Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


Víme, proč máte na fotkách ošklivý šum. Jak pracuje snímací čip v digitálu

aktualizováno 
Zajímalo vás někdy, jak vzniká snímek ve vašem digitálním fotoaparátu, jak pracuje snímací čip, jaké má vlastnosti a jak se liší jednotlivé typy snímačů? Odpoví vám dnešní článek.

univerzal | foto: Profimedia.cz

Každý digitální fotoaparát obsahuje zařízení, které je schopno uchovat obraz vytvořený objektivem. Obvykle je obdélníkového tvaru a nazývá se snímací čip nebo senzor. Stejně jako negativní nebo inverzní film u klasických fotoaparátů je citlivý na světlo.

Co jsou to snímací senzory?

Vlastní snímací senzor se skládá z několika milionů světlocitlivých buněk (někdy nepřesně nazývaných pixelů). Využívá se u nich tzv. fotoelektrického jevu (fotoefektu). Při něm jsou částice světla nazývané fotony pohlceny v atomových obalech, kde předají energii elektronům. Elektrony se přemístí ze základní hladiny na energetičtější, tzv. excitovanou hladinu nebo se rovnou uvolní, čímž vzniknou volné elektrické náboje. Vlastní princip fungování CCD čipu si ukážeme na příkladu nejčastěji používaného CCD čipu.

Jak pracuje CCD čip?

Snímací senzory zachycují na jednotlivých buňkách fotony a převádějí jejich energii pomocí fotodiody na energii elektrického náboje. Počet volných elektronů je přímo úměrný intenzitě dopadajícího světla. Jelikož však fotodioda zabírá pouze část z celkové plochy pixelu, je světlo dopadající na pixel soustředěno do malé plochy fotodiody pomocí tzv. mikročoček. Poměr velikosti (plochy) fotodiody a pixelu se nazývá faktor plnění (Fill Factor). Elektrody se naopak chovají jako zrcadlo a světlo odrážejí, neboť jsou obvykle z hliníku. Před vlastní expozicí je celý čip vymazán, tedy odvedeny zbývající volné náboje a elektrony vzniklé při předchozím osvitu světlem.

Každý pixel obsahuje obvykle tři elektrody. Před otevřením závěrky je na prostřední elektrody přivedeno kladné napětí, které má za úkol při expozici uvolněné elektrony přitáhnout k sobě, ovšem ne úplně, stále jsou odděleny izolující vrstvou oxidu křemičitého. V polovodiči tak zůstávají kladné náboje v podobě vodivých děr, které jsou přitahovány k záporné elektrodě na druhé straně. Shluk elektronů shromážděných pod prostřední elektrodou se díky postupnému zvyšování napětí na jednotlivých elektrodách plynule začne přesouvat do sousedních pixelů, čímž se celý čip začne vyčítat. Na konci čipu je výstupní zesilovač, který zesílí proud elektronů z jednotlivých pixelů na napěťové úrovně, které jsou dále zpracovány v analogově-digitálním převodníku (ADC - AD Converter) do číslicové (digitální) podoby.

CCD čip

Princip fungování CCD čipu

Vyčítání CCD čipu

Vyčítání CCD čipu

Jak získat z analogového signálu digitální data?

Analogově digitální převodník klasifikuje vzorky analogového (spojitého) napětí na každém pixelu a převádí je do několika diskrétních úrovní. Jelikož je vše zaznamenáno v binární neboli dvojkové soustavě logického obvodu, je použito pouze dvou úrovní daných číslicemi 0 a 1, přičemž 0 odpovídá nulovému signálu napětí a tedy i jasu (zcela černá) a 1 je úplné napětí a tedy maximální jas (bílá). To by však bylo pro tvorbu obrazu málo, proto dokáže rozlišit i mnoho meziúrovní. Právě počet těchto meziúrovní je dán počtem bitů pro škálování úrovní. Jednobitový převodník dokáže rozlišit pouze dvě úrovně 0 a 1, dvoubitový pak 4 úrovně podle rostoucího napětí 00, 01, 10 a 11. Počet úrovní n-bitového převodníku je tedy dán mocninou čísla 2 a je tedy roven 2^n (2 na n-tou). Z toho plyne, že 4bitový převodník převádí signál do jedné ze 16 úrovní, 8bitový rozliší 256 úrovní, 10bitový 1024, 12bitový 4096 atd.

Většina digitálních fotoaparátů obsahuje pouze 8bitový převodník a dokáže tedy rozlišit maximálně 256 úrovní jasu (od 0 do 255) na každém pixelu. Stále více se však rozšiřují 10, 12 a 14bitové převodníky. Možná namítnete, proč se běžně nepoužívají převodníky s větším rozsahem úrovní než 8 bitů. Má to totiž svůj důvod. S rostoucím počtem bitů převodníku narůstá délka a náročnost zpracování jednotlivých pixelů, což může vést ke zpomalení a větší paměťové a početní náročnosti procesu. Nehledě na to, že vícebitové převodníky jsou výrobně náročnější a tedy i dražší, a přitom to je mnohdy zbytečné. Potřebný rozsah AD převodníku je totiž dán zejména tzv. dynamickým rozsahem čipu, tedy poměrem největšího a nejmenšího možného zachytitelného signálu, a tedy skutečným rozsahem zaznamenatelného náboje (převedeného poté na napětí) na jednotlivých pixelech, který je jen zřídka vyšší než 1:1000. V tomto případě by bylo potřeba asi 1024 (2^10) úrovní, které poskytne 10bitový převodník, aby zbytečně nedošlo ke ztrátě informací.

Každá buňka má totiž dolní i horní mez, kdy je ještě schopna přenést přesnou informaci o dopadlých a zachycených fotonech na pixelu. Pokud je jich málo, reakce vůbec nevznikne nebo se ztratí v šumu. Každý čip totiž vykazuje jistý signál šumu, tato mez se také nazývá dolní šumová hladina. Stíny tak splývají a není v nich vidět detail. Naopak je-li fotonů mnoho, dojde k nasycení (saturaci) buňky a náboj může přetékat do sousedních buněk (tzv. blooming). Někdy se také mluví o přepálení pixelů, a pokud není čip vybaven antibloomingovým filtrem, projeví se jako vodorovné řádky nebo svislé sloupce bílé či vybělené a téměř úplně bez informace o jasu a barvě vybíhajících od přeexponovaného místa podobně jako okvětní lístky ze středu květu.

Dynamický rozsah určuje množství zachytitelných detailů ve stínech a světlech na jednom snímku zároveň. Použití 12 nebo 14bitových převodníků je pak spíše otázkou marketingu, neb většinou nepřinesou žádnou jinou informaci navíc. Na druhou stranu se mohou hodit pro další zpracování v surovém formátu RAW či u fotoaparátů s čipy, které nabízejí velký dynamický rozsah.

Klasické kompakty a ultrazoomy mají obvykle malý snímací čip, tím také menší světlocitlivé buňky ("malé pixely"), a tedy i menší dynamický rozsah, neboť jedna buňka není schopna pohltit tolik fotonů a tak dostatečně rozlišit jednotlivé úrovně jasu. Proto si většinou vystačí s 8 nebo 10bitovým AD převodníkem. Na druhou stranu digitální zrcadlovky s většími čipy a tím i většími buňkami poskytnou větší dynamický rozsah, který již ospravedlňuje použití dražších, obvykle 10, 12 nebo 14bitových převodníků.

Přesnější AD převodníky ne vždy pomohou k vyššímu dynamickému rozsahu čipu, ten je již dán vlastnostmi buněk čipu a nelze s ním mnoho udělat, nicméně díky jemnějšímu přechodu tonality (jednotlivých odstínů) umožní hladší a plynulejší přechody na snímku. Také hodně záleží na následném firmwarovém zpracování obrazu a algoritmech.

Jak získám barevný snímek?

Barevného snímku je možné dosáhnout pomocí použití filtrů. Běžně se využívá tří barevných filtrů šachovnicovitě uspořádaných na jednom čipu nebo kombinací tří čipů s různými barevnými filtry, jako je to u některých digitálních kamer či projektorů apod. Ojediněle se u některých fotoaparátů setkáte i s více filtry, ale tři jsou rozumným minimem. Výsledný barevný odstín se pak získá složením těchto tří základních barev.

Běžně se tyto barvy označují jako tzv. RGB: R - červené (red), G - zelené (green) a B - modré (blue). Vlastní výstup z jednotlivých pixelů je sice analogový, ale pomocí analogově digitálního převodníku se převede do digitální (číslicové) podoby. Ostatní barvy a jednotlivé odstíny se získají softwarově pomocí interpolace (odhadu) na základě barevné informace ze sousedních pixelů. Jeden pixel tedy nenese celou informaci o barvě a daný čip pak má samozřejmě snížené barevné rozlišení.

Složením červené a zelené barvy získáte žlutou (R+G = Y, yellow), červené a modré pak purpurovou (R+B = M, magenta), zelené a modré azurovou (tyrkysovou) (G+B = C, cyan) a nakonec složením všech 3 barev pak bílou. Díky proměnnému nastavení jasu jednotlivých komponent dle úrovní n-bitového AD převodníku je pak možné získat 2^(3*n) barevných odstínů.

RGB barvy

RGB barvy a jejich skládání

Také lidské oko obsahuje tři druhy čípků, které jsou citlivé na tyto tři barvy, kterým říkáme primární barvy a pomocí nichž lze složit jejich kombinací téměř všechny ostatní viditelné barvy. V případě 8bitového AD převodníku a JPEG komprese to znamená 3×8 = 24bitové barvy (16,7 milionu odstínů). Přesto tím není možné získat všechny očima viditelné odstíny, ale jen určitý výřez z celkového barevného prostoru. Negativní stránkou barevného snímku je snížení jasu, neboť část fotonů je pohlcena v barevném filtru.

Pixely na CCD čipu tvoří mozaiku většinou čtvercových buněk, z nichž každá má barevný filtr umístěný nad ní a ten odfiltruje ostatní barevné složky světla mimo barvy filtru. V případě nejčastěji používaného Bayerova filtru RGB (Bryce Bayer z firmy Eastman Kodak si ho nechal patentovat v roce 1976) obsahuje čip mřížku čtverců o 2×2 buňkách, 2 jsou zelené, 1 červená a 1 modrá, což nejlépe odpovídá zvýšené citlivosti oka v oblasti zelené barvy.

Bayerův filtr

Bayerův filtr RGB

Nejdříve se složí matný obraz mozaikový a poté je interpolací pomocí patřičných algoritmů získán výsledný obraz, kdy barevná informace v každém pixelu je získána na základě interpolace informace o barvě ze sousedních pixelů, minimálně čtverce 2×2 pixely. Tím však dochází k nižšímu rozlišení barevné informace, což se může projevit negativně zejména na hranách.

Bayerova interpolace

Bayerova interpolace ze čtverce 2×2 pixely

Na obrázku čítajícím 20 pixelů je možné díky interpolaci s plnou informací složit 12 pixelů, pro obraz je tedy možné využít pouze toto efektivní rozlišení, které je menší než reálný počet pixelů. Pokud někteří výrobci uvádějí větší rozlišení, vzniká další podružnou interpolací, která již pouze odhaduje chybějící pixely, a tím dochází k znatelnému zhoršení kvality obrazu. Je-li reálné rozlišení mxn, pak efektivní rozlišení může být v nejlepším případě (m-1)×(n-1), v praxi však dochází ještě k ořezání hraničních pixelů i více řádků, takže je efektivní rozlišení ještě o něco menší.

Barevný prostor RGB nepokrývá všechny viditelné barevné odstíny. Nicméně i přesto je tento typ uspořádání nejčastější. Každý interpolovaný pixel nese již po dopočítání informaci o intenzitě tří barev R, G a B v rozsahu odpovídajícím rozsahu AD převodníku. Výslednou barvu získáte obvykle s barevnou hloubkou 3×8 = 24 bitů v případě JPEG formátu, což odpovídá 16,7 milionu různých barevných odstínů.

Pokud ukládáte již zpracovaný snímek do JPEG formátu, použije se v závěru pouze 8bitový převod daný formátem JPEG, v případě RAW je pak možné získat i 10 až 16bitový surový snímek, který je pak však nutné dále zpracovat v počítači. To je také důvod, proč pro maximální detaily odstínů na snímku je vhodné používat RAW formát. Na druhou stranu kvalita jednotlivých RAW formátů se dle informací z čipu a zpracování obrazu výrazně liší u jednotlivých výrobců i modelů a závisí také na softwaru, ve kterém se snímek zpracovává (vyvolává), takže nelze obecně říci, že vždy se z formátu RAW podaří získat lepší snímek než u JPEGu. Obvykle to tak bývá.

JPEG formát je zkomprimovaný záznam obrazu se ztrátovou kompresí. Výhodou JPEGu a jeho použití je jeho rozšířenost a také nízká paměťová náročnost. Nevýhodou je jistá ztráta informace a z toho plynoucí důsledky v podobě některých negativních jevů jako jsou artefakty, barevné kontury, odchylky barev u hran nebo nižší ostrost a přesnost detailů. Hodně však záleží na zvoleném kompresním poměru, čím menší tím kvalitnější obraz, ovšem větší velikost souboru jednoho snímku a tím vyšší paměťové nároky. Je tedy třeba optimálně zvolit kompromis mezi kvalitou a velikostí obrazových dat (ukládaného souboru) vzhledem k použití snímku. Kromě JPEG formátu je možná i bezztrátová komprese TIFF, kterou podporují jen některé fotoaparáty, případně některý z RAW formátu surového snímku, který je nutné dodatečně v počítači vyvolat úpravou některých parametrů.

Kromě standardního RGB filtru existují i další méně používané typy, např. CYGM (Cyan - modrozelená, Yellow - žlutá, Green - zelená, Magenta - fuchsiová) dříve používaná u některých digitálních fotoaparátů např. značky Canon nebo Nikon nebo RGBE (Red - červená, Green - zelená, Blue - modrá, Emerald - zelenomodrá), kterou pro věrnější zobrazení a větší rozsah barev použili např. u některých fotoaparátů značky Sony (např. F828).

Barevné filtry

Srovnání barevných filtrů používaných u CCD barevných fotoaparátů

Barevné filtry kromě elektronických světlocitlivých snímačů využívají i další elektronická zařízení. RGB filtr používají také monitory a displeje, CMYK filtr používají tiskárny u svých tiskových barev, kde je navíc pro kvalitnější tisk použita ještě barva K (Black - černá) nebo některé další barvy z fotografické sady pro jemnější barevné přechody a přesnější barvy.

Jaké typy snímačů se používají v digitálních fotoaparátech?

V digitálních fotoaparátech se používá více druhů a typů snímacích čipů. Liší se dle použité technologie, velikosti, rozlišení, poměru stran, osazení barevných filtrů, způsobu vyčítání a také tvaru a velikosti jednotlivých světlocitlivých buněk (pixelů) apod.

V principu se dnes používají dva hlavní typy snímacích čipů:

1. CCD čipy (progresivní, prokládané a plošné vyčítání, Super CCD ad.)

2. CMOS čipy (CMOS PPS, CMOS APS, CMOS Foveon ad.)

CCD čip

Nejčastěji používaným typem snímacího senzoru jsou tzv. CCD čipy (Charge-Coupled Device, zařízení s vázanými náboji). CCD vynalezli v Bellových laboratořích v roce 1969. Původně měl sloužit jako paměťový posuvný registr na ukládání dat. Teprve později byl uplatněn i pro fotografické účely. Dá se totiž využít i jako obrazový snímací čip (detektor). Nejdříve byl v 70. letech použit u kamer a od roku 1983 pak u astrofyzikálních dalekohledů, kde jeho využití znamenalo velký průlom. První digitální fotoaparát s CCD čipem byl Fuji DS-1P v roce 1988, tehdy měl na čipu 400 000 pixelů a snímky ukládal do interní paměti o kapacitě 16 MB. První digitální zrcadlovka Kodak DCS-100 pak přinesla CCD 1,3 Mpx čip s rozměry 20,5 ×16,4 mm a maximálním rozlišením 1280×1024.

V případě CCD čipů jsou hodnoty z každého pixelu počítány postupně pomocí obvodu v okolí čipu, jak jsme si uvedli již v úvodu. Hodnoty z jednotlivých pixelů jsou tedy vyčítány postupně pomocí sběrnice řádek po řádku. Za ní následují obvody AD převodníku, jež převedou analogový signál z každého pixelu postupně na digitální. Nevýhoda tohoto zpracování je pomalost, neb se musí postupně vyčíst celý pixel po pixelu a také energetická náročnost díky rozsáhlým obvodům, kde dochází k energetickým ztrátám.

Druhy CCD čipů

Druhy CCD čipů

CCD čipy se rozdělují dle tvaru na lineární a plošné. Lineární CCD jsou tvořeny pouze jedním řádkem světlocitlivých buněk, a nabízejí tedy jen jednorozměrné snímání obrazu. Aby bylo možné získat plošný snímek, je nutné snímat vzájemným pohybem předlohy a snímače krok po kroku a opakovaným snímáním. Tímto způsobem pracují např. čtečky čárových kódů, faxy, kopírky nebo skenery. Rozlišení v druhém rozměru je tedy dosaženo velikostí posuvného kroku v kolmém směru vůči délce snímače. Naproti tomu plošné CCD čipy jsou obvykle obdélníkové s různým poměrem stran, většinou 4:3, 3:2 nebo 16:9. Používají se tam, kde je třeba dvourozměrný obraz získat najednou, tedy u digitálních fotoaparátů a kamer. Dvourozměrný CCD čip vznikne spojením jednotlivých lineárních čipů. Na konci každého sloupce je ještě jeden lineární CCD čip, který je kolmý k těmto sloupcům a všechny náboje končí v jednom zesilovači na konci čipu a opakovaně se tak vyčte jeden řádek za druhým.

Podle typu vyčítání (skenu) se CCD čipy dělí na prokládané, progresivní a plošné.

Nejčastějším případem je prokládaný (interlaced) sken. Původně byl určen pro potřeby televize a videa. Hlavní rozdíl spočívá v osazení dalších pomocných vyčítacích řádků (registrů či jakýchsi mezipamětí pro vyčítání), do kterých se čip vyčítá nejprve po lichých řádcích a v nich postupuje, kolmo putuje zase do hlavního registru a následuje stejný postup pro sudé řádky. Na konci dochází k složení všech řádků. Snímače jsou otočeny o 90 stupňů, čímž se ve skutečnosti z řádků stávají sloupce. Na pohled je prokládaný sice složitější, nicméně výrobně jednodušší a levnější díky zvládnuté technologii z oblasti TV a videokamer, a proto se používá ve většině digitálních fotoaparátů. Přináší však problém v nutnosti skládání obrazu na konci a také pomalejší zpracování než u progresivního skenu. Vyžaduje mechanickou závěrku, a není tak možné použít extra krátké expoziční časy. Díky pomocným registrům je někdy nutné více interpolovat mezi jednotlivými řádky, což zhorší kvalitu obrazu.

prokládaný sken

Princip vyčítání prokládaného CCD

Dalším typem je progresivní, neprokládaný (progressive) sken. U něho se vyčítá řádek po řádku přesouváním náboje v jednotlivých sloupcích do dolního vyčítacího řádku (hlavního posuvného registru), který jde pak do zesilovače a AD převodníku. Po vyčtení prvního řádku se tak začne vyčítat další a tak to pokračuje dále, dokud se nevyčte celý čip. Obraz se vyčítá ve všech buňkách současně. To umožňuje vyšší přesnost obrazu a ostrost a také rychlost. Je možné využít elektronickou závěrku pro extra krátké expoziční časy. Toto řešení je technologicky složitější, a tedy také nákladnější. Používá se zejména u dražších fotoaparátů a snímačů.

Progresivní sken

Princip vyčítání progresivního CCD

Speciálním typem je takzvaný plošný sken, který se používá u CCD čipů typu FTD (Frame Transfer Device), u něhož přecházejí všechny náboje najednou do přenosového registru náboje (CSR, Charge Shift Register). Z něho pak dále odcházejí opět do zesilovače a AD převodníku. Výhodou posledního typu je, že čip je rychleji připravený na další expozici a fotoaparáty s tímto čipem nepotřebují mechanickou závěrku a náboj vyhodnocují po dobu určenou expoziční automatikou, jedná se tedy o tzv. elektronickou závěrku. Progresivní ani plošný sken se nehodí pro videokamery.

Podle tvaru světlocitlivých buněk rozlišujeme CCD čipy s čtvercovými nebo obdélníkovými buňkami a pak tzv. Super CCD, které používají osmiúhelníkové buňky. Umožňují lepší pokrytí plochy čipu, a tím se hodí pro interpolované snímky, které dosahují dobré kvality, neb u nich není ztráta informace z prostoru mezi buňkami tak vysoká jako u interpolace u čtvercových buněk.

CCD tvar buněk

Srovnání CCD čipů dle tvaru buněk

Osmiúhelníkové buňky používá FujiFilm u některých svých fotoaparátů a u jeho 4. generace čipů je nazývána Super CCD HR (High Resolution). Kromě zvýšení rozlišení přinesl ještě inovativní Super CCD SR (Super Dynamic range) čipy s velkým dynamickým rozsahem.

Každá osmiúhelníková buňka u něj obsahuje celkem dvě osmiúhelníkové fotodiody (jednu základní větší a jednu menší). Primární fotodioda s větší plochou je přesnější ve změřené hodnotě jasu a je nastavena na užší dynamický rozsah jasů. Sekundární fotodioda s menší plochou měří jas méně přesně, zato je nastavena na širší dynamický rozsah intenzit světla. Při kombinaci hodnot obou těchto čidel se celkový dynamický rozsah zvýší, při nízkém jasu a ve stínech získává informace pouze primární fotodioda, naopak u světlých míst v jasech zase přináší přesnější informaci sekundární fotodioda, neboť primární je v nich již nasycena a nedokáže vyšší hladiny vůbec rozlišit. Nevýhodou tohoto řešení je však vyšší nákladnost na výrobu těchto čipů, složitější zpracování, horší rozsah intenzity u tmavých snímků, neboť primární fotodioda je menší než u standardních čipů bez druhé menší, takže se tato technologie nakonec neujala a FujiFilm od ní téměř ustoupil. Její přínos nedosáhl takového významu, aby převážil negativa a problémy, které do výroby vnesla.

FujiFilm 4. generace

Porovnání čipů 4. generace Super CCD HR a SR

CMOS

CMOS čip (Complementary Metal Oxide Semiconductor) je další typ senzoru, který nachází stále širší uplatnění. Technologie CMOS se používá převážně u integrovaných obvodů na výrobu čipů včetně mikroprocesorů, elektronických pamětí typu SRAM a pak také obrazových senzorů. Poprvé byly vynalezeny v roce 1963 Frankem Wanlassem, nicméně průmyslově se začaly vyrábět až v roce 1968. Zpočátku používaly pro řídící elektrodu hliník, který byl později nahrazen polysilikonem odolnějším vůči vysokým teplotám a nejnověji tzv. high-k dielektriky. Obsahují stejně jako CCD elektrody a tranzistory MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET - polem řízené tranzistory). Je do nich možné integrovat obvody pro další zpracování obrazu (např. digitalizaci), což u CCD není možné. Oproti CCD má horší citlivost na světlo, obvykle však vyšší dynamický rozsah a tím lepší přenos kontrastu než CCD. Také jsou výrobně levnější a energeticky méně náročné než CCD.

CMOS čipy

CMOS čipy

Nejlevnějším typem jsou CMOS PPS (Passive Pixel Sensors) čipy, které se používaly zejména u levných digitálů. Ty však dnes již nahradily fotomobily. Jejich výhodou byla menší energetická náročnost, malá velikost, levná výroba a rychlost zpracování dat. Kvalita obrazu však nedosahovala úrovně CCD čipů.

V současné době se používají také CMOS APS (Active Pixel Sensors), kde jsou hodnoty všech pixelů zpracovány současně. Jinak je tvorba obrazu podobná jako u CCD čipu. Najdete je zejména u větších čipů digitálních zrcadlovek. Vyrábí je např. firma Canon, a to dokonce až do velikosti kinofilmového políčka. Vyznačují se vyšší odolností proti šumu než CCD prvky a nízkou spotřebou ve statickém stavu.

Na CMOS technologii je založen i čip Foveon X3. Někdy je přirovnáván ke klasickému fotografickému filmu a ne neprávem. Barevný film totiž obsahuje standardně tři barevné vrstvy (červenou, zelenou a modrou) nad sebou a pomocí nich se poté složí výsledný obraz, který se pak vyvolá jako pozitiv (v případě diapozitivu) nebo negativ (u negativních materiálů). Z něho lze pak vytvořit snímek na fotografickém papíře nebo digitalizací ve skeneru v klasických barvách jeho digitální podobu.

Na podobném principu pracuje snímací senzor značky Foveon, který ve svých zrcadlovkách SD používá firma Sigma. Obsahuje také před celým čipem tři vrstvy filtrů postupně od shora modrý, zelený a červený, stejně jako kinofilm. Světlo o různé vlnové délce (tedy barvě) je absorbováno různými vrstvami senzoru. V příslušné vrstvě je pak generováno napětí a tím se získá informace o barvě. Ultrafialové záření je zachycováno už na povrchu, kdežto infračervené zasahuje do hloubky i tradičního senzoru a musí být filtrováno. Každý pixel tedy nese celou barevnou informaci daného místa obrazu, to vede k barevně přesnější informaci. Nevýhodou tohoto řešení je horší citlivost na světlo, které musí projít zároveň třemi filtry a více se ho proto ztratí.

Foveon

Porovnání klasického CCD/CMOS a Foveon X3 čipu

Foveon X3

Druhy Foveon X3 čipů

Navíc senzor APS vyráběl i Nikon, tzv. JFET LBCAST (Junction Field Effect Transistor Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array). Nabízí rychlejší čtení signálu, lepší citlivost, barevnou reprodukci a nižší příkon než většina CCD a CMOS čipů. Tento čip je podobný CMOS, ale je rychlejší, neb signál zelené se vyčítá jednou linkou a červené a modré druhou linkou. Vyznačuje se vysokou rychlostí, vysokým rozlišením, nízkou spotřebou energie a minimálním obrazovým šumem. Má formát snímače DX a je použit u zrcadlovek Nikon D2H a D2Hs.

JFET LBCAST

JFET LBCAST snímač

Velikosti čipů

Snímací čipy se liší velikostí. Nejmenší čipy jsou ukryty ve fotomobilech a u digitálních kompaktů, větší čipy najdete většinou jen u digitálních zrcadlovek. Jelikož počet pixelů stále narůstá u všech typů čipů nezávisle na velikosti, velikost světlocitlivých buněk u digitálních kompaktů s menšími čipy klesá více než u digitálních zrcadlovek s většími čipy. Největší čipy nabízejí v současnosti digitální stěny pro středoformátové a velkoformátové fotoaparáty. Jejich cena je však astronomická v řádu statisíců až milionů korun.

Velikost čipu se udává pomocí velikosti úhlopříčky v jednotkách anglického palce (inch), který odpovídá 25,4 mm, nebo přímo jako rozměry obdélníkového čipu v mm (typicky u zrcadlovek). Navíc je tu ještě jedna zrada, zatímco u digitálních zrcadlovek se uvádí obvykle skutečné rozměry snímacího čipu, u digitálních kompaktů je uváděna velikost úhlopříčky čipu včetně rámečku okolo (průměr skleněné obálky či trubice okolo čipu), což má za následek, že snímací čip je ještě menší. To však výrobci často z marketingových důvodů zamlčují. Je to tedy podobné, jako bylo uvádění velikosti úhlopříček u klasických CRT monitorů, kde se pak skutečné rozměry lišily u jednotlivých modelů podle velikosti rámečku okolo. Bohužel ani zde neplatí přímý jasný vztah mezi průměrem zobrazovacího kruhu a velikostí čipů, přibližně však činí zhruba 2/3.

CCD velikosti

Porovnání velikostí čipů

Běžné velikosti snímacích čipů jsou uvedeny v tabulce.

Typ čipu Poměr čipu Rozměr (mm) Úhlopříčka (mm) Délka (mm) Šířka (mm)
1/3,6" 4:3 7,056 5,000 4,000 3,000
1/3,2" 4:3 7,938 5,680 4,536 3,416
1/3" 4:3 8,467 6,000 4,800 3,600
1/2,7" 4:3 9,407 6,721 5,371 4,035
1/2,5" 4:3 10,160 7,182 5,760 4,290
1/2" 4:3 12,700 8,000 6,400 4,800
1/1,8" 4:3 14,111 8,933 7,176 5,319
1/1,7" 4:8 14,941 9,500 7,600 5,700
2/3" 4:3 16,933 11,000 8,800 6,600
1" 4:3 25,400 16,000 12,800 9,600
4/3" 4:3 33,867 22,500 18,00 13,500
1,8" 3:2 45,720 28,400 23,700 15,700
35 mm film 3:2 43,300 43,300 36,000 24,000
645 3:2 69,700 69,700 56,000 41,500

Velikost čipu ovlivňuje několik důležitých vlastností. Jednak poměr skutečné plochy čipu a reálného rozlišení udává přibližně plochu jedné světlocitlivé buňky (pixelu). Ještě je totiž třeba odečíst případné registry a plochu mezi buňkami. Navíc fotodioda tvoří obvykle jen část buňky, světlo je tedy většinou třeba na ni soustředit pomocí mikročoček. Čím větší plocha světlocitlivé buňky, tím více fotonů může tento pixel pohltit a tím větší dynamický rozsah může získat.

Každá buňka pixelu trpí šumem, tedy odchylkou od správné úrovně signálu, a tento šum má určitou úroveň, relativní šum udávaný v procentech je dán poměrem střední úrovně absolutního šumu a dynamického rozsahu světlocitlivé buňky. Čím větší bude dynamický rozsah a hodnota absolutního šumu, tím vyjde nižší relativní šum. Pokud tedy mají dva čipy stejný počet pixelů a různou velikost, tak se budou lišit i velikosti jednotlivých světlocitlivých buněk a s tím souvisí i rozdílný dynamický rozsah. Z toho důvodu je nutné u menšího čipu očekávat vyšší relativní šum i za předpokladu, že se absolutní úroveň šumu bude u obou čipů stejná. Toto je dobře viditelné ve srovnání úrovní šumu digitálních zrcadlovek a kompaktů, které díky menšímu čipu trpí vyšší hodnotou šumu. Tu je však nutné srovnávat za stejných expozičních podmínek, tedy jinými slovy při stejné hodnotě osvícení čipu a nastavení stejné clony, expozičního času a citlivosti.

Do hry také vstupuje možná odlišná úroveň absolutního šumu, kvalita AD převodníku, zpracování obrazu apod. Nicméně i přesto se dá očekávat vyšší šum u kompaktu, a to zejména na vyšších hodnotách citlivosti ISO. S rostoucí citlivostí ISO navíc většinou klesá také dynamický rozsah, neb se výrazně zvedne dolní šumová hladina.

Senzory jsou lineární zařízení, což znamená, že pokud zdvojnásobíme množství světla na vstupu, na výstupu se také úroveň zdvojnásobí, a to až do maximální hladiny (úrovně nasycení) pixelu. Lidské vidění je však nelineární. Více zesiluje ve stínech než v jasech. U 8bitového převodníku je rozsah úrovní od 0 do 255, poloviční úrovni odpovídá hodnota 127, stejné úrovni však u lidského oka odpovídá hodnota 186, tedy o 46 procent více. Rozdíly jasu ve světlech tedy vnímá lidské oko hůře než snímací čip. Z toho důvodu je třeba naměřená data korigovat na lidské oko, aby byly blíže jeho vnímání.

Reálné rozlišení čipu není možné zcela využít díky Bayerově interpolaci, a proto je uváděno skutečné efektivní rozlišení čipu, které je možné použít pro snímek. Každý pixel má totiž obvykle informaci pouze o jedné ze tří barev RGB, ostatní barvy je třeba interpolovat (odhadnout) pomocí algoritmu ze sousedních pixelů. Okrajové pixely slouží pouze pro potřeby algoritmu. Kromě této interpolace je možné u některých fotoaparátů dosáhnout většího rozlišení další firmwarovou interpolací. Ta však málokdy přináší novou informaci či detaily na snímku, neboť chybějící body jsou dále jen odhadovány.

Skutečný úhlový rozměr obrazu závisí na velikosti čipu a ohniskové vzdálenosti, která se uvádí v mm, obvykle také přepočítaná na odpovídající ekvivalent kinofilmového políčka. Čím menší rozměr snímacího čipu máte, tím kratší ohniskové vzdálenosti objektivu je možné použít pro získání stejného úhlového výřezu, neboť se zobrazovací úhel zmenšuje. Dochází tak k prodloužení ekvivalentu ohniskové vzdálenosti. U zrcadlovek se nazývá tento násobek tzv. crop faktor. Čím menší čip máte, tím při dané ohniskové vzdálenosti menší úhel obrazu, a tedy větší výřez obrazu.

Jak se liší dynamický rozsah u čipů v závislosti na velikosti buněk?

Obecně se dá říci, že čím menší světlocitlivá buňka a tedy čím větší rozlišení a menší čip máme, tím menší rozsah zachytitelných fotonů (rozsah jasů) je možné rozlišit na jednom pixelu. Z toho důvodu není možné vykreslit detaily ve stínech a jasech na jednom snímku při daném expozičním čase. Buď bude část snímku přeexponovaná, nebo podexponovaná, což ovlivníme změnou expozičních parametrů, jako jsou expoziční doba (rychlost závěrky), clonové číslo (clona, světelnost) a citlivost čipu (měřená v ISO). Kombinací těchto hodnot dostáváme tzv. expoziční hodnotu EV (Exposure value). Je to veličina udávající absolutní množství světla na scéně. 0 EV odpovídá množství světla exponovaném při cloně 1, času 1 s a citlivosti ISO 100. Obecně platí, že zvýšením o 1 EV vzroste jas na dvojnásobek, čehož za předpokladu neměnných expozičních podmínek snímané scény dosáhneme dvojnásobným prodloužením expozičního času, změnou clonového čísla o jednu hodnotu níže (vydělením druhou odmocninou ze dvou, což je přibližně 1,4) či zvýšením citlivosti na dvojnásobek.

Dynamický rozsah je vlastně podíl jasu nejsvětlejšího a nejtmavšího bodu, který je schopen přístroj zachytit. Je však daný nejen efektivitou světlocitlivých buněk, ale celého procesu přenosu a zpracování signálu (tedy sběrnic, zesilovače, A/D převodníku, procesoru zpracování atd.). Zatímco zdravé lidské oko má rozsah zhruba 12 EV, umělé světlocitlivé materiály a snímací čipy dosahují hodnot mnohem nižších. Černobílý negativní film okolo 10 EV, 8-9 EV u negativních filmů a 5-6 EV u inverzních filmů a kvalitních CCD čipů.

Pokud kontrast scény přesáhne dynamický rozsah filmu nebo čidla, dochází k vzniku míst bez kresby (zcela podexponovaných nebo vypálených). Oproti filmům, kde je přechod pozvolný, je navíc u CCD snímačů tento přechod velmi ostrý a skokovitý. Plný rozsah světel blízký lidskému oku dnes dokážou vykreslit jen velmi drahé digitální stěny (v řádu statisíců a milionů), které mají dostatečně velké světlocitlivé buňky a jejich dynamický rozsah se pohybuje až na úrovni 10-12 EV. Ostré přechody oproti filmovým materiálům však zůstávají, takže negativní a inverzní film zatím také zcela nenahradí.

Jak šumí jednotlivé čipy?

Každá světlocitlivá buňka na snímacím senzoru (čipu) digitálního fotoaparátu je schopna na fotodiodě zachytit určité množství fotonů, které pak vybudí patřičný počet elektronů a tím elektrický náboj a zvýší napětí, což se projeví jako určitá úroveň signálu. Pokud exponujeme stejný snímek, za stejných expozičních podmínek dostaneme pokaždé poněkud odlišnou úroveň signálu, přestože by měla být stejná. Na vině je šum, tedy odchylka naměřeného signálu od skutečné hodnoty.

I při uzavřené závěrce vykazuje čip nenulový šum. Temný šum čipu je dán zejména vlastní náhodnou fluktuací náboje zejména vlivem tepelných kmitů krystalové mřížky polovodiče, který je vyhodnocen jako skutečný signál dopadajícího světla. Ten se tvoří díky tepelnému pohybu, kdy vznikají právě tyto šumové náboje - elektrony - a elektromagnetickému pozadí, které ani při uzavřené závěrce není možné zcela odstínit. Platí, že s rostoucí teplotou tento temný šum obvykle roste. Bohužel procesor fotoaparátu není schopen rozlišit tento temný šum čipu od skutečného signálu při osvícení čipu. Jednou z možností, jak ho eliminovat, je vytvořit tzv. temný snímek (dark frame), ten poukáže rozdíly těchto fluktuací u jednotlivých pixelů, které se mohou lišit. Na druhou stranu je tento šum časově proměnný a dosti náhodný, takže není možné odečtením hodnot temného snímku se ho zcela zbavit.

Další možností, jak snížit šum, je uchladit čip na nízkou teplotu, neboť při ní intenzita šumu náhodných fluktuací klesá. To je však v malém fotoaparátu technicky náročné a má to smysl jen u CCD čipů používaných u astronomických dalekohledů. Vlastní temný šum čipu nezávisí na hodnotě dopadajícího světla a tedy je absolutně průměrně stejný a klesá pouze relativně s vyšším osvícením čipu a s jasnějším snímkem. Pokud např. šum tvoří zhruba 10 elektronů v každé buňce a po osvícení se vybudí 1000 elektronů, bude průměrná relativní úroveň šumu 10/1000 = 1 %, v případě tmavého snímku s pouze 100 vybuzenými elektrony však bude relativní šum 10/100 = 10 %, což se projeví jako více viditelný šum. Dá se tedy říci, že šum se obecně a výrazněji projevuje ve stínech než ve světlech. Poměru úrovně šumu a skutečného signálu se říká SNR (Signal to Noise Ratio).

Kromě temného šumu se na odchylkách podílí i tzv. horké pixely (hot pixels), které vznikají při vybuzení elektronů z buňky vlivem dopadu energetické částice na čip, či tepelných pohybů při delší expozicích a dojde u nich k úplné saturaci jednotlivých pixelů. Další šum vzniká při vyčítání CCD čipu, který se nazývá vyčítací nebo čtecí šum, šum vzniklý při zesílení na danou hodnotu ISO ekvivalentu v zesilovači a nakonec je tu šum vzniklý při konverzi analogových dat do AD převodníku. Na velikost šumu má v zásadě vliv i kvalita vlastního zpracování snímku pomocí algoritmů s protišumovými filtry a redukcí šumu a komprese snímku do JPEG formátu. Aby bylo možné rozlišit nějaký signál, měl by být vyšší než šum, tedy nad tzv. úrovní šumu, šumovou hladinou.

horké pixely

Ukázka horkých pixelů u fotoaparátu HP735 při 2 s expozicí

Absolutní šum čipu závisí zejména na jeho velikosti, rozlišení a nastavené citlivosti, tedy zesílení signálu. Velikost a rozlišení udávají přibližně také velikost světlocitlivé buňky. Nejnižšího šumu tedy dosáhnete v případě, že jednotlivé světlocitlivé buňky (pixely) jsou dostatečně velké a citlivost je nastavena na minimální hodnotu. Na druhou stranu, šum obvykle roste s klesajícími rozměry buňky. Citlivost se udává ve standartu ASA, dnes častěji používané ISO a pohybuje se obvykle v rozmezí od 50 až do zhruba 6400, nicméně ne všechny čipy nabízejí takový rozsah citlivostí a ne vždy je rozumně použitelný. Zatímco u filmů byla citlivost daná filmem a nastavena pomocí DX kódu a dala se měnit jen u některých fotoaparátů ručně, a to stejně jen velmi mírně, u čipů je změna možná v mnohem větším rozsahu, což přináší výhodu lepší univerzality.

V dnešní době většina výrobců nabízí široký rozsah citlivostí i u nejlevnějších fotoaparátů s malými čipy a dynamickým rozsahem, což má za následek rostoucí hladinu šumu a ztrátu kresby, detailů i barvy. Šum je sice z velké části odstraněn protišumovými algoritmy, nicméně to obvykle vede pouze k další degradaci detailů a kresby a obraz je sice téměř bez šumu, působí však rozmytě až rozmazaně a se ztrátou informace a tedy bez větších detailů, což neumožňuje použít snímek pro rozumně velkou fotografii.

Reálný rozsah malých kompaktů je stále většinou pouze mezi ISO 50 až ISO 400 a vyšší citlivosti tak výrazně snižují kvalitu obrazu, že se je často nevyplatí vůbec používat. Smysl mají jen výjimečně, když není jiná možnost, jak dosáhnout relativně ostrého a jasného snímku, nicméně musíte počítat s vyhlazenými a mírně rozmytými detaily a také méně přesnou barevnou informací.

Větší rozsah citlivostí je smysluplně možné použít pouze u větších čipů digitálních zrcadlovek, neboť mají zřetelně nižší šum a tím nabízejí rozumnou kresbu a detaily i při vyšších hodnotách citlivostí, jako jsou ISO 800 nebo 1600, nicméně i zde je použití citlivostí 3200 nebo 6400 často limitní a se ztrátou kresby se musí počítat. Kresba samozřejmě závisí kromě na čipu a citlivosti hlavně na objektivu a celkovém zpracování obrazu. Také platí, že s rostoucí citlivostí obvykle klesá dynamický rozsah čipu.

Canon GX7 ISO 1600

Šum při ISO 1600 u Canon GX7 s malým 10Mpx čipem

Nikon D40x ISO 1600

Šum při ISO 1600 u Nikon D40x s vetším 10Mpx čipem

Jelikož CCD a CMOS čipy jsou zařízení citlivá více ve stínech (tmavších oblastech) než ve světlech, tak jsou velmi citlivá na přeexpozici, kdy dojde k saturaci a k úplné ztrátě informace o výsledném jasu. Mnohem výhodnější je tedy raději snímek mírně podexponovat než přeexponovat, neboť podexponované části informaci nesou a dají se dodatečně zesílit nebo zvýraznit v editoru. Sice to zvýší dodatečně šum, ale informace o hodnotě jasu obrazového bodu nebude zcela ztracena.

Navíc v případě CCD prvků se při saturaci jednotlivých buněk vlivem přeexpozice může objevit přetékání náboje do sousedních pixelů, tzv. blooming (kvetoucí), což se z velké části odstraňuje pomocí antibloomingových mechanismů, které dokážou přebytečný náboj odvést.

Závěr

Z dnešního článku vyplývá, že na velikosti skutečně záleží a je třeba si dát pozor, abyste v honbě za rozlišením a megapixely, která dnes stále přetrvává, nenarazili. Čím větší rozlišení máte, tím větší čip je třeba, aby nedocházelo ke snížení rozsahu jasů a stínů a tím rostoucímu šumu na snímku, který se podepíše na celkové horší kvalitě snímku. Vyšší počet megapixelů tedy nezaručí vždy vyšší detaily na snímku, neboť malá velikost jednotlivých světlocitlivých buněk dává méně přesnou a spolehlivou informaci o intenzitě a barvě jednotlivých pixelů. Jednotlivé buňky jsou totiž více zatíženy šumem. Ani vysoké citlivosti či protišumové filtry výrobců nejsou záchranou a stále platí, že fyzikální vlastnosti se nedají ošidit. Na druhou stranu se za dobrých světelných podmínek a v méně kontrastních scénách nemusíte bát nedostatečného rozsahu nebo vysokého šumu ani u kompaktů s malým čipem.

A na otázku, zda je lepší CCD, nebo CMOS čip, neodpovím. Obě technologie přinášejí plusy i minusy a také záleží na konkrétním výrobci, jak si s danými výhodami a nevýhodami poradí. Je tedy třeba ozkoušet na testovacích snímcích, zda pro vaše účely daný čip vyhovuje a je jeho kvalita dostačující, nebo ne. Ne každý totiž potřebuje velký čip zrcadlovky nebo velké rozlišení. Volte proto s rozumem a nenechte se nalákat klamavou reklamou o úžasném rozlišení. Podrobnější srovnání obou technologií a jejich výhod a nevýhod přineseme snad někdy příště.
Autor:




Hlavní zprávy

Další z rubriky

Canon představil fotonovinky pro rok 2017. Zrcadlovky EOS 800D a 77D a...
Canon představil novou zrcadlovku pro masy 800D i model bez hledáčku

Společnost Canon uvedla tři nové fotoaparáty. Zrcadlovku pro začátečníky 800D, pokročilejší model 77D a bezzrcadlovku bez integrovaného hledáčku M6. Ani jeden...  celý článek

Temetrii ze senzorů v kameře GoPro Hero 5 Black lze nově efektně umístit přímo...
Velký test malých akčních kamer. Nejlevnější proti nejdražší

Zajeli jsme na opuštěnou bobovou dráhu a v rychlosti přes 50 kilometrů v hodině otestovali tři akční kamery. Nejlevnější Lamax, nadějnou novinku od Xiaomi a...  celý článek

GoPro Karma je první dron od GoPro.
Zázrak se zatím nekoná. Dron, který měl zachránit GoPro, musí z trhu pryč

Revoluční dron s názvem Karma byl v prodeji jen několik týdnů. Kvůli technickým problémům se jej teď společnost GoPro raději rozhodla stáhnout z trhu. Kdy a...  celý článek

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.