Cámara fotográfica. Sección de Informática Gráfica. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación (DSIC) Universidad Politécnica de Valencia

Transcripción

1 Sección de Informática Gráfica Departamento de Sistemas Informáticos y Computación (DSIC) Universidad Politécnica de Valencia

2 Índice Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal FOV Perspectiva Diafragma Luminosidad Profundidad de Campo Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados

3 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Proyecciones. Conceptos básicos Proyección: transformación de sist. coord. N dimensiones en M / M<N Centro de proyección: punto del espacio del que emergen los haces de proyección Haces de proyección: líneas rectas que parten del centro de proyección y acaban en los puntos a proyectar. Intersecciona al plano de proyección Plano de proyección: Espacio 2D sobre el que interseccionan los rayos de proyección. Se encuentra entre el centro de proyección y el punto a proyectar. Contiene los puntos proyectados Puntos proyectados: Puntos obtenidos al interseccionar el plano de proyección y el haz de proyección

4 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Proyecciones. Tipificación (I) Tipos de proyecciones geométricas planas Perspectivas Dist(Centro P., Plano P.) R Requiere posición centro de proyección Deformación del tamaño aparente de los objetos = f(dist.) Paralelas Dist(Centro P., Plano P.) = Requiere dirección de proyección Tamaño aparente de los objetos es constante f(dist.)

5 Proyecciones. Tipificación (II) Proyección perspectiva Objeto a proyectar Proyección paralela Plano de proyección Dirección de proyección Centro de proyección

6 Proyecciones. Tipificación (III) Perspectivas (Cónicas) Un, dos y tres puntos de fuga = Nº de ejes reales que cortan el plano de proyección Paralelas Ortográficas. Vector director de plano proyección // vector de proyección Diédricas. Planta, Alzado y Perfil. Vector de proyección paralelo a un vector unitario Axonométricas. Un vector de proyección no es paralelo a un vector unitario Isométricas. Proyección de vectores unitarios forman ángulos iguales (120º). Vector Dtor. Plano Proy. = (-1,-1,-1) Dimétricas. Dos ángulos son iguales Trimétricas. Ningún ángulo es igual Otras Oblicuas. Vector director de plano proyección no paralelo al vector de proyección Caballera. (45º o 30º). No existe escalado de profundidad Cabinet.arctan(1/2) = 63.4º. Existe escalado de profundidad Otras

7 Proyecciones. Tipificación (IV) Proyecciones paralelas ortográficas diédricas (Planta, alzado y perfil) Planta Perfil Y Z Alzado X

8 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Introducción (I) Qué es? Máquina analógica de proyección óptica Basado en el funcionamiento de la cámara oscura Tecnologías: Electromecánica / Fotoquímica (Analógica) Electrónica / Optoelectrónica (Digital) Realiza transformaciones analógicas desde el espacio 4D (la realidad) a un espacio 2D (negativo/ccd) Partes Objetivo: Lentes de aumento y de enfoque, diafragma. Óptico / mecánico Espejo - Pentaprisma. Opcional. No necesario. Sólo en Reflex Obturador o cortinilla Mecánico (Analógico) Electrónico (Digital) Plano de proyección Negativo fotoquímico (Analógico) CCD / CMOS (Digital)

9 Introducción (II) Cámara estenopéica Basado en el funcionamiento de la cámara oscura Partes Cámara oscura: Estancia completamente cerrada a la luz Estenopo: Agujero practicado en la parte delantera de la caja. Orificio por donde entra la luz en la estancia Plano de Proyección: Lugar donde acaban los rayos de luz rebotados desde el objeto Problemas La imagen Aparece invertida por la trayectoria que recorren los rayos hasta tropezar con el PP Muy tenue puesto que el estenopo es muy pequeño Poco nítida ya que los rayos luminosos continúan divergiendo desde el estenopo hasta el plano de proyección Mejora nitidez imagen disminuyendo el tamaño del agujero Problema: también disminuye su luminosidad Estenopo Plano de proyección

10 Funcionamiento Objeto a proyectar Puntos proyectados Centro de proyección Plano de proyección

11 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Objetivo Conceptos básicos Si a una cámara ESTENOPÉICA, se le pone una lente positiva (convexa), se obtiene una cámara fotográfica convencional Objetivo Es la lente, o conjunto de lentes, por las que penetra la luz en un instrumento óptico (microscopio, telescopio, cámara fotográfica, etc.) Los objetivos fotográficos actuales están compuestos por muchos tipos de lentes Pueden llegar a tener desde una sólo (cámaras de usar y tirar) hasta 15 unidas en varios grupos Su comportamiento, en conjunto, viene a ser el de una lente positiva simple de altas prestaciones Equivalente al cristalino en el ojo humano

12 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Eje óptico o principal Línea que pasa por los centros de curvatura de las dos caras de una lente Foco, punto focal, o foco principal Punto del eje óptico, situado en el plano focal, donde se reúnen los rayos de luz cuando el objetivo está enfocado al infinito Plano focal Plano que contiene el punto focal y es perpendicular al eje óptico Distancia focal Distancia comprendida entre el centro de la lente y el punto focal Fotografía Analógica: mm. D f ojo humano 35 mm Digital:Aumentos. 1 aumento = 35 mm. Pueden ser ópticos o digitales Óptica: Dioptrías. D = 1/D fm donde D es la dioptría y D fm es la distancia focal en metros. Objetivo de 50mm = 1 / = 20 dioptrías Distancia focal

13 FOV (I) FoV - Field of Vision (Campo de visión) Ángulo de observación de la escena Depende directamente de la distancia focal Sucede cuando se manipula el zoom del objetivo o se cambia (focal fija) A mayor distancia focal, menor es el ángulo de observación Para ver la misma escena hay que alejarse más. Observarla desde más lejos Si se mantiene la misma posición de cámara se observa menos escena Efecto de acercamiento virtual (prismáticos o telescopio)

14 FOV (II) Field of Vision (Campo de visión) ( ) FoV = 2*arctan 1 zoom FoV grad = FoV rad * 180 π Focal (mm) FOV (grados) Zoom

15 Perspectiva Deformación del tamaño aparente de los objetos en función de la distancia a la que se encuentren respecto de la cámara Sin efecto perspectiva, aparece un achatamiento de la imagen Depende directamente de la distancia focal: A mayor distancia focal, menos perspectiva Objetos parecen achatados El tamaño relativo se asemeja al de la realidad Puede llegar a ser extrema: Ojo de pez

16 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Diafragma El mecanismo que regula la intensidad de la luz que entra a través del objetivo en el interior de una cámara se denomina DIAFRAGMA Actúa estrechando el cono de luz que penetra por el objetivo Inicialmente se empleaban simples láminas taladradas con agujeros de distinto diámetro, independientes, o agrupadas en un tambor o disco giratorio Hoy en día todas las cámaras de calidad van equipadas con un DIAFRAGMA DE IRIS Formado por un conjunto de laminillas, situadas en el interior del objetivo, que se cierran formando un abertura poligonal más o menos circular Equivalente al iris en el ojo humano

17 Luminosidad (I) Cantidad de luz que entra en el interior de la cámara Depende directamente de la superficie del orificio abierto por el diafragma Si se reduce el diámetro del diafragma a la mitad, la luminosidad se reduce, no a la mitad, sino a la cuarta parte, ya que A = πr 2 La luminosidad de la imagen conseguida con un objetivo, depende principalmente de dos factores: 1. La distancia entre el objetivo y la imagen proyectada. Depende de la distancia focal del objetivo 2. El diámetro del haz de luz que penetra por el objetivo. Depende de su diseño y construcción Al diámetro del haz de luz que penetra por el objetivo con el diafragma totalmente abierto se le llama abertura efectiva Relacionando la abertura efectiva y la distancia focal, se define la luminosidad de un objetivo

18 Luminosidad (II) LUMINOSIDAD, ABERTURA RELATIVA, o NUMERO f/ Cociente entre la distancia focal de un objetivo y el diámetro de su abertura efectiva D f f = D Donde D f es la Distancia focal del objetivo y D el diámetro de la abertura efectiva en ese instante del diafragma La luminosidad de un objetivo es fundamental en fotografía profesional La complejidad de su diseño hace que se encarezcan enormemente los objetivos muy luminosos Relación que determina la calidad de un objetivo Equivalente a la pupila en el ojo humano Las fotos tienen la misma luminosidad con independencia D f de la distancia focal del objetivo, siempre que se D mantenga el número f Lente

19 Luminosidad (III) Los valores de f están normalizados: 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22. A cada valor, se le denomina un punto Estos valores siguen una progresión geométrica de razón 2 Al aumentar f en un punto, la cantidad de luz se reduce a la mitad ya que la superficie de entrada de luz se reduce a la mitad Si se mantiene la misma distancia focal D f, f = D f /D, D = D f /f Si f pasa de 2 a 2.8, entonces D 2 = D f /2 y D 2.8 = D f /2.8 D = 2R, por lo tanto R = D/2 A f=2 = πr 2 = 2 π(d 2 /2) 2 = π(d f /4) 2 = πd f2 /16 A f=2.8 = πr 2 = 2.8 π(d 2.8 /2) 2 = π(d f /5.6) 2 = πd f2 /31.36 πd f2 /32 A f=2 2*A 2.8 De forma análoga, A 2 2*A 2.8 4*A *A16 128*A 22

20 Luminosidad (IV) Cuanto más alejado esté un objeto de la cámara Menor cantidad de luz llegará al objetivo. Cuadrado de la distancia Compensar empleando objetivos de mayor luminosidad (f menor) Como consecuencia de los dos efectos anteriores, menor profundidad de campo Compensación pérdida de luminosidad utilizar negativo de mayor sensibilidad mayor tamaño de grano menor resolución de imagen

21 Profundidad de campo (I) Profundidad de campo Distancia comprendida entre los puntos más próximos y más lejanos a la cámara que pueden ser reproducidos en la película con un enfoque aceptable. Observación enfocada Es la zona limitada del espacio que se extiende por delante y por detrás del punto enfocado Los motivos situados en este área, se reproducirán con nitidez Los objetos que estén más cerca o más lejos de la profundidad de campo aparecerán borrosos (desenfocados)

22 Profundidad de campo (II) Factores de los que depende La profundidad de campo disminuye 1. Cuanto más cerca esté el objeto de la cámara 2. Cuanto mayor sea la distancia focal del objetivo 3. Cuanto mayor sea la abertura del diafragma, menor nº f

23 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Óptica de enfoque Dependiendo de la óptica de enfoque que se utilice, aparecen dos tipos de objetivos Lejano: Tele Cercano: Macro

24 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Es la parte de la cámara encargada de recoger la luz en el momento de realizar la fotografía Se mide en grados ASA/ISO/DIN Varían desde ASA 25 hasta ASA 3200, siendo los más habituales en las grandes superficies, ASA 100, 200 y 400 Cada número es el doble de sensible que el anterior. Es decir, necesita la mitad de tiempo para obtener una imagen con la misma luminosidad Permite determinar la rapidez de impresión de la película Suelen venderse en rollos de fotogramas (analógica) o tarjetas de memoria entre 32MB y 1GB (digital) Película (I) FACTOR ASA VELOCIDAD DIAFRAGMA ½ 50 1/30 1/60 f/8 f/ /60 f/8 x /125 f/8 x /125-1/250 f/11 - f/8

25 Película (II) + sensibilidad = + tamaño de los cristales fotosensibles + tamaño del punto = + grano = - resolución de imagen. Por qué? Tamaño del negativo (35mm-60mm) o del CCD (1/4 a 1 ) siempre constante En fotografía digital, sensibilidad regulada electrónicamente o mediante integración de grupos de píxels (reducción de resolución) Escala de crecimiento ASA/ISO es aritmética, mientras que DIN es logarítmica Tabla de conversión entre ASA/ISO y DIN Puede ser negativa (negativo) o positiva (diapositivas) o directamente papel (Polaroid o fotografía) ASA DIN ASA 64 o inferior o superior Tipo de película lentas normal alta Grano fino normal grande

26 Razón de aspecto Análogo al tamaño de las fotografías, indica la proporción entre anchura y altura del la superficie del negativo impresionado Existen varias medidas normalizadas Cine mudo. T.V. Razón de aspecto 4:3 HDTV. 16:9 Película (III)

27 Cine 1.85:1 y 2.35:1 Película (IV)

28 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados CCD / CMOS Acumulan carga =f(intensidad de iluminación) Emplean misma tecnología de sensorización Coste I+D de desarrollo equivalentes (Sistema) Existen en muchos tipos de modelos. Se clasifican en función de Resolución Sensibilidad Tamaño de píxel Relación de aspecto Frecuencia de captura de imagen Precio Película (V)

29 Película (VI) CCD Sólo contiene sensorización Se produce en lugar físico procesado Digitalización es externa al CCD y se produce píxel a píxel Serialización explícita debido a limitación nº pines externos microchip

30 Película (VII) CMOS Digitalización de carga en el mismo píxel Sensor y circuitería en el mismo sustrato Digitalización es interna al CMOS y se produce en paralelo por líneas completas

31 Película (VIII) CCD vs CMOS Comparativa Tipo de señal: Interna (chip) Externa (chip) Externa (Cámara) Densidad de píxel. Nº píxeles/área de microchip Complejidad de sistema Complejidad del sensor Componentes de la cámara Velocidad de captura Ventana CCD Paquete de carga Voltaje Digital Alta Alta Baja Varios circuitos externos de apoyo, comunicaciones, lentes y sensor CCD Media Limitada. SW CMOS Voltaje Digital Digital Moderada Baja Alta Chip comunicaciones, sensor CMOS y lente Alta Versátil. Tamaño como frecuencia de refresco. HW

32 Película (IX) CCD vs CMOS Comparativa Sensibilidad. Intensidad Registrada / Intensidad luminosa incidida Rango Dinámico Saturación / Ruido Uniformidad. Variación de la intensidad registrada por cada píxel AntiBlooming. Sobre exposición local no afecta resto de imagen Fiabilidad en entornos duros Consumo global Chip Sistema CCD Normal 2*RD CMOS Sensor no posee circuitería Mayor Alto a ninguno Alta Bajo. Sólo sensor Alto. Mucha circuitería adicional + caro CMOS Ligeramente superior a CCD Amplificador situado en sensor Mucho ruido eléctrico, inducción, etc de circuitos en chip Blancos. Equiparable. Inferior Negros. Peor Alto Alta. Mejor en condiciones ultraduras. Menos componentes y conexiones Alto. Circuitería adicional Bajo. Poco circuitería extra + barato

33 CCD vs CMOS Foveon X3 Película (X)

34 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Controlan directamente el tiempo de exposición del negativo a la luz exterior Evolución pareja a la de las emulsiones sensibles: 1. Las primeras emulsiones eran tan lentas, que el tiempo de exposición podía controlarse cortando la luz con una simple gorra o con la tapa del objetivo 2. Aumentó de rapidez de películas, disminución de tiempos de exposición. Creación de obturadores cada vez más rápidos. Empleo de resortes y laminillas con mecanismos complejos, similares a los de relojería 3. Cámaras modernas están controlados por osciladores electrónicos de cuarzo / niobato de litio Cámaras actuales: Central o de laminillas Planofocal Obturador (I) Obturador Diafragma

35 Obturador (II) Dependiendo de la velocidad de obturación, se pueden obtener diferentes efectos en la fotografía: Lenta. > 1/10. Pulso puede mover la fotografía. Necesidad de trípode Media. 1/20-1/60. Objetos rápidos salen corridos Alta. <1/100. Objetos congelados

36 Obturador (III) Sujeto Velocidad en Km./h Distancia al Sujeto Dirección con respecto a la cámara De Frente A 45º Perpendicular Árboles moviéndose Gente paseando Caballos al paso Botes a remo 3 a 5 7.5m 15m 30m 1/30 1/15 1/5 1/60 1/30 1/15 1/125 1/60 1/30 Árboles muy movidos Gente a paso rápido o corriendo Ciclistas de paseo Caballos al trote Barcos 5 a m 15m 30m 1/60 1/30 1/15 1/125 1/60 1/30 1/250 1/150 1/60 Carreras, patinaje Caballos al Galope Veleros 15 a m 15m 30m 1/125 1/60 1/30 1/250 1/125 1/60 1/500 1/250 1/125 Pájaros en vuelo Carreras ciclistas/caballos Lanchas a motor Esquiadores Atletismo Coches, Trenes 30 a m 15m 30m 1/250 1/125 1/60 1/500 1/250 1/125 1/1000 1/500 1/250 Carreras de coches Motos Aviones Trenes 90 a m 15m 30m 1/500 1/250 1/125 1/1000 1/500 1/250 1/1250 1/1000 1/500

37 CCD vs CMOS Electronic Rolling Shutter (ERS). Sólo CMOS Electronic Frame / Global Shutter (EFS ó EGS). CMOS y CCD Obturador (IV)

38 Proyecciones Conceptos básicos Tipificación Objetivo Distancia focal Diafragma Óptica de enfoque Película CCD vs CMOS Obturador Efectos combinados Efectos combinados (I) Obturador-Diafragma La luminosidad de la fotografía viene determinada por La intensidad luminosa, que controla el diafragma El tiempo de exposición, regulado por el obturador Por cada punto que se suba el diafragma, hay que aumentar uno el obturador. Linealmente dependientes Efecto secundario Cambio de profundidad de campo. Desenfoques Tiempo de exposición. Objetos corridos

39 Efectos combinados (II) Tabla comparativa Las flechas indican si el resultado sube o baja cuando sube parámetro Profundidad de campo Luminosidad Resolución FoV Perspectiva f Longitud Focal * - Velocidad Obturación ISO Distancia al blanco * - - Distancia enfoque * Si se enfoca a objetos alejados. Atenuación atmosférica. I=f(1/d 2 )