Por que os objetos em movimento nas fotos aparecem embaçados?

Ao tirar uma foto na maioria das câmeras, se você tirar uma foto de um objeto em movimento, o objeto parecerá desfocado. Por que isso acontece exatamente?

Primeiro, falarei sobre o que as câmeras fazem normalmente, depois sobre como o movimento afeta essa operação.

Para que uma imagem seja nítida e focada, toda a luz proveniente de um único ponto no objeto fotografado deve incidir em um único ponto no filme ou no sensor. Se você tirar uma foto de um rosto, deseja que toda a luz refletida no olho esquerdo caia em uma parte do sensor de imagem e toda a luz refletida no nariz caia em uma parte diferente. Se a imagem estiver desfocada, a luz de diferentes partes do rosto poderá atingir o mesmo sensor e a luz da mesma parte do rosto poderá se espalhar por outras partes. Isso resulta em uma imagem em que cada parte do rosto é misturada com as outras partes. Isso é chamado de imagem embaçada.

Se o assunto estiver em movimento, ocorrerá um desfoque semelhante porque o obturador da câmera fica aberto por um período de tempo. Imagine que você está tirando uma foto de uma pessoa, e essa pessoa move a mão. Quando o obturador abre pela primeira vez, a câmera direciona a luz da pessoa para uma determinada parte do sensor de imagem. No entanto, como a mão está se movendo, a luz da nova posição da mão será direcionada pela câmera para uma parte diferente do sensor. Portanto, a câmera receberá luz de todas as posições da mão enquanto o obturador estiver aberto. Essa luz de diferentes posições das mãos terminará em diferentes partes do sensor. Isso resulta no que parece uma imagem borrada de uma mão traçando o caminho do movimento.

Isso acontece porque o assunto está se movendo em relação ao quadro da câmera enquanto a exposição está sendo feita E a velocidade do obturador não é rápida o suficiente para congelá-la.

Indo para os detalhes:

A velocidade do obturador ou o tempo de exposição é o período em que o filme ou sensor digital dentro da câmera é exposto à luz, quando o obturador da câmera é aberto ao tirar uma fotografia. A quantidade de luz que atinge o sensor de filme ou imagem é proporcional à período de exposição. Por exemplo: 1/500 de segundo deixará metade da luz entrar em 1/50 de segundo. Quando a velocidade do obturador é lenta (ou seja, abaixo de 1/60 de segundo), até movimentos relativamente lentos aparecem nas fotos. Para resumir, as velocidades rápidas do obturador têm o efeito de congelar o movimento na cena que você está fotografando e, inversamente, as velocidades lentas do obturador desfocam o movimento em uma cena.

A tabela abaixo mostra como diferentes velocidades do obturador afetariam a sensação de movimento se você estivesse fotografando uma pessoa correndo. Velocidades rápidas do obturador congelam o movimento. Quanto mais lenta a velocidade do obturador, mais desfocada a pessoa que está correndo na fotografia.

E velocidades lentas do obturador geralmente são causadas por luz insuficiente. É por isso que você raramente vê problemas de desfoque de movimento ao ar livre em dias ensolarados.

A solução:

A solução é aumentar a velocidade do obturador. E muitas vezes a única maneira de fazer isso é adicionar mais luz. Uma maneira óbvia de fazer isso é usar o flash. Se você estiver dentro durante o dia, você também pode simplesmente ir ao ar livre. Você também pode aumentar a velocidade do obturador diminuindo (ampliando) sua abertura. Uma abertura maior permite mais luz, proporcionando velocidades mais rápidas do obturador. Se você está na sua abertura mais larga e ainda não está obtendo velocidade suficiente, pode tentar obter lentes "rápidas" (uma lente com uma abertura máxima maior, ou seja, um número f mínimo menor): vidro com f / stops 2.8 ou maior.

Você também pode tentar uma configuração ISO mais rápida.

O mesmo acontece com seus próprios olhos, embora seu cérebro tente mais escondê-lo. O problema fundamental tem a ver com a maneira como a imagem é criada.

Vista é a interpretação da luz visível refletida (geralmente; podemos ignorar o brilho ativo por enquanto) dos objetos. Para ver alguma coisa, ela deve estar acesa e refletir essa luz de maneira diferente da envolvente. A luz é formada por pequenas partículas sem massa chamadas fótons - os portadores da carga eletromagnética. Quando um fóton entra na retina em seu olho (ou o filme em uma câmera ou o chip em uma câmera digital), ele deposita parte de sua energia em algum tipo de material fotossensível, causando uma mudança que pode ser medida e interpretada . Medindo a resposta do material fotossensível em muitos pontos individuais, o cérebro (ou chip) reconstrói uma imagem do ambiente.

O fóton tem três propriedades importantes - energia, posição e direção. Com um pouco de geometria e correção óptica, a visão explora a direção do fóton e o local em que ele interage com a superfície fotossensível para descobrir de onde o fóton veio - aproximadamente, qual ponto 3D corresponde a um dado ponto 2D no imagem. A energia determina a cor de um fóton em particular. A idéia é que a luz proveniente do objeto que você está vendo fique aproximadamente paralela, o que torna a projeção 3D-> 2D trivial. Você obtém desfoque estático em uma fotografia quando a correção ótica é insuficiente para compensar a dispersão dos fótons no ar - quanto maior a distância de um objeto, mais dispersos os fótons refletidos são, em média, e você precisa de mais correção para trazê-los de volta para ser paralelo.

Mas as imagens geralmente não são puro preto e branco. Há duas outras coisas que são importantes para os seres humanos - cor e intensidade. A cor corresponde à energia dos fótons, enquanto a intensidade corresponde à quantidade de fótons. E é aqui que as coisas ficam interessantes - para obter qualquer imagem útil, você precisa absorver grandes quantidades de fótons individuais - um único fóton não conta muito. Então, o que realmente acontece é que você captura (aproximadamente) uma média de fótons que atingiram seu sensor por um determinado período de tempo - isso fornece o brilho relativo das coisas na imagem, juntamente com uma boa idéia sobre a cor dos objetos.

Os olhos humanos acrescentam algumas complicações extras, então vamos seguir com uma câmera de filme antigo. O filme é feito de um material que muda permanentemente quando exposto à luz (pense no que acontece com um papel deixado ao sol por alguns meses - mas muito mais rápido). Para simplificar, vamos supor que o material original seja perfeitamente preto, enquanto o material alterado seja perfeitamente branco. Cada fóton individual faz com que uma única molécula mude, mas nossos olhos não conseguem ver as cores das moléculas individuais - eles calculam a média das informações de uma determinada área. Assim, quanto mais fótons chegarem a uma determinada área do filme, mais brilhante ele aparecerá, correspondendo à luz mais brilhante proveniente dessa direção específica no espaço (e, portanto, ao volume de espaço fornecido, correspondendo, digamos, ao seu T vermelho brilhante). camisa). No entanto, em algum momento,todas as moléculas em uma determinada área do filme são alteradas - iluminando-o ainda mais não pode torná-lo mais brilhante. Os detalhes são perdidos porque, à medida que as áreas circundantes ficam mais brilhantes, as áreas saturadas não podem. Do outro lado da escala, se houver pouca luz, haverá muito poucos fótons para formar uma imagem decente - tudo ficará muito escuro, com pontos brilhantes aleatórios.

Portanto, para obter uma boa imagem, você precisa equilibrar o tempo em que expõe o filme à luz. Muito tempo e sua imagem é muito clara e perde contraste. Muito curto e não há dados suficientes para obter uma boa imagem. Como observação, esta é a razão física (por oposição à biológica) pela qual a visão noturna é monocromática - se houver muito poucos fótons chegando, sua distribuição de cores resultará em um ruído de cor (de aparência aleatória) que torna mais difícil ver. Usar apenas a intensidade e desconsiderar as cores resulta em uma imagem mais clara e nítida.

Então, vamos imaginar que você exponha um pouco de filme a uma cena 3D por um segundo. As partes mais brilhantes da cena resultam em mais luz interagindo com as áreas correspondentes na imagem 2D. Mas agora imagine que no ponto 0.5s, o cara na cena move o braço. A primeira metade da exposição tem o braço na posição original, enquanto a segunda metade não recebe mais os fótons da posição original e, em vez disso, recebe-os da nova posição. A quantidade total de fótons refletidos pela mão é a mesma, mas agora estão espalhados por dois lugares distintos na imagem 2D; e calculou a média dos fótons que vieram do fundo quando a mão não estava lá. Se sua mão se move a uma velocidade constante, os fótons correspondentes serão distribuídos uniformemente pelo caminho percorrido pela mão entre o início da exposição e o fim. Você obtém a média de todas as "imagens" individuais, como se você tivesse tirado uma centena de fotos de pessoas com posturas ligeiramente diferentes e calculado a média delas.

Como você pode combater isso? Se houver luz suficiente, você pode manter a exposição curta - isso significa que, para obter um desfoque visível, o objeto deve estar se movendo mais rapidamente em relação a uma exposição mais longa. Se não houver luz suficiente, isso resultará em ruído (os fótons individuais que você mede são aleatórios - eles apenas têm uma distribuição previsível ao longo do tempo; há muito mais fótons vermelhos refletindo de uma camisa vermelha do que os fótons verdes, por exemplo). Se você deseja fotografar um único objeto em movimento, pode tentar eliminar qualquer movimento relativo entre a câmera e o objeto - acompanhe o objeto. Os humanos fazem isso automaticamente - você move os olhos e a cabeça para seguir um objeto em movimento que deseja examinar, o que fornece uma imagem clara do objeto em movimento, enquanto todo o resto é um borrão (que o cérebro normalmente compensa convenientemente, mas a câmera não).

As lentes de uma câmera geram cuidadosamente uma imagem (geralmente de cabeça para baixo) do que você aponta a câmera em um conjunto de sensores.

Esses sensores somam a luz que brilha sobre eles. Então eles podem ser perguntados "quanta luz você viu?" e redefinir.

Normalmente, apenas expomos esses sensores por um curto período de tempo. A luz que vem de uma direção específica durante esse curto período de tempo acaba sendo a quantidade de luz que o sensor específico capta.

Os sensores são mapeados para pixels em uma imagem.

Quando o objeto está se movendo rapidamente em relação à quantidade de tempo que expomos os sensores, os sensores na borda do objeto em movimento captam primeiro "nenhum objeto aqui" e depois "oh, há um objeto aqui". A quantidade de "objeto" vs "nenhum objeto" é uma função de quão perto você está da borda do objeto e de quão rápido ele está se movendo.

Se o objeto for um bloco sólido de cores e o fundo uma cor diferente, isso resultará em um gradiente suave passando de fundo para cor do objeto na borda do objeto, na direção do movimento. Nós interpretamos isso como "motion blur".

Na maioria das vezes, os objetos e o plano de fundo são suficientemente diferentes para que possamos identificá-lo, mesmo que não sejam uniformes em cores.

Às vezes, vemos isso apenas porque as câmeras variam quanto tempo "permanecem abertas", dependendo da quantidade de luz existente. Quanto menos luz, mais tempo eles ficam abertos, mais forte será o desfoque de movimento. Da mesma forma, quanto mais rápido o objeto, mais ele ficará desfocado por um determinado tempo fixo de "permanecer aberto".

A ciência da computação moderna reduziu esse problema; primeiro, tornando os sensores mais sensíveis à luz, e depois pelo pós-processamento. Muitas câmeras detectam um borrão de movimento uniforme (causado pelo movimento da mão) e o invertem após a captura da imagem. Em teoria, isso pode até ser feito para um único objeto em movimento em uma cena, mas determinar o que é objeto e o que não é é mais difícil aqui. Não conheço uma câmera que faça isso automaticamente.

Quando o botão do obturador é pressionado, uma imagem do mundo exterior é projetada rapidamente no sensor de imagem (ou filme). Essa ação é chamada de "exposição". Para responder sua pergunta, você precisa saber que, durante a exposição, a imagem projetada está sendo gravada. O ponto principal é que o sensor de imagem (ou filme) está acumulando energia luminosa ao longo do tempo. Se a imagem mudar de alguma forma durante a exposição, a imagem gravada provavelmente mostrará isso como imprecisão. Tentamos manter a câmera o mais imóvel possível para evitar essa confusão. Além disso, tentamos escolher uma velocidade do obturador super rápida. Desta forma, nossas imagens são momentos congelados no tempo.

Existem dois tipos principais de desfoque nas fotos (bem, três, mas presumo que você mantenha sua câmera razoavelmente limpa): desfoque de foco e desfoque de movimento.

O desfoque do foco ocorre quando o assunto da sua foto está simplesmente desfocado. A solução é garantir que o foco automático esteja ativado e tente novamente. Se estiver fora de foco, focalize novamente e fotografe novamente. Bem direto. Nas câmeras de apontar e disparar, o motivo mais provável de você ficar fora de foco é porque o assunto mudou ou o sistema de foco inteligente não era tão inteligente e focado no objeto errado.

O desfoque de movimento, por outro lado, não acontece porque o assunto está fora de foco. Isso acontece porque o assunto está se movendo em relação ao quadro da câmera enquanto a exposição está sendo feita E a velocidade do obturador não é rápida o suficiente para congelá-la. Vamos abordar esses dois aspectos separadamente.

Portanto, a solução é aumentar a velocidade do obturador. E muitas vezes a única maneira de fazer isso é adicionar mais luz. Uma maneira óbvia de fazer isso é usar o flash. Se você estiver dentro durante o dia, você também pode simplesmente ir ao ar livre. Às vezes, a diferença entre sombra e sol é toda a luz extra que você precisa.