Фотокамера, виды, принцип работы и применение

Что такое фотокамера?

"Фотокамера — это устройство, предназначенное для захвата изображений с помощью света. Она состоит из объектива, который фокусирует свет на светочувствительном элементе, а также механизма, который управляет выдержкой и диафрагмой..."

---

Полезные статьи:

Освещение при видеосъемке, практические советы

Какие камеры бывают?

Все статьи

История изобретения

История изобретения фотокамеры — это увлекательное путешествие, начавшееся в древности и приведшее к настоящему технологическому чуду. Все началось в V веке до нашей эры, когда

Аристотель впервые описал камеру-обскуру, простое устройство, которое позволяло видеть внешний мир через небольшое отверстие. Это было лишь зачатком идеи, которая позже станет основой для всей фототехники.

Настоящая революция произошла в XIX веке. В 1826 году француз Жозеф Нисефор Ньепс сделал первый в мире снимок, использовав камеру-обскуру и битумное покрытие. Этот процесс занял целых восемь часов, но открыл двери к новым возможностям.

Всего через несколько лет, в 1839 году, Луи Дагер представил дагеротип — первый коммерчески успешный метод, который позволял получать четкие изображения всего за несколько минут. Это стало настоящим прорывом!

С каждым десятилетием технологии развивались стремительными темпами. Появление негативов и пленки сделало фотографию доступной для широкой публики, а компактные фотоаппараты позволили каждому стать фотографом.

XX век принес цветную фотографию и автоматические камеры, которые сделали процесс еще более простым и увлекательным. А с приходом цифровой революции в конце века мир фотографии изменился навсегда, открыв новые горизонты для творчества.

Сегодня фотокамеры — это не просто инструменты для запечатления мгновений, но и настоящие произведения искусства, позволяющие людям делиться своими историями и эмоциями с миром. Каждый снимок рассказывает уникальную историю, сохраняя мгновения, которые мы хотим запомнить навсегда.

Пленочные камеры

В традиционных фотокамерах использовались фотопленки. Первоначально монохромные пленки, позже улучшенные версии для цветной фотографии с использованием более сложной химии. Хотя они были в значительной степени заменены цифровыми камерами, пленочные камеры все еще используются для некоторых целей.

Пленка предоставляет ограниченное количество (например, 24) возможностей для захвата изображения. Перед просмотром она должна быть проявлена для получения негативов с инвертированной яркостью. Как правило, в какой-либо профессиональной лаборатории, редко фотографом. С этих негативов создаются фактические изображения или несколько на негатив. Результирующие изображения доставляются на бумаге и могут иметь различные форматы от довольно маленьких до форматов формата плаката.

Устройство пленочной фотокамеры

• Существует фотографический объектив, через который свет от наблюдаемой сцены попадает на операторов.
• За объективом находится оптическая апертура с переменным отверстием;
• Далее идет затвор, который можно ненадолго открыть при съемке;
• За затвором находится кусок фотопленки, который будет использоваться.

Кроме того, может быть некоторая оптика для видоискателя, которая может быть отделена от оптики самой камеры или использовать тот же объектив.

Цифровые камеры

В последние годы фотокамеры все чаще оснащаются электронными датчиками изображения, обычно типа CCD или CMOS, для получения цифровых изображений. Обычно используемые датчики изображения имеют тот же размер, что и ранее использованные куски фотопленки. 

В большинстве случаев они предлагают по крайней мере несколько миллионов пикселей, и даже доступны камеры с десятками мегапикселей (миллионов пикселей). Для каждого пикселя сохраняется информация об интенсивности красного, зеленого и синего света.

Преимущества цифровых камер

• Изображения доступны немедленно, без трудоемких процессов разработки, требующих дополнительных затрат;
• Их можно хранить, копировать, публиковать на веб-страницах и в других электронных документах.
• Благодаря большой емкости памяти можно последовательно снимать большое количество изображений без замены пленки.
• Неудачные записи можно легко удалить, чтобы не тратить впустую емкость хранилища. 
• Там, где полное разрешение не требуется, съемка с уменьшенным разрешением может еще больше увеличить количество изображений, которые можно сохранить.
• Электронные изображения могут быть быстро переданы, часто даже из удаленных мест. Например, газеты, журналы. Можно быстро получать изображения от репортеров в удаленных местах.
• Изображения могут быть обработаны на компьютере перед печатью или публикацией в Интернете. Хотя традиционная проявка пленки также имеет некоторый потенциал для модификации изображений, цифровое редактирование изображений предоставляет более широкие возможности. С другой стороны, это также предоставляет широкие возможности для подделки, которую может быть трудно обнаружить.
• Цифровые изображения не подвержены старению, в то время как старые пленочные фотографии часто демонстрируют существенные изменения цвета и другие потери качества.

Ранние цифровые камеры были довольно ограничены с точки зрения разрешения изображения, но камеры с датчиками изображения с более высоким разрешением вскоре стали доступными и доступными. Разрешение современных камер потребительского класса недостаточно только для специальных применений, и профессиональные устройства могут обеспечить еще более высокое разрешение.

Обратите внимание, что увеличенное разрешение сенсора полезно, только если оптическое качество фотографического объектива достаточно высокое; в противном случае большее количество пикселей изображения на самом деле не передает дополнительную информацию об объектах. 

В этом случае получаются только излишне большие файлы изображений, а качество может стать еще ниже в условиях низкой освещенности, поскольку количество света, получаемого на пиксель, уменьшается. 

Обратите внимание, что это имеет место в некоторых потребительских камерах, где покупатели впечатлены огромными значениями мегапикселей, но позже, возможно, разочарованы скромным качеством изображения.

Однообъективные зеркальные камеры

Фотографу важно заранее видеть, какая именно область будет отображаться на фотографии.

Простые камеры выполняют эту задачу с небольшим отдельным оптическим видоискателем, расположенным немного выше или сбоку от фотографического объектива, не используя свет, который проходит через объектив. 

Этот подход имеет серьезные недостатки: слегка отличающаяся перспектива приводит к несколько неточному результату, метод вряд ли может работать со сменными объективами, имеющими разные поля зрения и с зум-объективами.

Поэтому были разработаны зеркальные камеры, в которых используется свет, проходящий через объектив. Типичный тип камеры использует зеркало, которое в большинстве случаев направляет полученный свет на визуальный результат, позволяя фотографу видеть сквозь объектив. 

Альтернативы "зеркала"

С помощью пентапризмы получается вертикальное изображение. Только в тот момент, когда делается снимок, это зеркало складывается, позволяя свету попадать на пленку или на электронный датчик изображения. В качестве альтернативы, в принципе, можно использовать светоделитель, но это приведет к потере яркости как для съемки, так и для видоискателя.

Принцип зеркальной камеры хорошо работает с переменными объективами и масштабированием, всегда точно показывая, что попадет на датчик изображения. Поскольку требуется только один объектив (строго говоря, один объектив и никакого дополнительного объектива видоискателя), такие камеры называются однообъективными зеркальными камерами (зеркальными камерами). 

Возможной альтернативой принципу зеркальной фотокамеры, позволяющей снизить затраты на изготовление оптики, является использование жидкокристаллического дисплея (LCD) в качестве полной замены оптического видеоискателя. Однако этот метод имеет некоторые недостатки. Например, может быть трудно точно считывать показания дисплея в условиях яркого окружающего освещения, и тогда невозможно одновременно использовать дисплей для отображения большего количества рабочих параметров.

Камеры в мобильных устройствах

Были разработаны очень компактные миниатюрные камеры, которые можно использовать во многих мобильных устройствах, таких как смартфоны и планшеты. Они ограничены использованием микро оптических устройств. Например, однообъективных объективов без увеличения, которые также обычно должны изготавливаться по очень низкой цене. 

Тем не менее, можно добиться удивительно хорошего качества изображения, например, с помощью асферической пластиковой оптики и некоторых улучшений с помощью цифровой обработки изображений. Однако такие камеры, как правило, имеют серьезные ограничения, например, при плохом освещении.

В качестве замены оптического зума иногда предлагается цифровой зум. Это эффективно уменьшает доступное количество пикселей. Но не лучше, чем использовать позже только часть полученного изображения, масштабируя его до большего количества пикселей с интерполяцией.

Фотографические объективы

Простые камеры имеют встроенный объектив, который нельзя заменить. В то время как камеры более высокого класса обычно имеют механические средства для использования различных моделей фотографических объективов. 

Разновидности и принцип работы

• Стандартный объектив подходит для большинства обычных ситуаций фотографирования, охватывая значительный диапазон расстояний. Его поле зрения составляет примерно 50 градусов, что сопоставимо с полем зрения человеческого глаза.
• Существуют телеобъективы для больших расстояний, имеющие большое фокусное расстояние для более узкого поля зрения.
• Противоположным являются макро объективы, подходящие для съемки небольших объектов с очень малых расстояний.
• Существуют также широкоугольные, так называемые "рыбий глаз". Они могут захватывать изображения в белых угловых диапазонах, которые, приводят к значительным геометрическим искажениям изображения.

Некоторые объективы являются зум-объективами. Это означает, что их фокусное расстояние можно регулировать в определенном диапазоне, обычно не влияя на фокусировку (резкость изображения).

Используемые механизмы крепления объективов частично позволяют использовать объективы других производителей - в некоторых случаях требуются подходящие механические адаптеры. Трудности могут возникнуть, когда также необходимы электрические соединения, например, для функций автофокусировки.

Фотографические объективы могут существенно отличаться в некоторых отношениях, например, в отношении мощности сбора света, диапазона увеличения и качества изображения.

Ручная или автоматическая фокусировка?

Система обработки изображений должна быть настроена на определенное расстояние до объекта, чтобы получать четкие изображения. Для некоторых типов камер такая настройка фокуса не требуется, поскольку они имеют фиксированный фокус. Например, установленный на бесконечность или на некоторое фиксированное рабочее расстояние. 

Однако для большинства фотокамер этого недостаточно. Требуется возможность ручной регулировки фокуса, обычно путем поворота части объектива. Это необходимо, чтобы использовать камеру для широкого диапазона расстояний до объектов. 

Многие современные камеры даже имеют функцию автофокусировки, которая выполняет эту настройку автоматически. Технология автофокусировки может быть встроена в корпус камеры, а иногда и в фотообъективы.

Виды датчиков изображения

Фотокамеры могут иметь пленки или датчики изображения разных форматов:

• Многие пленочные камеры долгое время в основном использовали 35-мм пленку (также называемую 135 пленкой в соответствии со стандартом ISO 1007), где размер изображения на пленке обычно составляет 36 мм × 24 мм. (Ширина катушки пленки составляет 35 мм, что несколько больше 24 мм, поскольку изображение не доходит до краев катушки.)
• Цифровые зеркальные камеры потребительского уровня со сменными объективами обычно используют датчики изображения значительно меньшего размера. Например, формат может составлять 23,6 мм × 15,7 мм или только 13,2 мм × 8,8 мм; существуют различные другие форматы, используемые в обычных камерах.
• Существуют широкоформатные пленочные или цифровые камеры с форматами изображений 4 × 5 дюймов или больше.
• Очень компактные мобильные камеры должны работать с очень маленькими датчиками, например, шириной всего 1/4 дюйма (6,35 мм). Тем не менее, высокое разрешение изображения в несколько мегапикселей возможно при использовании сенсорных чипов с очень маленьким расстоянием между пикселями всего в несколько микрон.

Как упоминалось выше, во многих цифровых камерах используются электронные датчики изображения, размер которых значительно меньше размера куска пленки, используемого в качестве эталонного формата. 

Так называемый кроп-фактор (CF, обычно от 1,3 до 2) показывает, на какую величину уменьшается диагональ датчика изображения по сравнению с эталонным.

Большой кроп-фактор подразумевает уменьшенное поле зрения для данного объектива. Полученное поле зрения эквивалентно полю обзора камеры с полноразмерным датчиком (CF = 1) и фокусным расстоянием, которое увеличивается. 

Этот вопрос необходимо учитывать при выборе фокусного расстояния для определенной фотографической ситуации. Настройки диафрагмы и ISO также необходимо соответствующим образом отрегулировать.

Путаница может возникнуть из-за того, что некоторые производители указали своего рода эффективные значения фокусного расстояния, увеличенные по сравнению с фактическими значениями на коэффициент обрезки, но частично без уточнения этого.

Большой кроп-фактор можно интерпретировать как обеспечение большего увеличения в том смысле, что заданное количество пикселей связано с меньшим углом обзора. Однако это, конечно, не реальное увеличение с помощью оптики, и больший датчик с тем же расстоянием между пикселями даст то же пространственное разрешение.

При заданных условиях меньший датчик изображения в целом будет собирать меньше света. Таким образом, потребуется соответственно более длительное время экспозиции или иным образом будут получены изображения с более высоким уровнем шума, если чувствительность устройства не может быть улучшена другими способами. Поэтому фотокамеры с полноразмерным датчиком (CF = 1), как правило, лучше подходят для съемки в условиях низкой освещенности.

При использовании меньшего датчика изображения можно также использовать объектив, который не оптимизирован для неиспользуемой части области. Поэтому он может быть изготовлен по более низкой цене и быть сравнительно легким.

Функции видео

Некоторые цифровые фотокамеры также позволяют записывать видео, но обычно только в ограниченном объеме. В различных областях они не могут конкурировать со специализированными видеокамерами, хотя они, как правило, лучше с точки зрения разрешения и качества изображения. Например, они часто имеют более ограниченный объем памяти. Кроме того, управление в некоторых отношениях менее удобно, чем у видеокамеры.

Типичные проблемы фотографии

Время захвата изображения

Независимо от того, используется ли фотопленка или цифровой центр, всегда требуется определенное минимальное количество света для получения высококачественного изображения. 

Таким образом, при плохом освещении может потребоваться увеличить время захвата изображения. Это может привести к размытым изображениям, когда объекты или камера перемещаются во время экспозиции. По крайней мере, движения камеры могут быть сведены к минимуму, например, с помощью штатива.

В некоторых случаях эффекты размытия, возникающие в результате длительного времени экспозиции, используются намеренно, например, в художественных целях.

Типичное время экспозиции в фотографии составляет небольшие доли секунды, например, 1/125 с. Однако можно также делать длительные снимки в течение секунд, минут или даже часов, например, ночного неба, показывая видимое движение звезд.

Многие современные камеры допускают автоматическое управление экспозицией на основе сигнала от встроенного фотометра. Чем выше измеренная яркость, тем короче используемое время экспозиции. 

Это очень полезно и не только удобно; было бы очень сложно оценить глазом фактический уровень яркости, потому что глаз автоматически адаптируется к условиям окружающего освещения. Особенно для датчиков изображения с ограниченным динамическим диапазоном такие функции могут быть очень важны.

Очевидно, что такие проблемы становятся более серьезными для датчиков изображения с чрезвычайно высоким разрешением пикселей. В этом случае разрешение может быть полностью использовано только при использовании больших диафрагм и при условии, что качество оптической системы очень высокое.

Чувствительность обнаружения

• Существуют фотопленки с особенно высокой чувствительностью (высокие значения ISO), которые, однако, имеют тенденцию иметь более низкое пространственное разрешение. Стандартные значения ISO - 100 и 200; 400 указывает на относительно чувствительную пленку. Обратите внимание, что электроника камеры должна “знать”, какая пленка используется, чтобы соответствующим образом настроить такие параметры, как время экспозиции.
• Электронные датчики изображения обеспечивают чувствительность, которая часто очень похожа на чувствительность обычных пленок. Они также количественно определены с помощью чисел ISO. Датчики часто можно использовать в режиме высокой чувствительности с дополнительным электронным усилением. Однако шум детектора может оказывать повышенное влияние, снижая качество получаемого изображения.

Поэтому часто лучше каким-то образом обеспечить датчик большим количеством света.

Геометрические искажения изображения

В зависимости от выбранного ракурса, а также от типа фотографического объектива могут возникать более или менее серьезные искажения изображения. Например, прямые края объектов выглядят изогнутыми на записанных изображениях. Такие эффекты особенно заметны для широкоугольных объективов, где полная компенсация вряд ли возможна даже при сложной конструкции оптики.

Для цифрового изображения такие эффекты могут быть компенсированы впоследствии с помощью подходящего программного обеспечения для редактирования изображений.

Автоматическое управление

Возможность автоматической регулировки времени экспозиции уже упоминалась выше. Кроме того, современные камеры имеют режимы работы, в которых другие параметры также настраиваются автоматически. Например, размер диафрагмы также может быть адаптирован, поскольку одного времени экспозиции может быть недостаточно для условий низкого уровня освещенности.

Основная проблема с таким автоматическим управлением заключается в том, что устройство не может “знать”, какой оптимальный компромисс в конкретной ситуации. В некоторой степени это можно смягчить, используя различные режимы работы, указывающие приоритеты пользователя. 

Например, может быть спортивный режим, в котором время экспозиции максимально сокращено, чтобы, например, правильно снимать движущихся игроков, даже если для этого требуются большие диафрагмы, что приводит к уменьшению глубины резкости.

Существуют также режимы работы, в которых пользователь может выбрать определенный размер диафрагмы или фиксированное время экспозиции, а электроника камеры настроит только остальные свободные параметры.

Как правило, такие автоматические элементы управления могут очень упростить использование фотокамер, позволяя создавать изображения приемлемого качества без длительной подготовки, просто используя такие автоматические “камеры наведения и съемки”. 

Опытные фотографы не всегда удовлетворены результатами, полученными таким образом. Они могут использовать режимы работы с уменьшенными автоматическими функциями, основанные на четком понимании важности определенных параметров устройства при определенных условиях.

Применение

Фотокамера — это волшебный инструмент, который открывает двери в мир визуальных историй и эмоций. Она не просто фиксирует моменты, но и превращает их в искусство, позволяя каждому стать рассказчиком своей жизни. Вот несколько уникальных применений фотокамеры:

Эмоциональный архив: Фотокамера помогает создавать личные хроники, где каждый снимок — это не просто изображение, а целая история с эмоциями, чувствами и воспоминаниями. Она позволяет запечатлеть радость, грусть и всё, что между ними.

Социальный активизм: С помощью фотокамеры можно привлекать внимание к важным социальным проблемам. Фотографии, запечатлевающие моменты борьбы за права человека или экологические катастрофы, могут вдохновлять на перемены и побуждать к действию.

Научные открытия: В мире науки фотокамера становится настоящим инструментом для открытия неизведанного. Она помогает фиксировать редкие явления, будь то миграция животных или изменения в экосистемах, предоставляя ценную информацию для исследований.

Кулинарное искусство: В кулинарии фотокамера превращает блюда в настоящие произведения искусства. Красивые снимки еды могут не только вдохновить на готовку, но и привлечь внимание к ресторанам и кулинарным блогам, создавая гастрономические шедевры на экране.

Психологическое исследование: Фотография может служить инструментом в психологии, позволяя людям исследовать свои чувства и переживания. Снимки могут стать частью терапевтического процесса, помогая в самовыражении и осмыслении личных историй.

Культурные хроники: Фотокамера фиксирует уникальные моменты культурной жизни, будь то фестивали, традиции или повседневная жизнь. Она сохраняет наследие и помогает будущим поколениям понять, как жили и что ценили их предки.

Творческое самовыражение: Для многих фотография — это способ самовыражения. С помощью фотокамеры люди могут экспериментировать с цветом, светом и композицией, создавая уникальные визуальные нарративы, которые отражают их индивидуальность.

Фотокамера — это не просто устройство, а ключ к бесконечному миру возможностей, где каждый кадр может стать началом новой истории.