Zoom, czyli temat warty przybliżenia

[OneGabrys]

Da się zauważyć, że zoom to jedna z najbardziej "marketingowych" cech w kamerach i aparatach cyfrowych; w materiałach reklamowych wymieniany jest nie rzadziej niż oznaczenia "Full HD" czy "dźwięk 5.1". Osobiście uważam (i mam nadzieję, że to potwierdzicie!), że wartość zoomu jest dużo ważniejszą i przydatniejszą informacją niż tak pożądane "megapiksele". Do czego w ogóle potrzebny nam zoom? Czy istnieje "zły zoom"? Jak to działa? Tego dowiecie się z poniższego artykułu.

Zoom optyczny a zoom cyfrowy
Podstawowe zadanie zoomu to przybliżenie filmowanego (fotografowanego) obiektu. Obraz uzyskany przy dużym zoomie ma wąski kąt, obejmuje w powiększeniu wycinek widoku jaki mamy przed oczami. I przeciwnie, dzięki maksymalnemu oddaleniu zoomu otrzymujemy szeroki kąt widzenia.
Z pewnością widzieliście (Foto-Klubowicze teraz pewnie uśmiechną się pod nosem) długaśne, przypominające nieraz lunety, obiektywy fotograficzne. Charakteryzują się one bardzo długą (np. 300mm) ogniskową i bardzo wąskim kątem widzenia. Ich przeciwieństwem są obiektywy o krótkiej ogniskowej, tzw. "naleśniki", oferujące szeroki kąt widzenia.

http://img685.imageshack.us/img685/3055/dlugikrotki.jpg
Porównanie obiektywów: teleobiektyw SAL-300F28G oraz "pancake" SEL-16F28, proporcje w wielkości obiektywów są niedokładne.

W powyższym wstępie użyłem słowa-klucza "ogniskowa". Działanie zoomu optycznego polega na płynnej zmianie ogniskowej obiektywu, dzięki czemu uzyskujemy węższy lub szerszy kąt widzenia. Odbywa się to przez zmianę położenia niektórych soczewek wewnątrz obiektywu względem innych. Znakomicie ilustruje to poniższa animacja:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Zoom_prinzip.gif

Warto zaznaczyć, że przy zoomie optycznym nie występuje utrata jakości obrazu, gdyż wynikowy obraz z kamery (aparatu) jest przekształcony wyłącznie przez załamanie światła w obiektywie.

Obecnie w kamerach Handycam mamy do dyspozycji zoom optyczny sięgający 30x (w modelach HD) oraz 60x (w modelach SD). Jeśli komuś mało, do kamery można dołączyć tzw. telekonwerter, który pomnoży nam maksymalną ogniskową (a co za tym idzie, maksymalny zoom) nawet trzykrotnie! Należy jednak pamiętać, że z reguły im większe przybliżenie, tym "ciemniejszy" staje się obiektyw - szczególnie przy zastosowaniu telekonwertera uchwycenie ostrego obrazu będzie wymagało dużej ilości światła i ustabilizowania sprzętu np. na statywie.

http://sp.sony-europe.com/da/9/4152.jpeg
Telekonwerter VCL-HG1737C o mnożniku 1,7x

Zoom cyfrowy opiera się na technice interpolacji, czyli programowego rozciągnięcia fragmentu obrazu rejestrowanego przez przetwornik i uzupełnienia go pikselami. Jak można się domyślić, odbywa się to kosztem pogorszenia jakości obrazu - efekt, szczególnie przy wyższych wartościach cyfrowego zoomu, przypomina przeskalowane zdjęcie - następuje utrata ostrości i szczegółowości.

http://img845.imageshack.us/img845/5095/zoomporownanie.jpg
Porównanie działania zoomu optycznego i cyfrowego - od lewej: ujęcie przy maksymalnym oddaleniu, ujęcie przy zoomie optycznym, ujęcie przy zoomie cyfrowym.

Jeszcze parę lat temu producenci kusili możliwością uzyskania ogromnych zbliżeń. Mnożąc optyczny zoom 30x przez dodatkowe powiększenie cyfrowe 50x rzeczywiście wychodzi 1500x, jednak umówmy się - gdyby był to rzeczywisty zoom, naukowcom niepotrzebne stałyby się mikroskopy elektronowe Zatem moja rada jest następująca: zoom cyfrowy najlepiej wyłączyć i o nim zapomnieć. Z reguły optyczny zoom powinien nam wystarczeć, a jeśli nie - lepiej się przespacerować i zbliżyć do obiektu (tzw. zoom nożny ), niż godzić się na utratę jakości.

Jednym paluszkiem, czyli kontrola nad zoomem

Od strony konstrukcyjnej urządzenia do sterowania zoomem optycznym możemy podzielić na dwie kategorie: te, dzięki którym uzyskujemy stałą prędkość zmiany ogniskowej oraz te, które umożliwiają nam różnicowanie tej prędkości. We wszystkich kamerach Handycam możemy kontrolować zoom za pomocą więcej niż jednego przełącznika. Przeważnie kierunek zoomu jest oznaczony dwoma literami:
T, czyli Tele - zbliżenie
oraz W, czyli Wide - oddalenie.
Poniżej przedstawiam te najczęściej spotykane, z podziałem na wspomniane dwie grupy.

http://img703.imageshack.us/img703/5220/zoomkontrola1.jpg
http://img263.imageshack.us/img263/3638/zoomkontrola2.jpg

Sztuczki z zoomem

Filmowcy raczej rzadko stosują zoom, uważając tę technikę za mniej "szlachetną" od najazdu kamerą. Jednak możliwości, jakie niesie zoom, nie ograniczają się wyłącznie do przybliżenia do filmowanego obiektu. Umiejętnie operując zoomem, możemy wzbogacić nasze nagrania o ciekawe efekty związane ze zmianą perspektywy czy głębi ostrości. Przygotowałem dla Was na zakończenie filmik, w którym podsumuję zebrane powyżej wiadomości oraz zademonstruję przydatne sztuczki z zoomem:

http://www.youtube.com/watch?v=aDKIOMLwE9w

[piotruso]

Witajcie.
Kolega oneGabryś przedstawił w dość zwięzłych słowach pojęcia zoomu starając się wytłumaczyć to jak najprościej. Ja chciałbym napisać kilka słów na ten sam temat (dlatego możemy się powtarzać) ale w niektórych stwierdzeniach chciałbym rozszerzyć powyższy tekst.
Zoom – co to jest i z czym to się je?
Każda kamera wyposażona jest w obiektyw. Za pomocą obiektywu obraz rzeczywisty rzutowany jest na matrycę (element rejestrujący). Obiektyw określa jaki wycinek kadru będziemy obserwowali (i zapisywali) w kamerze. O tym jaki to wycinek mówi nam ogniskowa obiektywu. Ogniskowa jest wielkością opisującą dany obiektyw, jest cechą obiektywu (a dlaczego to zaznaczam dopowiem w dalszej części moich wypocin). Obiektywy ze względu na ogniskowe możemy podzielić na obiektywy szerokokątne, obiektywy standardowe i obiektywy długoogniskowe czyli teleobiektywy. Obiektyw standardowy (czy też ogniskowa standardowa) jest to obiektyw za pomocą którego widać mniej więcej tyle ile możemy zobaczyć bez obiektywu (po przyłożeniu kamery do oka zobaczymy podobny obszar do tego, który możemy obserwować bez użycia kamery). Matematycznie określa się ogniskową standardową jako przekątną elementu rejestrującego (ile mm ma przekątna matrycy tyle mm wynosi ogniskowa standardowa). Wszystkie obiektywy o ogniskowej mniejszej (mniejsza wartość w mm) niż standardowa to obiektywy szerokokątne a wszystkie obiektywy o ogniskowej większej od standardowej (większa wartość w mm) to obiektywy długoogniskowe czyli teleobiektywy.
W tym miejscu chciałbym wtrącić małą dygresję. Otóż w większości kamer amatorskich obiektyw jest zamocowany na stałe. Nie byłoby więc tego problemu ale pojawiły się kamery dostępne dla amatorów z możliwością wymiany obiektywów. I teraz może nam się zrobić małe zamieszanie. Bo ogniskowa obiektywu to, tak jak pisałem wcześniej, cecha obiektywu. Ona się nie zmienia, niezależnie od tego do jakiego urządzenia podepniemy dany obiektyw. Obiektyw o ogniskowej 30 mm zawsze będzie miał 30 mm. Ale ... i tu może nastąpić różnica, jeżeli podepniemy taki obiektyw do kamery zobaczymy jakiś fragment planu. Gdy podepniemy ten sam obiektyw (o ogniskowej 30 mm) do lustrzanki pełnoklatkowej (z tzw. matrycą full frame np. Alfa 900) to zobaczymy o wiele większy obszar tego planu. Kąt widzenia - to jest cecha połączenia obiektywu z konkretnym urządzeniem (a właściwie z wielkością matrycy). W związku z tym drugą wartością określającą nam pole widzenia przez konkretny obiektyw jest kąt widzenia.
Ogniskowa obiektywu praktycznie zawsze podawana jest na obudowie obiektywu.
Teraz gdy już mniej więcej wiemy co to ogniskowa możemy przejść do zoomu. Zoom czyli obiektyw zmiennoogniskowy. Aby było możliwe (szczególnie w kamerach z zamontowanym obiektywem na stałe) wykonywanie przybliżeń, oddaleń, najazdów, zmian planu stosuje się obiektywy zmiennoogniskowe. Obiektyw taki ma podany zakres ogniskowych możliwych do ustawienia np.: 15-45 mm. To znaczy, że z tym obiektywem możemy pracować w zakresie ogniskowych od 15 mm do 45 mm wykorzystując skrajne wartości i wszystkie pośrednie. Bardzo często słyszymy: moja kamera ma zoom 30 razy więc jest lepsza. Co to takiego? Krotność zoomu to nic innego jak iloczyn ogniskowych największej (najdłuższej) do najmniejszej (najkrótszej). W/w obiektyw 15-45 mm ma zoom 3x (45:15 = 3). Skoro już znamy pojęcie ogniskowych i kąta widzenia to wiemy, że zoom 10x nie musi się równać zoomowi 10x. Przeczę matematyce, co? Nie, obiektyw o ogniskowych 5-50 mm (zoom 10x) nie będzie takim samym obiektywem jak zoom o ogniskowych 15-150 mm (zoom 10x). Dla elementu rejestrującego o takiej samej wielkości pierwszy obiektyw może być obiektywem o ogniskowych od szerokokątnego do krótkiego teleobiektywu a drugi od standardowego obiektywu do długiego teleobiektywu. Warto więc wiedzieć jakie będą kąty widzenia dla poszczególnych kamer (w zależności od elementu rejestrującego), czy dany zoom zaczyna się od szerokiego kąta czy może jest tylko teleobiektywem (bardziej uniwersalnym, bardziej przydatnym w codziennym użytkowaniu będzie obiektyw – zoom od szerokiego kąta do krótkiego tele – da nam możliwość sfilmowania rodziny przy stole w ciasnym pomieszczeniu, krajobrazu jak i wykonania zbliżenia na jakiś detal, niż sam teleobiektyw – ten drugi korzystniejszy będzie gdy kamera ma służyć tylko do filmowania dzikiej zwierzyny).
Ale czy jak największy zoom to znaczy najlepsza kamera? Na pewno (dla kamer z niewymiennymi obiektywami) im większy zoom tym większa uniwersalność. Ale, niestety, uniwersalność to kompromis. Kompromis możliwości z jakością. Ciężko jest (o ile jest to w ogóle możliwe) zaprojektować i wykonać obiektyw aby miał równą, dobrą jakość w położeniu tele jak i szerokokątnym, do tego był w miarę lekki, jasny i tani.
Sterowanie zoomem - zmiana ogniskowej następuje płynnie i może być sterowana za pomocą pierścienia na obiektywie (najczęściej przy obiektywach wymiennych) lub dźwignią sterującą silnikiem poruszającym obiektywem (soczewkami wewnątrz obiektywu).
W kamerach z niewymiennym obiektywem (z wymiennym też ale mniejszy tam jest sens) możemy zmienić ogniskową obiektywu stosując konwertery – nasadki na obiektyw. Konwertery zmieniają ogniskowe o tyle razy jaką krotność mają podaną. Mogą być konwertery szerokokątne, to te z wartością poniżej 1 (np. 0,7x; 038x) i mogą być konwertery wydłużające ogniskową – telekonwertery – to te z wartością powyżej 1 (np. 1,4x; 2x). Konwertery zmieniają nam ogniskowe natomiast nie powodują zmiany zooma tzn. Gdy do obiektywu z zoomem 10x (o ogniskowych 7-70 mm) założymy telekonwerter 2x otrzymamy zestaw optyczny z zoomem 10x (o ogniskowej 14-140 mm). Jak widać krotność zooma pozostanie taka sama tylko z obiektywu od szerokokątnego poprzez standardowy do krótkiego teleobiektywu zrobi nam się obiektyw od standardowego do długiego teleobiektywu. No i niestety, jest jeszcze taki mankament, że telekonwertery pogarszają nam jakość obiektywu. Zestaw z telekonwerterem da gorszą jakość obrazka niż bez. Każdy element optyczny w torze obiektywu ma wpływ na pogorszenie jakości obiektywu. Czy to będzie dla nas zauważalne i na jaki kompromis jesteśmy gotowi pójść musimy sami zadecydować.
Jest jeszcze jeden rodzaj zoomu – zoom cyfrowy. Ale zoom cyfrowy to nic dobrego. Nie działa to, niestety, jak na filmach szpiegowskich, gdzie bohaterowie powiększają klatki z monitoringu do super rozmiarów i odczytują godzinę na zegarku szpiega oddalonego od kamery o 1 km. Takie coś to tylko w filmie. Zoom cyfrowy możemy zobrazować jako wycięcie z zarejestrowanej już klatki środkowego wycinka o jakiś rozmiarach i powiększenie go ponownie do standardowych wymiarów. Załóżmy, że nasza matryca pracuje z rozdzielczością HD czyli 2Mpix (1920x1080). Teraz wycinamy ze środka tego obrazka klatkę o rozmiarze 960x540 i powiększamy ten obrazek do naszego nominalnego rozmiaru czyli 1920x1080 (bo w takiej rozdzielczości nasza kamera rejestruje film). Oprogramowanie brakujące pixele będzie musiało uzupełnić (interpolować) czyli wymyśleć dodatkowe punkty (polega to na dodawaniu pixela na podstawie uśredniającego algorytmu sąsiednie pixele). Obraz przez to staje się coraz bardziej niedokładny, rozmazany. Im większy zoom cyfrowy, czyli im mniejszą klatkę ze środka wycinamy tym obraz jest gorszej jakości. Najlepiej więc zapomnieć, że mamy taką funkcję w swoich kamerach.

[OneGabrys]

piotruso, chciałbym Ci podziękować - i pogratulować - za Twojego posta. Szczególnie warty uwagi jest akapit zawierający myśl "zoom zoomowi nierówny". Informacje, które podałeś, zdecydowanie przydadzą się tym, którzy poszukują odpowiedniej kamery; sam skierowałem swój artykuł głównie do tych, którzy urządzenie z zoomem już posiadają.
Tym bardziej się cieszę, że zechciałeś uzupełnić wiadomości o obiektywach i zoomie. No, ale można się było tego spodziewać po Foto-Klubowiczu
Pozdrawiam.