Jak pracuje snímač v digitálu

Pokračování 2 / 3

Používané typy snímačů

CCD

CCD (Charge Coupled Device) snímače jsou zařízení citlivá na dopadající světlo. Podle způsobu "sběru" elektrického náboje z jednotlivých světlocitlivých buněk se dále dělí na progresivní a prokládané. U progresivních CCD snímačů je elektrický náboj sbírán vysokou rychlostí ze všech buněk téměř najednou (FTD - Frame Transfer Device). Díky tomu nepotřebují mechanickou závěrku a navíc může být expoziční doba velice krátká (až 1/10 000s).

CCD snímač

U prokládaných CCD snímačů je elektrický náboj sbírán po částech. Proto se neobejdou bez mechanické závěrky, která určuje dobu, po kterou jsou všechny buňky osvětleny. Výhodou prokládaných CCD snímačů je jejich snadnější výroba a tím i nižší výrobní náklady. Ale i přesto je technologie výroby CCD prvků velmi náročná a drahá. Každý snímač totiž potřebuje ke své funkci tři různá napájecí napětí, čímž rovněž roste spotřeba energie.

Výhody:

• nevyskytují se vážné chyby, protože technologie je už dostatečně známá

Nevýhody:

• pomalejší přenos náboje

CCD snímač s RGBG filtrem

Je to nejrozšířenější typ snímače, se kterým se můžeme setkat. Název RGBG je odvozen od kombinace červeného, zeleného a modrého barevného filtr v mozaikovém uspořádání. Každá čtvercová snímací buňka je vybavena jednou fotodiodou a na povrchu je pokryta barevným filtrem. Snad všichni výrobci digitálních fotoaparátů mají s RGBG CCD bohaté zkušenosti. Díky tomu se fotoaparáty vybavené tímto typem snímačů nevyznačují žádnými zásadními problémy. Hlavní nevýhodou je relativně nízká citlivost snímače. rgb-bunka.jpg šedě je ohraničena jedna buňka snímače, na které je umístěn RGBG filtr.

CCD snímač s CMYG filtrem

CCD snímače s tímto barevným filtrem fungují na stejném principu jako předchozí typ. Jediný rozdíl je v použití jiné barevné kombinace. Uspořádání do mozaiky zůstalo zachováno, ale tentokrát s barvami azurovou, purpurovou, žlutou a zelenou. Tato kombinace barev zlepšuje světelnou propustnost barevného filtru a tím se zvyšuje celková citlivost snímače. Data získaná z tohoto typu snímače se sice musejí přepočítat do standardního RGB formátu. Tyto snímače používali například fotoaparáty Canon, Kodak či Olympus. V současné době se tyto filtry již nepoužívají a přechází se výhradně na RGBG.

Rozdíl mezi barevným prostorem RGB a CMYK

SuperCCD

Snímače typu SuperCCD jsou založeny na poznatku, že lidské oko vnímá citlivěji vertikální a horizontální linie, než diagonální. Proto je struktura senzoru SuperCCD oproti tradičnímu řešení pootočena o 45 stupňů. Ve výsledném efektu to pak vypadá, jako by rozlišení 1,6–2,3× vzrostlo. Super v názvu značí, že fotodioda není čtvercová, ale osmiúhelníková. Díky tomu je rovnoměrněji pokryta pracovní plocha snímače. Super CCD snímače jsou patentem Fujifilmu, který jej také jako jediný používá.

Konstrukce Super CCD snímače

Poslední inovací je Super CCD SR (super dynamic). Tyto čipy obsahují dvě fotodiody. Jedna z nich měří barvy přesně, ale má nižší dynamický rozsah, druhá pak měří relativně nepřesně ale s velkým dynamickým rozsahem. Výsledkem je mnohem méně přepalů a podexpozic ve výsledném snímku.

Výhody:

• Super CCD SR má zvýšený dynamický rozsah

 Nevýhody:

• složitější technologie výroby

Multi-shot (vícesnímková expozice)

V tomto principu snímač není vybaven žádným barevným filtrem, ale barevný filtr je součástí optické soustavy. Snímání pak probíhá ve třech expozicích (ne v jedné). Při každé expozici se vymění filtr se základní barvou a a teprve poté se exponuje. Po dokončení všech tří expozic se pak obraz složí elektronicky dohromady. Podmínkou úspěchu je statická scéna, stálé osvětlení a především zafixovaný fotoaparát. S touto technologií se můžeme setkat u studiových digitálních fotoaparátů. Ty se většinou využívají pro fotografování produktů a dalších statických scén.

Výhody:

• nesnižuje rozlišení a umožňuje velmi přesné snímání barev

Nevýhody:

• vhodné pouze pro statické scény se statickým osvětlením

Multi-CCD

V poslední době se rozšiřující technologií, zvláště pak v digitálních kamerách, je použití více snímačů současně. Jde v podstatě o obměnu Multi-shotu. V jednom přístroji je umístěno více snímačů a před každým je jiný barevný filtr. Světlo přicházející z objektivu je pomocí optického hranolu rozloženo na jednotlivé snímače. V rámci jedné expozice je tedy možno provést snímání na všech CCD. Nejběžnější je varianta se třemi snímači, při které je před každým snímačem jeden z RGB filtrů.

Princip barevného skládání snímku

Výhody :

• nesnižuje rozlišení a umožňuje velmi přesné snímání barev

Nevýhody :

• více snímačů výrazně zvyšuje cenu a rozměry přístroje, narůstá spotřeba energie

CMOS

Snímače typu CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) využívají polovodičové součástky. Ty jsou řízené elektrickým polem a k provozu jim stačí jen jedno napájecí napětí, díky čemuž mají menší spotřebu energie. CMOS snímače se vyrábí podobně jako integrované obvody, díky tomu klesá jejich výrobní cena. Tyto snímače můžeme opět rozdělit na dvě skupiny.

CMOS snímač

Pasivní CMOS (PPS - Passive Pixel Sensors) generují elektrický náboj úměrný energii dopadajícího svazku světelných paprsků. Náboj jde přes zesilovač do A/D převodníku, stejně jako u CCD. V praxi však pasivní CMOS dávají díky šumu špatný obraz. Druhým typem jsou aktivní CMOS (APS - Active Pixel Sensors). U těch je každý světlocitlivý element doplněn analytickým obvodem. Ten měří šum a eliminuje ho. Právě tyto snímače mají velkou budoucnost.

Live MOS

Umožňují 100% náhled na scénu a to i přes displej. Mají dobrou obrazovou kvalitu a přitom nízkou spotřebu energie. Jednoduchý zesilovač v každém pixelu redukuje počet okruhů čímž se zmenší plocha snímače, která nereaguje na světlo. Tím se dosáhne zvýšení kvality obrazu, zvětšení citlivosti a poklesu šumu. Tuto technologii zatím využívá pouze Olympus E330 a Panasonic L1.

Hlavní výhody CMOS snímače oproti CCD snímači:

• nižší spotřeba energie
• nižší zbytkové teplo (toto je problém u velkých CCD snímačů), čím více se snímač zahřeje, tím více produkuje digitálního šumu
• jednodušší výroba
• při výrobě je menší problém s chybovostí a nižší spotřeba drahého křemíku
• rychlejší přenos náboje ze snímače na A/D převodník

Foveon X3

Čip CMOS Foveon X3 se způsobem záznamu obrazových informací maximálně přibližuje klasickému filmu. Každá světlocitlivá buňka je schopna zpracovat informace o všech třech složkách barevného prostoru RGB. Snímač je složen ze tří světlocitlivých vrstev umístěných nad sebou. Využívá se fyzikálního jevu, kdy světlo různých vlnových délek proniká do různých hloubek křemíkového čipu. Horní vrstva získá informaci o modré části barevného spektra, prostřední o zelené a poslední vrstva o červené.

Stavba snímače Foveon

Samozřejmě toto řešení nemá před snímačem předřazen žádný mozaikový filtr. To znamená, že objem informací o snímaném obraze je v porovnání s klasickým čipem o stejném počtu buněk trojnásobný. Foveon.gif Výrobce Foveonu X3 říká, že při hromadné výrobě bude za stejné peníze vyrobeno čidlo, které v kvalitě obrazu překoná současná CCD nebo CMOS prvky. Zatím tyto čipy využívá pouze společnost Sigma.

Výhody:

• větší objem informací v porovnání s ostatními snímači

Nevýhody:

• komplikovanější výroba
• vyšší náklady výrobu, pokud se masově nerozšíří

Pokračování 3 / 3

Obrazový procesor

Funkce barevné mozaiky

Základem je použití barevných filtrů v RGB barvách. Na snímači jsou umístěny současně všechny tři filtry uspořádané do mozaiky. To umožní změřit všechny základních barvy současně v průběhu jedné krátké expozice světlem. Nejde o celistvé filtry, uložené přes celou plochu snímače, ale nad každou buňkou je umístěn jeden miniaturní filtr. Nejčastěji používaný je vzor G-R-G-B Bayer, který vychází ze 4 sousedních bodů. Dva z nich mají zelený filtr, jeden červený a jeden modrý. Tento vzor se opakuje po celé ploše snímače.

Každá buňka nepřečte celou barevnou informaci, ale pouze část. Buňky 1 a 4 na ilustračním obrázku čtou pouze informaci o intenzitě zelené barvy, buňka 2 měří intenzitu červené a buňka 3 modré. Pokud použijeme všechny informace získané dohromady ze 4 buněk, můžeme určit barvu dopadajícího světla. Pokud například všechny buňky naměří hodnotu 255, tak jde o bílé světlo. Bohužel každá buňka měří jiný dopadající paprsek, což s sebou nese několik nevýhod:

• Barevné rozlišení snímače je výrazně nižší než jeho schopnost rozlišovat jas. Pokud tedy máme snímač s uváděným rozlišením 1,92 MPx (1 600 × 1 200 bodů), pak pouze 0,48 MPx (800 × 600 bodů) rozlišuje červenou, 0,48 MPx (800 × 600 bodů) rozlišuje modrou a 0,96 MPx (800 × 1 200 bodů) rozlišuje zelenou složku světla.
• Barva je vypočítávána ze čtyř nebo více bodů pomocí vzorců a postupů, které určí barvu jednotlivých bodů s omezenou přesností. Většinou fotoaparáty detekují ostré hrany a neporuší je, ale u komplikovaných vzorů může dojít k zásadnímu zkreslení na úrovni jednoho bodu.
• Při mozaikovém uspořádání se hůře koriguje nepřesné snímání barev způsobené různými vlnovými délkami světla, případně jiná zkreslení.

Stejně fungují mozaiky i při použití jiné kombinace barev jako je adobeRGB či CMYG filtry.

Vlastnosti barevné mozaiky

1. Digitální fotoaparát je vybaven jedním CCD snímačem s napařenou mozaikou barevných filtrů, což je jedno z nejlevnějších řešení
2. Pro určení všech barev stačí jedna expozice s krátkým časem. Barevná informace je k dispozici prakticky okamžitě.
3. Technologie je vhodná pouze pro plošné snímací prvky, a to zejména v digitální fotografii nebo pro záznam videa.
4. Existuje celá řada vylepšení a jednotlivé snímače a příslušná elektronika se různí výrobce od výrobce. Dva snímače se stejným uspořádáním a rozlišením mohou poskytovat různě kvalitní obraz v závislosti na dalším zpracování.

Obrazové Procesory

Plní svou práci až po převedení náboje v A/D převodníku na digitální hodnoty (čísla) a následně je zpracuje na snímek. Ovlivňuje fotografii ve vyvážení bílé barvy, barevném prostoru, kontrastu, ostrosti, saturaci, barevném posuvu a kompresi JPG. Každý snímač generuje šum a právě na procesoru je jak si s ním poradí.

Pokud se vám bude zdát, že obrazový procesor odvádí špatnou práci, můžete ho obejít, nutností je ovšem fotografovat do formátu RAW (pokud to váš přístroj umožňuje). Při fotografování do RAWu se totiž neprovádí žádné komprese a zpracování. Výsledný vzhled fotografie se dotvoří až v počítači, kdy si sami nastavíte konkrétní parametry.

Princip sběru obrazových dat

Každý výrobce využívá své vlastní obrazové procesory. Canon přešel z procesoru DIGIC (Digital Imaging Integrated Circuit) na vylepšenou verzi DIGIC II. Výkon DIGIC II není postaven na softwaru jako u ostatních, ale tvoří část hardwaru zabudovaného do obvodového řešení fotoaparátu. Procesor dokáže mezi jednotlivými expozicemi číst, zpracovávat, komprimovat a zapisovat data zpět do paměti. To umožňuje fotoaparátu souvisle fotografovat bez toho, že by se zahltil daty.

Olympus si vyvinul vlastní technologii zvanou TruePic Turbo. Optimalizuje zachycenou obrazovou informaci na CCD senzoru ještě před jejím uložením. Při zpracování obrazových dat využívá informace o jasu a barvě sousedních pixelů.

Sony zase využívá Real Imaging Procesor, který mu umožňuje kratší dobu spouštění. Rovněž je šetrnější na spotřebu energie. FujiFilm v kombinaci Super CCD snímačem a Real Photo procesoru dosahuje nízkých úrovní šumu.

Který je nejlepší?

Snímač si ve svém fotoaparátu vybrat bohužel nemůžete. Ale při koupi dalšího fotoaparátu se dobře dívejte jakým snímačem je přístroj osazen. Nehoňte se jen za co nejvyšším rozlišením nebo citlivosti ISO. Velký vliv na kvalitu fotografie má jak typ snímače, tak i jeho velikost. Rovněž je typem snímače ovlivněna spotřeba energie fotoaparátu.

Pokud nehodláte fotit do RAWu tak se podívejte na typ obrazového procesoru. Prohlédněte si ukázkové fotografie z fotoaparátu, a porovnejte je s konkurencí. Můžete vidět jestli obrazový procesor snímky nedegraduje. Jsou fotoaparáty, které jsou osazeny stejnými čipy, ale výsledná kvalita fotografie je rozdílná. Může za to obrazový procesor. Raději oželte pár megapixelů na rozlišení a vyberte si větší čip, který má nižší šum. Snímač samozřejmě není vše, pokud budete mít slabý objektiv či obrazový procesor, který snímky degraduje, ani sebelepší snímač vám nepomůže.