Коли у XIX столітті світло вперше залишило слід на металевій пластині, це здавалося магією: зображення проявлялося повільно, годинами, у випарах хімікатів. Перші фотографи були радше алхіміками, ніж митцями — вони буквально ловили світло руками.
Сьогодні ж ми фотографуємо щодня — телефоном, камерою, плівкою. Часом це просто спогад чи випадковий кадр, та іноді це справжнє «малювання світлом». Технології зробили фотографію ближчою, ніж будь-коли: сучасні камери самі визначають експозицію, підлаштовують баланс білого й чутливість сенсора. За всім цим стоїть фізика, розуміння якої дає змогу передбачати, як поводиться світло, куди воно відбивається, як потрапляє на сенсор і як на цей процес можемо вплинути ми самі.
Щоб розібратися, як усе працює — від витримки до кольорової температури, — ми поговорили з фізиком і астрофотографом Ігорем Сальніковим, а також із фотографкою та експерткою компанії Skylum Тетяною Давиденко.
Текст створено за підтримки Skylum.
Експозиція
Світло — це не просто яскравість чи колір. З погляду фізики, це потік фотонів — крихітних частинок, які летять від джерела і відбиваються від предметів, перш ніж потрапити на сенсор камери. Коли фотонів більше — кадр світліший; коли їх менше — темніший.
Експозиція — це кількість світла (цих самих фотонів), що потрапляє на світлочутливий матеріал (у цифрових фотокамерах — на матрицю) за певний час. Вона складається з трьох взаємопов’язаних параметрів: витримки, діафрагми й чутливості.
Цей «трикутник експозиції» працює як система ваг: змінивши один параметр, потрібно компенсувати інший, щоб зображення не вийшло ані надто темним, ані пересвіченим.
Витримка — час, за який сенсор бачить світло
У плівкових камерах за витримку відповідає затвор — механічна шторка, що відкривається та закривається на певний час. У цифрових камерах її замінив електронний затвор, який не має рухомих деталей: сенсор просто починає і завершує зчитування сигналу. Його перевага — у відсутності зношування. Адже в професійних камерах механічний затвор розрахований приблизно на 150 тисяч спрацювань. Активне використання, таке як серії з сотень кадрів, швидко його «вбиває».
Електронний затвор розв’язує цю проблему, але має обмеження: при швидкому русі або яскравому світлі з’являються спотворення — «розмазування». Тоді фотографи перемикаються назад на механічний. Утім Тетяна Давиденко зазначає, що «розмазування» зʼявляються не лише від типу затвора, а й від кількості часу, за який світло потрапляє на сенсор: «У мене є камера з механічним затвором і є з електронним, але питання радше в розмірі матриці. Велика різниця між типами затворів в затримці спрацювання. Механічна спрацьовує рівно в момент натискання кнопки спуску, а от електронна немов має ледь відчутну затримку, і фотографу треба навчитись передбачати кадр наперед. Я зараз знімаю залежно від настрою і завдання або на плівку із механічним затвором, або на цифрову».
Завдяки довшій витримці можна «малювати» світлом. Фото Тетяни Давиденко. Exposure Time 1/10, f/7.1, ISO 100
Діафрагма — механізм, який керує світлом і різкістю
Діафрагма працює, як зіниця ока: у темряві розширюється, при яскравому світлі звужується. Від неї залежать дві речі:
— кількість світла, яка потрапить у камеру;
— глибина різкості — діапазон простору, де зображення виглядає чітким.
Якщо діафрагму відкрити повністю, різким буде лише об’єкт фокусування, а все позаду й попереду розмиється. Це ідеально для портретів. Якщо ж закрити її, то різкими стануть і ближні, і дальні плани — наприклад, пейзаж із квітами на передньому плані та горами на горизонті. На об’єктивах часто є шкала глибини різкості, що допомагає зорієнтуватися, який діапазон залишиться чітким при певній діафрагмі.
З погляду фізики це пов’язано з тим, як світлові промені сходяться у фокусі. Коли отвір широкий, промені потрапляють у лінзу під різними кутами, тому сходяться не в одній точці, а в невеликій зоні. Через це лише вузький шар простору виходить різким, решта — поза фокусом. Коли ж отвір звужується, більшість променів проходять ближче до оптичної осі — під меншими кутами — і сходяться майже в одній площині. Завдяки цьому фокус стабільніший, і зона прийнятної різкості поширюється на більшу глибину.
Саме тому фотографи кажуть, що «закрита» діафрагма дає більшу глибину поля, а «відкрита» — меншу.
Максимально закрита діафрагма через яскраве сонце. Задум — показати локацію зйомки: це реальний сніг. Фото Тетяни Давиденко. ExposureTime 1/200, f/14, ISO 100
Також яскраве сонце, але весь фокус — на моделі, її погляді і настрої. Фото Тетяни Давиденко. ExposureTime 1/3200, f/1.4, ISО 100
У смартфонах цей принцип імітують програмно. «Портретний режим» не змінює фізичний отвір у лінзі — натомість камера створює віртуальну діафрагму: вона визначає, що в кадрі є об’єктом зйомки, і розмиває решту частин зображення штучно, за допомогою алгоритмів.
Якщо смартфон має дві лінзи, процес ще точніший: одна камера знімає сам об’єкт, інша — фон під іншим кутом. Порівнюючи ці два зображення, програма обчислює глибину сцени — тобто те, наскільки далеко розташовані різні елементи. Після цього розмиття додається поступово, щоб воно було природнішим.
Та навіть найрозумніші алгоритми не можуть повністю відтворити ефект справжньої оптики: сенсор смартфона дуже маленький, а кут огляду широкий, тому «глибина» простору завжди дещо стиснена. Через це справжнє оптичне розмиття — те, що створюється не програмно, а світлом — і досі залишається прерогативою фотокамер.
ISO — чутливість до світла
, наскільки чутливими є плівка чи сенсор до світла. Це можна порівняти з мікрофоном: коли говорять тихо, ми збільшуємо гучність, але разом із голосом підіймається і довколишній шум. Так само при високому ISO з’являється зерно — цифровий шум.
У плівковій фотографії зображення створюється кристалами срібла, що реагують на фотони й утворюють приховане зображення. Що більші ці кристали, то швидше вони темнішають під дією світла — плівка стає «швидшою», тобто потребує меншої витримки, але має помітніше зерно. Саме тому на коробках колись писали «Kodak Gold 200» чи «Agfa APX 400»: число означало швидкість, або чутливість плівки до світла. У чорно-білих плівках ця реакція відбувається безпосередньо в шарі срібла, а в кольорових — у кількох шарах, кожен з яких містить свої світлочутливі сполуки для різних ділянок спектра (червону, зелену й синю). Проте принцип залишається той самий: більші частинки — більша чутливість, але й помітніше зерно.
У цифрових камерах принцип подібний, але фізика інша. Сенсор складається з мільйонів мікроскопічних елементів, які перетворюють фотони на електричний сигнал. Підвищуючи ISO, ми посилюємо цей сигнал — але водночас підсилюємо й електричний шум. Тож замість срібного зерна з’являється цифрова «піщинка», особливо помітна у тінях чи на темних ділянках зображення.
У цифрову епоху стандарти ISO зберегли ті самі позначення, тож фотографам, які переходили з плівки, було легко орієнтуватися. Головна різниця — в тому, що тепер ISO — не властивість матеріалу, а електронна функція камери. Якщо раніше обрана плівка задавала ISO для всіх кадрів, то тепер його можна змінювати для кожного знімка окремо. Єдине, що не змінилось — компроміс між світлом і шумом, який фотограф відчуває інтуїтивно. Тетяна Давиденко стверджує, що збільшення ISO потрібне, коли важливо чітко зафіксувати об’єкт без розмазування, але освітлення недостатньо: «Тоді я можу підняти ISO до великих значень, та потім під час обробки понизити шум. Наприклад, на концертах я часто виставляю ISO на рівні 5000–10000. Низьке ISO використовую при зйомці в сонячний день. У більшості випадків ISO має діапазон від 100 до 800».
Репортажна зйомка. Оригінал і оброблене фото з подавленими шумами. Підняте ISO за рахунок слабкого освітлення і бажання мати достатньо швидку витримку, аби обʼєкт в кадрі залишався чітким і без розмазувань. Фото Тетяни Давиденко. Exposure Time 1/200, f/2.8, ISO 10000
Відстань та закон оберненого квадрата
У фізиці фотографії діє просте, але важливе правило — закон оберненого квадрата. Він передбачає, що значення фізичної величини в точці простору обернено пропорційне квадрату відстані від джерела поля, яке характеризує величина. На практиці це має такий вигляд: якщо ми відходимо від джерела світла вдвічі далі, світла стає не вдвічі, а в чотири рази менше. Це тому, що воно розсіюється не по лінії, а по площині: фотони розходяться в усі боки, і що далі — то більша площа, яку вони мають освітити.
Баланс білого і кольорова температура
Кожне джерело світла має свій спектр — тобто набір хвиль різної довжини, які ми сприймаємо як кольори. У гарячіших джерелах (з вищою кольоровою температурою в Кельвінах) переважають коротші хвилі, які візуально ми сприймаємо як «холодні» (сині, блакитні). Натомість у холодніших джерелах (з нижчою кольоровою температурою) переважають довші хвилі, які візуально ми сприймаємо як «теплі» (жовті, червоні). Саме тому характеристику світла описують через кольорову температуру, що вимірюється в кельвінах (K). Наприклад, денне світло (нейтрально-білий відтінок) має близько 5500 K, лампа розжарювання (тепліший і жовтуватий) — 3200 K, а полум’я свічки — близько 2000 K. Тоді як хмарне небо чи тінь можуть «охолоджуватись» (мати високу температуру) до 7000–9000 K, набуваючи синюватого відтінку. Наше око автоматично адаптується до цих змін, але камера — ні.
Баланс білого — це спосіб компенсувати різницю між цими джерелами. Камера регулює співвідношення червоного, зеленого й синього каналів, щоб білий предмет залишався білим незалежно від того, освітлений він сонцем чи лампою. Якщо баланс налаштований неправильно, біла поверхня може вийти жовтуватою або синюватою — залежно від того, у який бік «зсунулося» світло.
Розв’язання — зйомка у форматі RAW, тобто в «сирому» вигляді, без попередньої обробки. Це своєрідний цифровий негатив, який зберігає максимум інформації із сенсора, тож баланс білого можна скоригувати пізніше — під час редагування. Для точності в кадр часто додають білий або сірий об’єкт і ніби кажуть програмі: «Ось це — біле». У плівкову епоху для цього існували різні плівки (для денного чи штучного світла) і коректувальні фільтри — переважно сині, щоб нейтралізувати жовтизну ламп. Тепер усе робиться за кілька кліків.
Наше око одночасно сприймає і тіні, і яскраве світло — камера ж бачить лише обмежений діапазон яскравостей. Якщо зняти сцену з однією витримкою, темні ділянки «проваляться», а світлі — пересвітяться. Тому застосовують брекетинг: серію кадрів із різною експозицією, які потім поєднують в одне зображення, ближче до реального сприйняття.
Іноді ж фотограф свідомо порушує правила: робить «білий ключ» — знімок, де все заливає світло, а контури лише ледь намічені. «Порушення правил — інструмент в руках творця. Наприклад, високим ключем можна ізолювати обʼєкт і створити негативний простір або підкреслити певний настрій і передати легкість, невинність, чистоту. Тож технічні порушення можуть допомагати зі створенням потрібного настрою у глядача і передачі певних сенсів», — додає Тетяна Давиденко.
Як не боятися фізики
Фізик та астрофотограф Ігор Сальніков рекомендує спершу пізнати закони оптики, щоб розуміти, які з них ламати й для чого. Утім починати можна й з малого. Фотографиня й експертка у Skylum Тетяна Давиденко пропонує насамперед тренувати спостережливість, дозволити собі помилятись і багато практикувати. Можна вигадати собі прості вправи: день знімати лише в горизонтальному форматі, інший — тільки шукати відбиття світла.
Приклад відбиття світла. Тут джерело світла розташоване за моделлю і світить їй в спину, та за рахунок кількості снігу кожна сніжинка спрацьовує, як маленький відбивач, і тому ми так гарно бачимо людину. Без снігу був би тільки чорний контур. Фото Тетяни Давиденко. ExposureTime 1/250, f/3.2, ISO 500
«Коли ти ставиш перед собою одне маленьке завдання і не боїшся помилок, рука дуже швидко запам’ятовує налаштування. Через кілька тижнів усе робиш майже автоматично», — додає фотографка.
Вона пропонує особливу увагу звертати на світло. Навіть звичайна біла футболка може стати відбивачем і допомогти пом’якшити, скажімо, тіні на обличчі: «Фотографія — це малювання світлом. Якщо навчишся його помічати, можна зробити гарний кадр навіть на звичайну “мильницю”».
