Technikálie: jak pracují digitální fotoaparáty (kompakty i DSLR)

Zachycení obrazu

Princip vzniku obrazu, který reprezentuje zachycenou realitu, je v případě analogu i digitálu velmi podobný. Paprsky světla projdou objektivem, kde se za pomoci soustavy optických čoček soustředí do jednoho konkrétního bodu. Je-li tento bod umístěn v rovině filmu či snímače, je výsledkem ostrý obraz. V případě, že je bod před nebo za touto rovinou, je výsledný obraz neostrý, jelikož byla scéna špatně zaostřena.

V okamžiku dopadu světla na snímač nebo filmovou emulzi podobnost digitální a analogové fotografie končí. Základ je však stejný a v případě obou technologií je potřeba dodržovat stejná pravidla pro fotografování – správně zaostřit, vhodně nastavit čas a clonu atd.

CCD snímač určený pro použití ve fotoaparátu

Digitalizace reality

V případě kinofilmu je na filmovém políčku, respektive ve filmové emulzi, zachycena fotografovaná scéna. V případě snímače je scéna vykreslena tak, že různá intenzita světla zanechá na snímači různě velký elektrický náboj. Po odečtení síly náboje je jeho hodnota reprezentována konkrétním množstvím jasu dané fotoelektrické buňky, tj. bodu (pixelu) snímače.

Vzhledem k tomu, že je ze snímače odečítána hodnota náboje, máme k dispozici pouze informace k jedné proměnné – jasu. Tím bychom sice dostali fotografii, ovšem pouze černobílou. Pro reprezentaci barev je potřeba získat další proměnné. Nejčastějším způsobem je použití tzv. Bayerovy masky, což je miniaturní mřížka, kopírující rozmístění pixelů na snímači ovšem, ovšem s tím rozdílem, že je poskládána ze střídajících se červeno-zelených a modro-zelených řad.

V každém pixelu je tedy zachycen náboj, který reprezentuje množství jasu a konkrétní barvu – červenou, zelenou, modrou. Modrý filtr Bayerovy masky totiž propustí pouze modrou, červený červenou a zelený zelenou barvu. Po dokončení snímání tedy máme mřížku s hodnotami pro různé barevné složky. Pomocí sousedních hodnot jsou dopočítány vždy hodnoty zbylých dvou barevných složek pro každý pixel.

Ukázka řazení červených, modrých a zlených filtrů před jednotlivými pixely

Vznik fotografie

Výsledné hodnoty náboje jsou analogovou informací, která je pomocí A/D převodníku převedena do digitální podoby (jedničky a nuly). Obrazovou reprezentaci těchto digitálních údajů má pa na starosti tzv. obrazový procesor, který binární kód jedniček a nul zobrazí jako barevný obrázek.

Právě s obrazovým procesorem úzce souvisí fotografování do RAWu – oblíbeného formátu profesionálních fotografů. Obrazový procesor má v sobě naprogramováno, jakým způsobem má být konkrétní sekvence binárního kódu převedena do obrazu. Toto naprogramování je zpravidla pevně dané z výroby a není možné jej měnit. Formát RAW na rozdíl od formátu JPEG, ve kterém se fotografie ukládají, je pouze kód v podobě jedniček a nul, který ještě obrazovým procesorem neprošel. Díky tomu je možné v počítači kód přečíst a zmíněné sekvenci přiřadit odlišné hodnoty, než by přiřadil obrazový procesor. Díky tomu má pak fotograf nad výslednou podobou snímku mnohem větší kontrolu, než když jej ukládá přímo fotoaparát.

Digitální šum – proč vzniká?

Digitální snímač, častěji označovaný jako čip, je okem digitálního fotoaparátu, jeho srdcem je A/D převodník, hlavou pak obrazový procesor. Snímače mají různá rozlišení a také různou velikost. Oba parametry mají značný vliv na výslednou kvalitu obrazu. Pokud bude mít snímač velikost například 6,5 × 5 mm jednou rozlišení 5 Mpx a podruhé rozlišení 10 Mpx, znamená to, že v druhém případě je na stejném prostoru je dvakrát více pixelů a jejich velikost tak musí být dvakrát menší. Buňka snímače tedy zachytí pouze polovinu náboje, který pak musí být více zesílen, aby mohl být přečten a převeden do digitální podoby. Zesílením jakéhokoliv náboje se však generuje šum v obraze.

To je stručně a velmi zjednodušeně popsána příčina vzniku digitálního šumu. Není možné brát jako dogma, že vyšší rozlišení s sebou nutně nese vyšší šum. Nicméně jedno ponaučení z výše uvedeného vyplývá: pokud se rozhodujete mezi dvěma aparáty se shodným rozlišením, avšak různou velikostí snímače, bude mít digitál s větším snímačem nižší hladinu šumu.

Není snímač jako snímač

V rámci digitálních fotoaparátů se můžete setkat se dvěma typy snímačů: CCD a CMOS. Typ CCD se využívá především v digitálních kompaktech, nicméně najdou se i kompakty s CMOS snímačem. Typ CMOS byl donedávna doménou zejména digitálních zrcadlovek, postupně se však objevuje stále více mezi kompakty, především mezi těmi pokročilými.

Rozdíl mezi oběma typy snímačů je především ve způsobu odečítání hodnoty náboje z jednotlivých světlocitlivých buněk. CCD (Charged Couples Device) snímač odesílá elektrický signál jednotlivých buněk zpravidla pomocí trojfázového posuvu, kdy se nejprve přesune signál ze všech svislých buněk do spodní vodorovné řady. Z té se opět trojfázovým posunem odesílá signál k zesilovači a to vše se opakuje, dokud se „nevyprázdní“ celý snímač. Několik spodních a krajních řad a sloupců obrazových bodů se tedy nepodílí na samotné tvorbě obrazu, ale fungují jako sběrnice. Proto také ve specifikacích fotoaparátů můžete vypozorovat rozdíly mezi fyzickým a efektivním rozlišením snímače.

Snímače typu CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ) se v principu od CCD liší tím, že každá buňka má vlastní připojení. Lze tedy využívat přímého zesílení signálu (na složité cestě odečítání signálu z CCD vzniká větší rušení, tedy digitální šum). Snímače CMOS navíc mají menší spotřebu energie a levnější je také jejich výroba.

Digitální snímač typu CMOS. Díky osvětlení je vidět i duhové zbarvení vlivem střídajících se filtrů Bayerovy masky

Elektronicky nebo mechanicky

Aby bylo možné na fotografii něco zaznamenat, je potřeba osvítit snímač pouze na přesně definovanou dobu. To je možné díky závěrce, která „otevře“ průchod paprskům světla na snímač. V případě digitálních fotoaparátů se obvykle setkáte se dvěma typy. Závěrka elektronická je použita u všech digitálních kompaktů a u kompaktů s výměnnými objektivy. Mechanická závěrka se pak využívá výhradně u zrcadlovek, které jsou vybaveny optickým hranolem.

Charakteristickou vlastností elektronické závěrky je jednak bezhlučnost (nikde se nic nepohybuje a tudíž nic nemůže vydávat zvuk), ale také absence jakéhokoliv pohybu či třasu. To oceníte především při fotografování ze stativu anebo při dlouhých časech. Mechanická závěrka je totiž založena na pohybu kovových segmentů, které se na určitou dobu otevřou a poté opět zavřou. Pohyb tak způsobuje jednak chvění a jednak také hluk.

Řez ukazuje, z kolika součástek je tělo fotoaparátu složeno

Jednotlivé lamely mechanické závěrky se při expozici rozevřou a vpustí světlo na snímač