L'otturatore non è che uno dei numerosi componenti importanti della fotocamera utilizzati per esercitare un maggiore controllo sull'aspetto delle immagini video. Bene, inizia la nostra esplorazione con una discussione sui vantaggi che l'otturatore ci offre. Prima di aprire una videocamera per dare un'occhiata al funzionamento interno dell'otturatore ad alta velocità, tuttavia, esaminiamo la funzione più generale di tutti gli otturatori.
L'otturatore della fotocamera controlla il periodo di tempo in cui la luce può entrare nell'obiettivo. L'altro principale controllo dell'esposizione su qualsiasi fotocamera (fermo immagine o video) è il suo diaframma, che influenza lo "spazio" attraverso il quale deve passare la luce, quindi la nostra discussione oggi riguarderà lo spazio e il tempo. Non preoccuparti, non è scienza missilistica. Tutto ciò di cui hai veramente bisogno è capire alcuni semplici termini e relazioni.
In poche parole, l'otturatore e il diaframma lavorano insieme per controllare la quantità di luce che entra nell'obiettivo di una videocamera. L'otturatore controlla la durata dell'esposizione della luce al CCD (Charge Coupled Device). L'iride controlla la dimensione dell'apertura attraverso la quale la luce può entrare nell'obiettivo. Anche se questo è abbastanza semplice, ognuno influisce sull'immagine finale:ognuno ci dà il controllo sull'aspetto delle nostre immagini video.
Espansione della tua attenzione
L'iride di una videocamera funziona in modo molto simile all'iride dei tuoi occhi. Se la luce è intensa, l'iride dell'occhio si chiude, rendendo più piccola l'apertura attraverso la quale passa la luce, in modo che la luce non ti accechi. In condizioni di scarsa illuminazione l'iride dell'occhio si "dilata", aprendosi completamente per consentire l'ingresso di più luce. Lo stesso vale per il sistema di esposizione automatica delle videocamere. La cosa meravigliosa dell'iride è che ti consente di controllare la profondità di campo delle tue immagini. In condizioni di scarsa illuminazione, il diaframma della videocamera si apre. In piena luce, si chiude. Ma quando l'apertura diventa più piccola, la profondità di campo, o la gamma che è a fuoco nitida, aumenta. In effetti, se il diaframma è abbastanza chiuso non hai nemmeno bisogno di un obiettivo per mettere a fuoco l'immagine. Il mondo intero diventa nitido quando l'apertura è estremamente piccola.
La prima fotocamera, la camera oscura, non aveva obiettivo, otturatore e nemmeno pellicola. Molto prima che qualcuno pensasse a queste cose, gli antichi notarono che quando la luce passava attraverso una piccola apertura in una stanza buia, veniva proiettata un'immagine nel punto in cui la luce colpiva il muro o il pavimento. Con un po' di sperimentazione si è scoperto che più piccolo è il foro attraverso il quale è passata la luce, più nitida è l'immagine. Ciò ha portato allo sviluppo della camera oscura, che utilizza un piccolo foro (e nelle versioni successive, una lente) nel muro di una stanza o di una scatola buia, per proiettare le immagini su una superficie di disegno dove sarebbero state tracciate, producendo immagini altamente accurate e disegni dettagliati.
La fotocamera pinhole è un esempio più moderno dello stesso approccio all'imaging. Tutto ciò di cui hai bisogno è una scatola da scarpe, una spilla e un po' di pellicola. Se vuoi saperne di più sulla fotografia stenopeica, puoi trovare tantissime informazioni sul Web.
Il problema con il foro stenopeico
Sebbene l'utilizzo di un piccolo foro invece di un obiettivo possa produrre immagini nitide da quasi la superficie dell'obiettivo all'infinito, presenta un grande svantaggio. Il piccolo foro non può far passare molta luce. Per ottenere più luce, potresti allargare il foro, ma poi la nitidezza dell'immagine viene persa. Utilizzando una lente al posto del foro stenopeico, è possibile raccogliere la luce sull'intera superficie dell'obiettivo e ottenere comunque un'immagine a fuoco sul CCD o sulla pellicola.
L'obiettivo consente a più luce di entrare nella fotocamera, ma l'area che sarà nitidamente a fuoco viene ridotta. Maggiore è il diametro della lente, peggiore diventa il problema. Con obiettivi di diametro molto grande, l'area a fuoco, o la profondità di campo come viene chiamata, può essere ridotta a una frazione di pollice. Un altro fattore che influisce sulla profondità di campo è la lunghezza focale, o ingrandimento, dell'obiettivo. I teleobiettivi producono un campo poco profondo, mentre gli obiettivi ad angolo più ampio producono un campo più profondo.
Entra nell'Iris
Se il tuo obiettivo è sufficientemente grande da fornire immagini di qualità in condizioni di scarsa illuminazione, è necessario un modo per ridurre la quantità di luce che entra nella fotocamera in condizioni di maggiore luminosità. Quando la luce è troppo intensa, l'iride viene utilizzata per mascherare parte dell'obiettivo (vedere la Figura 1). Ciò non solo consente al fotografo o all'operatore video di regolare la quantità di luce che entra nell'obiettivo, ma gli consente anche di regolare la profondità di campo e quindi di controllare le parti dell'immagine che sono a fuoco e le parti che non lo sono . Selezionando attentamente l'impostazione del diaframma, puoi mettere a fuoco nitidamente una parte dell'inquadratura, mentre altri elementi sfocano, conferendo alle tue immagini un aspetto tridimensionale che non può essere ottenuto in nessun altro modo.
L'iride aiuta a controllare lo spazio all'interno dell'immagine che è a fuoco. La messa a fuoco dell'obiettivo stesso determina la posizione di quello spazio e l'iride ne controlla la profondità. Tanto per "spazio", ma che dire del tempo? Anche il periodo di tempo durante il quale il CCD può raccogliere la luce influisce sull'esposizione totale. Ad esempio, se si lascia entrare la metà della luce riducendo l'apertura del diaframma, è comunque possibile ottenere la stessa esposizione consentendo alla luce di entrare nella fotocamera per il doppio del tempo.
Inserisci l'otturatore
Per controllare il periodo di tempo durante il quale la pellicola o il sensore sono esposti alla luce, le fotocamere utilizzano una qualche forma di otturatore. Nella semplice fotocamera stenopeica, l'otturatore è un pezzo di carta scura, o altro materiale opaco, che viene aperto e chiuso a mano per sincronizzare l'esposizione. Funziona bene per tempi di esposizione molto lunghi, perché puoi semplicemente controllare l'orologio o contare i secondi. Tuttavia, le moderne emulsioni per pellicole e i CCD possono essere esposti in minuscole frazioni di secondo, quindi abbiamo bisogno di qualcosa di un po' più sofisticato di un semplice foglio di cartoncino nero per controllare i nostri tempi di esposizione. Consentendo un'ampia gamma di tempi di esposizione accurati, l'otturatore della fotocamera lavora con l'iris per darti il controllo completo del tempo e dello spazio della tua immagine.
Molte videocamere hanno otturatori che supportano tempi di esposizione da diversi secondi fino a 1/10.000 di secondo. Le velocità dell'otturatore più lente (durata maggiore) consentono di utilizzare un'impostazione del diaframma ridotto, per ottenere una maggiore profondità di campo pur ottenendo molta luce sulla pellicola. Tuttavia, potresti avere un problema se la fotocamera o il soggetto si spostano durante l'esposizione. Tutto ciò che si muove sarà sfocato nell'immagine finale e, se la fotocamera si muove, l'intera immagine sarà sfocata. Naturalmente, questa sfocatura può essere utilizzata per l'effetto, come spesso si vede nelle foto di cascate, dove vengono utilizzati lunghi tempi di esposizione per conferire alle immagini un aspetto più sognante e idealistico. Velocità dell'otturatore più elevate (breve durata) consentono di utilizzare un'apertura del diaframma più ampia, anche in condizioni di luce intensa, riducendo la profondità di campo e producendo il piacevole aspetto 3D illustrato in precedenza (vedere la Figura 2). Inoltre, velocità dell'otturatore elevate consentono di scattare immagini quando il soggetto è in movimento, senza che il soggetto appaia sfocato. L'otturatore può aprirsi e chiudersi così rapidamente che la posizione dei soggetti non cambia affatto e un'immagine fissa perfettamente nitida di un soggetto in rapido movimento è possibile se l'otturatore è abbastanza veloce.
Gli otturatori nella maggior parte delle fotocamere fisse sono aggeggi meccanici che si aprono per far entrare la luce per un po' e poi si richiudono. Alcuni otturatori scorrono rapidamente sulla pellicola e altri sono nell'obiettivo stesso, ma l'idea è sempre la stessa. Aprire brevemente, quindi richiudere rapidamente, al momento giusto. Gli otturatori meccanici però hanno massa, e quella massa limita la velocità con cui possono essere aperti e chiusi. Questo generalmente limita la velocità massima dell'otturatore (o il tempo di esposizione minimo) a qualcosa di circa 1/8000 di secondo sulle fotocamere fisse.
Alcune fotocamere risolvono il problema di massa utilizzando otturatori elettronici. Per questo pizzico di tecno-magia, vengono utilizzate due lenti polarizzate. Una lente polarizzata fa passare la luce che è polarizzata in una direzione mentre blocca la luce di un'altra polarizzazione. Se metti insieme due lenti polarizzate, orientate in modo che entrambi passino luce della stessa polarizzazione, la luce che passa attraverso la prima lente passerà anche attraverso la seconda lente. Ma se giri una delle lenti in modo che la sua polarità sia opposta all'altra, la prima lente trasmetterà luce che è la polarità sbagliata per la seconda, e nessuna luce passerà attraverso la coppia di lenti. Potresti quindi realizzare un otturatore da due filtri polarizzatori che potrebbero essere "aperti e chiusi" semplicemente ruotando una delle lenti. Meglio ancora, è possibile costruire un filtro polarizzatore che inverta la sua polarizzazione quando viene applicato un segnale elettrico, in modo da poter progettare un otturatore che non si muova affatto. Basta cambiare una tensione per aprire e chiudere l'otturatore. Le fotocamere con questo tipo di sistema di otturatore non emettono i suoni di clic che emettono le fotocamere con otturatori meccanici e i loro otturatori possono essere aperti e chiusi di nuovo in 1/10.000 di secondo o meno. Velocità dell'otturatore così elevate possono fermare il movimento di un'altalena da golf o di un'auto in corsa e produrre immagini cristalline di azioni rapide, perfettamente congelate nel tempo.
Con l'avvento del Charge Coupled Device, o CCD, tutto questo pasticcio meccanico ed elettro-ottico è diventato superfluo. Il CCD stesso funge anche da otturatore elettronico virtuale che può essere aperto e chiuso con la stessa rapidità di un segnale elettronico che può essere acceso e spento, senza parti aggiuntive e con pochissima complessità aggiuntiva. Invece di utilizzare un otturatore fisico per controllare il tempo di esposizione, la moderna videocamera basata su CCD scarta semplicemente la luce che colpisce la sua superficie, simulando un otturatore chiuso. Per aprire l'otturatore virtuale, il CCD può iniziare a raccogliere energia luminosa. Quando è ora di smettere di raccogliere la luce, il CCD viene semplicemente arrestato e l'otturatore virtuale viene chiuso. Quindi una delle cose sorprendenti che troviamo quando guardiamo l'otturatore nelle nostre videocamere è che non ce n'è uno.
Nessun otturatore?
Esatto. La videocamera moderna non ha davvero nulla che tu possa identificare come un otturatore. Invece, nel momento in cui un otturatore meccanico si chiude, il CCD viene semplicemente reso insensibile alla luce. Diamo un'occhiata più da vicino al CCD stesso e vediamo come questo viene realizzato.
All'interno del CCD sono presenti un gran numero di "celle" sensibili alla luce. Il conteggio dei pixel per un CCD indica quante celle contiene il CCD. Quando la luce colpisce una di queste celle, viene generata una carica elettrica all'interno della cella. Più luce colpisce la cellula, maggiore è la carica che si accumula. Le cellule in realtà non raccolgono "luce", ma convertono invece la luce in una carica elettrica proporzionale alla luce che colpisce la cellula.
Si noti inoltre che la cellula fotosensibile non ha sensibilità al colore. Accumula la sua carica indipendentemente dal colore della luce che colpisce la sua superficie. Per produrre immagini a colori, i filtri vengono posizionati davanti alle celle in modo che alcuni vedano il rosso, altri il blu e altri la luce verde. Questo può essere fatto con un singolo CCD e un complesso gruppo lente-filtro rosso, verde e blu, oppure utilizzando tre CCD separati con un unico filtro colorato su ciascuno (vedere la Figura 3).
Inizialmente, l'uscita di ciascuna cella viene cortocircuitata a massa, in modo che la carica generata da qualsiasi luce che colpisce la cella venga scaricata immediatamente. In questo stato, le celle non raccolgono alcuna carica e l'otturatore virtuale è "chiuso". Per acquisire un'immagine, lo scarico delle celle viene chiuso e le cariche iniziano ad accumularsi in proporzione alla luce che colpisce la cella. Alla fine del periodo di esposizione, gli addebiti in ciascuna cella vengono trasferiti a un registro di trasferimento verticale, che quindi trasferisce ogni addebito, in stile bucket brigade, a un registro di trasferimento orizzontale. Lì, si uniscono alla sfilata di addebiti dagli altri registri di trasferimento verticale e vengono inviati in un unico file ai circuiti di elaborazione e registrazione video (vedi Figura 4).
Le immagini "in movimento" che vediamo come video sono in realtà una serie di immagini fisse visualizzate rapidamente. Tutte le videocamere NTSC producono 30 fotogrammi al secondo. Ogni frame è composto da due campi, per un totale di 60 campi al secondo. C'è, tuttavia, una tendenza a produrre fotocamere in grado di registrare 30 fotogrammi al secondo senza campi a volte chiamati scansione progressiva o modalità "Filmato fotogramma". In questa modalità queste telecamere non registrano 60 campi discreti, ma emettono un output su un televisore o un videoregistratore nel formato standard NTSC 60 campi/30 fotogrammi al secondo. Questa modalità viene generalmente utilizzata per raccogliere immagini che verranno esportate su un computer come immagini fisse.
A velocità "normale", il CCD raccoglie la sua carica per l'intero tempo di campo di 1/60 di secondo, rendendo 1/60 l'impostazione predefinita dell'otturatore per lo scatto normale. Questo è abbastanza veloce da evitare la maggior parte delle sfocature causate dal movimento della fotocamera e dal movimento lento all'interno dell'inquadratura. Ma le nostre videocamere ora ci consentono di scegliere velocità dell'otturatore più elevate o più lente rispetto alla frequenza dei fotogrammi della videocamera. Le impostazioni dell'otturatore lento consentono semplicemente al CCD di rimanere attivo per diversi (o molti) intervalli di campo e di registrare l'immagine precedentemente catturata durante il periodo di esposizione. Quando si scatta con una bassa velocità dell'otturatore di 1/15 di secondo, il CCD viene mantenuto attivo per il periodo di quattro campi. Le sue cariche vengono quindi inviate per la registrazione e gli stessi dati vengono registrati per quattro frame, mentre il CCD riempie le sue celle per un altro 1/15 di secondo. In questo modo il frame rate viene mantenuto costante, anche se l'otturatore funziona a una velocità completamente diversa.
Il funzionamento dell'otturatore ad alta velocità super veloce e silenzioso è ancora più semplice. Invece di rimuovere il drenaggio dalle celle all'inizio dell'intervallo di campo di 1/60, la carica può continuare a scaricare la sua carica per una parte del tempo di campo totale. Se, ad esempio, viene selezionata una velocità dell'otturatore di 1/120, i CCD continueranno a scaricarsi per la prima metà dell'intervallo di fotogrammi e raccolgono luce solo durante la seconda metà. Per velocità più elevate, le celle vengono semplicemente drenate per una percentuale maggiore del tempo di campo.
Alla fine, abbiamo un otturatore virtuale senza parti mobili e senza massa. In effetti, le nostre persiane non hanno alcuna esistenza reale. Eppure ci danno ancora il controllo sullo spazio e sul tempo delle nostre immagini e dell'esposizione.
Mettere tutto al lavoro
Tutta questa teoria è interessante, ma il vero valore dell'otturatore ad alta velocità risiede nel controllo che ti dà sull'aspetto delle tue immagini. Se combinato con l'iris, puoi controllare la profondità di campo, il motion blur e la luminosità dell'immagine stessa. Una revisione delle relazioni sembra d'obbligo.
Le impostazioni del diametro del diaframma più piccolo ammettono meno luce, ma offrono una maggiore profondità di campo. Se si vuole che la luminosità dell'immagine rimanga costante, è necessario utilizzare una velocità dell'otturatore inferiore.
Impostazioni di apertura maggiori riducono la profondità di campo, accentuando il soggetto e creando un'immagine più tridimensionale. È necessaria una velocità dell'otturatore più elevata per mantenere la luminosità dell'immagine sufficientemente bassa da mantenere l'iride aperta a un diametro più ampio.
Velocità dell'otturatore più elevate bloccano il movimento, offrendo immagini nitide nonostante qualsiasi movimento relativo tra il soggetto e la fotocamera. Per ottenere una luce sufficiente alle velocità dell'otturatore più elevate, l'iride deve essere più ampia per far entrare più luce e, di conseguenza, la profondità di campo è ridotta.
È possibile utilizzare velocità dell'otturatore molto basse per consentire al CCD di raccogliere più luce in situazioni di scarsa illuminazione o per consentire un diaframma più piccolo che apre una maggiore profondità di campo. Il compromesso è che la stessa immagine verrà ripetuta su più campi, provocando potenzialmente un movimento a scatti simile a uno stroboscopio. Inoltre, la bassa velocità dell'otturatore consentirà una maggiore sfocatura del movimento, che potrebbe essere un problema o un effetto artistico.
Infine, il diaframma e l'otturatore controllano insieme la quantità totale di luce utilizzata per creare una carica nelle celle del CCD e ciascuno o entrambi possono essere regolati per produrre un'immagine più scura o più chiara della scena originale .
Impara facendo
Ora conosci la teoria alla base del funzionamento dell'otturatore ad alta velocità delle videocamere. Ma quando si tratta di selezionare la migliore modalità di esposizione, o le impostazioni dell'otturatore e del diaframma per una particolare situazione o effetto, non c'è nulla che possa sostituire l'esperienza e la pratica. Prenditi il tempo per sperimentare le diverse modalità di esposizione e le impostazioni della videocamera e otterrai un controllo molto maggiore sull'aspetto del tuo prodotto finito.