какое отражение дает зеркало
Спросите Итана: почему в зеркалах лево и право меняются местами, а низ и верх – нет?
Когда вы смотрите в зеркало на свою правую руку, она кажется левой. Все надписи меняют направление, как и движение вращающегося объекта. Движение по часовой стрелке превращается в движение против часовой, и наоборот. Кажется, что право и лево поменялись местами, а верх и низ – нет. Однако истинная причина происходящего в другом.
Смотрясь в зеркало, вы замечаете, что там всё перевёрнуто. Когда вы поднимаете левую руку, ваше отражение поднимает правую. Если вы подмигиваете правым глазом, отражение подмигивает левым. Написав что-либо на листке бумаги и подняв его вверх, вы увидите, что ваше отражение держит такой же листок, только с надписью, написанной задом наперёд – включая и отдельные буквы. Кажется, что у всех изображений в зеркале меняются лево и право, но при этом почему-то верх и низ не меняются. Ваше отражение стоит ногами на земле, потолок находится наверху, а буквы на листочке не переворачиваются. Почему? Об этом спрашивает наш читатель:
Известно, что в зеркалах меняются право и лево. Но почему там не меняются верх и низ? Изменилось бы наше восприятие зеркал, если бы мы жили в нулевой гравитации? А если бы мы были морскими звёздами с пятью осями симметрии?
Будь вы морской звездой, насекомым, медузой, длиннохвостым попугаем или человеком, будь вы в космосе, на Земле или в любом другом месте Вселенной — вы увидите то же самое. Кажется, что в зеркалах право и лево меняются а верх и низ – нет. И вот почему.
У отражения текста порядок и написание букв меняются на противоположные. Если текст читается и в реальности, и в зеркале, он называется амбиграммой.
Первое, что вам нужно понять – это то, что в нашем окружении нет ничего уникального. Нет ничего примечательного, с точки зрения зеркал и отражений, в человеческих глазах, планете Земля, ориентации, связанной с гравитацией или природой света – ничего, что влияло бы на результат.
Мы можем выключить гравитацию, повернуться на любой угол вокруг любой оси, добавить себе глаз и других органов чувств или переставить все окружающие объекты в любом порядке. Но, несмотря на всё это, верх останется вверху, низ – внизу, а лево и право в зеркале будто бы поменяются местами.
Одним из лучших примеров этого будет рассмотреть отражения вращающихся вокруг своей оси мячей. Один будет вращаться вокруг вертикальной оси, как баскетбольный мяч на пальце ловкого спортсмена, а другой – вокруг горизонтальной.
Хаммер Харрисон из команды «Гарлем Глобетроттерс» вращает баскетбольный мяч на клешне омара. По смазыванию изображения видно, что мяч вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху. Однако в зеркале его изображение вращалось бы против часовой.
Вращать мяч вокруг вертикальной оси можно по часовой и против часовой стрелки – это можно контролировать, смотря на него сверху. Если шар вращается по часовой, его передняя часть перейдёт сначала направо, потом окажется сзади, потом слева, и снова спереди.
Это направление можно обозначить, если на левой руке поднять большой палец вверх. Можно заметить, что остальные пальцы закручиваются по часовой стрелке, если смотреть сверху.
Если мы посмотрим на отражение такого мяча – и вашей левой руки – мы увидим, что при взгляде сверху шар вращается против часовой стрелки. Ближайшая к вам часть отражения мяча переместится в правую от вас сторону, затем назад, уходя от вас, затем влево, и вновь приблизится к вам, переместившись в центр. Такое движение против часовой стрелки можно обозначить правой рукой с большим пальцем, направленным вверх. И вновь зеркало, кажется, поменяло местами право и лево, не меняя верх и низ.
Вращающийся горизонтально мяч и его отражение. Текст на мяче отражён зеркально, а направление вращения изменено на обратное.
Что если мы будем вращать мяч вокруг горизонтальной оси? Как поведёт себя его отражение?
Представьте, что вы держите мяч перед собой между двумя указательными пальцами. Выберем направление вращения: пусть он движется вверх и по направлению от вас. Ближайшая к вам точка мяча будет двигаться вверх, от вас, потом вниз, по направлению к середине, затем снизу будет двигаться к вам, и перейдя на середину, окажется ближе всего к вам, вернувшись в первоначальную позицию.
Что будет видно в зеркале? Отражение мяча будет вращаться в противоположную сторону.
Если женщина на фото встанет, мяч будет вращаться против часовой стрелки. Однако в отражении мяч будет вращаться по часовой стрелке.
Этот пример удивляет большинство людей. Он, очевидно, симметричен относительно вертикальной оси – если провести линию ровно через центр мяча, очевидно, что ваши части слева и справа будут симметричными. То же верно и для вашего отражения: левая и правая часть остаются симметричными.
Конечно, зеркало всё равно меняет лево и право. Правая рука вашего отражения соответствует вашей левой, и наоборот. С точки зрения вашего отражения мяч вращается точно так же, как и с вашей точки зрения – вверх и по направлению от вас, затем вниз и от вас, затем вниз и к вам, затем вверх и к вам.
Однако с точки зрения вашего отражения ваш мяч вращается в другую сторону, нежели мяч в отражении. Зеркало, кажется, меняет направление вращения мяча.
Если мяч вращается вокруг горизонтальной оси, его отражение тоже будет вращаться. Однако вне зависимости от перспективы что-то поменяется местами у объекта и его отражения – дальше поменяется на ближе, а движение к вам – на движение от вас.
В этом примере содержится очень хорошая подсказка к тому, что происходит с отражениями. Представим, что наш вращающийся вокруг горизонтальной оси мяч прозрачен. Давайте возьмём одну точку на его экваторе, отметив её воображаемым маркером, и будем отслеживать её движение.
С точки зрения реальности будем отслеживать местоположение точки и её отражения. С того момента, как реальная точка окажется ближе всего к нам, будет происходить следующее:
В данном примере, как вы видите, лево и право не играют никакой роли. Мы следим за точкой, движущейся вверх и вниз, а также вперёд и назад. Когда реальная точка движется вверх, её отражение тоже движется вверх. Когда реальная точка движется вниз, её отражение движется вниз. Верх и низ местами не меняются.
Однако лево и право тоже не меняются!
Проведя эксперимент со стеклянным шаром с нарисованной точкой, вращающимся вокруг вертикальной оси, вы заметите, что:
В зеркалах у текста обычно меняет лево и право, поскольку зеркала обычно устанавливают на вертикальных поверхностях. Если перенести зеркало на горизонтальную поверхность, мы увидим, что у текста поменяется верх и низ.
Зеркала – это отражающие поверхности. Они не меняют местами верх и низ, и они не меняют лево и право. На самом деле, они меняют местами перед и зад, то есть работают по третьей оси, по глубине!
Когда вы смотритесь в зеркало, достигающий его свет доходит от всех частей вашего тела (хотя это и отражённый свет, изначально появившийся где-то ещё в вашей комнате). Вас видно со всех точек, поэтому свет должен идти во всех направлениях.
Видите вы только то, свет от чего дошёл до ваших глаз – так же, как камера, телескоп или другой наблюдатель видит только то, от чего отразились фотоны (или лучи света) в определённой точке пространства и времени. Поэтому если вы хотите узнать, что вы сможете увидеть, и где именно, вам нужно просто отследить лучи света – от испускающей луч части вашего тела, затем отражение луча от зеркала (с соблюдением законов оптики), и до ваших глаз. На основе расстояния, пройденного светом, и угла, под которым он приходит в глаза, ваш мозг выстраивает «изображение», которое должно быть в вашем зеркале.
Смотрясь в зеркало, вы видите, что у вашего изображения стороны поменяны местами. Если вы поднимете левую руку, ваше отражение поднимет правую. Если вы будете двигать что-либо от себя, ваше отражение будет двигать это ближе к вам.
Если бы ваше тело было частично прозрачным, и вы могли бы видеть сквозь отражение вашего тела, вы бы увидели, что у вас поменяны местами перед и зад. Ногти вашей поднятой левой руки расположены ближе к вам, а ладонь – дальше от вас, большой палец – справа, а пальцы смотрят вверх.
Однако в зеркале ногти этой руки находятся дальше от вас, ладонь – ближе, большой палец – справа, а пальцы – направлены вверх. Именно так выглядела бы ваша правая рука, если бы её ладонь смотрела на вас. В зеркале:
На этой фотографии надписи выглядят, как в зеркале – но это не отражение, а обратная сторона стекла. Вы видите надписи сзади, а не спереди.
В физике существует особая симметрия, когда зеркальное отображение неотличимо от реальности: чётность. Большинство законов соблюдают эту симметрию – но не все. Например, радиоактивный распад нарушает эту симметрию, поскольку у частиц есть спин, а также его ось и направление распада – так, как у ваших рук есть направление, в котором сгибаются пальцы, и направление, в котором указывает большой палец. Правая и левая рука фундаментально различны – как хиральные молекулы, и как вращающиеся частицы с направлением распада. У них чётность нарушается тем же способом, каким отражение правой руки человека кажется левой рукой.
Интересно, что зеркала не зависят от наблюдателя. Если бы два наших глаза располагались по вертикали, а не по горизонтали, зеркала всё равно меняли бы местами перед и зад. Если бы мы находились в невесомости, у нас был бы один глаз, если бы у нас была вращательная симметрия, как у морской звезды – это никак не изменило бы отражение в зеркале. Суть в том, что у всех предметов в отражении перед и зад меняются местами, и это меняет праворукость и леворукость всего, что мы видим в зеркале – вне зависимости от того, как именно мы это видим.
Какого цвета зеркало?
Вы, вероятно, провели слишком много времени, глядя в зеркало. Но вы когда-нибудь задумывались, какого цвета зеркало?
Если вы достаточно долго смотрите в зеркало, вы, вероятно, придумаете любой из этих цветов: серебристый или белый. Некоторые люди могут сказать, что у зеркала вообще нет цвета. Но ни один из них не является правильным ответом.
Первое, что здесь нужно понять, это то, что цвет не является свойством материала. Наоборот, это характеристика зрительного восприятия, полученная от стимуляции фоторецепторных клеток (обнаруженных в сетчатке) электромагнитным излучением (в видимом спектре).
Как человеческий глаз воспринимает цвета?
Человеческий глаз может различать 10 миллионов различных цветов. Но знаете ли вы, что разные люди видят разные оттенки цвета для одного и того же объекта?
Объекты, которые отражают все видимые длины волн, воспринимаются как белые. А те, которые поглощают все видимые длины волн, воспринимаются как черные.
Какую длину волны зеркало отражает лучше всего?
Идеальное зеркало одинаково отражает свет (всех длин волн) и не передает и не поглощает его. Но мы живем в реальном мире, где нет совершенных зеркал. Каждое зеркало поглощает немного света.
Получается, что большинство наших несовершенных зеркал отражают определенные длины волн немного больше, чем остальные, и эти длины волн соответствуют зеленому цвету.
Почему зеркала не белые?
Белые объекты (или вещи, которые человек воспринимает как белые) и зеркала отражают весь видимый свет. Так почему же зеркала не выглядят белыми? И почему белая бумага не отражает ваше изображение?
Диффузное и зеркальное отражение
На самом деле, это две разные вещи, и они отражают свет по-разному. Белая бумага (как и любой другой белый объект) демонстрирует явление, известное как «диффузное отражение» – она отражает падающий свет назад везде во всех направлениях.
Зеркало, с другой стороны, демонстрирует явление, называемое «зеркальным отражением». Оно когерентно отражает свет, то есть свет отражается назад от зеркала, в зависимости от того, как он попал внутрь. Или, согласно закону отражения, угол падающего света равен углу отраженного света. Таким образом, зеркало создает изображение источника света.
Вы можете увидеть зеленоватый оттенок в зеркалах
Зеркала изготавливаются путем нанесения отражающего покрытия на соответствующую подложку, например, на стекло. Стекло легко поддается изготовлению, прозрачно, жестко и обеспечивает гладкую отделку. Оно приобретает форму, полируется, а затем покрывается алюминием или серебром.
Эти материалы придают зеркалам зеленоватый оттенок. Вы можете увидеть этот оттенок в зеркальном туннеле, где зеркала, обращенные друг к другу, создают бесконечно повторяющиеся отражения.
Когда две плоскости второй поверхности зеркал сталкиваются друг с другом, повторяющиеся отражения от зеркала к зеркалу образуют виртуальный оптический туннель. В 2003 году группа исследователей изучила интересное свойство такого туннеля.
Они проанализировали изображения, получаемые при многочисленных отражениях внутри зеркального туннеля и обнаружили, что зеркала лучше всего отражают свет на длинах волн от 500 до 570 нм, который мы воспринимаем как зеленый.
Полученные данные показали, что после 50 отражений средняя отражательная способность и отражательная яркость уменьшились в 11620 и 5780 раз соответственно, а доминирующая длина волны составила 552 Нм (желтовато-зеленая).
Как работает зеркало?
Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.
Что такое отражение?
Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:
С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).
Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?
Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:
При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.
Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).
Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.
Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.
Поглощение и эмиссия фотонов
Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.
Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.
Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете
Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.
При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.
На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.
Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.
Каждый отдельный абзац интересный и понятный, но в сумме возникло ощущение, что зеркало отражает свет десятком разных несвязанных способов, :–(.
Если я стою в 2 метрах от зеркала, значит ли это, что между мной и моим отражением в зеркале 4 метра?
Профильного образования не имею. Думал, что более менее понимаю про поглощения/отражения. Но, естественно, были неотвеченные вопросы. А тут вон оно как. Всего одна мысль о том, что квант света полубому поглощается атомом даже в зеркале, просто потом испускается такой же, и снова ничего не понятно. Теперь я опять не понимаю от чего зависит цвет предметов и глянцевая/матовая поверхность.
Как новые испускаемые атомами фотоны «знают» что надо лететь именно в нужную сторону?
А вот интересно. Птицы которые ловят рыб, наблюдая за ними снаружи воды сначала, они научились компенсировать преломление в мозгу или действуют по обстоятельствам уже когда заныривают?
Не забывайте про бульон:
Не хочу думать, просто объясните, как зеркало в зеркале отражается?
Отличный пост, спасибо! Как раз ребенку объясняю основы, про прозрачность, шарики, цвета. Тут всё в одном месте
Я сюда учиться пришёл или деградировать?
Как будто снова Довод посмотрел))
Про радугу
Совсем немного о природе радуги
Keter
Зеркало
Больше кисок!
Осень. Идеальное Отражение
Вас заметили
Отражение
Редкое животное
Отражение
Сделай это, Гарольд. Мы можем быть вместе, Гарольд
Кот-паук? Кот-осьминог? Кото-КТУЛХУ!
Распространнение лазерного луча в разных средах
Если есть физики, то почему в соленой воде он устаëт?
Фиолетовый
Появился у меня тут вопрос, возможно ответ на него (если он будет дан в комментариях тоже кого-то заинтересует). Вопрос к физикам. или к художникам.
Мы знаем, что есть вот такое распределение цветов видимого спектра по длинам волн.
Ещё мы знаем, что если смешать например желтый и красный то получим оранжевый, а если смешать синий и желтый то получим зелёный.
То есть в целом всё логично. Смешиваем два материала отражающие свет в разном диапазоне, получаем материал отражающий свет в промежуточной длинны волны.
Но если задаться вопросом, а какие цвета нужно смешать, что бы получить фиолетовый? То что-то как-то идёт не так.
Шум на фотографии не зависит от размера сенсора
Я постоянно слышу фразы:
“фуллфрейм меньше шумит!”, “зачем ты взял D500, когда за те же деньги можно взять фуллфрейм?”, “фуллфрейм лучше во всём!”, “на фуллфрейме можно добавлять +1 стоп ISO и разницы с кропом не будет”
Так ли это на самом деле? И когда польза от фуллфрейма действительно есть.
В некоторых случаях FF действительно может дать пользу в виде более чистых снимков.
Это происходит при определенных условиях. Давайте разберемся, при каких.
Как можно заметить, ширина APS-C меньше, чем высота FF! И если APS-C повернуть на 90 градусов, то можно поместить два таких сенсора на площадь FF и еще останется место!
Площадь FF матрицы в 2,33 раза больше, чем площадь APS-C матрицы.
Диагональ FF матрицы в 1,52 раза больше, чем диагональ APS-C матрицы. Именно этот параметр называют кроп-фактором.
Как это всё влияет на снимки?
Давайте взглянем на пример.
Условимся, что этот снимок сделан на фуллфрейм камеру. Тогда как же будет выглядеть снимок на APS-C в точно таких же условиях? Вот так:
В данном случае увеличилось “эквивалентное фокусное расстояние” (ЭФР). Термин очень скользкий и часто вводит в заблуждение. На самом же деле это понятие позволяет оценить только итоговый угол обзора, но никак не фокусное расстояние объектива.
Да, при увеличении фокусного расстояния сужается угол обзора, если размер сенсора не меняется. Но при изменении размера сенсора, фокусное расстояние объектива остается неизменным, несмотря на изменение угла обзора! Об этом я подробно расскажу в следующем посте.
Для наглядности рамкой выделен участок, который будет соответствовать APS-C сенсору.
Другой пишет, что если кропнуть кадр с фуллфрейма до размера APS-C, то потеряется “преимущество фуллфрейма в 1 ступень ISO”.
Непонимание базовых принципов работы сенсоров приводит к тому, что некоторые люди покупают D500 и D850 вместе для съемок дикой природы из-за разницы в «1 стоп шума».
Давайте разберемся, так ли это.
Используя этот объектив, делаем два кадра с одной и той же точки, но на разные матрицы.
Из большего изображения вырезаем часть, соответствующую картинке, полученной центральным участком, размером 1х1 см.
Сравниваем с целым кадром матрицы 1х1 см.
Картинки будут на 100% идентичны по уровню шума.
Аналогичный результат получится, если матрицу 100х100 см заклеить непрозрачным материалом и оставить лишь окошко 1х1 см в центре. Матрица не обидится на вас и не станет работать хуже на этом квадратном сантиметре! Вы просто потеряете часть информации с участка вокруг этого квадрата.
Это всё равно, что подойти к распечатанной фотографии, висящей на стене и закрасить её, оставив прямоугольник ровно в её центре. Да, фотография поменяется. Но та часть, которая осталась не закрашенной, будет ровно такой же, какой была до покраски!
Строго говоря, матрицу большего размера сложнее охлаждать и это может привести к более “шумному” результату. Но зачастую это заметно лишь при техническом анализе в лабораторных условиях. Или при съемке в условиях крайне низкой освещенности. Например, в астрофотографии.
В каком случае FF будет действительно менее шумным?
Сделаем два кадра с одной и той же точки, с использованием одного и того же объектива. Условия освещенности, температура воздуха и прочее остаются неизменными. Естественно, параметры экспозиции должны быть одинаковые. Какие различия мы увидим?
1. Снимок на FF захватит больший угол, чем APS-C. Это разобрано выше.
2. …всё! Больше различий нет!
Если обрезать итоговый кадр с FF до размера APS-C, то получатся две одинаковые на 100% картинки! Никаких на “1 стоп меньше шума”! Просто одинаковые во всех отношениях кадры.
В данном случае кадрирование имеет ровно такой же эффект, какой имело бы физическое уменьшение размера матрицы. Если уж совсем просто сказать: отломав от FF матрицы лишние пиксели и сделав её по размеру равной APS-C матрице, вы получите… APS-C матрицу! Абсолютно идентичную по свойствам той, которая изначально была задумана таковой. Конечно, если у вас получится сохранить её работоспособность 🙂 Я снова повторяюсь, но хочу, чтобы вы поняли эту идею.
Так как же заставить FF меньше шуметь, но при этом не тронув остальные аспекты картинки? Очень просто. Нужно скомпоновать кадр так, чтобы он полностью соответствовал по углу обзора и перспективе кадру с APS-C.
Для этого нужно использовать объектив с иным фокусным расстоянием, и с аналогичным значением относительного отверстия. Сможете ли вы сами догадаться, чему должно равняться фокусное расстояние такого объектива? Вспомните про ЭФР, о котором говорилось выше. Да, нужно взять объектив с ФР, равным пресловутому ЭФР.
Например, снимок на APS-C был сделан через объектив 50 мм f/1,4. Тогда для соблюдения условий нам понадобится объектив 75 мм f/1,4. Он даст точно такой же угол обзор, что и был на первом снимке. (При условии, что кроп-фактор равен точно 1,5).
За счет сохранения диафрагменного числа на прежнем уровне, мы получаем аналогичное количество фотонов на единицу площади. Но площадь FF матрицы больше площади APS-C матрицы. Значит общее количество квантов света увеличилось. И этот свет собран ровно с того же объекта и в том же масштабе, что и в первом случае.
Увеличение общего количества света никаким образом не сказывается на абсолютном уровне шума. А значит и соотношение сигнал/шум (SNR) растет. Полезного сигнала стало больше и он “задавил” шум. Итог: визуально менее шумный снимок.
(Получившийся снимок будет отличаться в плане ГРИП и боке. Но речь сейчас про шум.)
Но за счет чего увеличилось общее количество света?
Как говорят клетки нашего организма: “Давайте займемся делением!”. Делить мы будем фокусное расстояние объектива на диафрагменное число. В ответе мы получим диаметр входного зрачка объектива.
Объектив, использованный на APS-C камере: 50 / 1,4 = 35,71 мм
Объектив, использованный на FF камере: 75 / 1,4 = 53,57 мм
. Чем больше диаметр входного зрачка объектива, тем больше света он собирает.
Не нужно путать диаметр передней линзы с диаметром входного зрачка. В многолинзовых оптических схемах это совсем не одно и то же.
Строго говоря, нужно считать площадь входного зрачка, но т.к. подавляющее большинство объективов имеет круглые линзы, то для простых сравнений можно обойтись и диаметром.
Так почему же я приплел сюда объективы, если речь идёт о форматах матриц?
Дело в том, что больший размер матрицы лишь позволяет добиться условий, при которых два снимка будут отличаться по шуму (и только по шуму) при прочих равных. Даёт больше возможностей. Но само по себе это не происходит при изменении размера матрицы. А реальное изменение происходит из-за объектива, а не размера матрицы.
Именно объектив собирает свет от объекта съемки. И размер матрицы никак на это повлиять не может!
Возьмем обратный пример. Попытаемся получить полностью одинаковые снимки (в плане угла обзора, перспективы и уровня шума) с использование FF и MFT (кроп-фактор 2, для пущей наглядности).
Сделаем кадр на FF и объектив 20 мм f/1,4.
Чтобы получить аналогичный угол обзора на MFT-камере, нам понадобится объектив с ФР 10 мм. Что касается относительного отверстия, то здесь нужно компенсировать размер матрицы. Ведь нам нужно набрать точно такое же общее количество света. Иначе сигнал/шум не будет соответствовать фуллфрейму.
Давайте снова делить. И здесь снова всё просто. Вычисляем диаметр входного зрачка объектива 20 мм f/1,4:
Для MFT нужно получить такой же диаметр входного зрачка, чтобы собрать такое же общее количество света, что и FF. Объектив с ФР в 10 мм будет обладать диаметром входного зрачка в 14,29 мм только в том случае, если на нем будет стоять справедливая маркировка “f/0,7”. Здорово, правда?! Но есть один нюанс! Такой объектив не существует! А если и появится когда-нибудь, то будет стоить космических денег.
Из этого и следует, что FF-сенсор лишь даёт возможность получать определенные результаты с использованием подходящих для этого объективов. Но если увеличивать лишь размер сенсора, то получить менее шумное изображение конкретного объекта невозможно. Камера будет лишь захватывать всё больший и больший угол, если это позволит объектив. Но SNR части изображения, в которой находится объект съемки, останется прежним!
Для запредельной наглядности можно сравнить Full Frame с камерой смартфона.
Основная камера моего смартфона обладает сенсором с размером 8х6,4 мм (1/2″). Кроп-фактор 5,41.
Объектив этой камеры: 4,77 мм f/1,75.
Диаметр входного зрачка: 4,77 / 1,75 = 2,73 мм
ЭФР: 4,77 * 5,41 = 25,8 мм
Следовательно, чтобы получить аналогичный угол обзора на FF-камере, нужно взять объектив 25,8 f/1,75. Точно такой объектив в реальности найти сложно, но близкие по значению объективы вполне доступны. Но мы будем оперировать именно расчетными данными.
Осталось посчитать диаметр входного зрачка:
25,8 / 1,75 = 14,74 мм,
что в 5,41 раза больше диаметра входного зрачка камеры смартфона!
Но это еще не весь масштаб трагедии. Общее количество собранного света зависит не от диаметра, а от площади входного зрачка!
Оные равны соответственно 5,84 мм^2 и 170,7 мм^2. Разница в 29 раз!
В 29 раз больше света собирает объектив FF-камеры при том же угле обзора, что и камера смартфона! Именно поэтому смартфоны никогда не догонят реальное качество фотографий с полноценных камер. Вычислительная фотография это хорошо, но против физики не попрёшь.
Ради интереса можно посчитать, на каком значении диафрагмы нужно сделать кадр на FF, чтобы он опустился по количеству света до уровня смартфона. При ФР в 25,8 мм, относительное отверстие нужно выставить на значение 9,45, оставив параметр выдержки на прежнем уровне.
А чтобы поднять смартфон до уровня FF, нужен объектив с пометочкой f/0,32.
Таких объективов, как ни трудно догадаться, не существует. И, к сожалению, даже если и появятся вопреки всем законам оптики, сенсор смартфона не выдержит такого потока света и кадр получится полностью пересвеченным. Но это уже совсем другая история (см. full well capacity).
Среди некоторых фотографов распространено мнение, что сокращение дистанции до объекта съемки в два раза, полностью аналогично использованию объектива с вдвое большим фокусным расстоянием (или зум-объектива на соответствующем ФР). Это неверно. При изменении расстояния до объекта меняется перспектива. Поэтому в полной мере компенсировать малый размер сенсора таким образом не получится.
Как вы знаете по своему опыту, при просмотре снимка не в 100%-ом масштабе, он выглядит менее шумным. И это действительно так. При масштабировании происходит «усреднение» значений каждого пикселя изображения с соседними, что приводит к уменьшение шума.
Если стоя на одном месте снять одну и ту же сцену на один и тот же объектив, но на разные по размеру матрицы, то распечатанные в одном размере снимки будут выглядеть по-разному. Внезапно, да? «Попиксельный» уровень шума кадра с большей матрицы будет меньше, чем на кадре с меньшей матрицы. Т.к. произойдет то самое «усреднение».
Но снимок с большей матрицы захватит больший угол. То есть, в кадре будут те объекты, которых вообще нет на кадре с меньшей матрицы.
Если размер печати снимка, сделанного на меньшую матрицу, уменьшить пропорционально разнице в размерах матрицы, то и «попиксельный» уровень шума обоих кадров будет одинаковый.
Как вы поняли, это лишь следствия из того, что было сказано ранее. Но для полноты картины посчитал нужным объяснить.
— Невозможно с использованием одного объектива и двух матриц различного размера получить на 100% одинаковые снимки:
— Если делать кадры с одной точки, то будет отличаться угол обзора
— Если с камерой с меньшей матрицей отойти назад так, чтобы углы обзора сравнялись, то будет отличаться перспектива
— Если на камере с меньшей матрицей использовать объектив с пропорционально уменьшенным фокусным расстоянием и тем же относительным отверстием, что и у объектива на камере с большей матрицей, то общее количество света будет меньше на меньшей матрице из-за разницы в диаметре входного зрачка объектива
— Для того, чтобы получить одинаковый видимый шум на объекте съемки, нужно собрать одинаковое общее количество света от этого объекта. При равенстве времени выдержки это можно сделать только соблюдая одинаковый диаметр входного зрачка и никак иначе
— Объективы с одинаковым значением относительного отверстия, но с разными значениями фокусного расстояния собирают разное общее количество света, но при этом одинаковое количество света на единицу площади сенсора
— Общее количество света, собранное объективом никак не зависит от размера сенсора!