Исследовательская работа по физике на тему "Физика в фотографии"

Введение

Под ночной фотографией понимается фотография, сделанная в ночное время, а также процесс ее получения.

Чтобы получить качественные снимки в условиях низкой освещенности в ночное время при отсутствии дополнительного искусственного света, необходимо...

  • использование длительных выдержек;
  • использование светосильных объективов и малых значений диафрагмы;
  • использование высокочувствительной фотопленки или высокого значения чувствительности (ISO) для цифровых фотоаппаратов.

Для ночной фотографии используют различные сочетания вышеперечисленных приемов и методов, в зависимости от условий съемки. Важно правильно выставить выдержку относительно значения диафрагмы. Для ночной фотосъемки также применяются дополнительные технические средства: фотовспышка, штатив и т. п.

Чтобы получить "эффект звезд" от огней без использования специальных светофильтров, необходимо поставить длинную выдержку при максимально закрытой диафрагме, предварительно зафиксировав фотоаппарат на штативе. Разновидностью ночной съемки является съемка в инфракрасном и/или в ультрафиолетовом светах.

Часто объектами ночной фотографии становятся:

  • ночное небо, небесные тела (см. астрофотография);
  • пейзажи, сооружения при естественном лунном освещении;
  • городские пейзажи (с использованием городского освещения);
  • салюты, фейерверки;
  • ночные портреты.

Фотография, с развитием науки улучшается, появляются разные виды фотографий с помощью которой, люди могут развиваться, узнать и увидеть что-то новое и познавательное. Ночная съемка сильно востребована при фотографировании в ночью, в темном помещении или при фотографировании ночного неба.

Объект исследования: камера телефона.

Предмет исследования: ночная съемка.

Цель исследования: исследование процесса ночной съемки.

Задачи исследования:

  1. Сделать несколько ночных снимков с ночным режимом и без него.
  2. Сравнить эти фотографии и объяснить их различия.

Вывод по результатам исследования: в зависимости от источника света, величины диафрагмы и установленной выдержки, изображение будет меняться.

1. Основная часть

1.1 Описание и анализ проблемной ситуации

Основная задача фотографии заключается в передаче окружающей действительности. Очень часто границы светового дня оказываются для увлеченного фотографа тесны.
Ночь является притягательным и загадочным временем суток. Ночной мир становится интригующим и манящим. Именно поэтому ночная фотосъемка так интересна. Ночная фотосъемка часто кажется начинающему фотографу чем-то особенным.

Фотографии ночного города завораживают яркостью огней и отражений, но все попытки съемки ночного города приводят начинающего фотографа в недоумение - даже если в вашем фотоаппарате есть режим ночной портрет, понять как им пользоваться бывает довольно сложно.

Фотография – это, по определению, рисование светом, свет здесь решает все. И именно в количестве света кроется основная проблема – ночью его катастрофически мало. Наши глаза (если быть точным, и мозг тоже) адаптируются к уровню освещенности, позволяя примерно одинаково хорошо видеть и в солнечный день, и в сумерках. Если и не идентично, то достаточно – снижение восприятия цветовой информации ночью воспринимается нами без особой трагедии. Возможности фототехники пока что гораздо скромнее.

1.2 История фотографии

Сам термин "фотография" (фр. photographie светопись - техника рисования светом) появился в 1839 году, его использовали одновременно и независимо два астронома - английский, Джон Гершель, и немецкий, Иоганн фон Медлер. В Российской империи довольно долго использовали буквальный перевод "светопись" этого же термина, но он в конце концов уступил место общепринятому.

Изобретение фотографии стало возможным благодаря объединению нескольких открытий, сделанных задолго до этого. Древнекитайский философ Мо-цзы еще в V веке до н. э. описал действие камеры-обскура. Возможно, упоминание о камере-обскура встречаются у Аристотеля, который задавался вопросом, каким образом может возникать круглое изображение Солнца когда оно светит через квадратное отверстие.

Камера-обскураКамера-обскура

Художники начали использовать это приспособление для создания перспективных картин уже в средние века, а среди художников эпохи Ренессанса камера-обскура была широко известна под названием "темная комната".

В 1694 году Вильгельм Хомберг описал фотохимические реакции, когда вещества изменяют окраску под действием света. Он же обратил внимание на чувствительность к свету нитрата серебра, открытого тремя столетиями раньше Альбертом Великим. Первым человеком, доказавшим, что свет, а не тепло делает серебряную соль темной, был немецкий физик Иоганн Генрих Шульце.

В 1725 году, пытаясь приготовить светящееся вещество, он случайно смешал мел с азотной кислотой, в которой содержалось немного растворенного серебра. Шульце обратил внимание на то, что когда солнечный свет попадал на белую смесь, она становилась темной, в то время как смесь, защищенная от солнечных лучей, совершенно не изменялась. Этот эксперимент дал толчок целой серии наблюдений, открытий и изобретений в химии, которые спустя немногим более столетия привели к изобретению фотографии.

1.3 Создание фотографии

С развитием оптики стала совершенствоваться и камера-обскура. С установкой двояковыпуклой линзы устройство перестало иметь громоздкие размеры. Камера-обскура превратилась в относительно небольшой деревянный ящик. В задней части имелось зеркало, от которого изображение проецировалось вверх, на полупрозрачный лист бумаги или на стекло. Но история фотографии начиналась не с этого момента. Такая камера-обскура не позволяла получать снимок, человек все так же должен был рисовать изображение. Поэтому время экспозиции до сих пор зависело от умений художника.

История возникновения фотографии берет свое начало с начала 1800-х годов. Англичане Гемфри Дэви и Томас Веджвуд решили попробовать уложить в камеру-обскура бумагу, пропитанную раствором азотнокислого серебра и поваренной соли. В результате получалось малоконтрастное изображение. Но для экспонирования требовались несколько часов. При просмотре снимка на свету изображение почти полностью пропадало. Поэтому вскоре такие эксперименты были завершены.

Изобретателем фотографии в привычном понимании этого слова является Жозеф Нисефор Ньепс. Этого человека всегда интересовала камера-обскура. И он принял решение, во что бы то ни стало, добиться автоматического создания изображений на бумаге. И это ему удалось. Для получения черно-белых изображений использовалась бумага, пропитанная сирийским асфальтом, также называемым битумом.

Жозеф Нисефор Ньепс (1765-1833) французский изобретательЖозеф Нисефор Ньепс (1765-1833) французский изобретатель

Проблема такого фотографирования заключалась в длительности экспозиции, которая иной раз составляла все восемь часов. Людей фотографировать было невозможно, поэтому на первых снимках Ньепса запечатлены пейзажи его родного города.

1.4 Развитие фотографии

Со смертью Ньепса история развития фотографии не прекратилась. Данное дело продолжил Луи Жак Дагер. Он использовал для создания снимков медные пластинки с серебристым слоем. Дополнительно он обмазывал их йодом. Но в результате получалось негативное изображение, что не устраивало изобретателя. Да и время экспозиции по сравнению со способом Ньепса не сократилось.

В 1835 Дагер совершенно случайно обнаружил, что картинка гораздо быстрее проявляется под воздействием ртутных паров. Это случилось после того, как изобретатель положил непроявленную фотографию в шкаф. На следующий день он вынул из ящика шкафа уже готовую фотографию. Дальше пришлось экспериментировать со всеми химическими элементами, располагавшимися у изобретателя. Постепенно стало ясно, что быструю проявку обеспечивала именно ртуть.

В дальнейшем процесс создания фотографий постепенно совершенствовался. Англичанин Джон Фредерик Годдард стал обрабатывать серебряные пластинки смесью брома и паров хлора. Время экспозиции после этого сократилось всего до одной минуты, что можно считать вполне приемлемым результатом. Именно после этого открытия стала популяризироваться портретная съемка.

В 1850-х годах была изобретена стереоскопическая дагеротипия. Два снимка вкладывались в одно устройство. При помощи отдельных луп или бинокля каждый глаз человека смотрел на одну фотографию. В результате изображение казалось объемным. Недостатком фотографий тех времен являлась невозможность их копирования. Для создания нового снимка необходимо было повторное фотографирование. Изменения в этом плане произошли только с изобретением негативно-позитивного процесса.

1.5 Устройство камеры в телефоне

На сегодня во смартфонах применяются камеры, обладающие оптической стабилизацией изображения, высокой светочувствительностью, состоящие из большого количества линз. Толщина модуля – один из самых главных параметров с точки зрения габаритов.

Матрица и оптика камеры являются основополагающими элементами качества снимка. Для начала разберем из чего состоит именно матрица. Основной тип матрицы, применяемый в современных устройствах, состоит из светочувствительных элементов, собранных в блоки.

Сами светочувствительные элементы не могут работать без специальных фильтров, нанесенных на поверхность матрицы. Эти фильтры пропускают только красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвет - эта система получила название RGB.

Размер светочувствительной ячейки очень сильно влияет на итоговое качество изображения. Не смотря на то, что размер ячеек выражается в микронах, кажущаяся небольшой разница в несколько десятых микрона является очень существенной – чем больше размер пикселя, тем лучше.

Также на качество снимка влияет и расстояние между пикселями. Если пиксели будут очень маленькими и расположены плотно снимки будут плохими и с большим количеством шумов. Все это является объяснением, что разрешение в 40 мегапикселей не является самым хорошим вариантом.

В конструкции объектива смартфона применяется несколько линз. Точное число зависит от конкретного производителя, но их может быть 4, 5, 7, 8 и больше. Каждая линза выполняется из специального пластика или такого же специального стекла. Каждая из них собирает пучок света так, чтобы он равномерно попадал на рабочую часть матрицы. Малейшее смещение одной линзы на тысячные доли миллиметра может привести к полной неприемлемости качества снимков.

Важным критерием объектива будет его светосила или диафрагменное число. При выборе смартфона, если вам важна камера, надо выбирать тот, в котором цифра будет меньше, например, f/1,75. Это будет существенно лучше, чем f/2.0, f/2.2 и так далее. Тут все просто - чем меньше значение, тем выше светосила и тем лучше камера снимает при слабом освещении.

Еще одним важным показателем будет фокусное расстояние, но сейчас это уже потеряло актуальность для камер смартфонов. Все современные смартфоны оснащены камерами, которые отлично работают почти на любых расстояниях от объекта съемки. Есть даже модели с несколькими объективами, способными работать по-разному, дополняя функции основной камеры функциями телеобъектива (аналог оптического зума) или, наоборот, давая возможность снимать панорамы.

На заре камеростроения для мобильных устройств они не оснащались автофокусом, это было не так плохо и позволяло фотографировать панорамы или объекты на их фоне, обладая достаточно большой глубиной резкости. Но время идет и надо вводить новые функции. Так появился основной элемент, позволяющий улучшить снимки. В настоящее время он имеет три основных типа.

Первый является контрастным. Суть его работы сводится к поиску оптимального фокуса, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем. Для такой системы не важно, на каком расстоянии находится объект съемки.

Второй тип автофокуса называется лазерным. Он работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний. Он способен определять расстояние до объекта и подстраивать под него настройки фокуса.

Третий тип автофокуса называется фазовым. Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса.

Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.

Для более точной цветопередачи и большей естественности снимка камеры оснащаются датчиком цвета. Любой тип освещения имеет свою цветовую температуру, и, попадая на объект, он отражается по-разному. Человеческий глаз воспринимает это нормально и может подстраиваться, но камере работать с такими изменениями трудно.

1.6. Особенности ночной съемки

Через объектив на светочувствительный элемент - пленку или матрицу - попадает свет. Качество полученного снимка во многом зависит от количества попавшего света на светочувствительный элемент. Вечером или ночью, то есть в условиях недостаточной освещенности, правила фотосъемки существенно отличаются от применимых ярким солнечным днем.

Если интенсивность света недостаточная, то требуется длительная выдержка, чтобы кадр был достаточно хорошо экспонирован. Так как при длительной выдержке сильно возрастает вероятность смазать кадр, то нужно позаботиться о том, чтобы камера в момент съемки не двигалась.

Один из приемов ночной съемки - это увеличение чувствительности матрицы камеры. При увеличении чувствительности нужно следить за тем, чтобы "шумы" матрицы не ухудшили изображение.

Для ночной съемки можно, конечно, использовать встроенную вспышку. Но следует учитывать, что она "выхватывает" из темноты близко расположенные объекты. При этом фон становится неразборчивым и темным. Огни на заднем плане уже не получится передать.

2. Исследовательская часть

Для эксперимента мне понадобился: Iphone 11.

Целью работы является изучение ночной съемки со стороны физики, а также демонстрация применения этой съемки в жизни и сравнение этих фотографий для понятности изученного материала.

1. Фотографирование местности в ночное время суток

1.1. Фотографии

Рис. 1 - включен ночной режим, рис. 2 - ночной режим выключен.Рис. 1 - включен ночной режим, рис. 2 - ночной режим выключен.

На рисунке 1 и рисунке 2 изображены фотографии сделанные студентом на телефон. На рисунке 1 включен режим ночной съемки, а на рисунке 2 его нет. В сравнении этих фотографий видно, что на рисунке 2 цвета передаются тусклее.

1.2. Снимок экрана

Рисунок 3 - Снимок экрана в режиме ночной съемки (слева), рисунок 4 - ночной режим выключен.Рисунок 3 - Снимок экрана в режиме ночной съемки (слева), рисунок 4 - ночной режим выключен.

На рисунке 3 сверху изображен секундомер. Это время выдержки, при которой фотография будет получать свет от источников. Чем больше этого времени тем ярче фотография получится. Работает это все по принципу, показанному на рисунке. Свет проходит через диафрагму, освещая картинку.

Принцип прохождения света через линзу камеры и диафрагмуПринцип прохождения света через линзу камеры и диафрагму

1.3. Фотографии

Рисунки 5 и 6 были сделаны в другом месте, где было больше источников света чем на рисунках 1 и 2, чтобы подтвердить влияние света при съемке. 

На рисунке 5 включен режим ночной съемки, а на рисунке 6 он выключен.

На рисунке 5 более отчетливее видно цвета и само изображение выглядит ярче, если сравнивать его с рисунком 6, что подтверждает влияние света на ночной снимок.

Рис. 5 - фотография сделанная на IPhone 11 (ночной режим включен). Рис. 6 – ночной режим выключенРис. 5 - фотография сделанная на IPhone 11 (ночной режим включен). Рис. 6 – ночной режим выключен

2. Анализ фотографий

Анализируя ночные снимки, можно сказать, что в зависимости от источника света и их количества, величины диафрагмы и установленной выдержки, изображение будет меняться.

Заключение

Изучив теоретический материал, а именно что такое ночная фотография, историю создания фотографии, а также принцип ее действия можно сказать, что каждый человек, у которого есть телефон в кармане, сможет сделать ночные снимки.

В ходе исследовательской работы, стало известно о принципе фотографии. А также влияния света, величины диафрагмы и установленной выдержки на фотографию.
Фотография, с развитием науки улучшается, так же появляются новые ее виды. С помощью фотографий, люди могут развиваться, узнать и увидеть что-то новое и познавательное. Фотография - это неотъемлемая часть в нашей жизни. Каждый вид фотографии по-своему важен и интересен.

Чтобы скачать материал зарегистрируйтесь или войдите!