Perché gli oggetti in movimento nelle foto appaiono sfocati?

Quando si scatta una foto sulla maggior parte delle fotocamere, se si scatta una foto di un oggetto in movimento, l'oggetto appare sfocato. Perché succede esattamente?

In primo luogo, parlerò di cosa fanno normalmente le telecamere, quindi di come il movimento influisce su questa operazione.

Affinché un'immagine sia nitida e messa a fuoco, tutta la luce proveniente da un singolo punto sull'oggetto da fotografare deve cadere su un singolo punto della pellicola o del sensore. Se scatti una foto di un viso, vuoi che tutta la luce che si riflette sull'occhio sinistro cada su una parte del sensore di immagine e tutta la luce che si riflette sul naso cade su una parte diversa. Se l'immagine non è a fuoco, la luce proveniente da diverse parti del viso può colpire lo stesso bit di sensore e la luce proveniente dalla stessa parte del viso può essere diffusa su altre parti. Ciò si traduce in un'immagine in cui ogni parte del viso è mescolata con le altre parti. Questa si chiama immagine sfocata.

Se il soggetto è in movimento, si verifica una sfocatura simile poiché l'otturatore di una fotocamera è aperto per un periodo di tempo. Immagina di scattare una foto a una persona e quella persona muove la mano. Quando l'otturatore si apre per la prima volta, la fotocamera dirige la luce dalla persona a una certa parte del sensore di immagine. Tuttavia, poiché la mano si sta muovendo, la luce proveniente dalla nuova posizione della mano verrà indirizzata dalla fotocamera verso una parte diversa del sensore. Quindi, la fotocamera riceverà luce da tutte le posizioni della mano mentre l'otturatore è aperto. Quella luce da diverse posizioni delle mani finirà su diverse parti del sensore. Ciò si traduce in quella che sembra un'immagine imbrattata di una mano che traccia il percorso del movimento.

Succede perché il soggetto si sposta rispetto alla cornice della fotocamera mentre viene eseguita l'esposizione E la velocità dell'otturatore non è abbastanza veloce da congelarlo.

Andando nei dettagli:

La velocità dell'otturatore o il tempo di esposizione è il periodo di tempo in cui la pellicola o il sensore digitale all'interno della fotocamera sono esposti alla luce, quando l'otturatore di una fotocamera è aperto quando si scatta una foto. La quantità di luce che raggiunge la pellicola o il sensore di immagine è proporzionale alla tempo di esposizione. Ad esempio: 1/500 di secondo lascerà metà della luce in 1/250 di secondo. Quando la velocità dell'otturatore è bassa (ovvero inferiore a 1/60 di secondo), anche i movimenti relativamente lenti vengono visualizzati nelle foto. Per riassumere, le velocità dell'otturatore elevate hanno l'effetto di congelare il movimento nella scena che si sta fotografando e, al contrario, le velocità dell'otturatore lente sfocano il movimento in una scena.

La tabella seguente mostra come le diverse velocità dell'otturatore influenzerebbero il senso di movimento se si fotografasse una persona che correva. Una velocità dell'otturatore elevata bloccherà il movimento: più la velocità dell'otturatore diminuisce, più la persona che corre corre nella fotografia.

E i tempi di posa lunghi sono generalmente causati da luce insufficiente. Ecco perché raramente vedi problemi di motion blur all'aperto nei giorni di sole.

La soluzione:

La soluzione è aumentare la velocità dell'otturatore. E spesso l'unico modo per farlo è quello di aggiungere più luce. Un modo ovvio per farlo è usare il tuo flash. Se sei di giorno, puoi anche andare all'aperto. È inoltre possibile aumentare la velocità dell'otturatore diminuendo (allargando) l'apertura. Un'apertura più ampia lascia entrare più luce offrendo velocità dell'otturatore più elevate. Se hai la massima apertura e non riesci ancora a raggiungere una velocità sufficiente, puoi provare a ottenere obiettivi "veloci" (un obiettivo con un'apertura massima maggiore, ovvero un numero f minimo più piccolo): vetro con interruzioni f / stop 2.8 o più ampio.

Puoi anche provare un'impostazione ISO più veloce.

La stessa cosa accade con i tuoi stessi occhi, anche se il tuo cervello fa del suo meglio per nasconderlo. Il problema fondamentale ha a che fare con il modo in cui l'immagine viene creata in primo luogo.

La vista è l'interpretazione della luce visibile riflessa (di solito; possiamo ignorare il bagliore attivo per ora) dagli oggetti. Per vedere qualcosa, deve essere acceso e riflettere quella luce in modo diverso rispetto a ciò che lo circonda. La luce è formata da minuscole particelle prive di massa chiamate fotoni, i vettori della carica elettromagnetica. Quando un fotone entra nella retina dell'occhio (o nel film in una fotocamera o nel chip in una fotocamera digitale), deposita parte della sua energia in una sorta di materiale sensibile alla foto, causando un cambiamento che può essere misurato e interpretato . Misurando la risposta del materiale sensibile alla foto in molti punti individuali, il cervello (o il chip) ricostruisce un'immagine dell'ambiente circostante.

Il fotone ha tre proprietà importanti: energia, posizione e direzione. Con un po 'di geometria e correzione ottica, la vista sfrutta la direzione del fotone e il luogo in cui interagisce con la superficie fotosensibile per scoprire da dove proviene il fotone - approssimativamente, quale punto 3D corrisponde a un dato punto 2D sul Immagine. L'energia determina il colore di un particolare fotone. L'idea è che la luce proveniente dall'oggetto che stai vedendo sia approssimativamente parallela, il che rende banale la proiezione 3D-> 2D. Si ottiene una sfocatura statica in una fotografia quando la correzione ottica non è sufficiente per compensare la dispersione dei fotoni nell'aria: maggiore è la distanza da un oggetto, più i fotoni riflessi sono dispersi in media e è necessaria una maggiore correzione per portarli torna ad essere parallelo.

Ma le immagini di solito non sono bianche e nere pure. Ci sono altre due cose che contano per l'uomo: il colore e l'intensità. Il colore corrisponde all'energia dei fotoni, mentre l'intensità corrisponde alla quantità di fotoni. Ed è qui che le cose diventano interessanti - per ottenere un'immagine utile, devi assorbire enormi quantità di singoli fotoni - un singolo fotone non ti dice davvero molto. Quindi ciò che realmente accade è che prendi (approssimativamente) una media di fotoni che hanno raggiunto il tuo sensore in un determinato periodo di tempo - questo ti dà la luminosità relativa delle cose nell'immagine, insieme a una buona idea sul colore degli oggetti.

Gli occhi umani aggiungono qualche complicazione in più, quindi seguiamo con una vecchia macchina da presa. Il film è fatto di un materiale che cambia in modo permanente quando esposto alla luce (pensa a cosa succede a un foglio lasciato al sole per alcuni mesi, ma molto più velocemente). Per semplicità, supponiamo che il materiale originale sia perfettamente nero, mentre il materiale modificato sia perfettamente bianco. Ogni singolo fotone provoca il cambiamento di una singola molecola, ma i nostri occhi non possono vedere i colori delle singole molecole: calcolano la media delle informazioni da una determinata area. Quindi, più fotoni arrivano in una certa area del film, più luminoso apparirà, corrispondente alla luce più luminosa proveniente da quella particolare direzione nello spazio (e quindi, il volume dato di spazio, corrispondente, per esempio, al tuo rosso brillante T- camicia). Tuttavia, ad un certo punto,tutte le molecole in una determinata area del film sono cambiate - illuminandola ulteriormente non può più renderla più luminosa. I dettagli si perdono, perché quando le aree circostanti diventano più luminose, le aree sature non possono. Dall'altro lato della scala, se c'è troppa poca luce, ci saranno troppi fotoni per formare un'immagine decente - tutto sarà troppo scuro, con punti luminosi casuali.

Quindi per ottenere una buona immagine, devi bilanciare il tempo in cui esponi il film alla luce. Troppo lungo e l'immagine è troppo luminosa e perde contrasto. Troppo breve e non ci sono abbastanza dati per ottenere una buona immagine. Come nota a margine, questa è la ragione fisica (piuttosto che biologica) per cui la vista notturna è monocromatica: se ci sono troppi fotoni in arrivo, la loro distribuzione del colore produce un rumore cromatico (dall'aspetto casuale) che lo rende più difficile vedere. L'uso solo dell'intensità ignorando il colore produce un'immagine più chiara e luminosa.

Immaginiamo quindi di esporre un po 'di film in una scena 3D per un secondo. Le parti più luminose della scena comporteranno una maggiore quantità di luce che interagisce con le aree corrispondenti nell'immagine 2D. Ma ora immagina che al punto 0,5, il ragazzo nella scena muove il braccio. La prima metà dell'esposizione ha il braccio nella posizione originale, mentre la seconda metà non riceve più i fotoni dalla posizione originale e invece lo riceve dalla nuova posizione. La quantità totale di fotoni riflessi dalla mano è la stessa, ma ora sono sparsi su due punti distinti nell'immagine 2D; e mediata con i fotoni che venivano dallo sfondo quando la mano non c'era. Se la tua mano si muove a velocità costante, i fotoni corrispondenti saranno distribuiti uniformemente sul percorso che la mano prende tra l'inizio dell'esposizione e la fine. Ottieni la media di tutte le singole "immagini", proprio come se facessi un centinaio di foto di persone con posture leggermente diverse e le facessi una media insieme.

Come puoi combattere questo? Se c'è abbastanza luce, puoi mantenere l'esposizione corta - questo significa che per ottenere una sfocatura visibile, l'oggetto deve muoversi più velocemente rispetto a un'esposizione più lunga. Se non c'è abbastanza luce, ciò comporterà rumore (i singoli fotoni che misuri sono piuttosto casuali - hanno solo una distribuzione prevedibile nel tempo; ci sono molti più fotoni rossi che riflettono da una camicia rossa rispetto ai fotoni verdi, per esempio). Se vuoi fotografare un singolo oggetto in movimento, puoi provare a eliminare qualsiasi movimento relativo tra la fotocamera e l'oggetto - traccia l'oggetto. Gli umani lo fanno automaticamente: muovi gli occhi e la testa per seguire un oggetto in movimento che vuoi esaminare, il che ti dà una chiara immagine dell'oggetto in movimento, mentre tutto il resto è una sfocatura (che il cervello di solito compensa convenientemente, ma la fotocamera non lo fa).

Gli obiettivi di una fotocamera generano attentamente un'immagine (di solito capovolta) di ciò su cui si punta la fotocamera su un set di sensori.

Questi sensori sommano la luce che brilla su di loro. Quindi si può chiedere "quanta luce hai visto?" e resettare.

In genere, esponiamo questi sensori solo per un breve periodo di tempo. La luce proveniente da una direzione particolare in quel breve periodo di tempo finisce per essere la quantità di luce che il particolare sensore raccoglie.

I sensori vengono quindi mappati in pixel su un'immagine.

Quando l'oggetto si muove velocemente rispetto alla quantità di tempo in cui esponiamo i sensori, i sensori sul bordo dell'oggetto in movimento raccolgono prima "nessun oggetto qui", poi più tardi "oh c'è un oggetto qui". La quantità di "oggetto" vs "nessun oggetto" è una funzione di quanto sei vicino al bordo dell'oggetto e di quanto velocemente si sta muovendo.

Se l'oggetto è un solido blocco di colore e lo sfondo ha un colore diverso, si ottiene una sfumatura uniforme che va dallo sfondo al colore dell'oggetto sul bordo dell'oggetto lungo la direzione del movimento. Lo interpretiamo come "motion blur".

Per la maggior parte, gli oggetti e lo sfondo sono sufficientemente diversi da poter essere individuati anche se non sono di colore uniforme.

Lo vediamo solo a volte perché le telecamere variano per quanto tempo "rimangono aperte" a seconda della quantità di luce presente. Meno luce, più a lungo rimangono aperti, maggiore sarà la sfocatura da movimento. Allo stesso modo, più veloce è l'oggetto, più si sfocerà per un determinato tempo fisso "rimanere aperto".

L'informatica moderna ha effettivamente ridotto questo problema; in primo luogo, rendendo i sensori più sensibili alla luce, e in secondo luogo mediante l'elaborazione post. Molte fotocamere rileveranno un mosso uniforme (causato dal movimento della mano) e lo invertiranno dopo che l'immagine è stata catturata. In teoria, ciò può anche essere fatto per un singolo oggetto in movimento in una scena, ma determinare ciò che è oggetto e ciò che non lo è è più difficile qui. Non sono a conoscenza di una fotocamera che lo fa automaticamente.

Quando il pulsante di scatto viene premuto, un'immagine del mondo esterno viene proiettata fugacemente sul sensore di immagine (o pellicola). Questa azione è chiamata "esposizione". Per rispondere alla tua domanda, devi sapere che durante l'esposizione, l'immagine proiettata viene registrata. Il punto chiave è che il sensore di immagine (o pellicola) sta accumulando energia luminosa nel tempo. Se l'immagine dovesse cambiare in qualche modo durante l'esposizione, l'immagine registrata probabilmente mostrerà questo come sfocatura. Cerchiamo di mantenere la fotocamera il più ferma possibile per evitare questo fuzz. Inoltre, proviamo a scegliere una velocità dell'otturatore che è super veloce. In questo modo le nostre immagini sono momenti congelati nel tempo.

Ci sono due tipi principali di sfocatura nelle foto (beh, tre, ma suppongo che manterrai la fotocamera abbastanza pulita): sfocatura di messa a fuoco e sfocatura di movimento.

La sfocatura della messa a fuoco si verifica quando il soggetto della foto è semplicemente sfocato. La soluzione è assicurarsi che l'autofocus sia attivo e riprovare. Se è sfocato, ri-focalizza e scatta di nuovo. Abbastanza diretto. Sul punto e scatta fotocamere, il motivo più probabile che tu sia sfocato è perché il soggetto si è mosso o il sistema di messa a fuoco intelligente non era così intelligente e focalizzato sull'oggetto sbagliato.

Il motion blur, d'altra parte, non accade perché il soggetto non è a fuoco. Succede perché il soggetto si sposta rispetto alla cornice della fotocamera mentre viene eseguita l'esposizione E la velocità dell'otturatore non è abbastanza veloce da congelarlo. Affrontiamo questi due aspetti separatamente.

Quindi, la soluzione è aumentare la velocità dell'otturatore. E spesso l'unico modo per farlo è quello di aggiungere più luce. Un modo ovvio per farlo è usare il tuo flash. Se sei di giorno, puoi anche andare all'aperto. A volte la differenza tra ombra e sole è tutta la luce in più di cui hai bisogno.