Exposure

Exposure (hoeveelheid licht op de sensor) is een kritische parameter bij het filmen. Bij verkeerde instelling verlies je alle details in de donkere delen van het beeld of clippen alle heldere delen.
Er zijn 3 variabelen (instellingen) die de belichting van de sensor bepalen : Aperture (of diafragma), Shutter Speed and Gain.
 

 

1.Aperture (diafragma)

Het diafragma of iris bepaalt d.m.v. regelbare opening de hoeveelheid licht die op de sensor valt. Een handige manier om te begrijpen wat het diafragma doet is om het te vergelijken met de oogpupil. Wanneer je in een goed belichte omgeving bent (bijvoorbeeld buiten op een zonnige dag) dan zijn je pupillen erg klein om te voorkomen dat er teveel licht binnen komt. Wanneer je nu in een donkere plaats bent dan zijn ze juist weer erg groot om maar zoveel mogelijk licht binnen te laten.

Het diafragma is echter geen absoluut getal ! Het wordt uitgedrukt als F-getal, een dimensieloos getal. Het f-getal (ook wel f/stop of diafragmagetal genoemd) is namelijk gelijk aan de brandpuntsafstand (f) gedeeld door de aptertuur (D=lensopeningdiameter) : N = f/D. Het zijn namelijk f en D die bepalen hoe lichtsterk de lens is en zoals je ziet in de figuur hieronder, is een lens met grotere focuslengte maar ook met een grotere aperture even lichtsterk als een lens met kleinere focuslengte en kleinere apterture. Vandaar dat men ook soms spreekt van relatieve aperture. Men geeft het diafragma-getal nooit op als 4,5mm2 bijvoorbeeld (dit zou dan de oppervlakte van het diafragma-gaatje zijn), omdat dit op zich niks zegt voor de hoeveelheid licht die op de snesor valt, zonder de focusafstand erbij in rekening te brengen.

Een lensopeningdiameter van 17mm met een lens van 34mm brandpuntsafstand heeft dus hetzelfde diafragmagetal (namelijk f/2) als een lensopeningdiameter van 25mm met een lens van 50mm brandpuntsafstand !

Hoe hoger het f-getal, hoe kleiner de diafragma opening --> f/1.4 betekent in veel gevallen dat het diafragma wagenwijd openstaat terwijl f/22 betekent dat het diafraga bijna helemaal dicht is.

Wat zijn stops ?

Vooral bij foto camera's zijn er zo'n beetje de standaard diafragmawaarden: f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16 en f/22.
ELKE STAP NAAR EEN VOLGENDE full-stop f-waarde betekent : EEN HALVERING of VERDUBBELING VAN HOEVEELHEID LICHT.
Als je het diafragma bv. aanpast van f/8 naar f/5.6, dan neemt het licht met 1 stop toe, of krijg je m.a.w. 2x zoveel licht binnen op de sensor !

Vanwaar komen die waarden ? 

Het licht moet door het diafragma om uiteindelijk op de sensor te vallen. Wanneer je tweemaal meer licht wenst, moet de opening (of dus de oppervlakte)  van het diafragma 2x groter worden.

De oppervlakte van een cirkel (van het diafragma in dit geval) = 3,14.r2    
Wanneer de oppervlakte verdubbelt, dan verdubbelt ren dus vergroot de straal r met 2.
Van f/5.6 naar f/8 is 1 stop omdat  8=5,6 . 

Maar mijn film camera bijvoorbeeld heeft de volgende diafragma waarden : f1.9, f2.4, f2.8, f3.4, f4, f4.8, f5.6, f6.7, f8, f9.5, f11, f13, f16.
Hoe zit dat dan met die f-getallen, die verhouden zich niet allemaal tot elkaar met 2?
Wel, die f-getallen verspringen niet per stop, maar per halve stop. Dat geeft wat fijnere instelmogelijkheden samen met de exposure en gain om aan het gewenste licht te komen.

Hoe interpreteer je een verandering van f/4 naar f/1.4 ?

Wel, dan krijg je 3 stops extra licht. Elke stop is het licht x2. Een verdubbeling van f/4 naar f/2.8, nog een verdubbeling van f/2.8 naar f/2 en tenslotte nog een verdubbeling van f/2 naar f/1.4
Dus 2x2x2, of dus 23 = 3 stops = 8 maal zoveel licht ! 

Wat is contrast range ?

Contrast range is de verhouding van de helderheid tussen het helderste kleur en het donkerste kleur van het te filmen beeld dat je camera aankan. "Aankunnen" betekent dat je camera niet alle donkere kleuren compleet zwart maakt en niet alle helderste delen van het beeld compleet wit. Want dan gaat er beeldinformatie onherroepelijk verloren en daarmee dus details in de schaduwen of details in de lucht met veel zon.

Vermits elke stop een verdubbeling van licht betekent, heeft een camera met 10 stops contrast range een contrast range van 2x2x2 ... en dat 10 maal, dus 2 tot de macht 10. M.a.w. de camera kan beelden opnemen (zonder verlies aan detail) waarbij het helderste 1024 keer meer helder is dan het donkerste deel van het beeld ! (Het menselijk oog heeft als vergelijking een statische contrast ratio van 1000:1) Dat geeft meteen ook aan met hoeveel bits de sensor gesampled moet worden. De meeste CMOS sensoren worden met 12bit of 14bit gesampled omdat er door de bewerkingen daarna (zoals noise-reduction) nog wat bits verloren gaan. De nieuwste sensoren echter hebben al een range van 23.000:1 wat overeenkomt met 14.5 stops !
De contrast range geeft ook weer hoeveel verschillende grijswaarden er reproduceerbaar zijn tussen het donkerste zwart en het helderste wit. 10 stops is 1024 = 210 , dus 10bit.

Er is nu nog één belangrijk iets dat een rol speelt in de "dynamic range". Als een camera nu 10 stops dynamic range heeft tussen het hoogste niveau wit dat de sensor aankan en het laagste niveau zwart, dan verliest die waarde zijn betekenis als er in dat zwart al héél veel ruis zit. M.a.w. de noise floor bepaalt mee hoe groot die dynamic range is !
 

2. Shutter Speed

Een f/stop is de diafragma instelling die bepaalt hoeveel licht op onze camera-sensor terecht komt. De sluitertijd, exposure time of in het geval van film-camera's de shutter speed, bepaalt hoe lang het licht op de sensor valt. 
Mijn camera heeft de volgende shutter speeds : 1/32, 1/48, 1/50, 1/60, 1/96, 1/100, 1/120, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000.
Zoals je ziet, halveert de exposure-time vanaf 1/125 telkens met 2. Dat is opnieuw telkens één stop licht minder.
De waarden 1/48, 1/50, 1/60 zijn speciale waarden. Dit zijn waarden die duidelijk gerelateerd zijn met de frame-rate waarop er gefilmd wordt.
  

3. Gain

Bij foto-toestellen spreekt met over de ISO-waarde, bij film camera's over GAIN. Dit is de versterkings-factor die toegepast wordt op het beeldsignaal dat van de sensor komt. Bij peliculefilm was dit de lichtgevoeligheid van de filmkorrel op de pelicule.
Mijn camera heeft de volgende settings mogelijk : -3dB, 0dB, +3dB, +6dB, +9dB, +12dB en +18dB. Er is een selectie-switch met drie standen : low, mid en high. Aan elke stand kan dan een waarde worden toegekend. Ik heb gekozen voor low=0dB, mid=+3dB en high=+6dB.
Waarom gebruik ik de +18dB bijvoorbeeld niet ? Simpelweg omdat met zo'n grote versterking de ruis van de sensor enorm wordt mee versterkt en enorm veel korrel oplevert in het beeld. Bij voorkeur wordt er met 0dB gefilmd en als het niet anders kan, een kleine versterking. Hierdoor blijft de kwaliteit van het beeld nagenoeg perfect.
+6dB is gelijk aan 1 stop extra lichtgevoeligheid. M.a.w. +6dB verdubbeld dus de lichtgevoeligheid. Van heel wat video camera's is de ISO-waarde gekend bij 0db. Mijn camera bijvoorbeeld heeft bij een gain van 0dB een ISO waarde van ongeveer 360. +6dB doet m.a.w. woorden de equivalente ISO-waarde van 360 naar 720 toenemen, maar dan verdubbelt ook de hoeveelheid ruis.

 

EXPOSURE SETTING met diafragma, shutter speed en gain.

De hoeveelheid licht dat de sensor ziet per frame, wordt dus voor het grootste deel bepaald door 3 belangrijke parameters : exposure (diafragma), shutter speed en gain.  Er zijn camera's die ook nog neutral density filters hebben om het licht te verminderen bij zeer lichtsterke omstandigheden. Zo is mijn eerste ND filter een 1/8ND en de tweede 1/64ND. Een ND.8 filter reduceert dus met 3 stops, een ND.64 reduceert met 6 stops. Maar exposure-shutter speed-gain zijn met elkaar verbonden met de 'stop'-regel en hebben daarnaast ook elk hun specifieke invloed op het beeld.

Hoe de drie parameters met elkaar verbonden zijn, wordt mooi getoond in onderstaande figuur. Wanneer je het diafragma terugzet van F/4 naar F/5.6, dan verlies je 1 stop licht. Je kan dit corrigeren met twee dingen : 1. Je verandert de shutter speed van bijvoorbeeld 1/100 naar 1/50 wat je terug 1 stop licht extra bezorgt  of  2. Je verandert de gain van bijvoorbeeld 0dB naar 6dB. Hiermee heb je dan ook terug 1 extra stop. Zo kan je een welbepaalde hoeveelheid licht op de sensor bekomen met verschillende combinaties van exposute-shutter speed-gain. Vermits elke parameter zijn eigen specifieke invloed heeft op het beeld, kan je onder een gegeven lichtomstandigheid, die combinatie kiezen die "het bijkomende effect" heeft wat je wenst. We lijsten die bijkomende effecten hieronder eens op.

 

 

Iedere parameter heeft echter zijn specifiek effect ;

DIAFRAGMA :

Bij een klein diafragma getal (grote diafragma opening), is de DEPTH-OF-FIELD of ook wel scherptediepte, klein.
Dat betekent het volgende : je stelt scherp op een voorwerp op 1 meter. Bij f/1.4 zal de scherptediepte zo klein zijn, dat iets op 90cm afstand en op 110cm afstand van de camera al niet meer scherp zal zijn. Bij f/22 is de scherptediepte zo groot, dat bijna alles vanaf de camera tot aan de horizon scherp zal zijn. Met f/22 bekom je dys een grote scherptediepte.

Met andere woorden ; als je vrij uit de hand filmt, of je filmt zaken die voortdurend van plaats veranderen, dan gebruik je best een groot diafragma-getal om een grote scherptediepte te hebben. Anders zullen er voortdurend dingen scherp en dan weer wazig zijn omdat ze snel in en uit het kleine gebied passeren waarin de camera het beeld scherp op de sensor krijgt.

SHUTTER SPEED :

Bij een hoge shutter speed (1/1000 sec bv.) krijg je een heel scherp beeld bij bewegende voorwerpen. Wanneer je een lage shutter speed waarde (1/32 sec bv. ) krijg je wat motion blur bij snel bewegende voorwerpen. Het hangt er natuurlijk van af wat je wil. Als vuistregel wordt er bij film (24fps) altijd met 1/48 sec shutter speed gedraaid. Men neemt meestal als vuistregeltje 1/2 van de frame tijd als shutter speed.

Wil je echter van jouw opname achteraf op de PC een slow motion maken met een plugin zoals RE:Vision Effects Twixtor, een plug-in die beelden interpoleert aan de hand van het volgen van de beweging in het beeld (motion-vectoren), dan film je best met een hoge shutter speed (>1/500 sec), omdat de de objecten dan mooi scherp afgelijnd zijn in plaats van wazige randen door de motion blur. De software heeft het dan veel gemakkelijker om de tussenbeelden te maken.  

Voor gewone filmscenes gebruik je best de 1/2 frame-tijd regel.


GAIN :

Je zou bijvoorbeeld graag met een groot diafragma getal willen filmen, f/22 bijvoorbeeld, om een grote scherptediepte te hebben. Maar dan verlies je wel enkele stops. Je zou die kunnen compenseren door de gain op te trekken. Maar dan versterk je wel de ruis mee van de sensor. Dit kan leiden tot een grove korrel in het beeld. Wanneer de noise-reduction in de camera nog eens aggressief te werk gaat, krijg je bijna moddervlekjes, waardoor de beeldkwaliteit heel snel achteruit gaat. Sommige mensen vinden een lichte korrel juist mooi en doet het een beetje denken aan echte film. Maar niet iedereen is enthousiast van wat ruis in beeld.

 

De beste conditie om te filmen is genoeg licht hebben. Zo kan je kiezen met welke combinatie van parameters je wil filmen om artisitiek en visueel het resultaat te bekomen dat je wil. Met licht te kort ben je al wel bijna verplicht om met een klein f-getal te filmen en een hoge gain. Dan krijg je meteen een kleine scherptediepte en veel ruis in beeld, iets dat je misschien helemaal niet wil. In ieder geval moet je steeds een compromis maken. 

Er verscheen trouwens al eerder op de ViewIt website een artikel over lichtgevoeligheid bij camera's. Je kan het vinden op deze link : Lichtgevoeligheid van een video camera .

 

Labels:

omhoog
388 users have voted.

Reacties

Chris,

Mooi artikel. Duidelijk uitgelegd. Zeker voor velen onder ons wel leerzaam.

omhoog
64 users have voted.

Chris,

Mooi artikel. Duidelijk uitgelegd. Zeker voor velen onder ons wel leerzaam.

omhoog
61 users have voted.
afbeelding van chris

Bedankt voor jouw reactie JeanLuc. Als er interesse is, kunnen we dit allemaal eens in de praktijk uittesten (met camera en monitor).

omhoog
51 users have voted.