¿Por qué los objetos en movimiento en las fotos aparecen borrosos?

Al tomar una foto en la mayoría de las cámaras, si toma una foto de un objeto en movimiento, el objeto aparece borroso. ¿Por qué sucede esto exactamente?

Primero, hablaré sobre lo que las cámaras hacen normalmente, luego sobre cómo el movimiento afecta esta operación.

Para que una imagen sea nítida y enfocada, toda la luz proveniente de un único punto del objeto que se está fotografiando debe caer sobre un único punto de la película o el sensor. Si toma una foto de una cara, desea que toda la luz que se refleja en el ojo izquierdo caiga en una parte del sensor de imagen y que toda la luz que se refleja en la nariz caiga en una parte diferente. Si la imagen está desenfocada, la luz de diferentes partes de la cara puede golpear el mismo bit del sensor, y la luz de la misma parte de la cara puede extenderse por otras partes. Esto da como resultado una imagen en la que cada parte de la cara se mezcla con las otras partes. Esto se llama una imagen borrosa.

Si el sujeto se está moviendo, se produce un desenfoque similar porque el obturador de una cámara está abierto durante un período de tiempo. Imagina que estás tomando una foto de una persona, y esa persona mueve su mano. Cuando el obturador se abre por primera vez, la cámara dirige la luz de la persona a una determinada parte del sensor de imagen. Sin embargo, debido a que la mano se mueve, la luz de la nueva posición de la mano será dirigida por la cámara a una parte diferente del sensor. Por lo tanto, la cámara recibirá luz de todas las posiciones de la mano mientras el obturador esté abierto. Esa luz de diferentes posiciones de las manos terminará en diferentes partes del sensor. Esto da como resultado lo que parece una imagen manchada de una mano que traza el camino del movimiento.

Ocurre porque el sujeto se mueve en relación con el marco de la cámara mientras se realiza la exposición Y la velocidad de obturación no es lo suficientemente rápida como para congelarlo.

Entrando en los detalles:

La velocidad de obturación o el tiempo de exposición es el período de tiempo cuando la película o el sensor digital dentro de la cámara están expuestos a la luz, cuando el obturador de una cámara está abierto al tomar una fotografía. La cantidad de luz que llega a la película o al sensor de imagen es proporcional a tiempo de exposición. Por ejemplo: 1 / 500th de un segundo dejará entrar la mitad de la luz que 1 / 250th. Cuando la velocidad de obturación es lenta (es decir, por debajo de 1/60 de segundo), incluso los movimientos relativamente lentos aparecen en las fotos. Para resumir, las velocidades de obturación rápidas tienen el efecto de congelar el movimiento en la escena que está fotografiando y, por el contrario, las velocidades de obturación lentas difuminan el movimiento en una escena.

La tabla a continuación muestra cómo las diferentes velocidades de obturación afectarían la sensación de movimiento si estuvieras fotografiando a una persona corriendo. Las velocidades de obturación rápidas congelarán el movimiento. Cuanto más lenta sea la velocidad de obturación, más borrosa se volverá la persona corriendo en la fotografía.

Y las velocidades de obturación lentas generalmente son causadas por luz insuficiente. Es por eso que rara vez ves problemas de desenfoque de movimiento al aire libre en días soleados.

La solución:

La solución es aumentar la velocidad de obturación. Y a menudo, la única forma de hacerlo es agregar más luz. Una forma obvia de hacerlo es usar su flash. Si estás dentro durante el día, también puedes salir al aire libre. También puede aumentar la velocidad de obturación al disminuir (ampliar) su apertura. Una apertura más amplia deja entrar más luz y te brinda velocidades de obturación más rápidas Si está en su apertura más amplia y todavía no está alcanzando la velocidad suficiente, puede intentar obtener lentes “rápidos” (una lente con una apertura máxima más grande, es decir, un número f mínimo más pequeño): vidrio con f / paradas 2.8 o más ancho.

También puede probar una configuración ISO más rápida.

Lo mismo sucede con tus propios ojos, aunque tu cerebro hace todo lo posible para ocultarlo. El problema fundamental tiene que ver con cómo se crea la imagen en primer lugar.

La vista es la interpretación de la luz visible reflejada (generalmente; podemos ignorar el brillo activo por ahora) de los objetos. Para ver algo, debe estar encendido y reflejar esa luz de manera diferente a su entorno. La luz se forma a partir de pequeñas partículas sin masa llamadas fotones, los portadores de la carga electromagnética. Cuando un fotón ingresa a la retina en su ojo (o la película en una cámara, o el chip en una cámara digital), deposita parte de su energía en algún tipo de material fotosensible, causando un cambio que se puede medir e interpretar . Al medir la respuesta del material fotosensible en muchos puntos individuales, el cerebro (o chip) reconstruye una imagen de su entorno.

El fotón tiene tres propiedades importantes: energía, posición y dirección. Con un poco de geometría y corrección óptica, la vista explota la dirección del fotón y el lugar donde interactúa con la superficie fotosensible para descubrir de dónde proviene el fotón, aproximadamente, qué punto 3D corresponde a un punto 2D dado en el imagen. La energía determina el color de un fotón particular. La idea es que la luz proveniente del objeto que está viendo es aproximadamente paralela, lo que hace que la proyección 3D-> 2D sea trivial. Se obtiene un desenfoque estático en una fotografía cuando la corrección óptica es insuficiente para compensar la dispersión de los fotones en el aire: cuanto mayor es la distancia a un objeto, más dispersos están los fotones reflejados en promedio, y necesita más corrección para llevarlos. vuelve a ser paralelo.

Pero las imágenes generalmente no son en blanco y negro. Hay otras dos cosas que son importantes para los humanos: color e intensidad. El color corresponde a la energía de los fotones, mientras que la intensidad corresponde a la cantidad de fotones. Y aquí es donde las cosas se ponen interesantes: para obtener una imagen útil, necesita absorber grandes cantidades de fotones individuales; un solo fotón realmente no le dice mucho. Entonces, lo que realmente sucede es que tomas (aproximadamente) un promedio de fotones que alcanzaron tu sensor durante un período de tiempo determinado; esto te da el brillo relativo de las cosas en la imagen, junto con una buena idea sobre el color de los objetos.

Los ojos humanos agregan algunas complicaciones adicionales, así que sigamos con una cámara de película antigua. La película está hecha de un material que cambia permanentemente cuando se expone a la luz (piense en lo que le sucede a un papel que se deja al sol durante unos meses, pero mucho más rápido). Para simplificar, supongamos que el material original es perfectamente negro, mientras que el material modificado es perfectamente blanco. Cada fotón individual hace que cambie una sola molécula, pero nuestros ojos no pueden ver los colores de las moléculas individuales: promedian la información de un área determinada. Entonces, cuantos más fotones lleguen a un área determinada de la película, más brillante aparecerá, lo que corresponde a una luz más brillante que proviene de esa dirección particular en el espacio (y, por lo tanto, el volumen de espacio dado, correspondiente a, digamos, su T rojo brillante camisa). Sin embargo, en algún momento,todas las moléculas en un área determinada de la película cambian; iluminarla aún más no puede hacerla más brillante. Se pierden detalles, porque a medida que las áreas circundantes se vuelven más brillantes, las áreas saturadas no pueden. En el otro lado de la escala, si hay muy poca luz, habrá muy pocos fotones para formar una imagen decente; todo será demasiado oscuro, con puntos brillantes aleatorios.

Por lo tanto, para obtener una buena imagen, debe equilibrar el tiempo que expone la película a la luz. Demasiado tiempo y tu imagen es demasiado brillante y pierde contraste. Demasiado corto y no hay suficientes datos para promediar una buena imagen. Como nota al margen, esta es la razón física (en oposición a la biológica) por la que la visión nocturna es monocromática: si ingresan muy pocos fotones, su distribución de color produce un ruido de color (de aspecto aleatorio) que lo hace más difícil para ver. Usar solo la intensidad sin tener en cuenta el color da como resultado una imagen más clara y brillante.

Así que imaginemos que expones un poco de película a una escena 3D por un segundo. Las partes más brillantes de la escena darán lugar a una mayor interacción de la luz con las áreas correspondientes en la imagen 2D. Pero ahora imagine que en el punto 0.5s, el tipo en la escena mueve su brazo. La primera mitad de la exposición tiene su brazo en la posición original, mientras que la segunda mitad ya no recibe los fotones de la posición original, y en su lugar lo recibe de la nueva posición. La cantidad total de fotones reflejados de la mano es la misma, pero ahora están distribuidos en dos lugares distintos en la imagen 2D; y promediado con los fotones que vinieron del fondo cuando la mano no estaba allí. Si tu mano se mueve a una velocidad constante, los fotones correspondientes se distribuirán uniformemente sobre el camino que toma la mano entre el comienzo de la exposición y el final. Obtiene el promedio de todas las "imágenes" individuales, como si tomara cien fotos de personas con posturas ligeramente diferentes y las promediara juntas.

¿Cómo puedes combatir esto? Si hay suficiente luz, puede mantener la exposición corta, esto significa que para obtener un desenfoque visible, el objeto debe moverse más rápido en relación con una exposición más larga. Si no hay suficiente luz, esto generará ruido (los fotones individuales que mides son bastante aleatorios; solo tienen una distribución predecible a lo largo del tiempo; hay muchos más fotones rojos que se reflejan en una camisa roja que los fotones verdes, por ejemplo). Si desea fotografiar un solo objeto en movimiento, puede intentar eliminar cualquier movimiento relativo entre la cámara y el objeto: siga el objeto. Los humanos hacen esto automáticamente: mueves los ojos y la cabeza para seguir un objeto en movimiento que deseas examinar, lo que te da una imagen clara del objeto en movimiento, mientras que todo lo demás es un desenfoque (que el cerebro generalmente compensa convenientemente, pero la cámara no).

Las lentes de una cámara generan cuidadosamente una imagen (generalmente al revés) de lo que apunta la cámara en un conjunto de sensores.

Estos sensores suman la luz que brilla sobre ellos. Entonces se les puede preguntar "¿cuánta luz viste?" y reiniciar.

Por lo general, solo exponemos esos sensores durante un corto período de tiempo. La luz proveniente de una dirección particular durante ese corto período de tiempo termina siendo la cantidad de luz que capta el sensor particular.

Los sensores se asignan a píxeles en una imagen.

Cuando el objeto se mueve rápidamente en relación con la cantidad de tiempo que exponemos los sensores, los sensores en el borde del objeto en movimiento primero recogen "ningún objeto aquí", luego más tarde "oh, hay un objeto aquí". La cantidad de "objeto" frente a "sin objeto" es una función de qué tan cerca del borde del objeto está y qué tan rápido se mueve.

Si el objeto es un bloque sólido de color y el fondo tiene un color diferente, esto da como resultado un gradiente suave que va del fondo al color del objeto en el borde del objeto a lo largo de la dirección del movimiento. Interpretamos esto como "desenfoque de movimiento".

En su mayor parte, los objetos y el fondo son lo suficientemente diferentes como para que podamos detectarlos incluso si no son de color uniforme.

Solo vemos esto a veces porque las cámaras varían cuánto tiempo "permanecen abiertas" dependiendo de la cantidad de luz que haya. Cuanto menos luz, más tiempo permanecen abiertos, más fuerte será el desenfoque de movimiento. Del mismo modo, cuanto más rápido sea el objeto, más se desenfocará durante un tiempo fijo determinado de "permanecer abierto".

La informática moderna realmente ha reducido este problema; primero, haciendo que los sensores sean más sensibles a la luz, y segundo por procesamiento posterior. Muchas cámaras detectarán un desenfoque de movimiento uniforme (causado por el movimiento de su mano) y lo invertirán después de capturar la imagen. En teoría, esto puede hacerse incluso para un solo objeto en movimiento en una escena, pero determinar qué es un objeto y qué no es más difícil aquí. No conozco una cámara que haga esto automáticamente.

Cuando se presiona el botón del obturador, se proyecta fugazmente una imagen del mundo exterior en el sensor de imagen (o película). Esta acción se llama "exposición". Para responder a su pregunta, necesita saber que durante la exposición, la imagen proyectada se está grabando. El punto clave es que el sensor de imagen (o película) acumula energía de luz con el tiempo. Si la imagen cambia de alguna manera durante la exposición, la imagen grabada probablemente mostrará esto como borroso. Intentamos mantener la cámara lo más quieta posible para evitar esta pelusa. Además, tratamos de elegir una velocidad de obturación que sea súper rápida. De esta manera nuestras imágenes son momentos congelados en el tiempo.

Hay dos tipos principales de desenfoque en las fotos (bueno, tres, pero supongo que mantiene su cámara bastante limpia): desenfoque de enfoque y desenfoque de movimiento.

El desenfoque de enfoque ocurre cuando el sujeto de su foto simplemente está desenfocado. La solución a eso es asegurarse de que su enfoque automático esté encendido e intentarlo nuevamente. Si está desenfocado, vuelva a enfocar y dispare nuevamente. Muy claro. En las cámaras de apuntar y disparar, la razón más probable por la que está desenfocado es porque el sujeto se movió o el sistema de enfoque inteligente no era tan inteligente y enfocado en el objeto equivocado.

El desenfoque de movimiento, por otro lado, no sucede porque su sujeto está desenfocado. Ocurre porque el sujeto se mueve en relación con el marco de la cámara mientras se realiza la exposición Y la velocidad de obturación no es lo suficientemente rápida como para congelarlo. Abordemos esos dos aspectos por separado.

Entonces, la solución es aumentar la velocidad de obturación. Y a menudo, la única forma de hacerlo es agregar más luz. Una forma obvia de hacerlo es usar su flash. Si estás dentro durante el día, también puedes salir al aire libre. A veces, la diferencia entre la sombra y el sol es toda la luz extra que necesita.