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Cámara fotográfica
Sección de Informática GráficaDepartamento de Sistemas Informáticos y
Computación (DSIC)Universidad Politécnica de Valencia
ÍndiceProyecciones
Conceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalFOVPerspectiva
DiafragmaLuminosidadProfundidad de Campo
Óptica de enfoquePelícula
CCD vs CMOSObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica
Proyección: transformación de sist. coord. N dimensiones en M / M<N
Centro de proyección: punto del espacio del que emergen los haces de proyección
Haces de proyección: líneas rectas que parten del centro de proyección y acaban en los puntos a proyectar. Intersecciona al plano de proyección
Plano de proyección: Espacio 2D sobre el que interseccionan los rayos de proyección. Se encuentra entre el centro de proyección y el punto a proyectar. Contiene los puntos proyectados
Puntos proyectados: Puntos obtenidos al interseccionar el plano de proyección y el haz de proyección
Cámara fotográfica Proyecciones. Conceptos básicos
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (I)
Tipos de proyecciones geométricas planasPerspectivasPerspectivas
Dist(Centro P., Plano P.) ∈ ℜ
Requiere posición centro de proyección
Deformación del tamaño aparente de los objetos = f(Dist.)
ParalelasParalelasDist(Centro P., Plano P.) = ∞
Requiere dirección de proyección
Tamaño aparente de los objetos es constante ≠ f(Dist.)
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (II)
Plano de proyección
Centro de proyección
Objeto a proyectar
Proyección paralela
Proyección perspectiva
Dirección de
proyección
Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (III)
Perspectivas (Cónicas)Perspectivas (Cónicas)Un, dos y tres puntos de fuga = Nº de ejes reales que cortan el plano de proyección
ParalelasParalelasOrtográficas. Vector director de plano proyección // vector de proyección
Diédricas. Planta, Alzado y Perfil. Vector de proyección paralelo a un vector unitarioAxonométricas. Un vector de proyección no es paralelo a un vector unitario
Isométricas. Proyección de vectores unitarios forman ángulos iguales (120º). Vector Dtor. Plano Proy. = (-1,-1,-1)Dimétricas. Dos ángulos son igualesTrimétricas. Ningún ángulo es igualOtras
Oblicuas. Vector director de plano proyección no paralelo al vector de proyecciónCaballera. (45º o 30º). No existe escalado de profundidadCabinet.arctan(1/2) = 63.4º. Existe escalado de profundidadOtras
Cámara fotográfica Proyecciones. Tipificación (IV)
Y
X
Z
Alzado
Planta
Perfil
Proyecciones paralelas ortográficas diédricas(Planta, alzado y perfil)
Cámara fotográficaIntroducción (I)
¿Qué es?Máquina analógica de proyección ópticaBasado en el funcionamiento de la cámara oscuraTecnologías:
Electromecánica / Fotoquímica (Analógica)Electrónica / Optoelectrónica (Digital)
Realiza transformaciones analógicas desde el espacio 4D (la realidad) a un espacio 2D (negativo/CCD)
PartesObjetivo: Lentes de aumento y de enfoque, diafragma. Óptico / mecánicoEspejo - Pentaprisma. Opcional. No necesario. Sólo en ReflexObturador o cortinilla
Mecánico (Analógico)Electrónico (Digital)
Plano de proyecciónNegativo fotoquímico (Analógico)CCD / CMOS (Digital)
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Introducción (II)
Cámara estenopéicaBasado en el funcionamiento de la cámara oscura
PartesCámara oscura: Estancia completamente cerrada a la luzEstenopo: Agujero practicado en la parte delantera de la
caja. Orificio por donde entra la luz en la estanciaPlano de Proyección: Lugar donde acaban los rayos de luz
rebotados desde el objeto
ProblemasLa imagen
Aparece invertida por la trayectoria que recorren los rayos hasta tropezar con el PP
Muy tenue puesto que el estenopo es muy pequeñoPoco nítida ya que los rayos luminosos continúan
divergiendo desde el estenopo hasta el plano de proyección
Mejora nitidez imagen disminuyendo el tamaño del agujeroProblema: también disminuye su luminosidad
Estenopo
Plano de proyección
Cámara fotográfica Funcionamiento
Plano de proyección
Puntos proyectados
Centro de proyección
Objeto a proyectar
Cámara fotográfica Objetivo – Conceptos básicos
Cámara fotográficaSi a una cámara ESTENOPÉICA, se le pone una
lente positiva (convexa), se obtiene una cámara fotográfica convencional
ObjetivoEs la lente, o conjunto de lentes, por las que penetra
la luz en un instrumento óptico (microscopio, telescopio, cámara fotográfica, etc.)
Los objetivos fotográficos actuales están compuestos por muchos tipos de lentes
Pueden llegar a tener desde una sólo (cámaras de usar y tirar) hasta 15 unidas en varios grupos
Su comportamiento, en conjunto, viene a ser el de una lente positiva simple de altas prestaciones
Equivalente al cristalino en el ojo humano
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Distancia focal
Eje óptico o principalLínea que pasa por los centros de curvatura de las dos caras de
una lente
Foco, punto focal, o foco principalPunto del eje óptico, situado en el plano focal, donde se reúnen
los rayos de luz cuando el objetivo está enfocado al infinito
Plano focalPlano que contiene el punto focal y es perpendicular al eje óptico
Distancia focalDistancia comprendida entre el centro de la lente y el punto focalFotografía
Analógica: mm. Df ojo humano ≈ 35 mmDigital:Aumentos. 1 aumento = 35 mm. Pueden ser ópticos o
digitalesÓptica: Dioptrías. D = 1/Dfm donde D es la dioptría y Dfm es la
distancia focal en metros. Objetivo de 50mm = 1 / 0.050 = 20 dioptrías
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica FOV (I)
Ángulo de observación de la escenaDepende directamente de la distancia
focalSucede cuando se manipula el zoom del
objetivo o se cambia (focal fija)A mayor distancia focal, menor es el
ángulo de observaciónPara ver la misma escena hay que
alejarse más. Observarla desde más lejos
Si se mantiene la misma posición de cámara se observa menos escena
Efecto de acercamiento virtual (prismáticos o telescopio)
FoV - Field of Vision (Campo de visión)
Cámara fotográfica FOV (II)
Field of Vision (Campo de visión)
( )zoomFoV 1arctan*2=
π180*radgrad FoVFoV =
57.29002100028.6363460022.9038550014.300783009.5144122006.3138181354.9152231054.010828852.355946501.664362351.327074281.110684240.932594200.8391100180.600911813ZoomFOV (grados)Focal (mm)
Cámara fotográfica Perspectiva
Deformación del tamaño aparente de los objetos en función de la distancia a la que se encuentren respecto de la cámara
Sin efecto perspectiva, aparece un achatamiento de la imagenDepende directamente de la distancia focal:
A mayor distancia focal, menos perspectivaObjetos parecen achatadosEl tamaño relativo se asemeja al de la realidad
Puede llegar a ser extrema: Ojo de pez
Cámara fotográfica Diafragma
El mecanismo que regula la intensidad de la luz que entra a través del objetivo en el interior de una cámara se denomina DIAFRAGMA
Actúa estrechando el cono de luz que penetra por el objetivoInicialmente se empleaban simples láminas taladradas con
agujeros de distinto diámetro, independientes, o agrupadas en un tambor o disco giratorio
Hoy en día todas las cámaras de calidad van equipadas con un DIAFRAGMA DE IRIS
Formado por un conjunto de laminillas, situadas en el interior del objetivo, que se cierran formando un abertura poligonal más o menos circularEquivalente al iris en el ojo humano
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Luminosidad (I)
Cantidad de luz que entra en el interior de la cámaraDepende directamente de la superficie del orificio abierto por el
diafragmaSi se reduce el diámetro del diafragma a la mitad, la luminosidad se
reduce, no a la mitad, sino a la cuarta parte, ya que A = πR2
La luminosidad de la imagen conseguida con un objetivo, depende principalmente de dos factores:
1. La distancia entre el objetivo y la imagen proyectada. Depende de la distancia focal del objetivo
2. El diámetro del haz de luz que penetra por el objetivo. Depende de su diseño y construcción
Al diámetro del haz de luz que penetra por el objetivo con el diafragma totalmente abierto se le llama abertura efectiva
Relacionando la abertura efectiva y la distancia focal, se define la luminosidad de un objetivo
Cámara fotográfica Luminosidad (II)
LUMINOSIDAD, ABERTURA RELATIVA, o NUMERO f/Cociente entre la distancia focal de un objetivo y el diámetro de su abertura efectiva
Donde Df es la Distancia focal del objetivo y D el diámetro de la abertura efectiva en ese instante del diafragma
La luminosidad de un objetivo es fundamental en fotografía profesionalLa complejidad de su diseño hace que se encarezcan enormemente los objetivos
muy luminososRelación que determina la calidad de un objetivoEquivalente a la pupila en el ojo humanoLas fotos tienen la misma luminosidad con independencia
de la distancia focal del objetivo, siempre que se mantenga el número f
DDf=f
DfD
Lente
Cámara fotográfica Luminosidad (III)
Los valores de f están normalizados: 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22. A cada valor, se le denomina un punto
Estos valores siguen una progresión geométrica de razón Al aumentar f en un punto, la cantidad de luz se reduce a la mitad ya
que la superficie de entrada de luz se reduce a la mitadSi se mantiene la misma distancia focal Df, f = Df/D, D = Df/fSi f pasa de 2 a 2.8, entonces D2 = Df/2 y D2.8 = Df/2.8D = 2R, por lo tanto R = D/2Af=2 = πR2
2 = π(D2/2)2 = π(Df/4)2 = πDf2/16
Af=2.8 = πR2.82 = π(D2.8/2)2 = π(Df/5.6)2 = πDf
2/31.36 ≈ πDf2/32
Af=2 ≈ 2*A2.8
De forma análoga, A2 ≈ 2*A2.8 ≈ 4*A4 ≈ ...≈ 64*A16 ≈ 128*A22
2
Cámara fotográfica Luminosidad (IV)
Cuanto más alejado esté un objeto de la cámaraMenor cantidad de luz llegará al objetivo. Cuadrado de la distanciaCompensar empleando objetivos de mayor luminosidad (f menor)
Como consecuencia de los dos efectos anteriores, menor profundidad de campo
Compensación pérdida de luminosidad → utilizar negativo de mayor sensibilidad → mayor tamaño de grano →menor resolución de imagen
Cámara fotográfica Profundidad de campo (I)
Profundidad de campo Distancia comprendida entre los puntos más próximos y más
lejanos a la cámara que pueden ser reproducidos en la película con un enfoque aceptable. Observación enfocada
Es la zona limitada del espacio que se extiende por delante y por detrás del punto enfocado
Los motivos situados en este área, se reproducirán con nitidezLos objetos que estén más cerca o más lejos de la
profundidad de campo aparecerán borrosos (desenfocados)
Cámara fotográfica Profundidad de campo (II)
Factores de los que dependeLa profundidad de campo disminuye 1. Cuanto más cerca esté el objeto de la cámara
2. Cuanto mayor sea la distancia focal del objetivo
3. Cuanto mayor sea la abertura del diafragma, menor nº f
Cámara fotográfica Óptica de enfoque
Dependiendo de la óptica de enfoque que se utilice, aparecen dostipos de objetivos
Lejano: TeleCercano: Macro
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Película (I)
Es la parte de la cámara encargada de recoger la luz en el momento de realizar la fotografíaSe mide en grados ASA/ISO/DINVarían desde ASA 25 hasta ASA 3200, siendo los más habituales enlas grandes superficies, ASA 100, 200 y 400Cada número es el doble de sensible que el anterior. Es decir, necesita la mitad de tiempo para obtener una imagen con la misma luminosidadPermite determinar la rapidez de impresión de la películaSuelen venderse en rollos de 12-24-36 fotogramas (analógica) o tarjetas de memoria entre 32MB y 1GB (digital)
f/11 - f/81/125 - 1/250400x4
f/81/125200x2
f/81/60100 1
f/8 – f/5.61/30 – 1/6050 ½
DIAFRAGMAVELOCIDADASAFACTOR
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Película (II)
+ sensibilidad = + tamaño de los cristales fotosensibles+ tamaño del punto = + grano = - resolución de imagen. ¿Por qué?Tamaño del negativo (35mm-60mm) o del CCD (1/4 a 1”) siempre constanteEn fotografía digital, sensibilidad regulada electrónicamente o mediante integración de grupos de píxels (reducción de resolución)Escala de crecimiento ASA/ISO es aritmética, mientras que DIN es logarítmicaTabla de conversión entre ASA/ISO y DINPuede ser negativa (negativo) o positiva (diapositivas) o directamente papel (Polaroid o fotografía)
grandealta800 o superiornormalnormal100-400
finolentas64 o inferior
GranoTipo de películaASA
ASA .. 25 32 40 50 64 80 100 125 160 200 250 320 400 500 640 800 1000 1200 1600.. DIN .. 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 ..
Cámara fotográfica Película (III)
Razón de aspectoAnálogo al tamaño de las fotografías, indica la proporción entre anchura y altura del la superficie del negativo impresionadoExisten varias medidas normalizadasCine mudo. T.V. Razón de aspecto 4:3HDTV. 16:9
Cámara fotográfica Película (IV)
Cine 1.85:1 y 2.35:1
Cámara fotográfica Película (V)
CCD / CMOSAcumulan carga =f(intensidad de iluminación)Emplean misma tecnología de sensorizaciónCoste I+D de desarrollo equivalentes (Sistema)Existen en muchos tipos de modelos. Se clasifican en función de
ResoluciónSensibilidadTamaño de píxelRelación de aspectoFrecuencia de captura de imagenPrecio
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Película (VI)
CCDSólo contiene sensorizaciónSe produce en lugar físico ≠ procesadoDigitalización es externa al CCD y se produce píxel a píxelSerialización explícita debido a limitación nº pines externos microchip
Cámara fotográfica Película (VII)
CMOSDigitalización de carga en el mismo píxelSensor y circuitería en el mismo sustratoDigitalización es interna al CMOS y se produce en paralelo por líneas completas
Cámara fotográfica Película (VIII)
CCD vs CMOSComparativa
Versátil. Tamaño como frecuencia de refresco. HW
Limitada. SWVentana
AltaMediaVelocidad de captura
Chip comunicaciones, sensor CMOS y lente
Varios circuitos externos de apoyo, comunicaciones, lentes y sensor CCD
Componentes de la cámara
AltaBajaComplejidad del sensor
BajaAltaComplejidad de sistema
ModeradaAltaDensidad de píxel. Nº píxeles/área de microchip
Tipo de señal: Interna (chip)Externa (chip)Externa (Cámara)
VoltajeDigitalDigital
Paquete de cargaVoltajeDigital
CMOSCCD
Cámara fotográfica Película (IX)
CCD vs CMOSComparativa
Alto. Circuitería adicionalBajo. Poco circuitería extra + barato
Bajo. Sólo sensorAlto. Mucha circuitería adicional + caro
Consumo global ChipSistema
Alta. Mejor en condiciones ultraduras. Menos componentes y conexiones
AltaFiabilidad en entornos duros
AltoAlto a ningunoAntiBlooming. Sobre exposición local no afecta resto de imagen
Blancos. Equiparable. InferiorNegros. Peor
MayorUniformidad. Variación de la intensidad registrada por cada píxel
Mucho ruido eléctrico, inducción, etcde circuitos en chip
2*RDCMOS
Sensor no posee circuiteríaRango DinámicoSaturación / Ruido
Sensibilidad. Intensidad Registrada / Intensidad luminosa incidida
Ligeramente superior a CCDAmplificador situado en sensor
Normal
CMOSCCD
Cámara fotográfica Película (X)
CCD vs CMOSFoveon X3
Cámara fotográfica Obturador (I)
Controlan directamente el tiempo de exposición del negativo a la luz exterior
Evolución pareja a la de las emulsiones sensibles:1. Las primeras emulsiones eran tan lentas, que el tiempo
de exposición podía controlarse cortando la luz con una simple gorra o con la tapa del objetivo
2. Aumentó de rapidez de películas, disminución de tiempos de exposición. Creación de obturadores cada vez más rápidos. Empleo de resortes y laminillas con mecanismos complejos, similares a los de relojería
3. Cámaras modernas están controlados por osciladores electrónicos de cuarzo / niobato de litio
Cámaras actuales:Central o de laminillasPlanofocal
Diafragma
Obturador
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográficaObturador (II)
Dependiendo de la velocidad de obturación, se pueden obtener diferentes efectos en la fotografía:
Lenta. > 1/10. Pulso puede mover la fotografía. Necesidad de trípode
Media. 1/20- 1/60. Objetos rápidos salen corridos
Alta. <1/100. Objetos congelados
Cámara fotográfica Obturador (III)
1/12501/10001/500
1/10001/5001/250
1/5001/2501/125
7.5m15m30m
90 a 180Carreras de coches MotosAvionesTrenes
1/10001/5001/250
1/5001/2501/125
1/2501/1251/60
7.5m15m30m
30 a 90
Pájaros en vueloCarreras ciclistas/caballosLanchas a motorEsquiadoresAtletismoCoches, Trenes
1/5001/2501/125
1/2501/1251/60
1/1251/601/30
7.5m15m30m
15 a 30Carreras, patinajeCaballos al GalopeVeleros
1/2501/1501/60
1/1251/601/30
1/601/301/15
7.5m15m30m
5 a 15
Árboles muy movidosGente a paso rápidoo corriendoCiclistas de paseoCaballos al troteBarcos
1/1251/601/30
1/601/301/15
1/301/151/5
7.5m15m30m
3 a 5
Árboles moviéndoseGente paseandoCaballos al pasoBotes a remo
PerpendicularA 45ºDe Frente
Dirección con respecto a la cámaraDistancia al Sujeto
Velocidaden Km./hSujeto
Cámara fotográfica Obturador (IV)
CCD vs CMOSElectronic Rolling Shutter (ERS). Sólo CMOSElectronic Frame / Global Shutter (EFS ó EGS). CMOS y CCD
Cámara fotográfica Efectos combinados (I)
Obturador-DiafragmaLa luminosidad de la fotografía viene determinada por
La intensidad luminosa, que controla el diafragmaEl tiempo de exposición, regulado por el obturador
Por cada punto que se suba el diafragma, hay que aumentar uno el obturador. Linealmente dependientesEfecto secundario
Cambio de profundidad de campo. DesenfoquesTiempo de exposición. Objetos corridos
ProyeccionesConceptos básicosTipificación
Cámara fotográficaObjetivo
Distancia focalDiafragmaÓptica de enfoque
PelículaCCD vs CMOS
ObturadorEfectos combinados
Cámara fotográfica Efectos combinados (II)
Tabla comparativaLas flechas indican si el resultado sube o baja cuando sube parámetro
↑Distancia enfoque
↓--↓*↑Distancia al blanco
--↓↑-ISO
---↓-Velocidad Obturación
↓↓-↓*↓Longitud Focal
---↓↑fPerspectivaFoVResoluciónLuminosidadProfundidad de campo
* Si se enfoca a objetos alejados. Atenuación atmosférica. I=f(1/d2)