11. března 2009, 00.00 | Digitální fotografie udělala za několik málo let obrovský krok před. Vzpomeňme např. na rozlišení 3 MPix, které bylo před pár lety považováno za doslova hvězdné. I když řada problémů byla již úspěšně vyřešena, tak se stále digitální obraz potýká s řadou různých problémů. Pojďme si na ně postupně posvítit.
Důležité upozornění!
Tento článek bude plný problémů a potíží včetně řady konkrétních ukázek.
Snadno tak lze podlehnout dojmu, že digitální fotografie je prakticky
nepoužitelná. Opak je ale pravdou! Řada zde diskutovaných problémů se projeví jen při
velkém zvětšení snímku, při vysokém ISO, při silné pod či přeexpozici či při silné
a/nebo necitlivé editaci. Vyvarujete-li se těchto situací, tak nemáte prakticky
šanci se s uvedenými problémy významně setkat.
Jádrem každého digitálního fotoaparátu je senzor, který je v drtivé většině
případů vyroben pomocí CMOS či CCD technologie. Samotný senzor je ale vždy
barvoslepý a tak se barevného záznamu dociluje pomocí Bayerovy masky. Jsou sice
k dispozici i jiné metody (například senzor typu Foveon), jejich tržní podíl
je ale mizivý.
Senzor je analogové zařízení (výstupem senzoru je analogové napětí) a tak
je za senzorem A/D převodník zodpovědný za převod na čísla. Tato čísla jsou
potom předána do obrazového procesoru ve fotoaparátu, který z nich vypočítá
obvyklou a oblíbenou JPEG fotografii vhodnou k praktickému použití. A nic na
tomto procesu nezmění ani RAW, který sice nepoužije obrazový procesor ve
fotoaparátu, ale zcela stejný postup zpracování provede v PC.
Dnešní stav technologie je již takový, že za standardních světelných
podmínek a byla-li fotografie dobře exponována je výsledná kvalita snímku
vynikající. Různé obrazové potíže se proto projeví za složitých světelných
podmínek nebo po silné editaci snímku.
Celý postup zpracování obrazu je poměrně složitý a bohužel složitější než bychom si přáli.
A díky tomu je také zatížen celou řadou problémů, které se nutně projeví v obrazové
kvalitě výstupní fotografie. Výrobci se sice snaží většinu problémů maskovat a
potlačovat, mnohdy to ale zcela 100% nejde a tak zkušené oko potíže snadno objeví. Opět
ale platí, že se málokdy projeví při běžném pozorování dobře exponované a
needitované fotografie. Víte-li ale kam a jak sáhnout, snadno si je i na svém
fotoaparátu (bohužel) najdete.
Nízká hladina osvětlení, silně kontrastní scéna, potřeba rozsáhlé editace,
speciální snímky (například infrafotografie), tam všude se projevují
obrazové potíže dnešních senzorů a tam je také znalost těchto potíží
výhodou.
V tomto článku budeme popisovat a hodnotit jen potíže spojené se senzorem a
následným zpracováním obrazu. Nebudeme uvažovat potíže objektivů a optiky, které
se samozřejmě ke zde popisovaným problémům jednoduše přidávají.
Senzor je jádrem každého digitálního fotoaparátu, Když pomineme potíže optiky, tak právě
on určuje základní parametry a kvalitu obrazu - rozlišení, barvy, šum,
dynamický rozsah atd.
Buňka senzoru
Senzor je množství světlocitlivých buněk rovnoměrně rozmístěných po ploše
senzoru. Buňky však nejsou zcela na povrchu senzoru, nýbrž v malých jamkách. To je
jednak vyvoláno technologickými potřebami, ale také to omezuje vzájemné
ovlivňování buněk mezi sebou a tím zvyšuje obrazovou kvalitu a omezuje například
nechtěný blooming.
Každá buňka senzoru je v jakési malé jamce, čímž by nemohla zpracovat světlo
přicházející ze stran.
Buňky také nemohou pokrýt celou plochu oblasti, která je jim teoreticky
vyhrazena. Signál z buňky je nutné nějak odvést, což vyžaduje "vodiče", a také
kolem buňky je třeba soustředit další elektroniku - tranzistory (viz dále).
Proto se pracuje s termínem "Fill factor", což je poměr plochy citlivé části
buňky (fotodiody) vůči celkové ploše buňky.
Pro vyřešení obou těchto problémů je před senzorem pole mikroobjektivů (microlenses),
které jednak posílají světlo dolů do jamek ale také případně soustřeďují světlo z větší
plochy na menší plochu aktivní části buňky.
Mikroobjektiv soustředí světlo do "jamky" a tím umožní využít jej beze ztrát.
Mikroobjektiv současně soustředí světlo na aktivní plochu buňky (fotodiodu),
přičemž pasivní část buňky je použita pro obslužnou elektroniku.
Mikroskopická fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a
mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá asi 0,1 milimetru.
CCD versus CMOS
I když na internetu jsou vedeny často vášnivé diskuze o tom, který z obou
systémů je lepší, tak skutečností je, že dnešní stav technologie rozdíly
víceméně stírá. Navíc rozdíl mezi nimi není ve vlastní světlocitlivé fotodiodě (ta je de facto stejná), ale
ve způsobu sběru signálu z buněk a v logice ovládání celého senzoru.
CCD
CCD senzor (Charged Coupled Device) datuje svojí historii již od roku 1969 a
využívá svoji schopnost transportovat signál z buněk skrze jiné buňky, aniž by
tím utrpěla kvalita signálu. Takto se signál postupně posouvá až na okraj, kde
je posuvný registr, který potom signál jeden po druhém předá do zesilovače a A/D
převodníku. Posun signále skrze buňky probíhá díky nábojové vazbě buněk a tato
schopnost dala senzoru i své jméno Charged Coupled - svázány
nábojem.
CCD senzor používá unikátní metodu výroby a to jinou než ostatní integrované
obvody (například paměti nebo procesory). Proto je poněkud problém dosáhnout jeho
velkého rozlišení. Ze stejného důvodu je rovněž problematické integrovat do CCD
senzoru jinou elektroniku a tak většina řídících obvodů včetně zesilovačů a A/D
převodníků je mimo senzor. Digitálního obrazu se tak dosáhne až pomocí dalších integrovaných obvodů na desce
s plošnými spoji a CCD senzor také vyžaduje větší rozsah různého
napájení, což opět komplikuje použití v reálném zařízení. Soubor integrovaných
obvodů jako celek má potom i výrazně vyšší spotřebu ve srovnání s technologií
CMOS.
CCD senzor čte své buňky postupně a vyžaduje větší rozsah napájení a více
elektroniky kolem sebe pro svoji obsluhu.
CMOS
CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) senzor využívá v principu
stejnou technologii výroby jako ostatní integrované obvody - procesory, paměti
atd. Z tohoto důvodu je levnější, umožňuje vyšší stupeň integrace a není problém
přímo v senzoru integrovat celou řadu dalších obvodů. Na rozdíl od CCD má v CMOS
senzoru každá jednotlivá buňka svůj vlastní zesilovač a může být díky tomu přímo adresována
a čtena pomocí jejích X,Y souřadnic. Zásadní rozdíl tedy není ve vlastní
konstrukci citlivé části buňky (fotodiodě), ale v tom, jak je buňka čtena. U CCD jsou buňky čteny postupně
díky přenosu náboje skrze buňky, u CMOS je každá buňka podobně jako u běžných
pamětí či LCD obrazovek samostatně adresována pomocí jejich souřadnic.
CMOS senzor má řídící obvody přímo uvnitř senzoru, nepotřebuje více
napájení, umožňuje vyšší integraci a dokáže přímo adresovat každou buňku.
Protože u CMOS technologie má každá buňka svůj vlastní zesilovač, CMOS
senzorům se často říká "Active Pixel Sensor (APS)" - senzor s aktivními
pixely. Zesilovač u každé buňky ale zabírá část její plochy a proto vlastní
světlocitlivá fotodioda musí být plošně menší. Zesilovač tedy snižuje fill
factor. Menší světlocitlivá plocha buňky potom vyžaduje vyšší zesílení, což
zvyšuje obrazový šum. Výrobci CMOS senzorů se proti tomu brání mikroobjektivy
popsanými výše.
Schematické znázornění jedné buňky
CMOS senzoru. Jak je vidět, aktivní světlocitlivá fotodioda zabírá plochu
jen asi 1/3 buňky - fill faktor je tedy kolem 30 %.
CCD versus CMOS - shrnutí
CCD senzor má z principu funkce nižší šum a vyšší kvalitu obrazu. CMOS
senzory se ale stále dramaticky zlepšují a tak CCD senzory již dohnaly. CMOS
senzor má navíc celou řadu výhod - již zmíněnou nižší cenu, nižší složitost
okolí, menší spotřebu, možnost vysoké integrace a tím i vyšší rozlišení. Díky aktivní
buňce a tím možnosti jejího přímého čtení má i celou řadu dalších možností - od
vysoké rychlosti čtení, přes čtení jen části obrazu, což usnadňuje např.
digitální stabilizaci obrazu pro kamery, sledování pohybu objektu po snímku atd.
Pravdou ale je, že tyto možnosti nejsou zatím zejména u DSLR využívány.
|
CCD |
CMOS |
Cena |
Drahý, protože výrobní linka musí být
specializovaná na tento typ technologie. |
Levný, protože využívá standardní technologii pro
"běžné" integrované obvody (paměti, procesory atd.). |
Odběr |
Odebírá cca 50x více energie
než CMOS. |
Malý. |
Šum |
Malý, velká kvalita obrazu. |
Díky menšímu fill faktoru a potřebě
mikroobjektivů je šum větší. |
Složitost |
Velká, mnoho obvodů je mimo
senzor. |
Malá, vše potřebné je přímo v
obvodu senzoru. |
Funkčnost |
Omezená, komplikovaný transport obsahu buněk. |
Vysoká, maticově adresovatelné buňky. |
Rychlost |
Nízká, sekvenční čtení. |
Vysoká, adresné čtení. |
CMOS senzory byly zpočátku používány v levných fotoaparátech, kde nižší
kvalita obrazu nijak nevadila a prvořadá byla jejich cena. Jejich postupným
zlepšováním se však kvalita s CCD senzory vyrovnala a dnes jsou zejména firmou
Canon používány ve všech a to i profesionálních digitálních
zrcadlovkách - například Canon EOS 1000D, EOS 50D nebo EOS 1Ds Mark III. Na druhou
stranu i firma Canon v běžných kompaktních fotoaparátech používá senzory typu CCD.
Potíže s vysokou integrací a tím i s vysokým rozlišením CCD senzorů vedly
například Sony a Nikon (oba zastánci CCD technologie) k tomu, že ve svých
novějších modelech DSLR (například Sony Alfa A900 - 24 MPix) začaly používat
senzory typu CMOS. Šum CMOS senzorů se totiž stále snižuje a jejich snazší a
levnější výroba při vysokém rozlišení je proto výhodou.
Sony Alfa A900 je po Alfě A700 druhý fotoaparát od Sony, který používá CMOS
senzor. Má rozlišení 24 MPix při velikosti senzoru 24x36 mm, což je špička
ve své třídě.
I když předchozí odstavce vypadají "vědecky", tak dnes nelze na kvalitě obrazu poznat, zda byl použit senzor CCD či CMOS. V drtivé
většině případů je určující spíše cenová hladina fotoaparátu a velikost senzoru
než použitá technologie.