Если скорость света так высока, то почему скорость затвора вообще имеет значение?

почему скорость затвора влияет на резкость / детализацию изображения? Почему снимки становятся темнее при более короткой выдержке и ярче при более длинной выдержке?

Это происходит потому, что датчик света в камере не измеряет интенсивность света мгновенно, а измеряет весь свет, полученный в течение всей экспозиции. Можно сказать, что датчик накапливает или суммирует свет ^* на время экспозиции. Свет состоит из дискретных фотонов, и чем дольше экспонируется сенсор, тем больше времени у фотонов есть для удара по сенсору.

Если вам нужна мысленная модель того, как работает датчик, представьте, что во время дождя вы ставите на улицу ведро. Если интенсивность дождя остается постоянной, если оставить ведро вдвое дольше, это приведет к тому, что в ведро попадет вдвое больше воды, верно? Или, если интенсивность дождя удвоится, вы ожидаете, что ведро наполнится в два раза быстрее. Это ведро похоже на один фотосайт (т. е. на один пиксель) на цифровом сенсоре, а капли дождя — на фотоны. Весь датчик подобен массиву из нескольких миллионов таких ведер, каждое из которых измеряет количество капель дождя/фотонов в одном конкретном месте.

Таким образом, более короткие выдержки означают более короткие выдержки, а значит, меньше времени на движение как объектов в кадре, так и самой камеры. Размытие в движении происходит, когда объект в кадре перемещается относительно камеры, так что свет от данной точки на объекте регистрируется более чем в одной точке на сенсоре. Чем короче выдержка, тем меньше движения и тем четче итоговое изображение.

Точно так же более длительные выдержки дают больше времени для накопления света на датчике; каждый фотосайт будет собирать больше фотонов и измерять большее значение. Эти большие значения, взятые вместе, создают более яркое изображение. Как и в случае с дождем, на измерение в каждом фотосайте также влияет интенсивность — более яркий свет приводит к более быстрому увеличению измеренного значения в каждой точке. Итак, если вы хотите получить более яркое изображение, у вас есть два варианта: увеличить интенсивность света или использовать более длительную выдержку. Вот почему диафрагма и скорость затвора имеют обратную зависимость: диафрагма определяет интенсивность света, достигающего сенсора. Если вы хотите использовать более короткую выдержку, не влияя на уровень экспозиции фотографии, вы можете увеличить диафрагму, чтобы пропустить больше света; если вы хотите использовать более длинную выдержку,

^* Если быть совсем ясным, то на самом деле датчик накапливает эффект света. Когда фотон попадает на фотосайт цифрового датчика, он создает небольшой электрический заряд; чем больше фотонов, тем больше заряд. После закрытия затвора камера измеряет накопленный заряд на каждом фотосайте. Пленка работает почти так же, за исключением того, что свет вызывает химическую реакцию, которая усиливается с увеличением количества света.

Нет, это вопрос о фотографии. Но я предполагаю, что под "четкостью" вы подразумеваете "резкость", иначе вопрос не имеет смысла.

Если ваш объект находится на расстоянии 30 м, свет от него достигнет датчика за 100 нс (миллиардных долей секунды). Это на несколько порядков быстрее скорости затвора, мы можем игнорировать 100 нс и говорить, что свет приходит мгновенно.

Предположим, у вас есть средняя выдержка, скажем, 1/60 секунды. Это означает, что с момента открытия затвора свет от объекта достигает датчика, и это будет продолжаться до тех пор, пока затвор не закроется через 17 мс. Теперь 17 мс — это немного, но при очень быстром движении, например, при прохождении высокоскоростного поезда или гоночного автомобиля, сцена может измениться за это время. При скорости 300 км/га поезд проедет 1,4 м за 1/60 секунды. Если передняя проекция поезда находится на 1000-м пикселе слева при открытии затвора, она могла сместиться на 1200-й пиксель слева при закрытии затвора, и вы получите полосу шириной 200 пикселей для всех положений поезда в кадре. между.

Это то, что называется размытием в движении. Иногда вы хотите, чтобы размытие в движении дало зрителю ощущение скорости поезда, и тогда вы будете использовать более длинное время затвора. Если вы перемещаете камеру вместе с объектом во время съемки, вы также получаете размытие в движении, но другого рода: поезд будет резким, но фон будет иметь размытие в движении.

Вы можете представить свет как электромагнитную волну, но для этого вопроса я буду использовать его второе «состояние» в виде (огромного) набора частиц — фотонов.

Почему снимки становятся темнее при более короткой выдержке и ярче при более низкой?

За заданный промежуток времени некоторое количество фотонов проходит через линзу и возбуждает части полупроводникового чипа (пиксели).
Уровень возбуждения пропорционален количеству падающих фотонов и представлен яркостью отображаемого пикселя. Если удвоить скорость затвора, то время экспозиции уменьшится вдвое и яркость тоже уменьшится вдвое. Если вы вдвое уменьшите скорость затвора, вы удвоите время экспозиции и удвоите результирующую яркость.

Почему скорость затвора влияет на резкость/детализацию изображения?

За это время каждый пиксель собирает попавшие на него фотоны. Камера и сцена не находятся в идеальном неподвижном положении. Руки фотографа слегка трясутся, и объект в кадре может двигаться. Это приводит к тому, что свет, собранный в чипе, становится размытым (движение). Значимость размытия в движении пропорциональна времени экспозиции и обратно пропорциональна выдержке.
При более коротких выдержках вы получаете более темные изображения; чтобы компенсировать этот эффект, вы должны открыть диафрагму и/или увеличить чувствительность (ISO).

• Диафрагма: Открытая диафрагма приводит к более сильным аберрациям и меньшей глубине резкости.
• ISO: более высокая чувствительность приводит к более ярким изображениям. Но более короткое время затвора, обеспечиваемое более высокой чувствительностью, также приводит к более низкому отношению сигнал/шум, что обычно приводит к более высокому уровню шума.

Наши глаза всегда открыты (когда мы бодрствуем), но изображения не «переэкспонированы».

Наши глаза имеют автоматическую настройку диафрагмы (диафрагмы), а наш мозг обеспечивает автоматическую коррекцию ISO. Вот почему наши глаза можно обмануть :)
Посмотрите в глаз вашего друга в солнечный день, вы увидите радужную оболочку и маленькую черную точку. Если вы посмотрите на него темной ночью, вы увидите маленькое кольцо радужной оболочки и большой черный круг. Радужная оболочка автоматически настраивает количество света, попадающего на сетчатку.
Радужная оболочка также имеет свои пределы. Если кто-то вспыхнет ночью в ваших глазах, вы на какое-то время ослепнете — ваша широко открытая радужная оболочка не сможет закрыться достаточно быстро, чтобы приспособиться к быстрой смене света, и ваша сетчатка окажется переэкспонированной. Затем потребовалось некоторое время, чтобы ваша радужная оболочка снова широко открылась.

Сигналы, которые мозг получает от сетчатки, также согласуются с его чувствительностью к падающему свету и сцене. Попробуйте целый день кататься на лыжах в янтарных очках. После того, как вы снимите очки, синяя вещь будет казаться вам зеленой.
Он также размещается локально. Здесь вы можете увидеть зеленую точку между розовыми. Или вы не можете? Еще один трюк: долго смотрите на перевернутое изображение, а затем посмотрите на белую стену. Вы увидите исходное изображение.
Ваши глаза и мозг автоматически снижают свою чувствительность в зависимости от воздействия, и между изменением освещения и изменением чувствительности существует некоторая задержка.

Объектив камеры предназначен для проецирования изображения внешнего мира на поверхность чипа формирования изображения внутри и сзади камеры. Однако механическая дверь, называемая затвором, предотвращает попадание световых лучей изображения на чип изображения. Чтобы сделать снимок, затвор ненадолго открывается, а затем закрывается. Этот акт позволяет световым лучам, формирующим изображение, контактировать с чипом формирования изображения.

На поверхности чипа изображения миллионы фотосайтов. Каждый получает световую энергию во время экспозиции, и эта энергия пропорциональна по интенсивности и цвету фактическому виду. Когда световые лучи играют на этих участках, индуцируется электрический заряд. Количество заряда соответствует освещенности перспективы.

Тем не менее, заряды очень слабые и требуют, чтобы программное обеспечение в камере усиливало их до приемлемого уровня. Программное обеспечение также преобразует каждый заряд в числовое (цифровое) значение. Результатом является изображение, составленное из системы «раскраски по номерам».

Поскольку яркость сцены является переменной, продолжительность экспозиции можно регулировать. Если перспектива тускло освещена, время экспозиции будет увеличено для компенсации. И наоборот, если сцена ярко освещена, время экспозиции будет сокращено. Основная причина того, что выдержка регулируется по ее длительности, заключается в том, чтобы дать время заряду на каждом фотосайте накопиться и стать управляемым.

Скорость света так фантастически высока, а расстояние между перспективой и камерой и расстоянием между объективом и датчиком изображения спорны.

Речь идет о продолжительности источника света, а не о скорости света. Если я произношу предложение, мне может потребоваться 15 секунд, чтобы произнести его. Слово доносится до ваших ушей со скоростью звука. если я произношу предложение быстрее, каждое слово достигает ваших ушей с той же скоростью, но «резкость» или ясность слов меняется по мере того, как я ускоряю или замедляю речь.

Фактическая скорость, с которой распространяется свет, не имеет значения. Тот факт, что он не мгновенный, очень важен. Несмотря на то, что свет распространяется очень быстро, свет от объекта или сцены не попадает на матрицу или пленку одновременно. Свет достигает камеры от объекта в виде потока энергии, который распространяется в течение определенного периода времени. За время открытия затвора этот световой поток фиксируется на фотографии. Если сцена меняется в процессе экспозиции, меняется и форма потока света, достигающего камеры во время экспозиции.

В физике часто используется фраза, используемая для описания того, как свет одновременно демонстрирует свойства как волновой энергии, так и энергии частиц: двойственность света . В фотографии мы обычно рассматриваем свет как поток фотонов, вытекающих из сцены на датчик (или пленку). Попадая на сенсор, они превращаются в электроны в каждой лунке пикселя, с которой сталкивается фотон. Когда они ударяются о пленку, их энергия приводит к химическим реакциям с частицами химических веществ в эмульсии пленки.

Почему скорость затвора влияет на резкость/детализацию изображения?

Время затвора определяет, как долго поток фотонов со сцены может попадать на датчик. Если объекты меняют положение в сцене во время экспозиции, то свет от той части сцены, которая сдвинулась, будет перемещаться по поверхности сенсора и падать на разные пиксели. Если сама камера является источником движения, то вся сцена сдвинется, и каждая точка сцены попадет на разные пиксели сенсора. Каким бы ни был источник движения, результатом будет размытие , поскольку свет из одной точки сцены распространяется на несколько пикселей. Чем дольше затвор остается открытым, тем больше размытие при той же скорости движения.

С другой стороны, чем дольше затвор остается открытым, тем больше света попадает на фотографию. Чем больше света улавливается датчиком, тем выше будет доля электронов, собранных датчиком из света сцены (мы называем это сигналом ), по отношению к электронам, производимым электроникой камеры, которые также регистрируются вместе с ток от сенсорных пикселей. Эти блуждающие электроны и есть то, что мы называем шумом.. Шум при чтении создается электроникой камеры. Фотошум (выстрел) создается случайным характером света из-за двойственности света. Эти фотонные частицы движутся по волнообразному пути, определяемому длиной волны каждого бита света. Чем больше у нас сигнала (света) по отношению к шуму, тем больше деталей мы сможем воспроизвести на нашей фотографии. Это называется отношением сигнал/шум .

Таким образом, более короткое время затвора сводит к минимуму эффект движения, но может привести к потере деталей из-за плохого отношения сигнал/шум. Более длительное время затвора увеличивает отношение сигнал/шум, но может привести к потере деталей из-за размытия движения.

Почему снимки становятся темнее при более короткой выдержке и ярче при более длинной выдержке?

Потому что чем дольше затвор остается открытым, тем больше света попадает на фотографию. Это то же самое, что включать и выключать кран, держа чашку под краном. Чем дольше кран остается открытым, тем больше воды набирается в чашку. Чем дольше затвор остается открытым, тем больше световых частиц (фотонов) улавливает датчик (или пленка).

Наши глаза всегда открыты (когда мы бодрствуем), но изображения не «переэкспонированы».

Опять же, свет бьет в наши глаза непрерывным потоком, а не одним мгновением. Весь свет, собранный нашей сетчаткой в ​​течение дня, года или всей нашей жизни, не передается в наш мозг в одно мгновение! Электрохимический сигнал от наших глаз к нашему мозгу постоянно меняется по мере того, как меняется сцена перед нашими глазами.

(Примечание: приведенное ниже было написано до того, как вопрос выше был значительно переработан в его нынешнюю форму)

Свет – это электромагнитная энергия. Таким образом, есть два компонента, которые должны быть измерены в отношении фотографии: напряженность поля и продолжительность времени. Сила поля измеряет, насколько сильным является свет над определенной областью. Продолжительность времени измеряет, как долго сохраняется эта напряженность поля.

Это точно так же, как и любой другой вид энергии. Если бы к телу приложили постоянную силу, то тело ускорилось бы. Чем дольше действует эта сила, тем дольше тело будет ускоряться и тем быстрее будет двигаться тело относительно своего начального состояния.

Кусок фотопленки собирает информацию об энергии, падающей на него в виде света. Чем дольше затвор остается открытым, тем больше информации собирается. Если затвор остается открытым в два раза дольше, он будет собирать вдвое больше информации от этого света, при условии, что сила света постоянна.

Проблема фотографии в том, что свет часто непостоянен. По мере того, как объекты в мире перед камерой перемещаются, сила светового поля над любой конкретной точкой пленки или сенсора меняется. Пока затвор открыт, он продолжает собирать информацию о свете, падающем на каждую точку пленки или сенсора. Если что-то в поле зрения камеры движется, будет записана информация обо всех позициях, через которые оно прошло за время открытия затвора. Вместо того, чтобы записываться в одном и том же месте на пленке или датчике, изображение движущегося объекта будет рассредоточено по области, над которой он движется. Это приведет к размытию. Даже если перед камерой ничего не движется, если движется сама камера, произойдет то же самое.

Дело не в скорости света, а в количестве света.

По той же причине становится темнее с заходом солнца; скорость света в данном случае значения не имеет

Ну, это ничем не отличается от фотографии!!

В очень темной сцене количество фотонов может быть настолько меньше, что пиксели едва ли будут собирать фотоны даже при более длительных выдержках.

Есть слишком много, чтобы сказать, если вы хотите подробностей, вам нужно узнать об объективах, см. это:

https://www.youtube.com/watch?v=1YIvvXxsR5Y

Чтобы ответить на ваш вопрос, более короткая скорость затвора предотвращает смазывание пикселей на вашем сенсоре, что приводит к лучшей детализации и четкости. Ее вызывает не скорость света, а застывшее движение.