Departamento de Sistemas Informáticos y …users.dsic.upv.es/~cgarcia/EA/BIBLIOGRAFIA/otros/Tema07.Camara... · Cámara fotográfica Introducción (I) ¿Qué es? Máquina analógica

Cámara fotográfica

Sección de Informática GráficaDepartamento de Sistemas Informáticos y

Computación (DSIC)Universidad Politécnica de Valencia

ÍndiceProyecciones

Conceptos básicosTipificación

Cámara fotográficaObjetivo

Distancia focalFOVPerspectiva

DiafragmaLuminosidadProfundidad de Campo

Óptica de enfoquePelícula

CCD vs CMOSObturadorEfectos combinados

Cámara fotográfica

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

Cámara fotográfica Proyecciones. Conceptos básicos

ProyeccionesConceptos básicosTipificación


Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque

PelículaCCD vs CMOS

ObturadorEfectos combinados

Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (I)

Tipos de proyecciones geométricas planasPerspectivasPerspectivas

Dist(Centro P., Plano P.) ∈ ℜ

Requiere posición centro de proyección

Deformación del tamaño aparente de los objetos = f(Dist.)

ParalelasParalelasDist(Centro P., Plano P.) = ∞

Requiere dirección de proyección

Tamaño aparente de los objetos es constante ≠ f(Dist.)






Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (II)

Plano de proyección

Centro de proyección

Objeto a proyectar

Proyección paralela

Proyección perspectiva

Dirección de

proyección

Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (III)

Perspectivas (Cónicas)Perspectivas (Cónicas)Un, dos y tres puntos de fuga = Nº de ejes reales que cortan el plano de proyección

ParalelasParalelasOrtográficas. Vector director de plano proyección // vector de proyección

Diédricas. Planta, Alzado y Perfil. Vector de proyección paralelo a un vector unitarioAxonométricas. 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 igualesTrimétricas. Ningún ángulo es igualOtras

Oblicuas. Vector director de plano proyección no paralelo al vector de proyecciónCaballera. (45º o 30º). No existe escalado de profundidadCabinet.arctan(1/2) = 63.4º. Existe escalado de profundidadOtras

Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (IV)

Y

X

Z

Alzado

Planta

Perfil

Proyecciones paralelas ortográficas diédricas(Planta, alzado y perfil)

Cámara fotográficaIntroducción (I)

¿Qué es?Máquina analógica de proyección ópticaBasado en el funcionamiento de la cámara oscuraTecnologías:

Electromecánica / Fotoquímica (Analógica)Electrónica / Optoelectrónica (Digital)

Realiza transformaciones analógicas desde el espacio 4D (la realidad) a un espacio 2D (negativo/CCD)

PartesObjetivo: Lentes de aumento y de enfoque, diafragma. Óptico / mecánicoEspejo - Pentaprisma. Opcional. No necesario. Sólo en ReflexObturador o cortinilla

Mecánico (Analógico)Electrónico (Digital)

Plano de proyecciónNegativo fotoquímico (Analógico)CCD / CMOS (Digital)






Cámara fotográfica Introducción (II)

Cámara estenopéicaBasado en el funcionamiento de la cámara oscura

PartesCámara oscura: Estancia completamente cerrada a la luzEstenopo: Agujero practicado en la parte delantera de la

caja. Orificio por donde entra la luz en la estanciaPlano de Proyección: Lugar donde acaban los rayos de luz

rebotados desde el objeto

ProblemasLa imagen

Aparece invertida por la trayectoria que recorren los rayos hasta tropezar con el PP

Muy tenue puesto que el estenopo es muy pequeñoPoco nítida ya que los rayos luminosos continúan

divergiendo desde el estenopo hasta el plano de proyección

Mejora nitidez imagen disminuyendo el tamaño del agujeroProblema: también disminuye su luminosidad

Estenopo


Cámara fotográfica Funcionamiento


Puntos proyectados

Centro de proyección

Objeto a proyectar

Cámara fotográfica Objetivo – Conceptos básicos

Cámara fotográficaSi a una cámara ESTENOPÉICA, se le pone una

lente positiva (convexa), se obtiene una cámara fotográfica convencional

ObjetivoEs 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






Cámara fotográfica Distancia focal

Eje óptico o principalLínea que pasa por los centros de curvatura de las dos caras de

una lente

Foco, punto focal, o foco principalPunto del eje óptico, situado en el plano focal, donde se reúnen

los rayos de luz cuando el objetivo está enfocado al infinito

Plano focalPlano que contiene el punto focal y es perpendicular al eje óptico

Distancia focalDistancia comprendida entre el centro de la lente y el punto focalFotografía

Analógica: mm. Df ojo humano ≈ 35 mmDigital:Aumentos. 1 aumento = 35 mm. Pueden ser ópticos o

digitalesÓptica: Dioptrías. D = 1/Dfm donde D es la dioptría y Dfm es la

distancia focal en metros. Objetivo de 50mm = 1 / 0.050 = 20 dioptrías






Cámara fotográfica FOV (I)

Ángulo de observación de la escenaDepende directamente de la distancia

focalSucede cuando se manipula el zoom del

objetivo o se cambia (focal fija)A mayor distancia focal, menor es el

ángulo de observaciónPara 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)

FoV - Field of Vision (Campo de visión)

Cámara fotográfica FOV (II)

Field of Vision (Campo de visión)

( )zoomFoV 1arctan*2=

π180*radgrad FoVFoV =

57.29002100028.6363460022.9038550014.300783009.5144122006.3138181354.9152231054.010828852.355946501.664362351.327074281.110684240.932594200.8391100180.600911813ZoomFOV (grados)Focal (mm)

Cámara fotográfica 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 imagenDepende directamente de la distancia focal:

A mayor distancia focal, menos perspectivaObjetos parecen achatadosEl tamaño relativo se asemeja al de la realidad

Puede llegar a ser extrema: Ojo de pez

Cámara fotográfica 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 objetivoInicialmente 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 circularEquivalente al iris en el ojo humano






Cámara fotográfica Luminosidad (I)

Cantidad de luz que entra en el interior de la cámaraDepende directamente de la superficie del orificio abierto por el

diafragmaSi 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 = πR2

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

Cámara fotográfica Luminosidad (II)

LUMINOSIDAD, ABERTURA RELATIVA, o NUMERO f/Cociente entre la distancia focal de un objetivo y el diámetro de su abertura efectiva

Donde Df 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 profesionalLa complejidad de su diseño hace que se encarezcan enormemente los objetivos

muy luminososRelación que determina la calidad de un objetivoEquivalente a la pupila en el ojo humanoLas fotos tienen la misma luminosidad con independencia

de la distancia focal del objetivo, siempre que se mantenga el número f

DDf=f

DfD

Lente

Cámara fotográfica 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 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 mitadSi se mantiene la misma distancia focal Df, f = Df/D, D = Df/fSi f pasa de 2 a 2.8, entonces D2 = Df/2 y D2.8 = Df/2.8D = 2R, por lo tanto R = D/2Af=2 = πR2

2 = π(D2/2)2 = π(Df/4)2 = πDf2/16

Af=2.8 = πR2.82 = π(D2.8/2)2 = π(Df/5.6)2 = πDf

2/31.36 ≈ πDf2/32

Af=2 ≈ 2*A2.8

De forma análoga, A2 ≈ 2*A2.8 ≈ 4*A4 ≈ ...≈ 64*A16 ≈ 128*A22

2

Cámara fotográfica Luminosidad (IV)

Cuanto más alejado esté un objeto de la cámaraMenor cantidad de luz llegará al objetivo. Cuadrado de la distanciaCompensar 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

Cámara fotográfica 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 nitidezLos objetos que estén más cerca o más lejos de la

profundidad de campo aparecerán borrosos (desenfocados)

Cámara fotográfica Profundidad de campo (II)

Factores de los que dependeLa 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

Cámara fotográfica Óptica de enfoque

Dependiendo de la óptica de enfoque que se utilice, aparecen dostipos de objetivos

Lejano: TeleCercano: Macro






Cámara fotográfica Película (I)

Es la parte de la cámara encargada de recoger la luz en el momento de realizar la fotografíaSe mide en grados ASA/ISO/DINVarían desde ASA 25 hasta ASA 3200, siendo los más habituales enlas grandes superficies, ASA 100, 200 y 400Cada número es el doble de sensible que el anterior. Es decir, necesita la mitad de tiempo para obtener una imagen con la misma luminosidadPermite determinar la rapidez de impresión de la películaSuelen venderse en rollos de 12-24-36 fotogramas (analógica) o tarjetas de memoria entre 32MB y 1GB (digital)

f/11 - f/81/125 - 1/250400x4

f/81/125200x2

f/81/60100 1

f/8 – f/5.61/30 – 1/6050 ½

DIAFRAGMAVELOCIDADASAFACTOR






Cámara fotográfica 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 constanteEn 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 logarítmicaTabla de conversión entre ASA/ISO y DINPuede ser negativa (negativo) o positiva (diapositivas) o directamente papel (Polaroid o fotografía)

grandealta800 o superiornormalnormal100-400

finolentas64 o inferior

GranoTipo de películaASA

ASA .. 25 32 40 50 64 80 100 125 160 200 250 320 400 500 640 800 1000 1200 1600.. DIN .. 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 ..

Cámara fotográfica Película (III)

Razón de aspectoAnálogo al tamaño de las fotografías, indica la proporción entre anchura y altura del la superficie del negativo impresionadoExisten varias medidas normalizadasCine mudo. T.V. Razón de aspecto 4:3HDTV. 16:9

Cámara fotográfica Película (IV)

Cine 1.85:1 y 2.35:1

Cámara fotográfica Película (V)

CCD / CMOSAcumulan carga =f(intensidad de iluminación)Emplean misma tecnología de sensorizaciónCoste I+D de desarrollo equivalentes (Sistema)Existen en muchos tipos de modelos. Se clasifican en función de

ResoluciónSensibilidadTamaño de píxelRelación de aspectoFrecuencia de captura de imagenPrecio






Cámara fotográfica Película (VI)

CCDSólo contiene sensorizaciónSe produce en lugar físico ≠ procesadoDigitalización es externa al CCD y se produce píxel a píxelSerialización explícita debido a limitación nº pines externos microchip

Cámara fotográfica Película (VII)

CMOSDigitalización de carga en el mismo píxelSensor y circuitería en el mismo sustratoDigitalización es interna al CMOS y se produce en paralelo por líneas completas

Cámara fotográfica Película (VIII)

CCD vs CMOSComparativa

Versátil. Tamaño como frecuencia de refresco. HW

Limitada. SWVentana

AltaMediaVelocidad de captura

Chip comunicaciones, sensor CMOS y lente

Varios circuitos externos de apoyo, comunicaciones, lentes y sensor CCD

Componentes de la cámara

AltaBajaComplejidad del sensor

BajaAltaComplejidad de sistema

ModeradaAltaDensidad de píxel. Nº píxeles/área de microchip

Tipo de señal: Interna (chip)Externa (chip)Externa (Cámara)

VoltajeDigitalDigital

Paquete de cargaVoltajeDigital

CMOSCCD

Cámara fotográfica Película (IX)

CCD vs CMOSComparativa

Alto. Circuitería adicionalBajo. Poco circuitería extra + barato

Bajo. Sólo sensorAlto. Mucha circuitería adicional + caro

Consumo global ChipSistema

Alta. Mejor en condiciones ultraduras. Menos componentes y conexiones

AltaFiabilidad en entornos duros

AltoAlto a ningunoAntiBlooming. Sobre exposición local no afecta resto de imagen

Blancos. Equiparable. InferiorNegros. Peor

MayorUniformidad. Variación de la intensidad registrada por cada píxel

Mucho ruido eléctrico, inducción, etcde circuitos en chip

2*RDCMOS

Sensor no posee circuiteríaRango DinámicoSaturación / Ruido

Sensibilidad. Intensidad Registrada / Intensidad luminosa incidida

Ligeramente superior a CCDAmplificador situado en sensor

Normal

CMOSCCD

Cámara fotográfica Película (X)

CCD vs CMOSFoveon X3

Cámara fotográfica Obturador (I)

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 laminillasPlanofocal

Diafragma

Obturador






Cámara fotográficaObturador (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

Cámara fotográfica Obturador (III)

1/12501/10001/500

1/10001/5001/250

1/5001/2501/125

7.5m15m30m

90 a 180Carreras de coches MotosAvionesTrenes

1/10001/5001/250

1/5001/2501/125

1/2501/1251/60

7.5m15m30m

30 a 90

Pájaros en vueloCarreras ciclistas/caballosLanchas a motorEsquiadoresAtletismoCoches, Trenes

1/5001/2501/125

1/2501/1251/60

1/1251/601/30

7.5m15m30m

15 a 30Carreras, patinajeCaballos al GalopeVeleros

1/2501/1501/60

1/1251/601/30

1/601/301/15

7.5m15m30m

5 a 15

Árboles muy movidosGente a paso rápidoo corriendoCiclistas de paseoCaballos al troteBarcos

1/1251/601/30

1/601/301/15

1/301/151/5

7.5m15m30m

3 a 5

Árboles moviéndoseGente paseandoCaballos al pasoBotes a remo

PerpendicularA 45ºDe Frente

Dirección con respecto a la cámaraDistancia al Sujeto

Velocidaden Km./hSujeto

Cámara fotográfica Obturador (IV)

CCD vs CMOSElectronic Rolling Shutter (ERS). Sólo CMOSElectronic Frame / Global Shutter (EFS ó EGS). CMOS y CCD

Cámara fotográfica Efectos combinados (I)

Obturador-DiafragmaLa luminosidad de la fotografía viene determinada por

La intensidad luminosa, que controla el diafragmaEl tiempo de exposición, regulado por el obturador

Por cada punto que se suba el diafragma, hay que aumentar uno el obturador. Linealmente dependientesEfecto secundario

Cambio de profundidad de campo. DesenfoquesTiempo de exposición. Objetos corridos






Cámara fotográfica Efectos combinados (II)

Tabla comparativaLas flechas indican si el resultado sube o baja cuando sube parámetro

↑Distancia enfoque

↓--↓*↑Distancia al blanco

--↓↑-ISO

---↓-Velocidad Obturación

↓↓-↓*↓Longitud Focal

---↓↑fPerspectivaFoVResoluciónLuminosidadProfundidad de campo

* Si se enfoca a objetos alejados. Atenuación atmosférica. I=f(1/d2)

Documents

Departamento de Sistemas Informáticos y …users.dsic.upv.es/~cgarcia/EA/BIBLIOGRAFIA/otros/Tema07.Camara... · Cámara fotográfica Introducción (I) ¿Qué es? Máquina analógica