Экспозиция

Экспозиция — количество освещения, сообщаемое светочувствительному слою и выражающееся произведением освещённости на время освещения.

От экспозиции, сообщенной фотоматериалу при съёмке, зависит качество снимка. Недостаточная экспозиция или недодержка приводит к плохой проработанности деталей в тёмных участках изображения (в тенях), избыточная экспозиция или передержка — к плохой проработке в светлых участках (в светах). Номинальная экспозиция, т.е. то количество освещения, которое должно быть сообщено фотографическому материалу, называется светочувствительностью этого материала.

Экспозицию определяют с помощью экспонометра, по таблицам или на основе практического опыта. После определения требуемой номинальной экспозиции, необходимые параметры съёмки (диафрагменное число и время выдержки) устанавливаются на соответствующих шкалах объектива и фотографического затвора. В фотоаппаратах с той или иной степенью автоматизации оба экспозиционных параметра или только один из них устанавливаются автоматически.

Экспозиционное число

Экспозиционное число или световое число — условная величина, однозначно характеризующая условия фотосъёмки и служащая для определения экспозиции, необходимой для получения изображения нормальной оптической плотности на фотоматериале определённой светочувствительности S при данной освещённости (яркости) L объекта съёмки.

Экспозиционное число N (другое обозначение — EV — Exposure Value) равно

N = log₂(LS ⁄ K),

где K — экспонометрическая постоянная 1).

Определение экспозиционного числа по измеренной освещенности (яркости) объекта и известной светочувствительности фотоматериала положено в работу большинства экспонометров и экспонометрических устройств (численное значение N чаще всего не определяется, а находятся сочетания соответствующих ему значений диафрагменного числа и выдержки). При N = 0 для фотоматериала светочувствительностью в 100 единиц ISO при относительном отверстии объектива 1:1 выдержка должна составлять 1 секунду.

Концепция экспозиционных чисел была предложена в 1954 году (Friedrich Deckel).

Экспозиционная таблица

Значения экспозиционных чисел (N или EV) для плёнки со светочувствительностью в 100 единиц ГОСТ/ISO. По горизонтали: диафрагменные числа, по вертикали: выдержки.

	1,0	1,4	2,0	2,8	4,0	5,6	8,0	11	16	22	32	45	64
1	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1/2	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1/4	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
1/8	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
1/15	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
1/30	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
1/60	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1/125	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
1/250	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
1/500	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
1/1000	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
1/2000	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
1/4000	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24

Экспонометр

Экспонометр (или экспозиметр) — отдельный прибор, узел фотоаппарата или приспособление для определения значения экспозиционных параметров при фотосъёмке, печати и при других видах фоторабот.

По устройству и принципу действия экспонометры подразделяются на табличные, оптические (визуальные) и фотоэлектрические. Действие наиболее совершенных и распространенных фотоэлектрических экспонометров основано на измерении яркости или освещённости объекта съёмки с использованием приемников излучения — фотоэлементов, фоторезисторов или фотодиодов.

См. также: Вопросы и ответы: Экспонометр последних ЗЕНИТов

Фотоэкспонометр

Фотоэкспонометр — отдельный прибор для определения оптимальных значений выдержки и диафрагмы.

Наибольшее распространение получили фотоэлектрические экспонометры.

С их помощью экспозиционные параметры могут быть определены двумя способами:

по яркости объекта съёмки, т.е. измерение света, отраженного или испускаемого объектом — аналогично экспонометрам, встроенным в фотокамеру;
по освещённости объекта, т.е. по свету, падающему на объект — в этом случае фотоэкспонометр подносят вплотную к снимаемому объекту и разворачивают приёмником к фотоаппарату.

При измерении освещённости объектов нужно учитывать то, что их яркость будет зависеть от отражательной способности их поверхностей, что определяется или замером через специальный молочный светофильтр, имеющим коэффициент пропускания света численно равный среднему коэффициенту отражения обычных предметов (см. ниже), либо применением фотоэкспонометров изначально рассчитанных только для измерения освещённости — с учётом этого среднего значения альбедо обычных материалов, либо тем или иным поправочным способом после измерения.

Фотоэкспонометр «Свердловск-2»
производства УОМЗ,
1974–1977 гг.

В электрических фотоэкспонометрах в качестве светоприёмников используются селеновые фотоэлементы, фоторезисторы или фотодиоды.

К фотоэлементу присоединяется чувствительный стрелочный гальванометр. В фоторезисторном или фотодиодном фотоэкспонометре измерение света осуществляется с помощью питаемой электронной схемы.

Имеющиеся шкалы так называемого «калькулятора» позволяют определить необходимую пару экспозиционных параметров для данных условий съёмки.

Современные фотоэкспонометры базируются на микропроцессорной технике.

Кроме электрических экспонометров, существовали оптические, базирующиеся на визуальной оценке относительной яркости, например, матового стекла, направленного на фотографируемые объекты. Относительная яркость матового стекла определялась с помощью ступенчатого оптического клина, на котором наносился ряд прозрачных цифр — значений диафрагмы. Оптическая плотность изображения цифр равномерно увеличивалась с увеличением их числового значения, вся остальная часть пластинки была непрозрачна. Чем была больше относительная яркость матового стекла, тем большее число цифр различалось глазом при данном уровне адаптации, и тем самым — определялось необходимое значение диафрагмы.

Фотоэкспонометры наболее эффективны в случае измерения освещённости для сложных световых условий съёмки.

Виды экспонометрирования

В фотоаппаратах, имеющих встроенную систему экспозамера, применяются различные виды экспонометрирования:

Интегральное — части светового потока, падающего на всё поле изображения, участвуют в экспонометрировании в равной пропорции;

Локально-интегральное — в разной пропорции, например, в центральной части поля воспринимается 50–60% всего света;

Локальное — учитывается часть светового потока, падающего на ограниченную зону поля изображения (порядка 12% площади);

Точечное — учитывается часть светового потока, падающего на узко ограниченную зону поля изображения (порядка 3%);

Многозональное, многоточечное — поле изображения делится на несколько зон, при этом определяются самый яркий, полутоновые и теневые участки и по тому или иному алгоритму определяется какая-то средняя, результирующая величина. В тех случаях, когда объект съёмки излишне контрастен, часть крайних данных не учитывается.

Матричное — дальнейшее развитие многоточечного замера — полученные значения яркостей сравниваются с имеющейся базой данных по характерным снимкам (с их матрицами яркостей) и выбирается наиболее близкий вариант с известными оптимальными экспозиционными параметрами.

Трёхмерное — при анализе значений яркостей тем или иным образом учитываются данные фокусировки объектива.

Надо отметить, что в описаниях экспонометрических устройств фотоаппаратов фирмы-производители могут придерживаться другой терминологии.

Системы экспонометрирования отличаются только методом измерения, вариантами учёта разности яркостей объектов, попадающих в кадр, но не конечным результатом — получением одного итогового экспозиционного числа и, соответственно — значений выдержки t_эф и диафрагмы d_эф (см. ниже).

См. также: Вопросы и ответы: Экспонометр последних ЗЕНИТов

Процесс работы экспонометра фотокамеры

По измеренному значению яркости сюжета (или его части) L_ср и известной светочувствительности фотоматериала S экспонометрическим вычислителем (или схемным решением) находится величина экспозиционного числа N:

N = log₂(LS ⁄ K);

где K — экспонометрическая постоянная 1).

Для не TTL-систем измерения экспонометрическая постоянная ещё умножается на коэффициент кратности светофильтра, учитывающий дополнительные потери света в оптике.

На основе полученного значения N блоком управления фотоаппарата или вручную фотографом (вращением калькулятора экспонометра) находятся неизвестные или выбираются пары значений выдержки t_эф и диафрагмы d_эф:

2^N = d²_эф ⁄ t_эф;

Фотоплёнка (или иной фотоприёмник) имеет определённую зависимость величины отклика на экспозицию. Для фотоматериалов такая зависимость называется характеристической кривой.

	D — оптическая плотность; H — экспозиция; L — здесь: фотографическая широта; γ — коэффициент контрастности.
Характеристическая кривая чёрно-белой негативной фотоплёнки

Значения номинальных экспозиций 2)

Чувствительность фотоматериала, ГОСТ	22	45	90	180	350	700
Номинальная экспозиция, люкс-секунд	0,4000	0,2000	0,1000	0,0500	0,0250	0,0125

Примечание: чувствительность фотоплёнки указана в единицах старого ГОСТ (см.: Вопросы и ответы: Светочувствительность).

Встречающиеся в популярной литературе и в Вебе сведения, что встроенные в камеры экспонометры, работающие на основе замера яркостей объектов съёмки, якобы «настроены на средне-серый объект с коэффициентом отражения 0,18» или что «все экспонометрические приборы калибруются из расчёта отражения 18% падающего на объект света» — истине не соответствуют. Данное ошибочное мнение, однако, сильно распространено и удивительно устойчиво, хотя в определении экспозиции никакие иные внешние параметры, кроме тем или иным образом измеренной яркости света, не учитываются.

Все экспонометры настраиваются на равномерно освещённый объект с целью получения средней оптической плотности почернения фотоматериала, т.е. задачей определения экспозиции является засветка фотоматериала всегда одним и тем же количеством освещения — номинальной экспозицией, вне зависимости от яркости (освещённости) объекта съёмки. Потребное количество освещения определяется светочувствительностью фотоматериала.

Для старых отечественных стандартов светочувствительности, например, средняя оптическая плотность почернения фотоматериала соответствовала D_ср = 0,85 над плотностью вуали D₀. В новом действующем стандарте, приведенном к международному, для чёрно-белой негативной фотоплёнки это значение соответствует 0,8±0,5 от точки на характеристической кривой с плотностью 0,1 над плотностью вуали.

Технологически сама настройка экспонометрии фотокамер производится на специальных измерительных установках. При замере яркости нормированного равномерно светящегося матового экрана экспонометр фотоаппарата с введенной светочувствительностью фотоматериала должен выдавать определённые значения пар экспозиционных параметров.

К примеру, сочетания выдержек и диафрагмы для фотоаппарата ЗЕНИТ-11 в зависимости от яркости должны были соответствовать таблице:

Настроечная таблица экспонометра ЗЕНИТа-11 3)

Световое число	Чувствительность плёнки	Сочетание выдержки и диафрагмы		Яркость, кд/м²
7	65	1/30 с	2,0	34
8	65	1/30 с	2,8	68
9	65	1/60 с	2,8	136
10	65	1/125 с	2,8	272
11	65	1/250 с	2,8	544
12	65	1/500 с	2,8	1088
13	65	1/500 с	4	2176
14	65	1/500 с	5,6	4352
15	65	1/500 с	8	8704
16	65	1/500 с	11	17408

Подобные таблицы, предназначенные для оперативного контроля и настройки работы экспонометра фотоаппарата на соответствующем контрольно-юстировочном оборудовании, рассчитываются по вышеприведенной формуле определения экспозиции.

Калибковка по «серой карте»

Попадающие в кадр объекты имеют различную яркость из-за разной отражательной способности падающего на них света. Кроме того, объекты занимают и различную площадь кадра. То или иное усреднение общего значения яркости сцены может привести к тому, что важные для фотографа участки изображения окажутся неправильно экспонированы.

Можно провести измерение освещённости объектов сцены, направив в сторону объектива внешний фотоэкспонометр с надетым молочным светофильтром, либо фотоэкспонометр, изначально рассчитанный для измерения освещённости. Однако в случае использования встроенного в фотоаппарат экспонометра, измеряющего только яркости, это сделать невозможно.

Серая карта производства фирмы Kodak 5)

Для выхода из положения, фотограф перед фотографированием сцены с равномерной освещённостью может вначале определить требуемые экспопараметры, наведясь на специальный объект, обычно представляющий собой равномерно окрашенную картонку с гарантированным коэффициентом отражения ρ_ср. = 0,18 (0,16...0,20) — равным среднему геометрическому значению альбедо 4) обычных материалов и объектов с максимумом порядка ρ_max = 0,60...0,80 и минимумом порядка ρ_min = 0,04...0,05. Таким образом он привяжет предполагаемое среднее значение яркости объектов сцены вне зависимости от их площадей и местоположения в кадре к средней плотности фотоматериала. Эта привязка называется калибровкой по «серой карте».

Отражательная способность различных поверхностей 6)

Поверхность	Вид отражения	Коэффициент отражения
Окись магния	диффузное	0,96
Алебастр	диффузное	0,92
Серебро полированное	направленное	0,88–0,93
Белая гипсовая поверхность	диффузное	0,85
Снег свежевыпавший	смешанное	0,75–0,78
Стеклянное зеркало	направленное	0,72–0,85
Серебрение матовое	направленно-рассеянное	0,7
Алюминий полированный	направленное	0,65–0,75
Хромированная полированная поверхность	направленное	0,60–0,70
Алюминий матированный	направленно-рассеянное	0,55–0,60
Бумага белая матовая	направленно-рассеянное	0,60–0,70
Снег тающий чистый	смешанное	0,60–0,62
Хромирование матовое	направленно-рассеянное	0,50
Оштукатуренная поверхность	диффузное	0,40–0,45
Шёлк натуральный	смешанное	0,35–0,55
Тёс (дерево свежее)	направленно-рассеянное	0,35–0,42
Кожа лица	смешанное	0,25–0,35
Песок белый сухой	диффузное	0,24–0,32
Глина жёлтая	диффузное	0,16
Тёс старый, посеревший	направленно-рассеянное	0,12–0,16
Песок белый мокрый	диффузное	0,11–0,20
Асфальтовое покрытие сухое	смешанное	0,10–0,18
Чернозём сухой	диффузное	0,07–0,08
Асфальтовое покрытие мокрое	направленно-рассеянное	0,06–0,08
Лиственная растительность летом	направленно-рассеянное	0,09–0,12
Хвойная растительность	диффузное и направленно-рассеянное	0,08–0,12
Лиственная растительность осенью	направленно-рассеянное	0,15–0,30
Чёрное сукно	направленно-рассеянное	0,10–0,12
Чернозём мокрый	направленно-рассеянное	0,02–0,05
Чёрный бархат	диффузное	0,01–0,03

Далее, снимая сцену с установкой вычисленных таким образом экспонометрических параметров, можно достаточно гарантированно получить нормальной плотности негатив, где в доступном для плёнки интервале освещений все участки изображения, имеющие близкие к среднему значения коэффициентов отражения, будут переданы без потери деталей, т.е. не будет явных «завалов» в сторону недодержки или передержки.

Данный приём фотографирования можно рекомендовать при съёмках людей (портретных, групповых), так как усредненный коэффициент отражения кожного покрова человека как раз близок к указанному ρ_ср..

Ошибочное мнение о якобы производимой производителем калибровкой на «средне-серый объект» встроенных в фотокамеры экспонометров, основанных на измерении яркостей, скорее всего возникло из-за путаницы их с внешними фотоэкспонометрами, работающими на основе замера освещённости объектов съёмки, и из-за того, что в вышеприведенной формуле определения экспозиции для интегрального типа замера значение средней яркости сюжета L_ср можно представить в виде произведения освещённости сцены на среднее значение коэффициента отражения объектов сцены. При весьма вольном допущении, что усреднённое альбедо сцены равно среднему альбедо обычных материалов, можно ошибочно получить зависимость работы экспонометра от последнего параметра.

Кроме вышеприведенной калибровки по серой карте, имеются и другие алгоритмы определения экспопараметров съёмки, например, достаточно известная «зонная система» 7).

Определение экспозиции по таблицам

Помимо инструментальных методов, экспозиционные параметры можно приближенно определять по различным таблицам, в которых приведены типичные световые условия для естественного освещения. Простейшая памятка обычно вкладывается в коробку с плёнкой или наносится на её внутренней стороне:


Памятка для плёнки Kodak Gold 200, 1/250 с	Памятка для плёнки Konica Centuria Super 400, 1/500 с

Возможность достаточно точного указания экспозиции при естественном освещении связана с тем, что Солнце имеет постоянную яркость свечения, а освещённость объектов съёмки меняется только из-за наклона солнечных лучей (это зависит от географической широты места съёмок и времени суток), а также от погодных условий — облачности и т.п.

Для ста единиц ГОСТ объектам, освещённым летним ярким прямым солнечным светом, примерно соответствует 15 EV. Для таких световых условий можно пользоваться мнемоническим правилом «Sunny-16» («Солнечно-16», «Пуд Солнца») для любой светочувствительности плёнки: значение диафрагмы равно 16 при выдержке 1/чувствительность в единицах ГОСТ/ISO. Значение чувствительности при этом округляется до ближайшего значения ряда выдержек, например: для 200 единиц ISO — 1/250 с. Для широт Средней полосы России, правда, некоторые источники рекомендуют правило «11».

Определение каким-либо подобным способом экспозиции при искусственном освещении невозможно, кроме того, светочувствительность фотоматериала зависит от спектральной характеристики воздействующего на него света.

Ограничения по выдержке

Выдержка при съёмке определяется не только свойствами фотоматериала, характеристиками объектива и условиями освещения. Кроме этих технических условий фотографического процесса важную роль играет собственное движение снимаемого объекта или фотоаппарата (при съёмке с транспортного средства). При этом выдержка должна быть тем короче, чем быстрее движется объект съёмки относительно фотоаппарата, чем ближе направление движения объекта к перпендикуляру к оптической оси объектива, чем длиннее фокусное расстояние объектива, чем ближе объект съёмки к фотоаппарату. Ориентировочные данные для выбора максимально допустимых выдержек при фотографировании движущихся объектов с объективом с нормальным фокусным расстоянием (т.е. порядка 50 мм для малоформатного кадра) приведены в следующей таблице 8):

Максимально допустимые выдержки

Название объекта или сюжета	Скорость движения, м/с	Выдержка в зависимости от направления движения
Плаванье, лодки, пешеходы, спокойные детские игры, плывущие облака	1–2,5	1/25 – 1/100
Велосипедисты, водное поло, лыжные прогулки, катание на коньках, съёмка с яхты, с нескоростного судна, брызги, водопады, птицы в полете, животные на бегу	2,5–5	1/50 – 1/250
Мотоциклисты, автомобили, лёгкая атлетика (бег, прыжок), моторные лодки, съёмка с поезда, гребля, парусные гонки, бег на коньках	5–10	1/100 – 1/500
Съёмка со скорого поезда, автомобиля, гимнастические упражнения на снарядах, игры с мячом	10–25	1/250 – 1/1000
Быстрые движения (автомобильные и мотогонки, скоростные поезда), стремительный полёт птиц, удар по мячу (футбол, теннис)	25–50	1/500 – 1/2000

Примечания:
1. При применении длиннофокусных или широкоугольных объективов выдержка должна быть изменена обратно пропорционально фокусному расстоянию объектива
2. Таблица составлена для удаления движущихся объектов съёмки на 10 м (кроме обозначенных курсивом). При удалении на 5 м выдержки уменьшают в два раза. При удалении на 25 м выдержки увеличивают в два, на 50 м — в четыре раза.

Кроме вышеперечисленного, существуют ещё ограничения, связанные со сдвигом фотоаппарата при съёмках с рук. Эти моменты рассматриваются отдельно на странице, посвящённой характеристикам качества изображения.

Ограничения по относительному отверстию

При определении экспонометрической пары «выдержка-диафрагма» могут быть наложены ограничения и по выбору относительного отверстия (помимо заданных ограничений конкретного объектива) — связанных с получением необходимой глубины резко изображаемого пространства.

Примечания:

1) — Экспонометрическая постоянная K равна отношению a ⁄ q, где a — коэффициент, определяющий светочувствительность фотоматериала (S=a ⁄ H, см. определение светочувствительности), а q — коэффициент восприятия системы, учитывающий светопотери в камере, распределение освещённости в плоскости изображения, угол, под которым наблюдается та или иная точка изображения, и прочее.
Коэффициент a должен зависить от типа сенситометрии — от используемой плёнки (цветная, негативная и т.д.).
Коэффициент восприятия системы q расчётно не определим, т.к. зависит от слишком многих, как постоянных, так и неизвестных, изменяющихся параметров системы: от реализации экспонометрического устройства, от расстояния до объекта съёмки, фокусного расстояния объектива, коэффициента пропускания, рассеяния, виньетирования системы, углов падения световых лучей и других факторов.
Экспонометрическая постоянная никак жёстко не стандартизована и выбирается производителями для каждого конкретного случая самостоятельно. По стандарту ISO 2720-1974 значение экспонометрической постоянной для случая замера отражённого света внешним фотоэкспонометром рекомендуется выбирать из диапазона от 10,6 до 13,4. Для съёмочных фотоаппаратов, использующих как негативные, так и обращаемые плёнки, выбирается изготовителем обычно в пределах от 8, 10 до 17. Например, у фотоаппарата ЗЕНИТ-КМ K равно 14,6.
2) — Таблица значений номинальных экспозиций взята из книги А.И. Трачуна «Зеркальный фотоаппарат как система».
3) — Настроечная таблица экспонометра ЗЕНИТа-11 взята из Инструкции по настройке фотоаппарата.
4) — Имеется в виду оптическое нормальное истинное (или ламбертово) альбедо. В данном случае — отношение светового потока видимых лучей, рассеянного плоским элементом поверхности, который освещается и наблюдается по нормали к поверхности, к падающему потоку. Кроме указанного, существует множество разновидностей альбедо, которые часто ошибочно путают друг с другом (с первую очередь — с т.н. «геометрическим альбедо», применяемом в астрономии — планетной фотометрии).
5) — Серая карта взята с сайта фирмы Kodak.
6) — Примерные данные отражательной способности различных поверхностей взяты из работы А.В. Гальперина «Определение фотографической экспозиции». Иные источники могут приводить другие значения коэффициентов. Разброс обусловлен во-первых, различием свойств покрытий, исследованных в том или ином случае, и во-вторых, различием способов измерения.
7) — Создателем «зонной системы» обычно называют только Анселя Адамса (Ansel Adams), редко вспоминая о его соавторе Фреде Арчере (Fred Archer). Здесь стоит упомянуть и Майнора Уайта (Minor White) — благодаря которому эта теория стала широко известна.
8) — Таблица по фотографированию движущихся объектов, взятая из «Справочника фотолюбителя» под общей редакцией Е.А. Иофиса и В.Г. Пелля, является сугубо ориентировочной.

Основные источники:
«Фотография. Энциклопедический справочник» — «Беларуская Энцыклапедыя» имени Петруся Бровки, Минск, 1992 г.
С.В. Кулагин: «Проектирование фото- и киноприборов» — «Машиностроение», Москва, издания 1971 и 1976 гг.
«Справочник фотолюбителя» (под общей редакцией Е.А. Иофиса и В.Г. Пелля) — «Искусство», Москва, 1962 г.
А.И. Трачун: «Зеркальный фотоаппарат как система&» — «Искусство», Москва, 1986 г.
И.М. Давыдкин: статья «Экспонометрия» в Большой Советской энциклопедии.
А.В. Гальперин: «Определение фотографической экспозиции» — «Искусство», Москва, 1955 г.

Ссылки по теме:

Вопросы и ответы: Экспонометр современных ЗЕНИТов
Вопросы и ответы: Характеристики качества изображения
Вопросы и ответы: Что такое полуавтомат?

Разработка устройств для автоматизации установки экспозиции в фотоаппаратах — М.Я. Шульман, ГОИ, 1958 г.
Фотоэлектрический экспонометр «Свердловск-4» — описание.