Фотография и фотографирование

История развития фотографии

Принцип действия фотографии основан на фиксировании изображений пред­метов или предметных точек с помощью химических и физических процессов, получаемых с помощью света, то есть электромагнитных волн видимого и не видимого спектра, излучаемых непосредственно или отраженных. Получение изображений с помощью отраженного от предметов света получали еще в глубокой древности и использовали для живописных и, возможно, технических работ. Использовался метод, названный позже ортоскопической фотографией, который не требует оптических приспособлений, но только узких щелей или малых отверстий. Проектировались изображения на противоположные от этих щелей или отверстий поверхности. Позже метод был усовершенствован с помощью оптических приборов, помещаемых на место щели или отверстия. Метод послужил основой для создания камеры, ограничивающей получаемое изображение от засветки не несущим изображение светом. Камера позже была названа обскурой. Словосочетание «cameraobscura» в переводе с латыни означает «темная комната» — первые камеры обскуры представляли собой затемненные помещения (или большие ящики) с отверстием в одной из стен. После изобретения метода фиксации изображения сразу или почти сразу несколькими изобретателями, камера-обскура стала конструктивным прообразом фотографического аппарата. С развитием оптики объективы усложнялись, а после изобретения светочувствительных материалов камеры обскуры стали фотоаппаратами.

Главной частью фотоаппарата является контейнер для светочувствитель-ного фотоматериала либо фотосенсора. Наиболее распространенные устройства имеют также оптическую систему для проецирования лучей света, прямвгх и отраженных от предметов фотографируемой среды, на фотоприемник.

Цифровая фотография развивалась несколько иначе. В 1908 г. Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (AlanArchibaldCampbellSwinton) печатает в журнале Nature статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке.

В 1969 г. исследователи из BellLaboratories - Уиллард Бойл (WillardBoyle) и Джордж Смит (GeorgeSmith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений.

В 1972 г. компания TexasInstruments запатентовала устройство под назва­нием «Полностью электронное устройство для записи и последующего воспро­изведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор. Данный патент практически полностью описывал структуру цифровой камеры, несмотря на то, что сама камера фактически была аналоговой.

В 1973 г. компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были черно-белыми и имели разрешение всего 100 х 100 пикселей.

В 1980 г. Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были черно-белыми).

В 1990 г. появилась уже полностью цифровая, коммерческая камера, которая была черно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376 х 240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.

В 1994 г. на рынке появились первые Flash-карты форматов CompactFlash и SmartMedia, объемом от 2 до 24 Мбайт.

2000 год - выпуск камеры ContaxNDigital первой полнокадровой (24 х 36 мм) камеры с разрешением 6 мегапикселей.

В 2003 г. начался выпуск CanonEOS 300D — первой доступной по цене широкому кругу фотографов зеркальной цифровой фотокамеры со сменными объективами. Благодаря этому факту, а также выпуску аналогичных камер другими производителями, произошло массовое вытеснение пленки не только из среды непритязательных любителей и профессионалов, но и среди «продвинутых» любителей, до этого относившихся к цифровой фотографии довольно прохладно.

Аналоговая фотография

Фотоаппарат (фотографический аппарат, фотокамера) — устройство преобразования светового потока от реального сюжета к виду удобному для документирования (запоминания), выполняющее покадровое запоминание изображения реального сюжета.

В аналоговой фотографии детектирование (обнаружение) и запоминание изображений проводит светочувствительный материал (фотопленка, фотопластинка и т. п.).

Современные фотоаппараты состоят из: светонепроницаемого корпуса; оптической системы с системами фокусировки, стабилизации, диафрагмирования; видоискателей; механизмов установки и подачи фотопленки; фотографического затвора; устройств экспозамера и расчета экспопары (экспозиции и диафрагмы); автоматики; электроники; ламп-вспышек; аккумуляторов и т. д.

Светонепроницаемый корпус служит, для крепления механизмов фотоаппарата и исключения несанкционированных засветок светочувствительного материала или матрицы.

Оптическая система проецирует действительное изображение фотографируемого объекта на фокальную плоскость, где находится светочувствительная фотопленка или матрица.

По оптическому видоискателю выбираются границы кадра и место для съемки. Оптический видоискатель показывает границы кадра неточно. Обычно в документации к фотоаппарату указывается соотношение видимого и реального кадра.

Механический фотографический затвор дозирует свет, попадающий на светочувствительный слой пленки. Основной характеристикой механического затвора является минимальная выдержка, которую он может обеспечить. У простых цифровых фотоаппаратов затвор работает в диапазоне от 5секунд до ~ 1 / 500 сек. Выдержки короче ~ 1 / 500 с. всегда отрабатываются электронным эквивалентом затвора — (до 1 / 4000сек. и короче).

Фотоаппараты общего назначения условно делятся на любительские и профессиональные. Как правило, профессиональные фотоаппараты имеют более широкий диапазон настроек, доступных для ручного управления. По мере развития электроники любительские фотоаппараты (в просторечии — «мыльницы»), напротив, идут по пути максимальной автоматизации процессов съемки. Это упрощает фотографирование для неподготовленного пользователя и позво­ляет в большинстве случаев получить достаточно качественные кадры, однако сужает творческие возможности для опытного фотографа и часто не позволяет вести съемку в нестандартных условиях.

В научных и технических целях применяются специальные фотоаппараты, обеспечивающие решение особых задач - например, фотоаппараты для аэрофотосъемки, астросъемки, микросъемки, высокоскоростные фотоаппараты, фотоаппараты для съемки за пределами видимого спектра и др.

Существуют также стереоскопические фотоаппараты, снимающие одновременно два кадра через два объектива, расположенных на заданном расстоянии один от другого. При рассматривании таких парных снимков через стереоскоп можно увидеть объемное изображение и измерить дальность до объекта.

Фотокамеры со сменными объективами относятся к классу профессиональных или полупрофессиональных, продвинутых любительских. Съемные объективы присоединяются к корпусу фотоаппарата с помощью байонета или резьбы. В любительских фотоаппаратах объектив несменный и жестко вмонтирован в корпус камеры.

В аналоговой фотографии основным светочувствительным элементом, одновременно играющим роль устройства хранения информации, является фотопленка.

Фотопленка — фотоматериал на гибкой основе (в отличие от жестких фотопластинок на стеклянной основе), представляет собой лист пластмассы (полиэстер, нитроклетчатка или целлюлозный ацетат), облицованный эмульсией, содержащей светочувствительные соли серебряного галида с переменными кристаллическими размерами, которые определяют чувствительность, контраст и разрешение пленки. После воздействия света (или других форм электромагнитного излучения, например рентгеновского) на фотопленке формируется скрытое изображение. С помощью химических реакций затем можно получить видимое изображение.

Наиболее распространена фотопленка шириной 35 мм (по формату совпа­дает с кинопленкой той же ширины). Формат кадра 24 х 36мм; встречаются также форматы 18 х 24 мм, 24 х 24 мм, 24 х 30 мм и др.

Монохромная фотопленка — вид фотопленки, позволяющий получать черно-белый негатив при обработке по процессу С-41. От классической черно-белой фотопленки монохромная отличается, кроме процесса проявления, более мягким зерном и меньшим контрастом. Особенность таких фотопленок в том, что изображение в них, как и в цветных, образуется за счет специальных красителей, а не серебра, но монохромная фотопленка имеет только один эмульсионный слой, панхроматический. Полученное изображение обычно немного «сдвинуто» в синий оттенок из-за используемого краскообразующего вещества.

Возможность обработки монохромных пленок по процессу-С41 позволяет получить качественные черно-белые фотографии в любой современной фотолаборатории. Монохромные пленки имеют обычную для цветных окрашенную оранжевым подложку (маску), что осложняет традиционную черно-белую печать с фотоувеличителем (невозможность подбора фильтров для мультикон-трастной печати).

Цветная фотография основывается на аддитивном или субтрактивном спо­собах получения цветов. Поэтому существующие методы цветной фотографии делятся на аддитивный и субтрактивный.

Аддитивные методы

Аддитивный способ, или способ сложения цветов, основан на трехцветовой теории зрения. Он дает возможность получать все цвета и оттенки с помощью смешения в определенных пропорциях трех основных цветов: красного, зелено­го и синего.

Аддитивный способ получения цветов подчинен следующим законам.

1. Все цвета делятся на две группы: хроматические - имеющие цветной оттенок, и ахроматические - не имеющие цветового оттенка, то есть содержащие только белый, черный и различные серые тона.

2. Смешение любого хроматического цвета в определенной пропорции с дополнительным дает ахроматический цвет. Смешение хроматического цвета с дополнительным в других пропорциях приводит к получению одного из исходных хроматических цветов. Насыщенность цвета при этом уменьшается.

3. Смешение недополнительных цветов приводит к получению промежуточных цветов, расположенных в спектре между смешиваемыми. Например, при смешении зеленого с красным получается желтый цвет. Чем дальше смешиваемые цвета расположены друг от друга в спектре, тем меньше на­сыщенность полученного цвета.

Почти забытый способ цветной растровой фотографии нашел свое место с появлением цифровых фотоаппаратов, в которых светочувствительным элементом является монохромная электронная матрица, отдельные элементы которой закрыты цветными светофильтрами. Светофильтры располагаются в определенном порядке, который называется «Фильтр Байера» и обычно состоит из трех цветов — зеленого (таких элементов вдвое больше, чем остальных, что связано с особенностями зрения человека), красными и синими. И, хотя некоторые фирмы экспериментируют с добавлением фильтров дополнительных цветов (например, голубого), трехцветная схема применяется в подавляющем большинстве аппаратов.

Фотовспышка

Фотовспышка (импульсный фотоосветитель) — лампа, с помощью которой осуществляется мгновенное освещение объекта съемки при фотографировании.

Основным элементом современной фотовспышки является импульсная газоразрядная лампа, представляющая собой запаянную стеклянную трубку, на­полненную ксеноном. В конце трубки впаяны электроды, а снаружи находится электрод зажигания, представляющий собой полоску токопроводящей мастики или кусок проволоки. Искровой разряд в лампе возникает при присоединении ее электродов к относительно мощному источнику высокого напряжения (сотни вольт), обычно представляющему собой электрический конденсатор, и подаче на электрод зажигания высоковольтного (порядка тысяч вольт) импульса от импульсного трансформатора, что ионизирует газ в трубке, позволяя накопленному в рабочем конденсаторе заряду разрядиться.

Фотовспышки применяются при недостаточной освещенности объекта (недостатком ее применения в этом случае является «плоское» изображение, структура и рельеф выделяются слабо); подсветке теней (если съемка ведется в яркий солнечный день, без вспышки получаются очень контрастные глубокие тени); съемке против яркого заднего освещения (для подсветки переднего плана); спортивной и репортажной съемке (вспышка позволяет снимать с очень короткими выдержками).

Цифровая фотография

Цифровая фотография — фотография с использованием технологии прямой оцифровки изображения. В отличии от классической фотографии, в цифровом фотоаппарате изображение проецирутся непосредственно на интегральную микросхему — фотосенсор.

В настоящее время цифровая фотогра­фия применяется все шире, вытесняя обычные пленочные камеры из широкого потребления. Кроме того, в связи с тем, что цифровые камеры могут иметь гораздо меньшие размеры, они также встраиваются во многие цифровые устройства, такие как сотовые телефоны, карманные компвютеры или плееры.

Основным светочувствителвнвш элементом цифровой камеры является дву-мерный фотодатчик. Последнее время в качестве таких датчиков наибольшую популярность завоевали ПЗС-матрицы.

ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью) — специализированная ана­логовая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов, размещенных на общей кремниевой подложке. Каждый элемент (пиксель) ПЗС представляет собой конденсаторную ячейку, накапливающую возникаю­щий в результате внутреннего фотоэффекта заряд. Внутренний фотоэффект представляет собой возникновение электронно-дырочных пар в полупроводнике при попадании на него излучения. Накопленный заряд снимается с ПЗС посредством подачи электрических импульсов на приложенные к каждому пикселю электроды. Заряд как бы перетекает из одной ячейки в другую.

Сам по себе пиксель фотоматрицы является черно-белый. Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приемы.

В трехматричной системе поступающий в камеру свет, делится на три основных цвета: красный, зеленый и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу. Данные системы находят применение в качественной видеоаппаратуре и требуют точной настройки.

В матрицах с мозаичным фильтром каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Таким образом, пиксель воспринимает всего 1/3 информации о падающем на него цвете. Недостающая цветовая информация восстанавливается путем интерполяции. Классический способ расположения светофильтров на матрице — «красный - зеленый - зеленый - синий». Объектив цифровой камеры не претерпел кардинальных изменений по сравнению с объективами обычных фотокамер. Из-за маленьких размеров сенсора, объективы цифровых камер (за исключением зеркальных камер, использующих те же объективы) имеют меньшие геометрические размеры.

Важной вехой в истории фотографии стал выпуск в 2004 г. первой камеры с керамической оптикой. Керамическая оптика имеет очень высокий показатель преломления — 2,08. Это позволило получить линзы с меньшей кривизной по­верхности при равном со стеклянными линзами фокусном расстоянии. Это, в свою очередь, позволило сделать объективы более компактными.

Из-за того, что размер зерна фотопленки аналоговой матрицы имеет довольно значительный размер (чем выше светочувствительность пленки, тем больше размер зерна), разрешение (минимальный угол между двумя точками, которые фотоаппарат может отобразить раздельно) цифрового фотоаппарата может значительно превышать разрешение аналогового с аналогичным объективом. Особенность переноса заряда, накопленного пикселями ПЗС-матрицы позволяет применять электронную стабилизацию изображения — специальный сенсор, реагируя на дрожание фотоаппарата, дает указания смещать заряд в процессе накопления соответственно смещению камеры. При этом, несмотря на то, что в разные моменты времени в течение процесса съемки излучение от одной и той же точки объекта может попадать на разные пиксели матрицы, благодаря синхронному смещению накопленных зарядов оно накапливается в одной и той же ячейке. Более дешевым вариантом стабилизации изображения является синхронное смещение самой матрицы в фокусе объектива (в этом случае можно обойтись чисто механическими системами стабилизации).