F-стоп и время экспозиции полностью отменяются?

Я фотографирую сцену с белыми и черными элементами. Начиная с диафрагмы f / 22, я расширяю диафрагму на одну ступень и уменьшаю время экспозиции в 2 раза, делаю снимок и продолжаю делать это для всех диафрагм объектива. Я ожидаю, что необработанные значения должны оставаться такими же внутри белой или черной области, так как вдвое меньшее время экспозиции компенсирует расширение апертуры . Но когда я выбираю белую область и усредняю ​​количество необработанных пикселей для каждого изображения, между изображениями есть различия(стандартное отклонение необработанных значений составляет ~ 5% от среднего значения). То же самое, если я выберу и усредню черный регион. Я не сознательно ничего не меняю (освещение, положение камеры), а камера - научная CMOS. Что может быть причиной этого изменения: шум или что-то более систематическое?

Это нормальное поведение, вызванное:

1. Несовершенство апертуры. Обычно есть технологические отклонения, которые не позволяют точно определить размер отверстия. На 50-мм объективе f4 у вас должно быть отверстие 12,5 мм, но оно может быть 12,4 мм или 12,6 мм.
2. Недостатки выдержки. Затвор также является механическим устройством и зависит от некоторых факторов, таких как температура, то, насколько точны лопасти и другие элементы внутри, скорость будет не 1/100 с, а может быть 1/110 с или 1/90 с.
3. То же самое относится и к самому датчику (с электронной точки зрения).

В конце даже две последовательные фотографии могут иметь различную (слегка) экспозицию.

И добавить колебания вашего источника освещения ...

В теории да - остановки взаимозаменяемы. На практике они не полностью отменяются до полной точности.

стандартное отклонение необработанных значений составляет ~ 5% от среднего

В фотографическом плане это в основном ничто . Это намного ниже человеческого восприятия, и даже когда разница заметна, обычно ожидаемый рабочий процесс включает в себя работу с каждым изображением индивидуально, поэтому фотограф может компенсировать это либо в поле, либо в постпроизводстве.

Камеры, предназначенные для фотографии, не являются измерительными приборами; использовать их как таковые - значит настраивать себя на разочарование. Создание более точных устройств будет намного дороже и не принесет пользы для целевого рынка. Даже если у вас есть камера, сделанная для научных целей, эти конкретные допуски могут не входить в сферу интересов.

Если вы пытаетесь достичь совершенства для чего-то вроде промежутка времени или другой серии фотографий, лучше всего использовать постобработку для выравнивания колебаний.

Короткий ответ - да ... они отменяют. Но есть некоторые нюансы.

Каждый раз, когда диаметр круга увеличивается (или уменьшается) с коэффициентом, равным квадратному корню из 2 (приблизительно 1,4), площадь этого круга точно удваивается (или уменьшается вдвое, если уменьшается). Числа f-стопа основаны на степенях квадратного корня из 2 (например, f / 1 = √2 ^ 0; f / 1.4 = √2 ^ 1; f / 2 = √2 ^ 2; f / 2.8 = √ 2 ^ 3 и т. Д.)

Экспозиции затвора более интуитивно понятны. 1/500-я секунда, очевидно, вдвое меньше, чем 1/250-я секунда и т. Д.

Нюансы:

Камеры немного округляют. Например , если у вас есть 100 - мм объектив , вероятно , это не точно 100 мм (но это, вероятно , не за горами) , и как вы переориентировать, объектив может сделать немного фокус дыхания (для хорошего объектива , который остается с 5% от указанного фокусного расстояния. ... но у некоторых объективов довольно сильные проблемы с дыханием при фокусировке ... например, 30%. Когда это происходит, это означает, что диафрагма не совсем точна.

F-остановки не совсем точны, как есть. Но они «достаточно близки», чтобы погрешность не оказала заметного влияния на экспозицию.

Есть и другие проблемы. Когда вы снимаете с сильной остановкой (например, f / 22), весь свет исходит из очень маленькой области около центра оси объектива и распределяется по сенсору более равномерно. Когда вы снимаете широко открыто, свет исходит из разных углов. Области датчика около центра могут собирать свет под многими углами, но области датчика около края или угла более ограничены по количеству путей, которые свет может пройти через линзу, чтобы достичь этой конкретной точки. Это приводит к виньетированию. Таким образом, хотя вы можете сделать две фотографии с использованием «эквивалентных экспозиций» (обмен остановки диафрагмы на остановку длительности затвора), изменения в шаблонах виньетирования могут привести к тому, что пиксели будут иметь различное количество собранного света в зависимости от выбранного пикселя для проверки.

Я думаю, что это не было упомянуто: с увеличением времени экспозиции происходит увеличение теплового шума Dark Shot. Вы можете прочитать больше здесь , например

Что касается систематических проблем: вы принимаете во внимание, что при открытии диафрагмы глубина резкости уменьшается и, следовательно, границы не сфокусированных частей сцены размываются? Также с небольшими отверстиями вы можете получить размытие из-за дифракции.

Если у вас есть механический затвор, вы на самом деле можете получить дифракцию с большими отверстиями в результате короткого времени затвора, когда значительное количество времени выдержки затрачивается, по крайней мере, на одну из движущихся штор затвора.