Obrazové problémy digitální fotografie I.- Senzor

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.

Hezký obrázek znázorňující princip sběru a předání informace z buněk CCD senzoru zveřejnil server Digital Photography Review.

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.

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.

Známka: 2.79 (1044)
 Způsob hodnocení: 1 - výtečné, 3 - dobré, 5 - vysloveně špatné