Fotóelmélet: Expozíció

Fénytani alapok

A fény a szemünk által érzékelhető elektromágneses sugárzás, amely fényérzetet hoz létre. A fénytan és a sugárzástan szoros kapcsolatot mutat egymással a mennyiségek és a mértékegységek terén is. Alapvető különbség, hogy előbbi csak az emberi szem számára látható elektromágneses sugárzással foglalkozik. A fény egyik alapvető tulajdonsága a sugárzás frekvenciája, illetve az ebből származó hullámhossza. Ha a fény monokromatikus, tehát egyetlen frekvenciájú sugárzást tartalmaz, akkor a fény hullámhossza és a létrehozott színinger között közvetlen kapcsolat van. Látásunk színektől való függését az ún. láthatósági függvények adják meg. Világos felületeknél a fotopos V(λ), sötét felületek esetében a szkotopos V'(λ) függvényt használjuk. Legrövidebb még érzékelhető hullámhossz 380nm (ibolya), a leghosszabb pedig 750nm (vörös). Kisebb eltérések egyénenként előfordulnak.

láthatósági függvények – CIE által

A görbén látható, hogy szemünk a zöldessárga (555nm) színekre a leginkább érzékeny. Sötétben a piros szín érzékelését részben elveszítjük a kék javára, a maximum pedig a zöldre (507nm) tolódik. Elterjedt az a nézet, amely szerint emiatt van több zöld-szűrős pixel a Bayer típusú színszűrővel ellátott érzékelőkön, azonban az összefüggés nem ennyire közvetlen. Az emberi szemnek a részletfeloldása is színfüggő, valamint azáltal, hogy a zöld szín a látható spektrum közepén van és a színszűrők meredeksége véges, ez a szűrő-elrendezés elősegíti a jobb fényhasznosítást.

A fénytanban és a sugárzástanban a hullámhossz tartomány, a felületek, a szögek és az idő végtelenül kis szeletét vesszük figyelembe az integrálszámítás segítségével. Annak érdekében, hogy ez az írás matematikai előképzettség nélkül is értelmezhető legyen, véges mennyiségekről fogunk beszélni, így a fénytani alapfogalmak mindig átlagos értékeket fognak jelölni. Ez a dolgok megértésén nem változtat, és a valóságban a mérőműszerek is mindig véges felülettel, mérési időtartománnyal stb. rendelkeznek.

A sugárzott teljesítmény megfelelője a fénytanban a fényáram. Jele a Φ, mértékegysége a lumen (lm). Matematikában jártasak számára: a láthatósági függvénnyel súlyozott spektrális sugárzott teljesítmény hullámhossz szerinti integráltja szorozva egy állandóval. Ezt tekinthetjük a kiinduló mennyiségnek a fénytani fogalmak levezetéséhez. A fényforrásoknak a tér minden irányába sugárzott fény-teljesítménye annak fényáramával jellemezhető. Íme néhány jellemző fényforrás fényárama, amely adatokból akár a fényhasznosítása is kiszámolható (lumen/watt):

• normállámpa 100W: 1400lm
• halogén lámpa 100W: 2300lm
• fénycső 36W: 3000lm

A fényforrás által kibocsátott fény általában csak egy adott irányban érdekel bennünket, ezért meg kell ismerkedjünk a síkbeli szög térbeli megfelelőjével, a térszöggel, jele: Ω. Ahogyan a síkban a kör kerületén 1 sugárnyi hosszú ívhez tartozó középponti szöget 1 radiánnak nevezzük, a térben a gömb felületén 1 sugárnégyzetnyi felülethez tartozó középponti szöget 1 szteradiánnak (sr) hívjuk, tehát Ω = A / r², ahol „A” a felület nagysága. A gömb felületének képlete (4πr²) és a térszög definíciója alapján a teljes térszög: 4π sr. A fényerősség nem más, mint adott térszögben sugárzott fényáram, amelynek nyilvánvalóan iránya is van, így csak azzal együtt értelmezhető. Jele: I, mértékegysége a candela (cd), amely SI alap-mértékegység is (nem keverendő össze az objektíveknél használt fényerő fogalommal, ami egy optikai-geometriai viszonyszám). Tehát I = Φ/Ω. A három fogalom összefüggését az alábbi animáción egyszerűbb megérteni:

Amikor a fénysugarak elérik egy tárgy felületét, ott egy adott megvilágítást hoznak létre. Jele: L, mértékegysége: lumen/m² illetve lux (lx). A megvilágítás kiszámításához osztanunk kell a felületet érő fényáramot a vizsgált felülettel. E = Φ/A – ahol „A” a felület nagysága. Ha a felületet távolabb visszük a fényforrástól, akkor az ugyanebben a térszögben (amely a felület felé mutatott) sugárzott fényáram nagyobb felületen oszlik el. A távolság és a felület aránya négyzetes, ezért a távolsággal fordított-négyzetes arányosságban van a megvilágítás. Ez a fénytani távolságtörvény. Néhány természetes fényforrás által létrehozott megvilágítás a földfelszínen:

• nyári Nap délben (a mi szélességi fokunkon): 60000lx
• ugyanez ősszel és tavasszal: 30000lx
• télen: 9000lx
• a Hold teliholdkor: 0,2lx

A felületek világosságát a szemünk (és a fényképezőgép számára) a felület fénysűrűsége határozza meg. A fénysűrűség a vizsgált felület által a tér egy adott irányában, adott térszögben sugárzott fényáram. Jele: L, mértékegysége: cd/m². Kb. 3 cd/m² fénysűrűség felett beszélhetünk fotopos, 0,001 cd/m² alatt szkotopos, a kettő között pedig mezopos látásról. Színeket csak fotopos látás esetén érzékelünk jól. Egy nagyobb felületen tapasztalható legkisebb és legnagyobb fénysűrűségből számítható a fénytani kontraszt: C = ( L_max – L_min ) / L_min és a kontrasztviszony vagy világosságterjedelem: C_v = L_max / L_min

Időben egyenletes megvilágítás esetén a megvilágítás és az idő szorzata a megvilágítottság vagy fénytani expozíció. Jele: H, mértékegysége a lux-szekundum (lx*s). H = E * t ahol t a megvilágítás ideje.

A fénytani mennyiségek szerepe és kapcsolata a fotográfiában

Miután az alap mennyiségeket és a hozzájuk tartozó mértékegységeket megismertük, most már fel tudjuk állítani a logikai sorrendet ezek között, amely egy általános fényképészeti helyzetre jellemző:

Adott:

• (az egyetlen) fényforrás
• (az egyetlen) felület, amelyet lefényképezünk
• fényképezőgép objektívje (pupillája) és fényérzékeny felülete

Expozíció a fotográfiai gyakorlatban, az expozíciós érték

Az expozíció tehát nem más, mint a filmet vagy érzékelőt érő fény mennyisége. A fényképészetben gyakran előfordul, hogy az expozíció ideje alatt nem egyenletes a téma megvilágítása, pl. villanófény esetén. Ezért matematikailag az expozíció az érzékelőt érő megvilágítás időben való integrálása. Ha az idő függvényében ábrázoljuk az érzékelő megvilágítását, az expozíció a görbe alatti területet jelenti. Az alábbi ábrán erre láthatunk példát:

azonos expozíciók – a vonalkázott terület maga az expozíció
felül: nagy megvilágítás, kis expozíciós idő
középen: kis megvilágítás, nagyobb expozíciós idő
alul: villanófény használata kis mértékű folyamatos megvilágítás mellett

Ha feltételezzük, hogy a fényképezendő tárgyról folyamatosan és időben egyenletesen érkezik a fény, akkor az expozíció két tényezőtől függ: a filmet vagy érzékelőt érő megvilágítás, és a megvilágítás hossza (expozíciós idő). Előbbi függ a fényképezett felület fénysűrűségétől és a rekesznyílástól. A témára a fényképezőgép nincs hatással, ezért az expozíciót meghatározó beállításokat a rekeszszámmal és a megvilágítás hosszával jellemezzük. Mivel végtelen olyan kombináció létezik, amely azonos expozíciót eredményez, létrehoztak egy mérőszámot, ami összefogja a két meghatározó mennyiséget. Ezt nevezik expozíciós értéknek, (Exposure Value – EV, LichtWert) – utóbbiból származik a magyar nyelvben a fényérték (Fé) kifejezés is. Annak érdekében, hogy az expozíciós adatokkal, a szükséges korrekciókkal és a több nagyságrend különbségekkel könnyen lehessen számolni, a skálát logaritmikusan alakították ki.

EV = log ₂ ( f# ² / t ) – ahol f# a rekeszszám.

Vizsgáljuk meg a képletet egy kicsit matematikai oldalról, így könnyen megértjük az expozíciós idő, és a rekeszszám összefüggését. Az f/1 és 1s alapadatokhoz a 0EV tartozik, mert 1² / 1 = 1, és 1 bármely alapú logaritmusa 0, hiszen bármely szám 0-adik hatványa 1. Ha az EV0-t tartani akarjuk, de f2.0 rekeszszám mellett, akkor 4s-ra kell emelnünk az expozíciós időt. Ezt viszonossági törvénynek hívják, amelyet az alábbi, az expozíciós érték kiszámítására használható átfogó táblázat is jól illusztrál. A filmek a viszonossági törvénynek kissé ellentmondóan viselkednek, amelyet Schwarzschild-effektusnak neveznek.

az expozíciós értékek meghatározása táblázat segítségével
(a zöld oszlopok és a sárga sorok az egész fényérték ugrásokat jelölik)

Fontos megérteni, hogy bár magyarul fényérték a neve az expozíciós értéknek, önmagában nem jellemzi a fény valamelyik fotometriai mennyiségét, tehát ha pl. azt állítom, hogy 0 EV-vel kell fényképeznem, ez nem utal közvetlenül a téma világosságára (fénysűrűségére). Ahhoz, hogy ez is megtörténjen, definiálni kell a helyes expozíció, majd az érzékenység fogalmát. Mindkettő igen bonyolult kérdéskör, amely a fényméréssel együtt egy önálló írást érdemel meg, de az alapokat (nagyon vázlatos formában) most is lefektethetjük.

Az érzékenység és a helyes expozíció

A helyes expozíció tudatos számtani/fizikai levezetése és az érzékenység definíciója természetesen a filmes technikából származik, amelyet részben a digitális is örökölt. Célszerű tehát ezt áttekinteni akkor is, ha eddig a digitális technikára koncentráltunk. A filmek expozícióra való reakcióját az ún. feketedési görbe határozza meg. Ennek vízszintes tengelyén az expozíció szerepel, lx*s mértékegységben, logaritmikus skálán. Függőlegesen tengelyen a denzitás (D) található, amely az előhívott nyersanyagra ráeső és az átbocsátott fényerősség arányának tízes alapú logaritmusa. A film miatt beszélünk átbocsátásról, papír esetén visszavertet írnánk. Tehát D=0 esetén a film a fény 100%-át átbocsátja, D=1-nél 10%-át, D=2-nél 1%-át, D=3-nál 0.1%-át. Az alábbi ábrán egy jellemző feketedési görbét láthatunk.

példa egy negatív film feketedési görbéjére

A görbének több nevezetes szakasza van, most ezek közül bennünket csak az alsó, ún. fátyol szintje érdekel, és az ebből származtatható ún. küszöb (speed point). A fátyolhoz tartozó expozíció nem hoz létre különbségeket a denzitásban, tehát a részletek elvesznek. Ezt nyilvánvalóan nem engedhetjük meg, hiszen a helyes expozícióval szemben elvárjuk, hogy a különböző világosságú tárgyrészleteknek a képen különböző feketedésű területek feleljenek meg, tehát a fátyol felett kell maradnunk. Ha a fátyolhoz tartozó denzitást 0,1-gyel növeljük, az ehhez tartozó expozíció a küszöbpont, amelyből az érzékenység (S – film speed) közvetlenül számítható.

S _{ISO szerint} = 0,8 / H_küszöb

Az érzékenység skálája a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO) által meghatározott sorozat (a teljesség igénye nélkül): 50, 64, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 640, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 6400 stb. Névleges érzékenységnek a képlet által kiszámítotthoz legközelebb eső, szabványos értéket kell tekinteni, így már látható, hogy a fenti feketedési görbén egy ISO 100-as (DIN 21°) film adatai láthatóak. Az ISO skála alapja az ISO100-as érték, és a mértani sorozatban a 2-vel való szorzás 1EV növekedést jelent. Tehát ha ISO 200 érzékenységen f/2,8 rekesz és 1/60 másodperc (EV9) mellett értünk el helyes expozíciót, akkor ISO400 érzékenységen EV10-re van szükségünk, amely jelentheti pl. a fényrekesz szűkítését f/4-re, az expozíciós idő rövidítését 1/120 másodpercre, vagy akár mindkét paraméter megváltoztatását. Lényeg, hogy a fenti táblázaton az 10-es EV értéket tartalmazó átló mentén maradjunk. Ezek után ha egy adott fényképészeti helyzetben megadjuk a film érzékenységét, és a helyes expozícióhoz szükséges expozíciós értéket, akkor az már valóban a téma világosságára fog utalni. A következő felsorolás ISO 100-as film esetén mutatja meg néhány jellemző helyzetben használatos expozíciós értéket. Az érzékenységet ilyenkor az EV indexébe írják.

• mesterségesen világított utca: 6 EV ₁₀₀
• jól világított iroda: 7-8 EV ₁₀₀
• nappal, nyáron, felhős időben 13 EV ₁₀₀
• nappal, nyáron, tiszta időben 15 EV ₁₀₀

Fentebb már említettük, hogy egy fényképészeti témán megállapítható egy minimális és egy maximális fénysűrűség is, amelyek a világosságterjedelmet (kontrasztviszonyt) is meghatározzák. A helyes expozíciónak nem csak a minimális expozíció küszöbpont felé való emelése a feltétele, hanem az is, hogy a görbe csúcspontja alá essen a legvilágosabb képrészlet expozíciója, és lehetőleg a lineáris szakaszon helyezkedjen el a világosságterjedelem. Ennek hiányában a kép túl világos lesz, és a részletek emiatt vesznek el. Ha a feketedési görbén nem csak a legsötétebb, hanem a legvilágosabb tárgyrészlethez tartozó expozíciót is ábrázoljuk, akkor könnyen szemléltethetjük a két fő expozíciós hibát.

a helyes, az al- és a túlexpozíció grafikus ábrázolása

A két feltétel azonban nem mindig teljesíthető, így néha kompromisszumot kell kötnünk. Nyilvánvaló tehát, hogy a helyesnek vélt expozíció beállítására alapvető hatással van a fénymérés módszere is. A film feketedési görbéjének elemzése választ ad arra is, hogy a negatív film miért tűri olyan jól a beégett képrészleteket. A görbe bár viszonylag rövid szakaszon lineáris, de jó darabig még monoton, tehát emelkedő expozícióhoz emelkedő denzitás tartozik. A képen így a tárgyrészletek világosságának aránya felborul, de a megkülönböztethetőség a teljesen vízszintes szakasz előtt még megmarad.

A filmek érzékenységének digitális megfeleltetése

Digitális fényképezőgépeknél az érzékelő expozíció / kimeneti érték (feszültség) függvénye némi hasonlóságot mutat a filmmel. A kisebb expozíció felé haladva ez is ellaposodik, a nagy expozíció felé viszont a telítődésnél sokszor hirtelen törik le, és a kettő közötti szakasz lineárisabb. A filmes fátyol elektronikus megfelelőjét és a küszöböt számtalan tényező határozza meg: az érzékelő kvantum-hatásfoka (milyen hatásfokkal lesznek a fotonokból elektron-elektronlyuk párok), sötétárama és zaja, az erősítőfokozatok erősítése és zaja, az analóg-digitális átalakítók felbontása, linearitása és zaja, a képfeldolgozó algoritmusok (demosaic, képbeállítások, zajszűrés stb.) és ami az egyik legfontosabb: a kimeneti digitális állomány és a megjelenítő rendszer képességei. Utóbbi alatt nem a termékek minőségét, hanem pl. az alkalmazott színteret (sRGB) kell érteni.

Általánosan úgy lehetne fogalmazni, hogy a digitális fényképezőgépen beállított érzékenység egyenlő annak a filmnek az érzékenységével, amely azonos téma és expozíció mellett olyan világosság-értékeket (minimumhoz és maximumhoz viszonyított arány) hoz létre, mint amelyek az elkészült digitális képben is lesznek. Ez a kijelentés magában hordozza a színtér befolyását is, amely jellemzően az sRGB. A pixeleket érő expozíció és a kimeneti számérték között azonban nincs közvetlen kapcsolat. Az 12232-es számú ISO szabvány számos különböző módszert nyújt a filmek érzékenységének megfelelő „digitális ISO érték” megállapításhoz, alkalmazásuk azonban a gyártókra nézve nem kötelező, így ezek eléggé önkényesen megadott számok. Nem véletlenül a digitális ISO értéknek nincs is egységes megnevezése, hanem mindig feltüntetik, milyen módszerrel kapták azt. Példák:

1. Telítődés alapú, amikor a maximális expozíció (amelynél nagyobb már nem ad más kimeneti értéket) alapján számítják az ISO értéket.
S _{telítődési} = 78 / H _{telítődési}

2. 90%-os visszaverő képességű tesztkártya esetén az érzékelőt érő expozíció 20%-ából (a téma átlagos expozíciójának tekintett érték) számítva:
Expozíciós Index (EI) = 10 / H _átlagos
(megj.: 0,9 x 0,2 = 0,18)

Míg a filmeknél az érzékenység a nyersanyagra vonatkozik, a digitális fényképezőgépeknél egy digitális állományt kapunk, amelyről (a felhasználó szemszögéből) igen keveset tudunk. Az adott expozíció hatására létrejövő kimeneti értékek analóg és digitális erősítéssel is létrejöhetnek. Az utóbbi évek digitális ISO versenyét tapasztalva kijelenthető, hogy sok fényképezőgép esetében a magas érzékenységen készült képek nem elégítik ki a helyes expozíció feltételét, a részletek a zajba és a zajszűrésbe veszve tűnnek el, amely végeredményét tekintve egy rosszul exponált majd utólag korrigált filmes kidolgozással rokon. A szabvány egyik lehetősége, hogy képzaj alapján határozzák meg az érzékenységet, ez azonban érthető okokból nem elterjedt módszer. A gyártók különböző trükköket is bevetnek a minél magasabb ISO értékek érdekében, pl. enyhe alul- vagy túlexpozíciót alkalmaznak, és a görbe nemlineáris szakaszán széthúzzák az értéktartományt. Garantálható, hogy a szabványt szigorúbbá fogják tenni, és finomabb módszereket fognak kidolgozni a zaj és a részlet-visszaadás figyelembevételével.

További gondolatok

Ha a fényérték kifejezést szó szerint visszafordítjuk angolra, a „light value” (LV) szavakat kapjuk, azonban ezzel vigyáznunk kell, mert jelentése nem azonos a magyar fényértékkel, ráadásul nem is egységes az értelmezése. Sokszor valóban a téma átlagos fénysűrűségére utalnak így, ezért kiszámításában az expozíciós érték mellett az érzékenység is szerepet kap. Leggyakoribb értélmezése: az ISO100 érzékenység mellett alkalmazandó EV érték.

Gyakran hangzik el az a felvetés, hogy az emberi szem milyen csodálatos, mert >10¹¹ fénysűrűség-viszony átfogására képes, és ettől a fényképezőgépek mennyire elmaradnak. Szemünk tényleg egy csoda, azonban ez az összehasonlítás félrevezető. A mai digitális fényképezőgépek a 2⁹ .. 2¹³ átfogást és az adott felbontást a teljes lefényképezett felületen, általában egy nagyon rövid idő alatt érik el. A szem bámulatos átfogása viszont az adaptációnak köszönhető, amely három folyamat összessége:

• a pupilla átmérőjének változtatása
• a sokkal érzékenyebb, de színeket nem érzékelő pálcikák használata a csapok helyett
• bizonyos kémiai anyagok (receptor-pigmentek) termelése és bomlása (több perc)

Ezek közül a leggyorsabb reakció is hosszabb, mint amivel egy átlagos fénykép készül, és nélkülük a szemünk egy sokkal kevésbé kifinomult műszer lenne. A pupilla átmérőjének változása is több mint 0,1s időt vesz el. A pálcikák használatával járó színérzékelés-elvesztés megengedhetetlen lenne egy fényképezőgéppel szemben. Két különböző expozíciójú fénykép és megfelelő szoftver felhasználásával a digitális fényképezőgépek is nagyságrendi növekedést tudnak felmutatni a fénysűrűség-átfogás érzékelésének tekintetében.