Измерение освещенности с помощью экспонометра

Очень часто нам необходимо измерить освещенность того или иного объекта. Для этого мы можем воспользоваться люксметром, который предназначен именно для таких измерений. Когда вы пользуетесь люксметром, то первое, на что следует обратить внимание, это его диапазон измерений. С помощью типичного люксметра вы можете проводить измерения освещенности не более 1 люкса (для большинства случаев этого вполне достаточно).

При низком уровне освещенности менее 1 люкса (в условиях ночной видимости) мы уже не сможем пользоваться таким люксметром, но вместо него можно взять более качественный и дорогой фотоэкспонометр. В продаже имеется несколько известных марок, таких, как Sekonic, Minolta и Gossen, и некоторые из них выдают результаты измерения сразу в люксах.

Впрочем, если у вас не оказалось под рукой люксметра, то можно обойтись и обычным зеркальным фотоаппаратом, а точнее – его встроенным экспонометром, хотя результаты измерений и не будут выражаться в люксах.

Это может оказаться очень удобным инструментом, поэтому далее я объясню принципы и формулы, по которым вы сможете перевести полученные результаты в люксы.

Стоит заметить, что большинство зеркальных фотоаппаратов имеют встроенный люксметр, тогда как в других типах фотоаппаратов его может и не оказаться. Поэтому если на вашем фотоаппарате нет никаких индикаторов для exposure and aperture, то для измерения освещенности он непригоден. Также следует напомнить, что для более аккуратных измерений логично использовать фотокамеру с таким же полем зрения, как и у предполагаемой телекамеры, для которой мы проводим измерения.

По этой причине лучше иметь трансфокатор, что позволит нам подобрать поле зрения примерно такое же, как и у предполагаемой телекамеры.

Для начала давайте немного освежим нашу память и вспомним некоторые общие принципы экспозиции фотографической пленки.

На всех фотоаппаратах индикаторы выдержки указывают время в секундах, а точнее сказать – в долях секунды. Таким образом, когда мы видим, что индикатор выдержки показывает число 125, это на самом деле означает, что установлена выдержка длительностью 1/125 секунды. Чтобы избежать путаницы при длительной выдержке, когда время указывается в секундах, после числа ставится буква «s», то есть «2 s» обозначает выдержку длительностью 2 секунды. Стандартным временем выдержки считаются следующие значения: 1; 2; 4; 8; 15; 30; 60; 125; 250. Все это, разумеется, доли секунды. Впрочем, существуют и модели фотоаппаратов, которые позволяют выставить выдержку более 1 секунды и менее 1/1000 секунды. Как вы уже, вероятно, заметили, значения выдержки выбраны таким образом, что каждое следующее значение примерно в два раза короче предыдущего.

Индикатор диафрагмы показывает значения в F‑числах. Так число «5.6» обозначает F‑5.6. Чем больше это число, тем меньше раскрыта диафрагма. Стандартными значениями здесь будут 1.0; 1.4; 2; 2.8; 4; 5.6; 8; 11; 16; 22; 32 и 44. Для каждого последующего F‑числа раскрытие диафрагмы будет в два раза меньше, чем у предыдущего, то есть каждое последующее F‑число будет пропускать в два раза меньше света, чем предыдущее в приведенной последовательности.

Для выбора правильной экспозиции в вашем фотоаппарате имеется экспонометр, который выставляет корректные значения выдержки и диафрагмы. В автоматическом режиме оба значения определяются автоматически. В режиме приоритета диафрагмы мы выбираем F‑число, а электроника фотоаппарата рассчитывает и устанавливает длительность выдержки. И, наконец, в режиме приоритета выдержки все происходит наоборот. Здесь мы вручную выбираем длительность выдержки, а F‑число устанавливается автоматически.

Имеются разные комбинации времени выдержки и F‑числа, при которых, тем не менее, на пленку будет попадать равное количество света. Например, если на вашем фотоаппарате установлена комбинация 1/30 с и F‑5.6, то на пленку попадет примерно такое же количество света, как и при комбинации 1/60 с и F‑4. Конечно, в последнем случае у нас будет немного меньшая глубина резкости с меньшим F‑числом, но в остальном пленка будет экспонирована корректно. Учитывая факт равенства количества света с разными комбинациями выдержки и F‑числа, эксперты из области фотографии рекомендовали специальную таблицу экспозиционных чисел (EV, Exposure Value) для вычисления количества света, которое и измеряют экспонометры. Мы не будем вдаваться в подробности того, каким образом производятся измерения в фотоаппарате, так как это потребовало бы отдельной книги, но в общих чертах можно сказать, что существуют экспонометры интегральные, точечные, матричные и другие. В рамках данной книги нет смысла рассматривать их отличия, отметим лишь, что в большинстве фотоаппаратов используется как минимум интегральный экспонометр. Это вполне подходит для нашей сферы, так как в видеонаблюдении уровни освещенности могут быть определены только приблизительно.

Рис. 2.9. Индикация экспонометра в современном зеркальном фотоаппарате

Таблица 2.1. Перевод экспозиционного числа в люксы

В инструкции пользователя фотоаппарата обычно имеется таблица экспозиционных чисел, которая выглядит примерно так же, как и приведенная в нашей книге таблица.

В большинстве случаев таблица экспозиционных чисел относится к фотопленке (или к матрице, если у нас цифровой фотоаппарат) с чувствительностью 100 единиц ISO, а это достаточно стандартная фотопленка. По этой причине в наших дальнейших вычислениях мы будем считать, что в нашем фотоаппарате заряжена пленка именно с такой чувствительностью. Конечно, мы можем использовать пленку и с другой чувствительностью, но это потребует небольшой корректировки наших расчетов.

Таблицу экспозиционных чисел понять несложно.

Например, комбинация 1/30 с и F‑5.6 дает экспозиционное число 10. То же самое число получится с комбинацией 1/60 с и F‑4. Таблица экспозиционных чисел получается при суммировании порядковых номеров (Reference Numbers) для времени выдержки и F‑чисел (RN_t + RN_f). Для удобства мы приводим и таблицу с порядковыми номерами выдержки и F‑чисел. Например, в этой таблице длительности выдержки 1 секунда и диафрагме F‑1.0 соответствует порядковый номер «О». Порядковый номер «1» соответствует длительности выдержки 1/2 секунды и диафрагме F‑1.4, порядковый номер «2» – длительности выдержки 1/4 секунды и диафрагме F‑2 и так далее по порядку.

Экспозиционные числа (EV) получаются сложением этих двух порядковых чисел. Например, экспозиционное число для комбинации выдержки 1/30 секунды и диафрагмы F‑2.8 будет равно 8, так как порядковый номер для выдержки 1/30 секунды будет 5, а для диафрагмы F‑2.8 это 3.

Приведу несколько простых формул (о них я уже писал в журнале «CCTV Фокус»), которые я вывел для приблизительного расчета порядковых номеров, если нет соответствующей таблицы под рукой:

RN_f = 6.7∙lg(F – чиcло) (7)

F‑число здесь соответствует тому, что нам выдает экспонометр фотоаппарата.

RN_t = ‑3.32∙lg(t) (8)

t здесь соответствует реальной длительности выдержки, то есть если экспонометр нам показывает 125, то в формулу мы должны подставлять 1/125 секунды вместо t.

При желании можно подставлять и более привычное число 125 (назовем эту переменную «Т») вместо реальной длительности выдержки t, но тогда знак минуса перед логарифмом пропадает, и формула будет выглядеть так:

RN_T= 3.32∙lg(T) (8a)

Не забудьте, что мы используем десятичные логарифмы.

Экспозиционное число (EV) вычисляется сложением двух полученных значений:

EV = RN_f+ RN_t = 6.7∙lg(F – число) – 3.32∙lg(t) (9)

или, если мы используем Τ вместо t:

EV = RN₁ + RN_T (9а)

Рассмотрим, как это делается, на практике.

Допустим, в мой фотоаппарат заряжена пленка с чувствительностью 100 единиц ISO, а встроенный экспонометр показывает значение выдержки 1/250 секунды и диафрагмы – F‑8. В этом случае порядковые номера для выдержки и диафрагмы и экспозиционное число считаются следующим образом:

EV = RN1 + RNt = 6.7∙lg(8) – 3.32∙lg(1/250) = 6.7∙0.9 + (‑3.32)∙(2.398) = 6 + 8 = 14

(результат мы округляем).

Зависимость между экспозиционным числом и освещенностью описывается следующим уравнением:

Iлк = 2.5 ∙ 2^{(RNf –RNt)} = 2.5∙2^EV (10⁾

В правой части приведенного уравнения 2 возводится в степень экспозиционного числа (EV), полученное значение умножается на 2.5, и в результате мы получаем освещенность Ілк, выраженную в люксах. Например, если экспозиционное число фотокамеры будет 15, то соответствующая этому числу освещенность вычисляется как:

Iлк = 2.5∙2¹⁵ = 81,192 лк

Конечно, в наших измерениях такая точность невозможна, так как мы не учитываем множество факторов, включая отражательную способность окружающих объектов, первичные источники света в поле зрения, которые сильно влияют на средний уровень освещенности, и т. д.

Поэтому полученный результат мы округляем до 82,000 лк.

Следует заметить, что «динамический диапазон» встроенных экспонометров может варьироваться в зависимости от модели фотоаппарата. Чем лучше фотоаппарат, тем шире диапазон его экспонометра. Также при применении наших инструкций по измерению чувствительности на практике не следует забывать о чувствительности фотопленки, которая должна быть 100 единиц ISO. Конечно, можно использовать фотопленку и с чувствительностью 200 единиц ISO, но при этом экспозиционное число будет сдвинуто на +1 значение, так как фотопленка 200 ISO в два раза чувствительнее фотопленки 100 ISO. Фотопленка 400 ISO в четыре раза чувствительнее фотопленки 100 ISO, и соответственно экспозиционное число будет сдвинуто на +2 значения. Например, если мы будем проводить наши измерения с фотопленкой 200 ISO и получим экспозиционное число 16, то это будет эквивалентно 15 с фотопленкой 100 ISO.

В заключение мы рассмотрим еще один практический пример.

Допустим, встроенный экспонометр моего фотоаппарата показывает выдержку 1/15 с и диафрагму F‑2.8. В фотоаппарат заряжена фотопленка с чувствительностью 100 единиц ISO. В результате мы получаем экспозиционное число:

EV_{(F‑2.8+1/15)} = 6.7∙lg(2.8) – 3.32∙lg(1/15) = 3 + 4 = 7

Что даст нам освещенность

Iлк = 2.5∙2⁷ = 320 лк

Чтобы перевести это значение в фут‑канделы, нужно разделить его на 10, что даст нам приблизительно 32 фут‑канделы.

Большинство из нас, вероятно, знают, что в солнечный день уровень освещенности составляет примерно 100,000 лк, в обычном офисе – примерно от 100 до 1000 лк, а лунной ночью – около 0.1 лк и т. д.

В яркий солнечный день мы получим экспозиционное число порядка 15–16, тогда как для видеонаблюдения ночью при нормальном уличном освещении экспозиционное число будет 3, что при переводе даст нам 20 лк.

Не забывайте об ограниченном диапазоне измерений экспозиционного числа. У большинства фотоаппаратов диапазон измерений экспозиционного числа лежит в интервале от 1 до 20. Это означает, что самый низкий уровень освещенности, который вы сможете измерить таким фотоаппаратом, равен 5 лк. Этого будет вполне достаточно при проектировании большинства систем видеонаблюдения, но если вам необходимо измерить и более низкие уровни освещенности, то я рекомендую приобрести профессиональный люксметр или фотоэкспонометр.