt. Bara motivdelar inom ett litet avståndsintervall är skarpa.

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

21 Korrekt betraktningsavstånd = M x f Förstoring sensor - slutbild Objektivbrännvidd För stort avst. = Överdrivet djup För kort avst. = Underdrivet djup

22 Bländartalets inverkan på skärpedjupet Bländartal: 2 Bländartal: 16

23 Skärpedjup vid stor & liten bländaröppning Stor öppning Inställt avstånd Max. oskärpecirkel Fjärrgräns Närgräns Skärpedjup Objektiv Film (sensor) plan Liten öppning Inställt avstånd Skärpedjup Närgräns Fjärrgräns Bländaröppning Objektiv Max. oskärpecirkel Film (sensor) plan

24 Fotografisk film (svartvit) Tvärsnitt: Gelatin + kristaller (< 1 µm) av silversalter (AgBr, AgCl, AgI) AgHal Ljus 5-20 µm Emulsion µm Bas Transparent plastmaterial µm Antireflexskikt Fotografiskt papper har likartad uppbyggnad, men basen utgörs av papper.

25 Vid exponering bildas en latent bild. På de silversaltkorn som träffas av fotoner bildas liten klump (några tiotal atomer) av silveratomer = Framkallningsbar grodd Emulsion Vid framkallningen kommer de korn som har en framkallningsbar grodd att omvandlas till metalliskt silver (ger svärta). I fixerbadet löses icke framkallade silversalter ut (mörknar annars med tiden). Slutresultat = fotografiskt negativ (Lab. 1) Vid kopieringen erhålls en positiv pappersbild (Lab. 2)

26 Fotometri Begrepp inom foto: Ljusflöde, Belysning & Luminans Ljusflöde = Strålningseffekt viktad m.a.p. ögats spektrala känslighet. Belysning = Infallande ljusflöde per ytenhet Luminans = Utsänt ljusflöde per ytenhet och rymdvinkelenhet (ett kvantitativt mått på hur starkt motivet lyser) Ω Ω Ljuskälla Liten rymdvinkel Ljuskälla Stor rymdvinkel 4π är maximal rymdvinkel (Mycket mer detaljer finns i kompendiet) Handlar om hur stor kon man samlar upp ljus inom

27 Radiometriska och fotometriska storheter Nedanstående lilla sammanställning innehåller endast de absolut mest grundläggande och viktiga begreppen som behövs i samband med fotografi. De är uppdelade på radiometriska storheter och fotometriska storheter. Radiometriska storheter används för att beskriva strålande energi, effekt, effekttäthet mm. De grundläggande fysikaliska enheterna joule, watt etc. används. Vi ska i detta sammanhang enbart erinra om de tre olika storheter som anges i tabellen nedan. Storhet Enhet Strålningsflöde (-effekt) W Radians W m -2 sr -1 Irradians W m -2 Storheten strålningsflöde talar om hur mycket energi som per tidsenhet förmedlas via strålning. Radians handlar om utstrålning (från t.ex. en glödtråd). Denna storhet talar om (vilket syns av enheten) hur mycket effekt som per yt- och rymdvinkelenhet strålar ut. Irradians handlar om instrålning. Det talar om hur mycket effekt som strålar in per ytenhet (mot t.ex. en yta). Fotometriska storheter motsvarar de radiometriska. Enda skillnaden är att de fotometriska storheterna är viktade med avseende på det mänskliga ögats spektrala känslighetskurva. Sålunda kommer våglängder runt 550 nm att ha den högsta viktfaktorn, medan kortare och längre våglängder får en lägre faktor (ju längre bort från 550 nm desto lägre). Våglängder utanför det synliga området får viktfaktorn noll. De fotometriska storheter som svarar mot de tre radiometriska ovan ges av nedanstående tabell. Storhet Enhet Ljusflöde lm (lumen) Luminans lm m -2 sr -1 Belysning lm m -2 (lux) Inom fotografin använder man som regel fotometriska storheter.

28 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).

29 Exponering, H = E t (sort luxsekunder) Belysningen i sensorplanet. Regleras med bländaren Exponeringstiden (den tid sensorn utsätts för belysningen E). Regleras med slutaren.

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

31 Bländarplacering

32 Bländartal, F = f D Brännvidd Bländaröppningens diameter f Ljusstyrka, = = lägsta bländartal D max Skrivs t.ex. 1.8/50 Ljusstyrka Brännvidd i mm

33 Hur beror belysningen, E, i sensorplanet på bländartalet? (Härlett i kompendiet) πl 4F Resultat (för motivavstånd >> f ): E = 2 L = motivluminans & F = bländartalet Bländartal som kan ställas in: Ett bländarsteg Ändring i sensorbelysning med faktor 2 (Dessutom kan ofta halva eller tredjedelssteg mellan dessa tal väljas) Vanliga slutartyper: Centralslutare & Ridåslutare

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

35 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.

36 Viktigt begrepp inom foto (både film- och digitalfoto): Svärtning (eng. Density) Fotografisk film: Infallande ljusflöde, Φ 0 Filmrutor ca. 1mm Transmitterat ljusflöde, Φ Ljustransmissionen, T = Φ Φ 0 Svärtningen, D = 10 1 log T dvs. T = 100% D = 0 T = 10% D = 1 etc. Vanligt omfång

37 Fotopapper (inkl. bläckstrålepapper): Infallande ljusflöde, Φ 0 Reflekterat ljusflöde, Φ Reflektansen, R = Φ Φ 0 Svärtningen, D = 10 1 log R Vanligt omfång Matt pappersyta ger lägre D max pga ljusspridning. (Belysnings- & mätgeometrier noga specade både i film- och pappersfallet)

38 Svärtningskurvan (svartvit negativfilm) D max 2.5 D Tå Rät del Skuldra D bas+slöja 0.3 α logh (luxs) Mörka motivdelar Ljusa motivdelar Korrekt del av kurvan att utnyttja Gammavärdet, γ = tanα ( ) mått på kontrasten (högt γ = hög kontrast). γ beror på filmtyp och framkallning.

39 Exponeringsmätare: Grundprincip för filmkamera : Ljus Batteri Fotomotstånd Mätare Handhållen eller inbyggd i kamerahuset Digitalkameror: CCD- eller CMOS-sensorn i kameran används för ljusmätning. Ingen separat mätare behövs.

40 OBS! många mätare kan ställas om mellan olika viktningsfunktioner, t.ex. Spot-mätmätning (bara litet område i bildcentrum mäts) Centrum-vägning (bildcentrum viktas högre än kanten) Multi-pattern (intelligent mode som man inte vet riktigt vad den gör) (Använd huvudet! T.ex. person som fotograferas i starkt motljus: använd spotmätning mot ansiktet. Men det finns motiv som ingen exp. mätning klarar av!) 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

41 Automatik (exponering & skärpa) Exp: 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. Skärpa: Kameran prövar sig fram till den inställning som ger skarpast bild på sensorn (enl. någon algoritm)

42 Autofocus Idea: The lens is adjusted until adjacent pixels differ maximally in intensity Out-of-focus scene Intensity profile along red line In-focus scene Intensity profile along red line

43 Digital camera Circuit board Memory card Sensor

44 Detector element (pixel). Typical size: 3-5 µm square Typical number: 5-15M

45 Hur detekteras ljus i en pixel? Infallande foton slår loss elektron + Tunnfilmselektrod Isolerande skikt - Ju fler fotoner, desto fler elektroner Kiselsubstrat

46 I CCD och CMOS läses signalen ut på olika sätt. CCD (Charge Coupled Device) Charge is moved between pixels Read-out register (Covered pixels) To ADC (Analog-to- Digital Converter) Charge transfer efficiency, typ

47 CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) Individually addressable pixels. Full flexibility concerning which pixel values to read out. Row select register (choice: n) n Active pixels. Charge is transferred to voltage that can be read out m Column select register (choice: m) Output = pixel value (m,n)

48 Tonreproduktionsdiagram (svartvitt foto) Hur återges motivets gråtoner i bilden? D papper D max Verklig kurva Ideal kurva Skuggparti Ljust parti log(l) Motivluminans Kurvans utseende beror på film & fotopapper, framkallning mm. resp. digitalkameran, datorbearbetning & printer. 1. Negativ lutning innebär positiv bild. 2. Lutningen på kurvan beskriver kontrasten. Brant lutning = hög kontrast. 3. Högt D max ger god dynamik i bilden

49 Låg kontrast Medelkontrast Hög kontrast Hur mäta upp tonreproduktionskurva Fotografera känd gråskala, mät upp D papper i färdiga bilden. (Lab. 2)

50 FÄRGLÄRA Fysikalisk bakgrund Färgmätningar Färgtriangeln

51 Spektral känslighet för de 3 typerna av tappar i näthinnan. Känsl. λ (nm)

52 Additiv färgsyntes Röd B-tapp G-tapp R-tapp Grön Blå Öga 230 V Dimmer Lampor Mattskiva Variation av lampintensiteterna påverkar signalerna från de 3 tapp-typerna. Signalerna bestämmer färg- och ljushetsintrycket.

53 Intensitet på näthinna Färgintryck I B G R Vitt λ (nm) I G R Gult λ I B R λ Magenta (blå-rött) I B G λ Cyan (blå-grönt)

54 Mättade, omättade och komplementfärger Exempel: I G R = Mättat gul λ (nm) Blå fattas blå är därför komplementfärg till gult I B G R = Omättat gul λ (nm) I B λ (nm) = Mättat blå I B G R λ (nm) = Omättat blå

55 Subtraktiv färgsyntes Vitt ljus G U L M A G E N T A Färgfilter Genom att variera mättnaden i 3 filter, kan vi skapa olika färg- och ljushetsintryck. C Y A N Öga Filtertransmissionskurvor T Mindre mättad G Mer mättad R λ Gul T B R λ Magenta (blå-röd) T B G λ Cyan (blå-grön)

56 Färgmätning Låt oss presentera: Normalobservatören Baserat på mätningar av många personers färgseende utvecklades CIE-systemet: z λ y λ 0.5 λ (nm) Color-matching functions, and

57 Exempel: Beskriv färgen för en spektralfördelning P λ Intensitet, P λ λ (nm) Definiera CIE tristimulus values XYZ, där Normera! Instrument kan byggas som mäter Chromaticity coordinates x, y och z.

58 Plotta x och y koordinater i en färgtriangel y Röd kurva = rena spektralfärger K 3000 K K K x 1.0

59 Ljuskällor för fotografi 1. Varma kroppar (svartkroppsstrålare). Ex. solen, glödlampa 2. Gasurladdningslampor. Ex. lysrör, gatubelysning 3. Andra typer. Ex. laser, lysdiod

60 Svartkroppsstrålare Exempel: Solen, glödlampa a) Dagsljus (5500 K) b) Fotolampa (3200 K) c) Stearinljus (1900 K) d) Människokropp (300 K) Spektralfördelningar för svartkroppsstrålare Färgtemperatur, T c Om, till exempel, T c = 5500 K, liknar spektralfördelningen den från en svartkroppsstrålare med T = 5500 K. Standardvärden för färgtemp. inom fotografi är 5500 K (dagsljus) och 3200 K (fotolampor).

61 Filmfoto: välj film med korrekt färgtemperatur. Digitalfoto: ställ in kameran på rätt värde) Felaktig färgtemperatur ger färgfel i bilderna (Lab. 3) Urladdningslampor kan ofta inte tilldelas färgtemperatur. Oftast olämpliga för färgfoto.

62 Urladdningslampor Lysrör Spektralfördelning: Vissa typer ganska OK för färgfoto, andra inte. Ofta svårt att förutsäga resultatet. Undvik om möjligt Fotoblixt Våglängd (nm) Spektralfördelning Lämplig för färgfoto. (Dagsljuskarakteristik)

63 Färgfilmens uppbyggnad i tvärsnitt: Gulfilter B G R Filmbas 3 emulsionsskikt känsliga för blått, grönt och rött ljus Vid exponering och framkallning bildas komplement-färgen till exponerande ljusets färg. Ju mer blåexponering, desto mer gult färg-ämne bildas. Gulfiltret försvinner vid framk. Filmbas Magenta färgämne Cyan färgämne Resultatet blir ett färgnegativ. Efter kopiering på fotopapper fås en pos. bild.

64 Color positive Color negative

65 Denna tomsida finns med därför att jag inte vet hur jag ska ta bort den i ordbehandlaren. Visst är det kul med datorer!

66 RGB Bayer pattern in digital camera Each pixel only detects one primary color. The other two primaries are obtained through interpolation

67 Effekter av färginterpolation Sned svart-vit kant Med färginterpolation Utan färginterpolation

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

69 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

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

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

72 Skärpa I detta område dominerar aberrationer I detta område dominerar diffraktion Bländartal

73 Kvalitetsmått Skärpa: Upplösningstest: Hur täta streckmönster syns i bilden? Subjektivt, begänsad information. (Lab. 4) MTF: Fullständig information. (Lab. 4)

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

75 Upplösningsförmåga säger inte allt om bildkvalité. a) b) Vilken bild ser skarpast ut, a eller b?

76 Upplösningen är faktiskt 60 % högre i a än i b!! a) b) Du tror inte på det? Låt oss titta på hur testmönster avbildas med system a och b a) b)

77 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.

78 Sinusformigt varierande luminans s 0 Ortsfrekvens = linjetäthet = Enhet m -1 (el. mm -1 )

79 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

80 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

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

82 Vilken kurva ger bäst bildkvalitet? MTF 1 B A Ortsfrekv. Jo, B.

83 MTF för de två Albanovabilderna! b) a)

84 MTF kan mätas upp också för sensorer, t.ex. film och CCD/CMOS. (se komp.) Multiplikationsregeln: Fotometriskt kvalitetsmått: Signal/brus förhållande. SNR = Signal-to-Noise Ratio.

85 Välj ut ett område med jämn gråton. Mät medelvärde och standardavvikelse. SNR = Medelvärde Standardavvikelse (Lab. 4)

86 Images with different signal-to-noise ratios

87 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

88 Pixelleringseffekt: Eng. : Aliasing Sv. : Vikningsdistortion (moiré-effekt)

89 Orientalisk matta?

90 Nej, moiré pga pixellering Linjemönster som blir tätare mot bildcentrum

91 Hur undvika moiré-effekter? Jo, uppfyll Sampling-kriteriet Pixeltätheten måste vara minst dubbelt så stor som mönstertätheten. Detta uppfylls precis i figuren nedan: Mönstertätheten = Ortsfrekvensen för mönstret (sort m -1 eller mm -1 ) Pixeltätheten = Samplingfrekvensen (antal pixlar per m eller mm) Samplingfrekvensen > 2 x Mönsterfrekvensen