El obturador es solo uno de varios componentes importantes de la cámara que se utilizan para ejercer un mayor control sobre el aspecto de las imágenes de video. Bueno, comencemos nuestra exploración con una discusión sobre los beneficios que nos brinda el obturador. Sin embargo, antes de abrir una videocámara para echar un vistazo al funcionamiento interno del obturador de alta velocidad, repasemos la función más general de todos los obturadores.
El obturador de una cámara controla el tiempo que se permite que la luz ingrese a la lente. El otro control de exposición importante en cualquier cámara (foto o video) es su iris, que afecta el "espacio" a través del cual debe pasar la luz, por lo que nuestra discusión de hoy será sobre el espacio y el tiempo. No te preocupes, no es ciencia espacial. Todo lo que realmente necesita es comprender algunos términos y relaciones simples.
En pocas palabras, el obturador y el iris trabajan juntos para controlar la cantidad de luz que ingresa a la lente de una videocámara. El obturador controla la duración de la exposición de la luz al CCD (dispositivo acoplado de carga). El iris controla el tamaño de la abertura a través de la cual se permite que la luz ingrese a la lente. Si bien esto es bastante simple, cada uno afecta la imagen final:cada uno nos da control sobre la apariencia de nuestras imágenes de video.
Expandiendo su enfoque
El iris de una videocámara funciona de manera muy similar al iris de tu ojo. Si la luz es brillante, el iris del ojo se cierra, lo que hace que la abertura por la que pasa la luz sea más pequeña, de modo que la luz no te ciega. En condiciones de poca luz, el iris de su ojo se "dilata", abriéndose de par en par para permitir que entre más luz. Lo mismo ocurre con el sistema de exposición automática de su videocámara. Lo maravilloso del iris es que te permite controlar la profundidad de campo en tus imágenes. En condiciones de poca luz, el iris de su videocámara se abre. En luz brillante, se cierra. Pero a medida que la apertura se vuelve más pequeña, aumenta la profundidad de campo o el rango que está en un enfoque nítido. De hecho, si el iris se cierra lo suficiente, ni siquiera necesita una lente para enfocar la imagen. El mundo entero se enfoca nítidamente cuando la abertura es extremadamente pequeña.
La primera cámara, la cámara oscura, no tenía lente, obturador o incluso película. Mucho antes de que nadie pensara en tales cosas, los antiguos notaron que cuando la luz pasaba a través de una pequeña abertura hacia una habitación oscura, se proyectaba una imagen en el punto donde la luz golpeaba la pared o el piso. Con un poco de experimentación se descubrió que cuanto más pequeño era el orificio por el que pasaba la luz, más nítida era la imagen. Esto resultó en el desarrollo de la cámara oscura, que usa un pequeño agujero (y en versiones posteriores, una lente) en la pared de una habitación o caja oscura, para proyectar imágenes en una superficie de dibujo donde se trazarían, produciendo imágenes de alta precisión. y dibujos detallados.
La cámara estenopeica es un ejemplo más moderno del mismo enfoque de imágenes. Todo lo que necesitas es una caja de zapatos, un alfiler y algo de película. Si desea saber más acerca de la fotografía estenopeica, puede encontrar mucha información en la Web.
El problema del agujero de alfiler
Si bien el uso de un pequeño orificio en lugar de una lente puede producir imágenes que se enfocan nítidamente desde casi la superficie de la lente hasta el infinito, tiene una gran desventaja. El pequeño agujero no puede pasar mucha luz. Para obtener más luz, puede agrandar el agujero, pero luego se pierde la nitidez de la imagen. Al usar una lente en lugar del agujero de alfiler, puede recolectar luz sobre toda la superficie de la lente y aun así obtener una imagen enfocada en el CCD o la película.
El objetivo permite que entre más luz en la cámara, pero se reduce el área que estará enfocada nítidamente. Cuanto mayor sea el diámetro de la lente, peor será el problema. Con lentes de diámetro muy grande, el área enfocada, o la profundidad de campo como se le llama, se puede reducir a una fracción de pulgada. Otro factor que afecta la profundidad de campo es la distancia focal, o aumento, de la lente. Los teleobjetivos producen un campo poco profundo, mientras que los lentes de gran angular producen un campo más profundo.
Entra el Iris
Si hace que su lente sea lo suficientemente grande para brindar imágenes de calidad con poca luz, necesita una forma de reducir la cantidad de luz que ingresa a la cámara en condiciones más brillantes. Cuando la luz es demasiado brillante, el iris se usa para enmascarar parte del cristalino (ver Figura 1). Esto no solo le permite al fotógrafo o videógrafo ajustar la cantidad de luz que ingresa a la lente, sino que también le permite ajustar la profundidad de campo y, por lo tanto, controlar las partes de las imágenes que están enfocadas y las partes que no lo están. . Al seleccionar cuidadosamente la configuración del iris, puede enfocar nítidamente en una parte del cuadro, mientras desenfoca otros elementos, dando a sus imágenes un aspecto tridimensional que no se puede lograr de otra manera.
El iris ayuda a controlar el espacio dentro de la imagen que está enfocada. El foco de la propia lente determina la ubicación de ese espacio, y el iris controla su profundidad. Hasta aquí el "espacio", pero ¿qué pasa con el tiempo? El período de tiempo durante el cual se permite que el CCD recopile la luz también afecta la exposición total. Por ejemplo, si deja pasar la mitad de luz reduciendo la apertura del iris, aún puede obtener la misma exposición permitiendo que la luz entre en la cámara durante el doble de tiempo.
Entrar al obturador
Para controlar el tiempo durante el cual su película o sensor está expuesto a la luz, las cámaras usan algún tipo de obturador. En la cámara estenopeica simple, el obturador es un trozo de papel oscuro u otro material opaco, que se abre y cierra a mano para cronometrar la exposición. Esto funciona bien para tiempos de exposición muy largos, porque simplemente puede consultar su reloj o contar los segundos. Sin embargo, las emulsiones de película modernas y los CCD pueden exponerse en fracciones de segundo, por lo que necesitamos algo un poco más sofisticado que un simple papel de construcción negro para controlar nuestros tiempos de exposición. Al permitir una amplia gama de tiempos de exposición precisos, el obturador de la cámara funciona con el iris para brindarle un control completo del tiempo y el espacio de su imagen.
Muchas videocámaras tienen obturadores que admiten tiempos de exposición desde varios segundos hasta 1/10.000 de segundo. Las velocidades de obturación más lentas (de mayor duración) le permiten usar una configuración de iris pequeña para obtener una mayor profundidad de campo y al mismo tiempo recibir mucha luz en la película. Sin embargo, puede tener un problema si la cámara o el sujeto se mueven durante la exposición. Todo lo que se mueva se verá borroso en la imagen final y, si la cámara se mueve, se verá borrosa toda la imagen. Por supuesto, este desenfoque se puede usar para crear efectos, como se ve a menudo en fotografías de cascadas, donde se usan tiempos de exposición prolongados para dar a las imágenes un aspecto más soñador e idealista. Las velocidades de obturación más altas (duración corta) le permiten usar una apertura de iris más grande, incluso con luz brillante, lo que reduce la profundidad de campo y produce la agradable apariencia tridimensional ilustrada anteriormente (consulte la Figura 2). Además, las altas velocidades de obturación permiten tomar imágenes cuando el sujeto está en movimiento, sin que el sujeto aparezca borroso. El obturador puede abrirse y cerrarse tan rápido que la posición del sujeto apenas cambia, y es posible obtener una imagen fija perfectamente nítida de un sujeto que se mueve rápidamente si el obturador es lo suficientemente rápido.
Los obturadores de la mayoría de las cámaras fijas son artilugios mecánicos que se abren para dejar pasar la luz durante un tiempo y luego se vuelven a cerrar. Algunos obturadores barren la película rápidamente y otros están en la lente misma, pero la idea es siempre la misma. Abra brevemente, luego cierre rápidamente de nuevo, justo en el momento adecuado. Sin embargo, las persianas mecánicas tienen masa, y esa masa limita la velocidad con la que se pueden abrir y cerrar. Esto generalmente limita la velocidad de obturación máxima (o el tiempo de exposición mínimo) a alrededor de 1/8000 de segundo en cámaras fijas.
Algunas cámaras fijas evitan el problema de las masas mediante el uso de obturadores electrónicos. Para este poco de tecnomagia, se utilizan dos lentes polarizados. Una lente polarizada deja pasar luz que está polarizada en una dirección mientras bloquea la luz de otra polarización. Si pones dos lentes polarizados juntos, orientados de modo que ambos pasen luz de la misma polarización, la luz que pasa a través de la primera lente también pasará a través de la segunda lente. Pero si gira una de las lentes para que su polaridad sea opuesta a la otra, la primera lente pasará luz que tiene la polaridad incorrecta para la segunda, y ninguna luz pasará a través del par de lentes. Por lo tanto, podría hacer un obturador con dos filtros polarizadores que podrían "abrirse y cerrarse" simplemente girando una de las lentes. Mejor aún, es posible construir un filtro polarizador que cambiará su polarización cuando se aplique una señal eléctrica, por lo que puede diseñar un obturador que no se mueva en absoluto. Simplemente cambia un voltaje para abrir y cerrar el obturador. Las cámaras con este tipo de sistema de obturador no hacen los chasquidos que hacen las cámaras con obturadores mecánicos, y sus obturadores se pueden abrir y cerrar nuevamente en 1/10,000 segundos o menos. Velocidades de obturación tan altas pueden detener el movimiento de un golpe de golf o de un automóvil a toda velocidad, y producir imágenes nítidas de acción rápida, perfectamente congeladas en el tiempo.
Con el advenimiento del dispositivo de carga acoplada, o CCD, todos estos líos mecánicos y electro-ópticos se vuelven innecesarios. El CCD en sí funciona como un obturador electrónico virtual que se puede abrir y cerrar tan rápido como una señal electrónica que se puede encender y apagar, sin piezas adicionales y con muy poca complejidad adicional. En lugar de usar un obturador físico para controlar el tiempo de exposición, la videocámara moderna basada en CCD simplemente descarta la luz que golpea su superficie, simulando un obturador cerrado. Para abrir el obturador virtual, se permite que el CCD comience a recolectar energía luminosa. Cuando llega el momento de dejar de recoger la luz, el CCD simplemente se detiene y el obturador virtual se cierra. Entonces, una de las cosas sorprendentes que encontramos cuando miramos el obturador de nuestras videocámaras es que no hay uno.
¿Ningún obturador?
Así es. La videocámara moderna realmente no tiene nada que pueda identificar como un obturador. En cambio, en el momento en que se cerraría un obturador mecánico, el CCD simplemente se vuelve insensible a la luz. Echemos un vistazo más de cerca al CCD en sí mismo y veamos cómo se logra esto.
Dentro del CCD hay una gran cantidad de "celdas" que son sensibles a la luz. El recuento de píxeles de un CCD le indica cuántas celdas contiene el CCD. Cuando la luz golpea una de estas celdas, se genera una carga eléctrica dentro de la celda. Cuanta más luz incide sobre la célula, mayor es la carga que se acumula. Las celdas en realidad no recogen "luz", sino que convierten la luz en una carga eléctrica que es proporcional a la luz que incide sobre la celda.
Observe también que la célula fotosensible no tiene sensibilidad al color. Acumula su carga sin importar el color de la luz que golpea su superficie. Para producir imágenes en color, se colocan filtros delante de las celdas para que algunas de ellas vean rojo, algunas vean azul y algunas vean luz verde. Esto se puede hacer con un solo CCD y un conjunto complejo de lente y filtro rojo, verde y azul, o usando tres CCD separados con un solo filtro de color sobre cada uno (consulte la Figura 3).
Inicialmente, la salida de cada celda se cortocircuita a tierra, de modo que la carga generada por cualquier luz que incida en la celda se drena inmediatamente. En este estado, las celdas no acumulan carga y el obturador virtual está "cerrado". Para capturar una imagen, se cierra el drenaje de las celdas y las cargas comienzan a acumularse en proporción a la luz que llega a la celda. Al final del período de exposición, los cargos en cada celda se transfieren a un Registro de transferencia vertical, que luego pasa cada cargo, estilo brigada de cangilones, a un Registro de transferencia horizontal. Allí, se unen al desfile de cargos de los otros Registros de Transferencia Vertical y se marchan en fila india hacia el circuito de grabación y procesamiento de video (consulte la Figura 4).
Las imágenes "en movimiento" que vemos como video son en realidad una serie de imágenes fijas que se muestran rápidamente. Todas las videocámaras NTSC producen 30 cuadros fijos por segundo. Cada cuadro se compone de dos campos, para un total de 60 campos por segundo. Sin embargo, existe una tendencia a producir cámaras capaces de grabar 30 fotogramas por segundo sin campos, a veces denominados exploración progresiva o modo "Frame Movie". En este modo, estas cámaras no graban 60 campos discretos, pero emiten a un televisor o VCR en el formato estándar NTSC de 60 campos/30 cuadros por segundo. Este modo se usa generalmente para recopilar imágenes que se exportarán a una computadora como imágenes fijas.
A la velocidad "normal", el CCD acumula su carga durante el tiempo de campo completo de 1/60 segundos, lo que convierte a 1/60 en la configuración predeterminada del obturador para tomas normales. Esto es lo suficientemente rápido para evitar la mayoría de los desenfoques causados por el movimiento de la cámara y el movimiento lento dentro del marco. Pero nuestras videocámaras ahora nos permiten elegir velocidades de obturación más rápidas o más lentas que la velocidad de fotogramas de la videocámara. Los ajustes de obturación lenta simplemente permiten que el CCD permanezca activo durante varios (o muchos) intervalos de campo y grabe la imagen capturada previamente durante el período de exposición. Cuando dispara con una velocidad de obturación lenta de 1/15 de segundo, el CCD se mantiene activo durante un período de cuatro campos. Luego, sus cargas se envían para la grabación, y los mismos datos se graban durante cuatro fotogramas, mientras que el CCD llena sus celdas durante otro 1/15 de segundo. De esta forma, la velocidad de fotogramas se mantiene constante, aunque el obturador funcione a una velocidad completamente diferente.
La operación del obturador de alta velocidad súper rápida y silenciosa es aún más simple. En lugar de eliminar el drenaje de las celdas al comienzo del intervalo de campo de 1/60, se permite que la carga continúe drenando su carga durante una parte del tiempo de campo total. Si se selecciona una velocidad de obturación de 1/120, por ejemplo, los CCD continuarán descargándose durante la primera mitad del intervalo de cuadro y recolectando luz solo durante la segunda mitad. Para velocidades más altas, las celdas simplemente se drenan durante un mayor porcentaje del tiempo de campo.
Al final, tenemos un obturador virtual sin partes móviles y sin masa. De hecho, nuestras persianas no tienen existencia real en absoluto. Y, sin embargo, todavía nos dan control sobre el espacio y el tiempo de nuestras imágenes y exposición.
Poniéndolo todo a trabajar
Toda esta teoría es interesante, pero el valor real del obturador de alta velocidad radica en el control que le brinda sobre el aspecto de sus imágenes. Cuando se combina con el iris, obtienes control sobre la profundidad de campo, el desenfoque de movimiento y el brillo de la imagen en sí. Una revisión de las relaciones parece estar en orden.
Los ajustes de diámetro de iris más pequeño admiten menos luz, pero brindan una mayor profundidad de campo. Se debe utilizar una velocidad de obturación más lenta para que el brillo de la imagen permanezca constante.
Los ajustes de apertura más grandes reducen la profundidad de campo, acentuando el sujeto y creando una imagen más tridimensional. Se requiere una velocidad de obturación más alta para mantener el brillo de la imagen lo suficientemente bajo para mantener el iris abierto en un diámetro más amplio.
Las velocidades de obturación más altas congelan el movimiento, brindando imágenes nítidas a pesar de cualquier movimiento relativo entre el sujeto y la cámara. Para obtener suficiente luz a velocidades de obturación más altas, el iris debe abrirse más para admitir más luz y, como resultado, se reduce la profundidad de campo.
Se pueden usar velocidades de obturación muy lentas para permitir que el CCD recolecte más luz en situaciones de poca luz o para permitir que un iris más pequeño abra una mayor profundidad de campo. La compensación es que la misma imagen se repetirá en varios campos, lo que podría dar como resultado un movimiento espasmódico similar al de una luz estroboscópica. Además, la velocidad de obturación lenta permitirá más desenfoque de movimiento, lo que puede ser un problema o un efecto artístico.
Finalmente, el iris y el obturador juntos controlan la cantidad total de luz que se usa para generar una carga en las celdas CCD, y cada uno o ambos se pueden ajustar para producir una imagen más oscura o más clara que la escena original. .
Aprender haciendo
Ahora conoce la teoría detrás del funcionamiento del obturador de alta velocidad de su videocámara. Pero cuando se trata de seleccionar el mejor modo de exposición, o los ajustes de obturador y apertura para una situación o efecto particular, no hay sustituto para la experiencia y la práctica. Tómese el tiempo para experimentar con los diferentes modos de exposición y configuraciones en su videocámara, y obtendrá un control mucho mayor sobre el aspecto de su producto terminado.