Slutaren är bara en av flera viktiga kamerakomponenter som används för att utöva större kontroll över utseendet på dina videobilder. Börja vår utforskning med en diskussion om fördelarna som slutaren ger oss. Innan vi öppnar en videokamera för att ta en titt på hur höghastighetsslutaren fungerar, låt oss dock se över den mer allmänna funktionen hos alla slutare.
En kamerans slutare styr hur länge ljus tillåts komma in i linsen. Den andra stora exponeringskontrollen på vilken kamera som helst (stillbild eller video) är dess iris, som påverkar "utrymmet" genom vilket ljus måste passera, så vår diskussion idag kommer att handla om rum och tid. Oroa dig inte, det är inte raketvetenskap. Allt du egentligen behöver är att förstå några enkla termer och relationer.
Enkelt uttryckt samverkar slutaren och irisen för att kontrollera mängden ljus som kommer in i en videokameras lins. Slutaren styr varaktigheten av exponeringen av ljus för CCD (Charge Coupled Device). Iris styr storleken på öppningen genom vilken ljuset tillåts komma in i linsen. Även om detta är enkelt nog, påverkar var och en den slutliga bilden:var och en ger oss kontroll över utseendet och känslan av våra videobilder.
Utöka ditt fokus
Iris i en videokamera fungerar ungefär som iris i ditt öga. Om ljuset är starkt stängs irisen i ditt öga, vilket gör öppningen genom vilken ljus passerar mindre, så att ljuset inte gör dig blind. I svagt ljus "vidgas" iris i ditt öga och öppnas brett för att tillåta mer ljus att komma in. Detsamma gäller för videokamerans automatiska exponeringssystem. Det underbara med iris är att den låter dig styra skärpedjupet i dina bilder. I svagt ljus öppnas din videokamerors iris. I starkt ljus stängs den. Men när öppningen blir mindre ökar skärpedjupet, eller omfånget som är i skarpt fokus. Faktum är att om iris är stängd tillräckligt långt behöver du inte ens en lins för att fokusera bilden. Hela världen hamnar i skarpt fokus när öppningen är extremt liten.
Den första kameran, camera obscura, hade inte objektiv, slutare eller ens film. Långt innan någon tänkt på sådana saker, märkte de gamla att när ljus passerade genom en liten öppning in i ett mörkt rum, projicerades en bild vid den punkt där ljuset träffade väggen eller golvet. Med lite experiment upptäckte man att ju mindre hål som ljuset passerade, desto skarpare blev bilden. Detta resulterade i utvecklingen av camera obscura, som använder ett litet hål (och i senare versioner, en lins) i väggen i ett mörkt rum eller låda, för att projicera bilder på en rityta där de skulle spåras, vilket ger mycket exakta och detaljerade ritningar.
Pinhole-kameran är ett modernare exempel på samma tillvägagångssätt för bildbehandling. Allt du behöver är en skokartong, en nål och lite film. Om du vill veta mer om pinhole-fotografering kan du hitta massor av information på webben.
Problemet med nålhålet
Medan ett litet hål istället för ett objektiv kan producera bilder som är skarpt fokuserade från nästan objektivets yta till oändligheten, har det en stor nackdel. Det lilla hålet klarar inte mycket ljus. För att få mer ljus skulle man kunna göra hålet större, men då försvinner skärpan i bilden. Genom att använda en lins i stället för nålhålet kan du samla ljus över hela linsens yta, och ändå få en bild som är i fokus vid CCD:n eller filmen.
Objektivet tillåter mer ljus att komma in i kameran, men området som kommer att vara i skarpt fokus reduceras. Ju större i diameter du gör linsen, desto värre blir problemet. Med linser med mycket stor diameter kan området i fokus, eller skärpedjupet som det kallas, reduceras till en bråkdel av en tum. En annan faktor som påverkar skärpedjupet är linsens brännvidd, eller förstoring. Teleobjektiv ger ett grunt fält, medan vidvinkelobjektiv ger ett djupare fält.
Gå in i Iris
Om du gör ditt objektiv tillräckligt stort för att leverera kvalitetsbilder i svagt ljus behöver du ett sätt att minska mängden ljus som kommer in i kameran under ljusare förhållanden. När ljuset är för starkt används iris för att maskera en del av linsen (se figur 1). Detta tillåter inte bara fotografen eller videografen att justera mängden ljus som kommer in i linsen, utan låter honom också justera skärpedjupet och därmed kontrollera de delar av bilderna som är i fokus och de delar som inte är . Genom att noggrant välja irisinställningen kan du fokusera skarpt på en del av ramen, samtidigt som du kastar andra element ur fokus, vilket ger dina bilder ett tredimensionellt utseende som inte kan uppnås på annat sätt.
Irisen hjälper till att kontrollera utrymmet i bilden som är i fokus. Linsens fokus bestämmer platsen för det utrymmet, och iris styr dess djup. Så mycket för "rymden", men hur är det med tiden? Den tid under vilken CCD:n tillåts samla ljus påverkar också den totala exponeringen. Om du till exempel släpper in hälften så mycket ljus genom att minska irisöppningen kan du fortfarande få samma exponering genom att låta ljuset komma in i kameran dubbelt så länge.
Gå in i slutaren
För att kontrollera hur lång tid dess film eller sensor exponeras för ljus använder kameror någon form av slutare. I den enkla pinhole-kameran är slutaren en bit mörkt papper, eller annat ogenomskinligt material, som öppnas och stängs för hand för att tajma exponeringen. Detta fungerar bra för mycket långa exponeringstider, eftersom du helt enkelt kan kontrollera din klocka eller räkna sekunderna. Men moderna filmemulsioner och CCD:er kan exponeras på små bråkdelar av en sekund, så vi behöver något lite mer sofistikerat än en enkel bit svart konstruktionspapper för att kontrollera våra exponeringstider. Genom att tillåta ett brett spektrum av exakta exponeringstider, samverkar kamerans slutare med iris för att ge dig fullständig kontroll över tiden och rummet för din bild.
Många videokameror har slutare som stöder exponeringstider så långsamt som flera sekunder ner till så snabbt som 1/10 000-dels sekund. De långsammare (långvariga) slutartiderna gör att du kan använda en liten irisinställning för att få större skärpedjup samtidigt som du får mycket ljus till filmen. Du kan dock ha problem om kameran eller motivet rör sig under exponeringen. Allt som rör sig blir suddigt i den slutliga bilden, och om kameran rör sig blir hela bilden suddig. Naturligtvis kan denna suddighet användas för effekt, vilket ofta ses på stillbilder av vattenfall, där långa exponeringstider används för att ge bilderna ett mer drömmande och idealistiskt utseende. Högre slutartider (kort varaktighet) gör att du kan använda en större irisöppning, även i starkt ljus, vilket minskar skärpedjupet och ger det snygga 3D-utseendet som illustreras tidigare (se figur 2). Dessutom tillåter höga slutartider att bilder tas när motivet är i rörelse, utan att motivet verkar suddigt. Slutaren kan öppnas och stängas så snabbt att motivets position knappt ändras alls, och en perfekt skarp stillbild av ett snabbt rörligt motiv är möjlig om slutaren är tillräckligt snabb.
Slutarna i de flesta stillbildskameror är mekaniska föremål som öppnas för att släppa in ljus en stund och sedan stängas igen. Vissa slutare sveper snabbt över filmen och andra sitter i själva linsen, men tanken är alltid densamma. Öppna kort och stäng sedan snabbt igen, precis vid rätt tidpunkt. Mekaniska luckor har dock massa, och den massan begränsar hastigheten med vilken de kan öppnas och stängas. Detta begränsar i allmänhet den maximala slutartiden (eller minsta exponeringstid) till något runt 1/8000-dels sekund på stillbildskameror.
Vissa stillbildskameror kommer bort från massproblemet genom att använda elektroniska slutare. För denna lilla bit av teknomagi används två polariserade linser. En polariserad lins släpper igenom ljus som är polariserat i en riktning samtidigt som det blockerar ljus med annan polarisation. Om du sätter ihop två polariserade linser, orienterade så att de båda passerar ljus med samma polarisation, kommer ljus som passerar genom den första linsen också att passera genom den andra linsen. Men om du vrider en av linserna så att dess polaritet är motsatt den andra, kommer den första linsen att passera ljus som har fel polaritet för den andra, och inget ljus kommer att passera genom linsparet alls. Du skulle därför kunna göra en slutare av två polariserande filter som kunde "öppnas och stängas" genom att helt enkelt vrida en av linserna. Ännu bättre, det är möjligt att bygga ett polariserande filter som vänder sin polarisering när en elektrisk signal appliceras, så att du kan designa en slutare som inte rör sig alls. Du ändrar helt enkelt en spänning för att öppna och stänga slutaren. Kameror med denna typ av slutarsystem gör inte de klickande ljuden som kameror med mekaniska slutare gör, och deras slutare kan öppnas och stängas igen på 1/10 000 sekund eller mindre. Så här höga slutartider kan stoppa rörelsen hos en golfsving eller en bil som rusar och producera kristallklara bilder av snabb action, perfekt fryst i tiden.
Med tillkomsten av Charge Coupled Device, eller CCD, blir allt detta mekaniska och elektrooptiska stök onödigt. Själva CCD:n fungerar som en virtuell elektronisk slutare som kan öppnas och stängas lika snabbt som en elektronisk signal som kan slås på och av, utan några extra delar och mycket lite extra komplexitet. Istället för att använda en fysisk slutare för att kontrollera exponeringstiden, kasserar den moderna CCD-baserade videokameran helt enkelt ljuset som träffar dess yta, vilket simulerar en sluten slutare. För att öppna den virtuella slutaren tillåts CCD:n börja samla ljusenergi. När det är dags att sluta samla in ljuset stoppas CCD:n helt enkelt och den virtuella slutaren stängs. Så en av de överraskande sakerna vi kan hitta när vi tittar på slutaren i våra videokameror är att det inte finns någon.
Ingen slutare alls?
Det stämmer. Den moderna videokameran har egentligen ingenting som du kan identifiera som en slutare. Istället, vid den tidpunkt då en mekanisk slutare skulle stänga, görs CCD helt enkelt okänsligt för ljus. Låt oss ta en närmare titt på själva CCD och se hur detta åstadkoms.
Inuti CCD finns ett stort antal "celler" som är känsliga för ljus. Pixelantalet för en CCD talar om hur många celler CCDn innehåller. När ljus träffar en av dessa celler genereras en elektrisk laddning i cellen. Ju mer ljus som träffar cellen, desto större laddning ackumuleras. Cellerna samlar faktiskt inte "ljus", utan omvandlar istället ljus till en elektrisk laddning som är proportionell mot ljuset som träffar cellen.
Lägg också märke till att den ljuskänsliga cellen inte är känslig för färg. Den ackumulerar sin laddning oavsett färgen på ljuset som träffar dess yta. För att producera färgbilder placeras filter framför cellerna så att några av dem ser rött, några ser blått och några ser grönt ljus. Detta kan göras med en enda CCD och en komplex röd, grön och blå linsfilterenhet, eller genom att använda tre separata CCD:er med ett enda färgfilter över varje (se figur 3).
Initialt kortsluts varje cellutgång till jord, så att laddningen som genereras av ljus som träffar cellen dräneras omedelbart. I detta tillstånd samlar cellerna ingen laddning, och den virtuella slutaren är "stängd". För att fånga en bild stängs avloppet från cellerna och laddningar börjar samlas i proportion till ljuset som träffar cellen. I slutet av exponeringsperioden skickas laddningarna i varje cell ut till ett vertikalt överföringsregister, som sedan skickar varje laddning, bucket brigad style, ner till ett horisontellt överföringsregister. Där går de med i paraden av avgifter från de andra vertikala överföringsregistren och marscheras ut en enda fil till videobehandlings- och inspelningskretsen (se figur 4).
De "rörliga" bilderna som vi ser som video är faktiskt en serie stillbilder som visas snabbt. Alla NTSC-videokameror producerar 30 stillbilder per sekund. Varje bildruta består av två fält, totalt 60 fält per sekund. Det finns dock en trend att producera kameror som kan spela in 30 bilder per sekund utan fält som ibland kallas progressiv scan eller "Frame Movie"-läge. I detta läge spelar dessa kameror inte in 60 diskreta fält, men de matar ut till en TV eller videobandspelare i standardformatet NTSC 60 fält/30 bilder per sekund. Detta läge används vanligtvis för att samla in bilder som kommer att exporteras till en dator som stillbilder.
Vid "normal" hastighet samlar CCD:n sin laddning under hela 1/60 sekunds fälttid, vilket gör 1/60 till standardslutarinställningen för normal fotografering. Detta är tillräckligt snabbt för att undvika de flesta oskärpa som orsakas av kamerarörelser och långsamma rörelser inom ramen. Men våra videokameror låter oss nu välja slutartider antingen snabbare eller långsammare än videokamerans bildhastighet. Inställningar för långsam slutare tillåter helt enkelt att CCD:n förblir aktiv i flera (eller många) fältintervall och registrerar den tidigare tagna bilden under exponeringsperioden. När du fotograferar med en långsam slutartid på 1/15 sekund hålls CCD:n aktiv under fyra fält. Dess laddningar marscheras sedan ut för inspelning, och samma data spelas in i fyra bildrutor, medan CCD:n fyller sina celler i ytterligare 1/15-dels sekund. På så sätt hålls bildhastigheten konstant, även om slutaren arbetar med en helt annan hastighet.
Den supersnabba och tysta höghastighetsslutaren är ännu enklare. Istället för att ta bort dräneringen från cellerna i början av 1/60-fältintervallet, tillåts laddningen fortsätta att tömma sin laddning under en del av den totala fälttiden. Om en slutartid på 1/120 väljs, till exempel, kommer CCD:erna att fortsätta att tömmas under den första halvan av bildintervallet och samla in ljus endast under den andra halvan. För högre hastigheter töms cellerna helt enkelt under en större andel av fälttiden.
I slutändan har vi en virtuell slutare utan rörliga delar och ingen massa. Faktum är att våra fönsterluckor inte existerar alls. Och ändå ger de oss fortfarande kontroll över utrymmet och tiden för våra bilder och exponering.
Att få allt att fungera
All denna teori är intressant, men det verkliga värdet av höghastighetsslutaren ligger i kontrollen den ger dig över utseendet på dina bilder. I kombination med iris får du kontroll över skärpedjup, rörelseoskärpa och ljusstyrkan på själva bilden. En genomgång av relationerna verkar på sin plats.
Inställningar med mindre irisdiameter släpper in mindre ljus, men ger större skärpedjup. En längre slutartid måste användas om bildens ljusstyrka ska förbli konstant.
Större bländarinställningar minskar skärpedjupet, accentuerar motivet och skapar en mer tredimensionell bild. En högre slutartid krävs för att hålla bildens ljusstyrka tillräckligt låg för att hålla iris öppen till en bredare diameter.
Högre slutartider fryser rörelser, vilket ger skarpa bilder trots alla relativa rörelser mellan motivet och kameran. För att få tillräckligt med ljus vid de högre slutartiderna måste irisen öppnas bredare för att släppa in mer ljus, och som ett resultat minskar skärpedjupet.
Mycket långa slutartider kan användas för att låta CCD samla in mer ljus i svagt ljus eller för att tillåta en mindre irisöppning större skärpedjup. Avvägningen är att samma bild kommer att upprepas över flera fält, vilket potentiellt kan resultera i ryckiga stroboskopliknande rörelser. Dessutom kommer den långsamma slutarhastigheten att tillåta mer rörelseoskärpa, vilket kan vara antingen ett problem eller en konstnärlig effekt.
Slutligen styr iris och slutare tillsammans den totala mängden ljus som används för att bygga upp en laddning i CCDs celler, och var och en eller båda kan justeras för att producera en bild som är antingen mörkare eller ljusare än den ursprungliga scenen .
Lär dig genom att göra
Nu känner du till teorin bakom hur din videokamerors höghastighetsslutare fungerar. Men när det kommer till att välja det bästa exponeringsläget, eller slutar- och bländarinställningar för en viss situation eller effekt, finns det ingen ersättning för erfarenhet och övning. Ta dig tid att experimentera med de olika exponeringslägena och inställningarna på din videokamera, så får du mycket större kontroll över utseendet på din färdiga produkt.