Как работает фотоаппарат: объектив, матрица, диафрагма, выдержка и ISO

Тёмная комната с дыркой

Камера-обскура по-латыни — тёмная комната. Сделайте маленькое отверстие в стене тёмной комнаты, и на противоположной стене появится перевёрнутая картинка внешнего мира. Причина в том, что свет идёт по прямым: лучи от верхушки дерева проходят через отверстие вниз и ложатся низко на стену. О камере-обскуре писал китайский мыслитель Мо-цзы в V веке до нашей эры, а Ибн аль-Хайсам объяснил её в «Книге оптики» около 1021 года.

Чем меньше отверстие, тем резче, но тусклее картинка. Первую сохранившуюся фотографию сделал Нисефор Ньепс около 1826 года, и выдержка заняла много часов. Эту проблему решает объектив.

[1]

Объектив — тысяча отверстий

Объектив преломляет свет так, что все лучи, вышедшие из одной точки предмета, снова сходятся в одной точке позади него. Он собирает гораздо больше света, чем отверстие, и при этом сохраняет резкость. Расстояния подчиняются правилу тонкой линзы 1 / f = 1 / u + 1 / v, где f — фокусное расстояние, u — расстояние до предмета, v — расстояние от объектива до матрицы. Большее отверстие собирает больше света, поэтому снимок можно сделать за меньшее время.

Возьмём объектив с f = 50 мм и предмет в 2 м, то есть в 2000 мм. Тогда 1 / v = 1 / 50 − 1 / 2000 = 39 / 2000, поэтому v ≈ 51,3 мм. Очень далёкому предмету нужно v = 50 мм. Чтобы навести на ближний, объектив отодвигается от матрицы на 1,3 мм. Наводка на резкость — перемещение объектива примерно на миллиметр, и в телефоне это делает крошечный моторчик.

На фотографии — разрез Nikon F с объективом 50 мм f/2 в музее Nikon в Токио. Слева видны линзы объектива, посередине наклонное зеркало, которое отправляет изображение вверх, в призму видоискателя, а за ним место, где стоят плёнка или матрица. При спуске затвора зеркало откидывается.

Миллион вёдер света и цвет из мозаики

Матрица — чип, покрытый миллионами крошечных светочувствительных ячеек, пикселей. Частица света, фотон, попадая в кремний, выбивает электрон. Каждый пиксель считает собранные электроны, как ведро собирает дождь. Сейчас чаще всего используют матрицы CMOS. ПЗС-матрица, изобретённая Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в 1969 году, принесла им долю Нобелевской премии по физике 2009 года. В матрице на 12 мегапикселей 12 миллионов пикселей, например 4000 столбцов и 3000 строк. На полнокадровой матрице шириной 36 мм с 6000 столбцов каждый пиксель имеет размер 6 микрометров.

Ведро умеет считать свет, но не различает его цвет. Поэтому над каждым пикселем стоит крошечный красный, зелёный или синий фильтр, по схеме, которую придумал Брайс Байер в Kodak и запатентовал в 1976 году. В каждом блоке из четырёх пикселей два зелёных, один красный и один синий. Зелёному дают вдвое больше места, потому что человеческий глаз к зелёному чувствительнее всего. Затем камера оценивает два недостающих цвета в каждом пикселе по соседям; этот шаг называется демозаикой.

Диафрагма, выдержка и ISO

Диафрагма — регулируемое отверстие в объективе. Её записывают как число диафрагмы N, фокусное расстояние, делённое на диаметр отверстия. У объектива 50 мм при f/2,8 отверстие около 18 мм. Каждая полная ступень ряда f/2,8, f/4, f/5,6 вдвое уменьшает свет, потому что площадь отверстия уменьшается вдвое. Широкое отверстие, малое число, даёт яркие снимки и размытый фон. Узкое отверстие даёт менее яркие снимки, в которых резкой остаётся большая часть сцены.

Выдержка решает, как долго собирается свет, например 1/100 с. Долгое время делает снимки ярче, но превращает быстрое движение в смаз. ISO усиливает сигнал после подсчёта света: удвоение ISO удваивает яркость, а заодно и шум.

Три диска обмениваются друг на друга. Переход от f/2,8 к f/5,6 — две ступени, четверть света, поэтому для той же яркости 1/100 с должна стать 1/25 с, то есть вчетверо дольше. Фотографы выбирают, чем пожертвовать: глубиной резкости, резкостью движения или низким шумом.

Фотография — это числа

Каждый пиксель хранит три числа, для красного, зелёного и синего, от 0 до 255, по байту на каждое. Это даёт 256 × 256 × 256 = 16 777 216 цветов. Белый цвет — (255, 255, 255), чёрный — (0, 0, 0), чистый красный — (255, 0, 0). Фотография на 12 мегапикселей до сжатия — 12 миллионов × 3 байта = 36 миллионов байт. JPEG сжимает её примерно в десять раз, до 3–4 МБ, отбрасывая детали, которых глаз почти не замечает. Файлы RAW обычно хранят 12 или 14 бит на цвет вместо 8.

Камера телефона устроена по той же цепочке, с объективом в несколько миллиметров и маленькой матрицей. Программа часто объединяет несколько быстрых кадров в один, поэтому часть того, что вы видите, вычислена. Фотография — таблица чисел, а её правка — арифметика.

Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK

В главе «Фотоаппарат» книги «Как это работает» VJOURNAL SMART BOOK, том I, пять анимированных моментов: отверстие рисует перевёрнутую картинку мира, объектив собирает гораздо больше света и наводит резкость, матрица считает свет через красный, зелёный и синий фильтры, диафрагма, выдержка и ISO задают яркость и смаз, а снимок превращается в сетку чисел. 3D-модель проигрывает именно тот момент, который описывает блок текста.

Под картинкой есть песочница. Двигайте ползунки диафрагмы, выдержки и ISO и смотрите, как меняются яркость и смаз. В главе также есть ключевые факты, тест из трёх вопросов с объяснениями и источники.

[2][3]

• Учебник по технологиям: «Фотоаппарат» ↗

Простыми словами

Фотоаппарат — тёмная коробка с окном. Объектив впускает много света и всё равно рисует на задней стенке резкую картинку, а матрица — и есть эта стенка, составленная из миллионов крошечных вёдер, которые считают, сколько света попало в каждое.

Связанные уроки

• Как работает GPS: спутники, сигналы времени и определение места по четырём спутникам ↗