Какая связь между ISO, диафрагмой и выдержкой?

Факторы

Есть уравнение , и по соглашению оно очень простое. Есть в основном пять факторов, которые следует учитывать вместе:

• Диафрагма — размер отверстия, пропускающего свет,
• Продолжительность затвора (или скорость затвора) — количество времени, в течение которого датчик (или пленка) получает этот свет,
• Чувствительность (или ISO, а иногда и «светочувствительность») — насколько быстро датчик или пленка реагируют на получаемый свет,
• Освещение — насколько яркая реальная сцена,

и, наконец, что не менее важно:

• Предполагаемая экспозиция — насколько ярким или темным должно быть конечное изображение.

Это довольно много, поэтому выключение из автоматического режима может быть таким пугающим. Но, начнем с простого.

Значение экспозиции

В фотографии есть условное обозначение, называемое шкалой значения экспозиции . Это последовательность чисел, обычно состоящая из однозначных или двузначных цифр по обе стороны от нуля. Каждое число соответствует настройкам диафрагмы и скорости затвора, при которых будет собираться одинаковое количество света, а это означает, что при одной и той же сцене и чувствительности будет одинаковая экспозиция в конечном результате.

Часто удобно думать об этих числах с точки зрения типичных сцен, которые будут экспонироваться в обычном, считающемся правильным, режиме на этом электромобиле. Например, при ISO 100 полное солнце составляет около 15, домашние интерьеры обычно около 6, а пейзаж, освещенный четвертью луны, около -6. Более подробная информация здесь или обобщена в этой удобной круговой диаграмме:

Сменные упоры

Каждый фактор имеет свою шкалу, но мы называем каждый полный шаг по любой из шкал « одной остановкой », и — наконец, я добрался до простого! — круто то, что с точки зрения результирующей яркости можно поменять стоп любого фактора на стоп любого другого.

Почему вы хотите это сделать? Две основные причины. Во-первых, каждый фактор имеет пределы:

• линзы могут только открывать диафрагму настолько широко или закрывать ее до такой степени;
• затвор имеет максимально возможную скорость, и часто есть ограничение на максимально возможную скорость (а если нет, вы все равно не захотите стоять вечно);
• чувствительность обычно может быть увеличена только в ограниченной степени и не может быть значительно уменьшена; а также
• освещение не всегда легко изменить (природа редко сотрудничает, а на искусное искусственное освещение уходят годы).

Но, во-вторых, помимо экспозиции, каждый фактор влияет на изображение иным образом, и это фундаментально для творческого процесса фотографии:

• более длинные и короткие выдержки размывают или останавливают движение соответственно,
• меньшие диафрагмы делают большую часть сцены в фокусе сзади вперед («увеличенная глубина резкости»),
• более высокое значение ISO приводит к большему шуму (цифровое изображение) или зернистости (пленка), поскольку человек пытается получить больше сигнала при меньшем количестве света, и
• опять же, изменить освещение сложно.

Независимо от фактора, изменение на одну ступень означает удвоение или уменьшение вдвое количества света по сравнению с этим фактором .

Это уравнение

Я сказал, что есть уравнение, но не дал его. Это в основном это:

aperture × shutter duration × sensitivity × light = exposure

НО, не беспокойтесь о том, чтобы что-то умножить — вам просто нужно добавить и вычесть стопы .

(Если математика затуманивает ваши глаза, пропустите эту скобку. Если вам любопытно, это потому, что система остановок представляет собой логарифмическую шкалу, и мы фактически просто добавляем показатели степени, что то же самое, что и умножение. Но, опять же, , замечательно то, что это заранее учтено в том, как мы работаем с камерами, поэтому вам никогда не придется думать об этом снова, если вы этого не хотите.)

Подробнее

Для каждой отдельной шкалы:

• Диафрагма имеет особую шкалу, основанную на квадратном корне из двух, что кажется странным и произвольным, но это потому, что это то, что вам нужно, чтобы получить удвоение площади . Вы, наверное, уже видели это — f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6 и т. д. Один стоп означает удвоение или уменьшение вдвое площади, через которую проходит свет. См. Как легко запомнить шкалу полной остановки? для получения дополнительной информации о самой шкале и https://photo.stackexchange.com/a/6614/1943 для получения подробной информации о том, что означает диафрагма для ваших композиций;
• Выдержка просто измеряется в секундах. Одна остановка означает удвоение или сокращение вдвое времени открытия затвора. (Хотя стандартная шкала не является точной, на самом деле это так. См. Есть ли разумная причина, по которой ¹⁄₁₂₅ не является ровно половиной ¹⁄₆₀? для получения дополнительной информации.) Подробнее о влиянии скорости затвора см. Какая выдержка нужна для остановки движения? ;
• Чувствительность измеряется по шкале, обычно начинающейся со 100 и удваивающей (или иногда уменьшающейся от этого значения). Одна остановка означает удвоение или уменьшение усиления вдвое. Подробнее о том, что такое «ISO» в цифровой камере? ;
• Освещение — см. предыдущую ссылку на шкалу значений экспозиции — и, если вы используете искусственный свет, возможно, также . Как рассчитать влияние не-TTL-вспышки на экспозицию? и https://photo.stackexchange.com/a/58004/1943 . Вы также можете субтрактивно воздействовать на свет, попадающий в камеру , с помощью фильтра нейтральной плотности ;

а по самой экспозиции см. Как выбрать правильную экспозицию? .

Измерение

Как узнать, что такое EV сцены и с каких значений начать? Вы можете угадать, или вы можете использовать экспонометр. Раньше было очень распространенным иметь их как отдельные устройства, но теперь каждая камера имеет очень хорошее встроенное устройство. (Отдельные устройства все еще используются, но это более сложная тема.) Это то, что ваша камера использует в его автоматические режимы — они снимают показания счетчика, а затем используют программу для выбора соответствующих факторов воздействия. (Подробнее о том, как цифровые зеркальные камеры определяют, какую диафрагму выбрать в режиме P? .)

Автоматический измеритель даст вам настройки диафрагмы, выдержки и ISO, которые должны дать вам среднюю, среднюю яркость. Однако вы можете сказать иначе с «компенсацией EV» — см. Когда я изменяю компенсацию EV, как это повлияет на мою диафрагму, выдержку или ISO? для многих деталей.

Вы спросите: "Например, если я поставлю ISO 640, то как мне выставить выдержку и диафрагму?" , и ответ: это зависит. Вы измеряете, чтобы узнать, и либо консультируетесь с таблицей EV, либо — что более практично — просто позволяете камере предложить начальную точку (если ваша камера не имеет кнопки в ручном режиме для этого, просто запишите, что она выбрала в автоматический режим). И тогда вы готовы к...

Собираем вместе

Если вы хотите сделать результирующее изображение темнее или светлее, вы можете изменить любой из параметров диафрагмы, длительности затвора, ISO или освещения сцены (вплоть до пределов, присущих каждому фактору). Например, если освещение пока остается прежним, если вы хотите осветлить изображение, снятое с ISO 400, f/8 и выдержкой ¹⁄₁₂₀ доли секунды , на одну ступень, вы можете изменить любой коэффициент: ISO до 800 . , диафрагма до f/5,6 или затвор до ¹⁄₆₀th . (Если вы измените все три , это , конечно, приведет к изменению трех остановок .)

Если вы хотите сохранить прежнюю экспозицию, но изменить один фактор, вы можете изменить любой другой фактор в противоположном направлении. Так, например, для ISO 400, f/8, ¹⁄₁₂₀th , если вы хотите лучше заморозить движение с выдержкой ¹⁄₂₄₀th, вы можете сохранить экспозицию такой же, изменив либо ISO до 800, либо диафрагму до f/. 5.6. Или вы можете изменить освещение на одну ступень и оставить только ISO и диафрагму.

Треугольник экспозиции

«Треугольник экспозиции» — это термин, популяризированный автором фотографий Брайаном Петерсоном для обозначения диафрагмы, длительности затвора и ISO. Мне это не нравится по двум причинам: во-первых, факторов действительно больше, чем три, а во-вторых, даже если мы просто рассмотрим эти три, в них нет ничего треугольного . Вы можете прочитать гораздо больше об этом в разделе Что такое «треугольник экспозиции»? - включая альтернативное представление, которое может оказаться более полезным, если вы хотите подумать об этом с точки зрения геометрии.

Общее воздействие, которое вы получаете, зависит от четырех факторов:

1. Яркость сцены.

2. Насколько чувствителен датчик.

3. Как долго свет сцены проецируется на датчик.

4. Насколько сконцентрирован свет от сцены на сенсоре.

Последние три — это компромиссы, которыми мы можем управлять в камере, и вместе они часто называются «экспозицией», которая использовалась при съемке снимка. В некоторых случаях мы можем управлять яркостью сцены, например, с помощью света в студии или вспышки. Камеры иногда управляют вспышками, но ради этого ответа мы скажем, что яркость сцены задана, и мы хотим настроить остальные 3 элемента, чтобы получить желаемую экспозицию.

ИСО

Настройка ISO определяет, насколько чувствителен сенсор. Когда датчики были пленочными, вы решали это тем, что загружали в камеру. Пленки имели различные компромиссы между чувствительностью и зернистостью. Более чувствительные пленки были более зернистыми.

С современными цифровыми датчиками вы можете выбирать чувствительность кадр за кадром. Однако, как и в случае с фильмом, здесь есть компромисс. На самом деле большинство датчиков имеют одну исходную чувствительность, затем выходной сигнал датчика усиливается (или в некоторых случаях фактически ослабляется) перед оцифровкой. Проблема с усилением сигнала датчика заключается в том, что вы усиливаете собственный шум вместе с сигналом изображения. Некоторые датчики лучше (менее шумные), чем другие, поэтому допускайте большее усиление, прежде чем шум станет достаточно большим по сравнению с сигналом изображения, чтобы быть нежелательным.

Скорость затвора

Скорость затвора — это то, на что это похоже, и как долго изображение проецируется на датчик. Более длительное время позволяет датчику накапливать больше данных относительно его шума и, следовательно, лучше с этой точки зрения. Однако, конечно, есть компромисс. Все, что движется в сцене, или вся сцена, если вы перемещаете камеру, будет размыто тем больше, чем дольше будет открыт затвор.

Например, если вы делаете снимок на спортивном мероприятии, и кто-то бежит со скоростью 3 м/с в сторону от вас, он будет выглядеть как размытие шириной 3 метра при выдержке 1 секунда. На 1/100 секунды размытие составит 3 сантиметра, а на 1/1000 секунды всего 3 мм. Нет однозначного ответа, что лучше, и это одна из причин, по которой камеры дают вам такой выбор. Вы можете захотеть, чтобы бегущий человек был размыт, чтобы показать скорость. С другой стороны, вы можете захотеть показать мгновенное выражение лица с каплями пота, застывшими в воздухе.

В любом случае экспозиция 1/1000 дает датчику в 10 раз меньше света для работы, поэтому его сигнал будет в 10 раз ближе к уровню шума.

Это немного в стороне, но цифровые датчики также накапливают некоторый шум с течением времени. Вот почему цифровые камеры обычно ограничивают время экспозиции до 30 секунд или около того. В отличие от пленки, вы не можете просто оставлять цифровой датчик на длительное время с тусклым светом.

F-стоп или диафрагма

Диафрагма или диафрагма определяют, сколько света пропускает объектив. Число диафрагмы на самом деле представляет собой отношение эффективного диаметра (с целью пропускания света) объектива к его фокусному расстоянию. Это сделано потому, что это нормализует показатель пропускания света объективами независимо от фокусного расстояния. Например, объектив 50 мм, установленный на f/8, будет проецировать сцену с той же яркостью, что и объектив 200 мм, установленный на f/8. Объектив 200 мм сделает каждый элемент сцены в 4 раза больше по ширине, поэтому он будет распределен по площади в 16 раз больше. Это означает, что ему нужно собрать в 16 раз больше света от сцены, чтобы получить ту же яркость. Однако все, что принимается во внимание с помощью этой нормализованной меры апертуры, мы называем диафрагмой.

Конечно, снова есть компромисс. Более широко открытая линза (меньшее значение диафрагмы) дает датчику больше света, что приводит к лучшему соотношению сигнал/шум. Однако глубина резкости (расстояние, на котором объекты сцены будут в фокусе) будет меньше. Несовершенства объектива также будут более заметными.

При очень малых апертурах (большие значения диафрагмы) дифракция становится проблемой. Световые лучи, которые просто проходят мимо краев апертурной диафрагмы, немного изгибаются, вместо того, чтобы продолжать движение прямо. Это происходит только тогда, когда они проходят близко к чему-то, что может их заблокировать, так что это имеет значение только для кольца световых лучей, которые проходят прямо внутри апертуры. Поскольку апертура установлена ​​меньше, большая часть световых лучей находится ближе к краю, и эти изогнутые лучи составляют большую часть света, попадающего на датчик. В результате яркие объекты в сцене заставляют светлеть и другие области проецируемого изображения. Общий эффект заключается в снижении контраста и уменьшении резкости.

Обычно оптимальной является f/5.6 или около того, но это зависит от конкретного объектива. Большую часть времени вы не слишком беспокоитесь об этом, и объективы хорошего качества по-прежнему будут делать хорошие снимки при f/2, а дифракцию трудно заметить при f/22. Я делал макроснимки с f/64, и потеря резкости из-за дифракции была совершенно очевидной.

Однако в большинстве случаев мы балансируем между диафрагмой и пропуском большего количества света, а также слишком малой глубиной резкости.

Собираем все вместе

Таким образом, общая экспозиция контролируется настройкой ISO, выдержкой и диафрагмой. Различные результаты, которые вы компенсируете друг другом, в основном дают сенсору достаточно света, чтобы сигнал изображения был большим по сравнению с шумом, размытием движения (или дрожания камеры) и глубиной резкости.

Как правило, обычная сцена при ярком солнечном свете хорошо экспонируется при f/16 и скорости затвора, равной 1, деленной на значение ISO. Например, это может быть f/16, 1/100 секунды и ISO 100. Или это может быть f/16, 1/250 секунды, ISO 250.

Регулировка экспозиции

В фотографии увеличение экспозиции в два раза — явно заметный шаг, но не особенно большой. Обычно мы думаем о настройке экспозиции с шагом в 2 раза. Вы можете думать о коэффициенте 2 как о «стандартном приращении» в фотографии.

ISO регулируется линейно. ISO 200 в два раза больше экспозиции, чем ISO 100.

Время затвора также линейно. Однако, поскольку мы обычно записываем числа выдержек как обратные величины (1/100 секунды, 1/250 секунды и т. д.), нижнее число уменьшается, чтобы увеличить экспозицию. 1/50 секунды в два раза больше выдержки 1/100 секунды.

Математика f-числа сложнее. Экспозиция соответствует логарифму обратной величины числа f. Поскольку это сложно сделать мысленно, была предварительно вычислена группа f-чисел, которые вызывают вдвое меньшую экспозицию по сравнению с предыдущим. Каждое из этих f-чисел должно быть на квадратный корень из 2 больше, чтобы получить половину экспозиции. Начиная с f/1 (почти никогда не бывает), мы получаем прогрессию f/1, f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/ 16, ф/22. Эти значения настолько широко используются, что ранние камеры часто имели фиксаторы на кольце диафрагмы, чтобы можно было точно установить одно из этих значений, а также регулировать вверх или вниз на ощупь, глядя в видоискатель. Эти фиксаторы также назывались «стопорами», откуда и произошел термин «f-stop».

Поскольку каждый из обычных диафрагменных ступеней представляет собой двойную яркость по сравнению с другой, термин «диафрагменная диафрагма» стал использоваться как двойная экспозиция, даже если сама диафрагма не изменяется. Например, в фотографии принято говорить, что ISO 400 на «2 ступени диафрагмы» больше, чем ISO 100, или что выдержка 1/500 на 1 ступень диафрагмы ниже выдержки 1/250.

Мы обычно думаем об экспозиции в терминах «f-ступени» вверх или вниз. Например, допустим, вы сделали снимок с ISO 200, f/5,6 и 1/250 секунды. Получилось слишком темно, и вы чувствовали, что требуется на 2 диафрагмы больше выдержки (в 4 раза больше света). Вы можете попробовать любое из следующих действий, чтобы получить дополнительные 2 ступени экспозиции:

  ISO 200, f/2,8, 1/250 с
  ISO 400, f/4, 1/250 с
  ISO 400, f/5,6, 1/125 с
  ISO 200, f/4, 1/125 с

Однако, несмотря на то, что экспозиция каждого из этих четырех приведенных выше примеров эквивалентна, глубина резкости, размытие движения и отношение сигнала сенсора к шуму не будут такими. Большинство современных датчиков имеют небольшой шум по сравнению с полной экспозицией при ISO 400, поэтому последний компромисс в этих примерах, скорее всего, не будет проблемой в большинстве случаев.

Опять же, все дело в компромиссах. Нет правильных или неправильных ответов, есть только то, что работает с вашей камерой, с вашей сценой и с тем, что вы пытаетесь показать.

Если вы думаете о камере просто как о светоприемнике/регистраторе или счетчике фотонов и игнорируете фактическую съемку сцены, существует очень простая связь между ISO, диафрагмой и выдержкой:

Общее количество записанного света ¹ пропорционально ISO × диафрагме × выдержке × доступному свету в сцене.

В оставшейся части этого объяснения относитесь к доступному свету как к константе, которую вы не можете контролировать.

Таким образом, если вы увеличиваете любой из трех элементов управления (ISO, диафрагма, скорость затвора), например, в 2 раза, то вы должны уменьшить вдвое один из оставшихся двух элементов управления, чтобы сохранить тот же общий собранный свет. ² ( Примечание 1 ниже)

Таким образом, у нас есть три элемента управления вводом (ISO, диафрагма, выдержка) для создания одного вывода, полного собранного света. Хотя мы не думаем с точки зрения общего количества собранных фотонов, мы думаем с точки зрения правильно экспонированных изображений. Таким образом, чтобы получить желаемое изображение с правильной экспозицией, мы настраиваем три элемента управления в зависимости от их эффекта на желаемом изображении в зависимости от отдельной снимаемой сцены.

На практике ISO, как правило , устанавливается последним из элементов управления, о котором вы, как правило, заботитесь меньше всего. ³ Обычно вы сочиняете композицию для глубины резкости (диафрагмы), останавливающего действия или намека на движение (короткая или длинная выдержка) или некоторых их комбинаций. После того, как они набраны, ISO более или менее выбирается для вас, чтобы получить желаемую экспозицию. Конечно, если ваш выбор диафрагмы и скорости затвора требует нежелательно высокого значения ISO (т. е. зернистости или шума) для получения правильной экспозиции, у вас есть несколько вариантов:

• принять зернистость/шум высокого ISO;
• уменьшите ISO и примите изображение с меньшей экспозицией;
• немного уменьшите ISO и компенсируйте это открытием диафрагмы;
• немного уменьшите ISO и компенсируйте уменьшением скорости затвора (увеличив время выдержки); или же
• некоторая комбинация двух предыдущих вариантов.

Заметки:

1. В контексте пленки ISO является мерой чувствительности записывающего носителя к свету. Чем выше значение ISO, тем более чувствительна пленка к пропорционально меньшему количеству падающего света, при этом зернистость пленки («шум» пленки) увеличивается с увеличением ISO.

   В контексте цифровой фотографии ISO не описывает чувствительность датчика изображения к свету; датчик имеет фиксированную чувствительность к заданному количеству входящего света, создавая определенное напряжение. Однако результирующее напряжение либо усиливается (умножается) перед преобразованием в цифровое значение, либо умножается цифровое значение после преобразования, либо и то, и другое в соответствии со значением ISO, установленным для снимка. Таким образом, по отношению к записанному изображению цифровой ISO работает аналогично пленочному ISO.

2. Что касается диафрагмы, я не говорил, что число ƒ удваивается . Значимой мерой апертуры является площадь поперечного сечения . Напомним, что площадь пропорциональна квадрату линейной меры площади, то есть: A ∝ d ². Таким образом, чтобы удвоить/уменьшить вдвое площадь апертуры , число ƒ должно быть увеличено/уменьшено в √2 раз, или примерно в 1,414...

3. При использовании пленки ISO было чем-то, о чем вы заботились гораздо больше, и чем-то, над чем у вас было относительно меньше контроля (как с точки зрения диапазона ISO, так и с точки зрения возможности выбирать ISO в зависимости от того, какая пленка у вас была). Для цифровых зеркальных камер, в некотором смысле, ISO является компенсационным фактором, позволяющим вам лучше выбирать диафрагму и скорость затвора. Это по-прежнему имеет значение, но уже не как приоритетный выбор. Я не могу себе представить, чтобы многие фотографы подходили к сцене с мыслью «независимо от других настроек, я хочу ISO 400 для этого снимка».

4. Это объяснение полностью игнорирует такие вопросы, как композиция, глубина резкости, шум (зернистость) и т. д. Конечно, это чрезвычайно важно для создания хорошего изображения.

Все фотографы должны запомнить основные полные «ступени» экспозиции, выраженные в выдержке, диафрагме и ISO.

Как только вы ознакомитесь с ними, каждый раз, когда вы изменяете одну из переменных, очень легко настроить одну из других, чтобы она соответствовала той же самой экспозиции.

1/30 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 и т. д. (половина или двойное значение равно 1 полной остановке)

f/1,4 f/2,0 f/2,8 f/4,0 f/5,6 f/8 f/11 и т. д.

ISO100 ISO200 ISO400 ISO800 ISO1600 ISO3200 ISO6400 и т.д.

В соответствии с исходным вопросом, если вы используете ISO640 и меняете ISO на 1 полную остановку (уменьшаете или удваиваете ISO до 320 или 1250), то вы должны настроить диафрагму или скорость затвора на 1 полную остановку.