Статья принимает участие в Конкурсе статей о фотографии.
Спонсор Конкурса: интернет-магазин www.combook.ru

Во избежание недоразумений сразу хочу предупредить, что профессиональным фотографом я не являюсь. Более того, даже любителем меня назвать сложно. Заняться фотографией всего несколько месяцев назад (на момент написания) заставила моя профессия инженера-исследователя, вынужденного работать в условиях частной фирмы. За написание данной статьи я взялся исключительно по настоятельной просьбе моего друга – профессионального фотографа и журналиста.

Зачем оно надо?
При исследовательской работе во многих областях науки и техники часто возникает потребность визуализации и документирования процессов, протекающих со значительными скоростями. Это исследования в области вооружений, аэродинамики, механики, физики твердого тела и многих других областях. Можно не сомневаться в том, что в серьезных НИИ методология скоростной фото- и видеорегистрации отработана в совершенстве. Уже давно создано оборудование, позволяющее вести видеозапись со скоростью более 1 миллиона кадров в секунду (против 30 кадров/с любительской цифровой видеокамерой) и производить фотографирование с выдержками короче 1нс, т.е. менее 1/1000000000с. Самыми сверхскоростными фотографиями в мире на сегодняшний день являются работы М. Дюге и коллег, которые сумели «заморозить» полет луча лазера в воде, разбавленной молоком используя фотозатвор на основе глубоко модернизированной ячейки Керра.

Но, иногда задача «поимки» мгновений мучает фотохудожников и простых любителей. Многие привычные вещи при скоростной фотосъемке выглядят совершенно иначе. Появляется редкая возможность сделать отличный художественный (или документальный) кадр из самого банального сюжета. Падение капли воды, разгон красивого спортивного автомобиля или пробивание портрета любимого американского президента пулей из пневматического пистолета мы можем наблюдать совершенно в другом времени, вкладывая в привычный образ совершенно другой смысл. Осталось придумать, как осуществить идею в снимке, пользуясь аппаратурой среднего класса и располагая бюджетом не более 1000$.

Сколько вешать микросекунд?
Скоростная фотография… Какую фотографию можно считать по-настоящему «мгновенной»? Поскольку мнения в научных кругах по этому поводу разнятся на порядки и зависят более от научного авторитета и круга решаемых задач, можно условно принять те же правила расчета, что и для допустимого кружка рассеяния на обычной фотографии. В общем итоге, фотография любого движущегося предмета является нерезкой из-за конечного времени экспонирования кадра. Примем классические 1/1500 диагонали кадра за критерий «остановки мгновения» и попробуем посчитать, какие скорости «по зубам» обычным современным фотоаппаратам.

Современная промышленность предлагает профессиональные инструменты для настоящей скоростной фотографии по совершенно заоблачным ценам, недоступным даже весьма состоятельным фотолюбителям. Кроме того, необходимо заметить, что многие ультраскоростные камеры способны фотографировать только в монохромном режиме при крайне скромном разрешении типа 200х300 пикселей. Рассмотрим более художественные и менее дорогостоящие варианты съемки на примере обычных фотокамер Canon. Хотя, выбор конкретного производителя тут не критичен, это может быть и Nikon, и любая другая фирма, ввиду острой конкуренции параметры камер отличаются не так уж и сильно.

Даже у топовых камер в линейке зеркалок Canon минимальная заявленная выдержка составляет всего 1/8000с. У любительских моделей минимальная выдержка возрастает уже вдвое – 1/4000с. Много это или мало? Предположим, у фотографа есть желание снять неподвижной камерой типа 450D движущийся объект размером 1х1 метр, так чтобы он соответствовал оговоренному ранее условию резкости (или смазанности не более 1/1500). Не сложно посчитать, что за время экспонирования 1/4000с объект должен пролететь в пространстве не более 1/1500 метра, т.е. максимальная скорость не должна превышать (1/1500) / (1/4000) = 2.67 м/с. Эта цифра верна при условии, что объект занимает весь кадр и движется строго перпендикулярно оптической оси объектива. Конечно, при съемке спортсмена-спринтера без вспышки можно добиться резкого кадра за счет того, что спортсмен занимает далеко не всю площадь кадра, рост среднего бегуна существенно превышает 1 метр, да и снимать можно не перпендикулярно направлению его движения, а под углом. В любом случае максимальная скорость объекта съемки с размерами порядка метров в полый кадр ограничена пределом в 10-20 м/с или 36-72 км/час, если не фотографировать в «лоб» или «спину».

Далее ситуация усугубляется. Каковы доступные скорости при съемке, например, теннисного мяча имеющего диаметр 57мм. Если мяч занимает весь кадр, то всего-навсего (0.057 [м]/1500)/(0.00025 c) = 0.152 м/с. Если мячик занимает 1/20 диагонали кадра, то тоже не много, не более 3 м/с. Видимо, продолжать счет для более мелких объектов снятых крупным планом совсем бесполезно. Цифры неумолимо говорят о том, что хорошо бы как-нибудь закрепить беспокойный объект и поставить фотоаппарат на штатив.

Высчитывая допустимые скорости движения объектов, мы упустили из вида два важных обстоятельства, существенно ограничивающих скоростные возможности фотосъемки. Первое препятствие на пути фотографа – это сам затвор камеры. Дело в том, что реальное время экспонирования кадра для современных камер, как правило, не бывает меньше 1/100…1/250 секунды. Механический затвор не успевает совершить полный цикл «отрыто-закрыто», механика не может работать так быстро, поэтому, производители фототехники пустились на хитрый ход – на малых выдержках движение второй шторки затвора закрывающей матрицу (или фотопленку) начинается раньше, чем первая шторка успеет полностью открыться. В результате засвечивание матрицы камеры происходит через тонкую щель между шторками. Естественно, что каждый пиксель матрицы получает порцию света в точности соответствующую заданной выдержке, но время, разделяющее экспонирование первого и последнего пикселя как раз и равно тем же 1/100…1/250с. Именно из-за такой особенности фотозатворов искажаются пропорции быстро движущихся объектов фотосъемки, например, колеса едущего автомобиля приобретают овальность. Конечно, говорить о действительно остановленном движении тут не приходится.

И второе, самое главное препятствие в скоростной фотографии – необходимая освещенность сцены. В технике давно уже созданы датчики, реагирующие на отдельный фотон (мельчайшую частицу света) или отдельные атомы. Но, матрицы цифровых фотоаппаратов упорно не хотят фотографировать с чувствительностью выше ISO 200-400 в хорошем качестве. К энергетическому расчету предельных параметров матрицы мы вернемся чуть позже, а пока поговорим об освещенности и объективах.

Далеко не каждый любитель может позволить себе объектив со светосилой равной хотя бы 1.2 – 1.4. И если на «полтинниках» такую роскошь еще можно себе позволить, то на длиннофокусных объективах (300-500мм) светосила более 2.0 становится маниакально-пароноидальной фантазией. Гоняясь за большой светосилой, не надо забывать, что иногда она не очень-то и нужна, т.к. страдает глубина резко изображаемого пространства, рано или поздно все равно придется прикрывать диафрагму и уменьшать количество света попадающего на матрицу. Ну, а уж с темным любительским зумом 3.5-5.6 даже с солнечную погоду не каждая сцена позволит выставлять выдержку короче 1/2000 при разумной чувствительности. И даже в условиях фотостудии или лаборатории создать классические «солнечные» 100000 люкс на площади всего 1 квадратный метр не так просто как кажется. Ситуация все больше усугубляется – кругом враги – затвор не может быстрее, света всегда мало, светосильный объектив стоит очень дорого и не всегда нужен.… Так что же, замкнутый круг? Получить скоростное фото слишком трудно?

Выход есть!
Конечно же есть! Если не удается справиться с техническим несовершенством камеры, то почему бы не использовать более совершенные источники света? Напрашивается применение фотовспышки. Чтобы не вносить геометрические искажения, вызванные конечной скоростью срабатывания затвора, то его нужно просто открыть в условиях низкой освещенности (или при закрытой диафрагме) и включить на небольшое время импульсный источник света очень большой яркости. Если отталкиваться от предыдущих примеров, то, чтобы «остановить» теннисный мяч на подаче среднего спортсмена (скорость мяча 150 км/ч или 41.7 м/с, размер мяча на снимке 1/20 диагонали, съемка поперек направления полета) потребуется длительность вспышки около 20мкс или около 1/50000с. Просмотр ТТХ фотовспышек в каталогах производителей, как правило, выявляет очередные подвохи и «рекламные» цифры, не имеющие ничего общего с реальностью. Многие заявленные параметры серийных вспышек не осуществимы физически, т.к. противоречат фундаментальным законам. Не будем указывать пальцем на недобросовестных рекламщиков, а попробуем протестировать реальные образцы. Как замерять? Совершенно бесполезно и просто глупо замерять реальную длительность вспышки с помощью звуковой карты компьютера как советуют некоторые горе-фотографы в Интернете. Частота дискретизации (скорость оцифровки) звука большинства непрофессиональных звуковых карт равна всего 44.1 кГц, что позволяет абсолютно достоверно замерять минимальные промежутки времени 45 мкс с погрешностью 50%. Также бесполезно применять для этих целей другие достижения цивилизации, такие как цифровой запоминающий осциллограф и фото-диод/транзистор/резистор, т.к. характеристики этих чувствительных элементов совершенно никак не стыкуются с характеристиками реальной матрицы фотоаппарата. Намного разумнее и методически правильнее, как это ни парадоксально, фотографировать быстро движущиеся предметы. Вовсе не обязательно тайком в лесу стрелять из дедушкиной трехлинейки рядом с фотоаппаратом. Достаточно просто раскрутить легкий, но прочный картонный диск с помощью быстроходной микродрели, см. Фото 1.

Фото 1.

По паспорту этот Dremel выдает 33000 оборотов в минуту при номинальном напряжении питания 220В. Ради науки мне пришлось пойти на небольшие жертвы и использовать повышенное напряжение питания в 260В для получения более высокой скорости. При реальных замерах с нагрузкой в виде картонного диска на валу дрель разгонялась до относительно стабильных 38460 об/мин (641 об/с), что при диаметре диска в 160 мм дает максимальную скорость на периферии в 322 м/с (эх, досадно, чуть-чуть не дотянул до скорости звука!). Замер скорости вращения диска проводился довольно точным стробоскопическим методом, описание которого выведет статью далеко за рамки популярной. При этом, как не сложно догадаться, скорость перемещения напечатанных фрагментов на диске линейно возрастает от нуля точно в центре, до 322м/с на самом краю. По середине диска на радиусе 40 мм, скорость соответственно, равна 1/2 от максимальной и т.д. Первым подопытным образцом стала вспышка Canon Seedlite 430EX II, см. Фото 2. Пришлось долго подбирать самый скоростной режим ее работы. В итоге, самым удачным оказался ручной режим с мощностью равной 1/64 от номинальной. И даже в этом случае на тестовом фото видно, что далее 12-15 мм от оси вращения изображение сильно смазано. С уверенностью можно заключить, что с данной вспышкой можно регистрировать объекты, скорость которых не превышает 48 м/с при реальном ведущем числе вспышки не более 5.

Фото 2.

На Фото 3 представлены результаты испытания вспышки Nissin Di28 for Canon подвергшейся легкой модернизации накопительного блока. Следует отдельно заметить, что использование «не родных» вспышек с камерами Canon очень осложняет жизнь фотографу, т.к. добиться корректной работы на камере 450D невозможно. Более-менее правдоподобную освещенность можно получить только в тандеме с Canon G9. Максимальная линейная скорость в кадре около 150 м/с. Этого оказалось мало. Мои технические эксперименты требовали уверенной регистрации скоростей как минимум в 2 раза больших.

Фото 3.

После недолгих раздумий пришлось конструировать собственную вспышку. Т.к. конструкция полностью экспериментальная, то каких либо сложных технических решений не применялось, были отработаны только исполнительные узлы зарядки накопительного блока, сопряжение накопительного блока со строботроном ИСШ-15 и примитивный узел поджига разряда в лампе. Тестовая фотография, сделанная с помощью этого полуфабриката – Фото 4.

Фото 4.

Схему вспышки можно посмотреть тут. Результат не слишком впечатляет – максимальная скорость движения объекта в кадре не более 280-290 м/с, ведущее число получившейся вспышки около 5-6, что почти удовлетворяло мою жажду скорости. Про дальнейшую модернизацию вспышки я умолчу. Все фотографии в статье представлены практически без какой-либо обработки, если не считать обрезки и перевода в монохромный вид Фото 2-4. Некоторая нерезкость изображения на Фото 4 объясняется тем, что на таких высоких скоростях вращения картонный диск начинает волнообразно колебаться во всех мыслимых направлениях, что является верным признаком его скорого разрушения. Так что на Фото 4 представлен практический «непричесанный» результат как есть, просьба не пенять на кривые руки и дисторсию объектива. Эксперимент пришлось прекратить, памятуя о моем горьком опыте разрывов нескольких дисков. Прежде чем подобрать материал, способный хоть какое-то время выдерживать скорости более 300 м/с, пришлось с риском для себя перепробовать множество тонких пластиков, бумаги и картона самых различных сортов. Практически любой объект, каким бы легким и безобидным он не оказался, будучи разогнанным до скоростей в сотни м/с способен натворить немало бед. Любители «жести» могут полюбоваться на Фото 5 шрамом, оставленным на моем пальце клочком картона с поперечным размером в несколько миллиметров, летевшим со скоростью около 500 м/с. Не зря говорят, что правила техники безопасности написаны кровью… Не повторяйте моих ошибок и даже не пытайтесь таким же способом раскручивать металлические диски!!!

Фото 5.

Сколько нужно света? А сколько можно?
Вообще говоря, современная цифровая фотография – очень затратное дело. С энергетической точки зрения. Для получения снимка нормальной яркости требуется обеспечить некоторую экспозицию, лк*с. Конкретная величина экспозиции может варьироваться в зависимости от светопропускания объектива, диафрагмы, настроек баланса белого, авторской задумки и прочего. Но, нам потребуются конкретные цифры, поэтому выберем точку отсчета. Например, камера 450D со стандартным «полтинником» 50мм f/1.8 II при точечном экспозамере и ISO100 требует экспопару 1/2000 x f/ 1.8 при освещенности передней линзы объектива около 220 люкс или около 250 люкс на матрице, что достаточно просто определить опытным путем, зная величину рабочего отрезка и габариты матрицы выбранной камеры. Таким образом, экспозиция для данного случая равна 0.125 лк*с. Так как нас интересует не увеличение выдержки, а ее уменьшение, то правильной экспопары в чисто фотографическом смысле тут подобрать невозможно. Можно только увеличивать освещенность объекта съемки и за счет этого уменьшать время выдержки (длительности вспышки) придерживаясь все той же экспозиции. Понятно, что для длительности светового импульса в 1/10000с придется увеличить освещенность объекта (линзы объектива и матрицы соответственно) в пять раз и т.д. При попытке еще более ускорить процесс съемки экспозицию придется скорректировать в сторону увеличения примерно в 1.3-1.7 раза. Рост экспозиции происходит из-за известного еще по пленочной фотографии эффекта уменьшения чувствительности фотоматериала при очень коротких выдержках (короче 10-50 мкс, зависит от камеры). Разумеется, возникает вопрос, до каких пределов это безумие может продолжаться.

Технические пределы фотовспышек, выдающих очень короткие импульсы при современном уровне развития любительских технологий ограничены мощностями где-то в районе 20-100МВт (зависит от любителя). Да, да, тут нет никакой опечатки, пиковая мощность скоростной вспышки превышает электрическую мощность целого района города, в которым вы живете. А пиковая мощность обычной серийной вспышки с ведущим числом более 40 превышает мощность многоквартирного жилого дома. Например, моя опытная вспышка развивает пиковую мощность около 1.5-2 МВт при ведущем числе около 5-6. И нет никакого противоречия, мощность, как известно, это энергия деленная на время, в моем случае расходуемая энергия на питание лампы вспышки составляет около 10Дж, но расходуется она за совсем малое время, меньше 10 мкс, что и дает мощность 1000000Вт. На самом деле, несколько больше, но я не буду утомлять читателя осциллограммами токов и напряжений, расчетами коэффициентов… так стоп! – это статья о фотографии! Сопоставив цифры несложно заключить, что мощность вспышки для разумных расстояний фотографирования сдерживающим фактором не является.

Основным ограничивающим фактором в скоростной цифровой фотографии является электромагнитная природа света. Несмотря на то, что фотография – это светопись во всех пониманиях этого слова, некоторые опрошенные мною фотографы начисто лишены даже базовых физических представлений по этому вопросу. Не лишним будет напомнить, о конечной скорости света. Традиционная фотография со своими длинными выдержками несколько размывает ощущение пространства-времени и даже не оставляет повода задуматься об этом, время уже не ощущается в его истинном течении и существует отдельно от фотографии. Часто, люди, много работавшие со сверхскоростными устройствами, измеряют длительность процессов линейкой! И не зря! Так удобнее, при погружении в мир высоких скоростей начинаешь понимать, что одна миллиардная секунды – это целая бесконечность, за 1нс такая быстрая штука как свет успевает пролететь всего 29.99 сантиметра! Скорость света в воздухе округленно равна 300000000 м/с, и если читателю когда-нибудь посчастливится поработать с такими временными разрешениями, то не лишним будет подумать, а успеет ли свет пролететь положенное ему расстояние и нарисовать сцену именно такой, какой она была задумана.

Хотя, прежде чем некий любитель в своих опытах дойдет до жизни такой, он столкнется с другой проблемой – опасностью сжигания матрицы фотоаппарата. Свет – это электромагнитная волна, со всеми ее проявлениями. И большая мощность светового импульса на матрице фотоаппарата автоматически означает и большую напряженность поля, согласно знаменитому уравнению Умова-Пойтинга. Рассмотрение вопроса электрической деструкции полупроводниковых материалов под действием электромагнитного излучения высокой интенсивности видимого диапазона… опять уведет статью в глухие дебри физической науки и напугает неподготовленного читателя. Мы же тут о фотографии говорим? Тогда, любознательный читатель может и сам рассчитать условие сжигания матрицы, а для менее продвинутых товарищей я могу сказать одно – не пытайтесь увеличивать экспозицию непосредственно на матрице более чем до 0.3 – 0.4 лк*с для импульсов короче 100-300 мкс и без специальной подготовки не делайте фотографии с выдержкой менее 50-100 нс (1/10000000с и менее)! Это предельные условия фотосъемки, после которых возможно появление большого числа выгоревших пикселей и общее катастрофическое падение качества снимков (для современных CMOS-сенсоров). По понятным причинам пленочных фотографов это ограничение не касается.

Практическая съемка.
Вероятно, уже не требуется особых пояснений для понимания методики съемки. Все таинство происходит либо в темном помещении (либо при закрытой диафрагме, навинченном светопоглощающем фильтре и т.д) и вспышке, синхронизированной либо с затвором, либо с требуемым событием. Уменьшение светопропускания оптической системы путем применения фильтров и закрывания диафрагм может существенно усложнит задачу, т.к. мощность светового потока не бесконечная. Хотя, например, для макросъемки применение такого радикального шага как f/32 может быть оправданным. Выдержка устанавливается заведомо очень большой доли-единицы секунд (либо ручной режим, если он есть в данной камере), затвор открывается заранее, а вспышка срабатывает исходя из выбранного варианта синхронизации. Конечно, никакого прогрессивного E-TTL-а уже не будет и придется делать пробные кадры или составлять своеобразный аналог экспонометрических таблиц для данной конкретной вспышки. Само собой, что при такой методике съемки, никто не мешает воспользоваться приемами уже отработанными в других жанрах фотографии. Конечно, RAW, позволяющий компенсировать «пересветы» и явно недоэкспонированные фото. Можно позаимствовать проводной (или ИК-пульт) для управления камерой у пейзажистов и отнять фонарик для световой кисти у любителей натюрмортов. Управляться с камерой в потемках станет проще, а фонариком можно будет «дорисовать» сюжет при необходимости. Ну, и конечно штатив – чем тяжелее, тем лучше. Желающие проявить свои конструкторские способности смогут обойтись и без штатива, доработав проводной пульт камеры электронным синхронизатором со вспышкой – реальная выдержка позволяет фотографировать даже на бегу. И еще один важный момент. Столь жесткая компрессия светового импульса приводит к увеличению температуры разряда в лампе-вспышке, что неминуемо влечет за собой рост интенсивности ультрафиолетовой составляющей излучаемого света. Как показала практика, бороться с этим эффектом путем ручного выставления баланса белого на камере не очень-то помогает. Применяйте УФ-фильтры, самые качественные из доступных. Остальное – творчество…

И несколько примеров:

Фото 6. Столкновение струи воды со сверхзвуковым воздушным потоком. Диаметр струи – 0.8 мм, скорость капель около 250-400 м/с.

Фото 7. А так процесс протекает при дозвуковых скоростях. Скорости - уже не интересно.

Фото 8. Пример фотографии самосветящегося объекта – настольной молнии. Напряжение 120 кВ, длительность разряда около 60 нс. Без УФ-фильтра.

Фото 10. Пример скоростной фотосъёмки падающей капли.

P.S. Рассказать в рамках одной статьи о практических аспектах конструирования вспышек не представляется возможным, эта тема потянет на целую книгу. Как-нибудь в другой раз.

2009 © Евгений Орлов (Алхимик)

Что ещё можно сделать:
Обсудить статью на Форуме >>>
Написать письмо автору >>>