Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

23. března 2007, 00.00 | Pokud hovoříme o světle ve vztahu k digitální fotografii, nelze si nepoložit otázku, jak digitální fotoaparáty světlo zachycují a převádějí na digitální soubory. Slouží jim k tomu senzor – plošně velký integrovaný obvod s miliony světlocitlivých buněk. To je klíčová součástka každého digitálního přístroje, která nahrazuje film.

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

Úkolem objektivu každého fotoaparátu je vytvořit na jeho senzoru ostrý obraz odpovídající zvolenému výřezu scény. Úkolem senzoru je tento obraz pokud možno věrně převést do elektronické podoby a předat další elektronice, která z něj vytvoří např. oblíbený JPEG soubor. Ten jsme potom zvyklí prohlížet na obrazovce našeho PC. I když tento proces vypadá na první pohled jednoduše, opak je pravdou. Přitom je pro kvalitu obrazu naprosto klíčový!

Rozlišení senzoru
Každý senzor je tvořen maticí (mozaikou) světlocitlivých buněk. Čím více je těchto buněk, tím podrobněji bude obraz zaznamenán a tím více detailů a kresby bude obsahovat. Každá světlocitlivá buňka senzoru se přitom podílí na vytvoření základní jednotky finálního obrazu – pixelu. Slovo pixel vzniklo jako zkratka z "picture element", tedy prvek obrazu. Pro běžnou fotografickou praxi však nemá smysl zaznamenávat těchto pixelů zbytečně mnoho, a tak se rozlišení současných běžných fotoaparátů pohybuje někde kolem 4 až 8 milionů pixelů (megapixelů, MPix). 6 MPix fotoaparát je potom tvořen mozaikou např. 3000 x 2000 pixelů.

Rozlišení fotoaparátu v pixelech říká, do kolika čtverečků uspořádaných do mozaiky bude fotografie rozdělena. Každý pixel potom nese jednu kompletní informaci o svém jasu i barvě.

Záznam barvy
Každý pixel musí nést kompletní informaci o svém jasu i své barvě. Jen tak je možné z dostatečného množství pixelů složit mozaiku obrazu a tedy kvalitní fotografii. Je vcelku přirozené si představit, že každý pixel obrazu odpovídá jedné buňce senzoru, tedy že 6 MPix fotografie je vytvořena z 6 milionů buněk senzoru a v každé je změřen jas i barva.

Jenže tak jednoduché to právě není. Současné CMOS či CCD senzory digitálních fotoaparátů se sice skládají např. z 6 milionů světlocitlivých buněk, ale tyto buňky dokáží registrovat pouze jas. Žádným způsobem nevidí barvu – jsou tedy barvoslepé. Jinými slovy – jsou schopny změřit intenzitu na ně dopadajícího světla, ale nejsou schopny rozlišit jeho vlnovou délku. Dopadne-li na ně stejné množství světla o vlnové délce 700 nm (červená) či 450 nm (modrá), předají stejnou hodnotu.

Aby bylo možné zjistit barvu, a tím vytvořit plnobarevný pixel obrazu, pomáhají si fotoaparáty malým trikem založeným na tzv. Bayerově masce. Bayerova maska je soustava "barevných skel" umístěných před senzorem, která zařídí, že každá buňka senzoru uvidí pouze světlo určité barvy. V Bayerově masce se u většiny výrobců pravidelně střídají červená, zelená a modrá  barva, což odpovídá lidskému vnímání barvy založené na třech druzích čípků v oku (více viz Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek). Dvojnásobné použití zelené barvy v masce je potom ekvivalentem vyšší citlivosti oka na zelenou barvu. Senzory tak simulují sítnici oka!

Bayerova maska je mozaika, která pravidelně střídá červenou, zelenou a modrou barvu s tím, že zelená barva je v masce obsažena dvakrát více. Tím se dosáhne vyšší citlivosti na zelenou barvu.

V důsledku použití Bayerovy masky je však u 6 MPix fotoaparátu jen 3 miliony buněk senzoru citlivých na zelenou barvu, 1,5 milionu buněk citlivých na červenou barvu a 1,5 milionu buněk citlivých na modrou barvu. Tyto 3 barvy použité v masce potom odpovídají základním barvám (více viz Vše o světle – 4. Barva světla) a právě tyto tři základní barvy jsou typické například pro barevný model RGB (více viz Vše o světle - 5. Barevné modely).

Drtivá většina fotoaparátů používá tzv. Bayerovu masku. Fuji má mírně jinou geometrii masek, Sony občas používá trochu jiné barvy v masce, ale princip je stále stejný. Odlišnou strukturu mají jen senzory typu Foveon.

Interpolace obrazu
Díky Bayerově masce není žádná buňka senzoru schopna zjistit barvu světla ve všech třech RGB složkách současně. Pro výpočet jednoho pixelu fotografie, který má kompletní barevnou i jasovou informaci, je tak třeba použít sousední buňky a například k zelené buňce přidat informaci o červené a modré barvě z buněk bezprostředně sousedících. Tomuto procesu se říká interpolace obrazu a je produktem obrazové elektroniky (obrazového procesoru), která z informace poskytnuté senzorem vypočítá plnobarevné pixely skutečné fotografie.

Interpolace znamená, že každý pixel obrazu potřebuje pro výpočet své barvy informace ze 4 sousedních buněk senzoru.

Interpolace obrazu může vypadat jako velmi problematická procedura, která degraduje kvalitu obrazu. V praxi ale nepředstavuje žádný problém. Je třeba si uvědomit, že Bayerova maska nijak nezhoršuje rozlišení v jasové oblasti a interpolace se týká jen barev. A lidské vidění barev je velmi nepřesné a subjektivní. A tak s výjimkou nemnoha vědeckých aplikací současné fotoaparáty lidskému pozorovateli zcela vyhoví.

Falešné barvy
Systém masek a filtrů před senzorem má ještě další úkoly. Vedle Bayerovy masky, která umožňuje senzoru rozlišovat barvy, je třeba zabránit problémům, jako jsou falešné barvy a moiré. Falešné barvy mohou být způsobeny tím, že jednotlivé buňky senzoru "dráždí" i neviditelné složky spektra, a tak by se barvy mohly jevit jinak než ve skutečnosti. Například buňku pod zelenou částí Bayerovy masky by mohlo dráždit i ultrafialové záření, a tím by mohlo dojít k chybnému určení množství skutečně zelené barvy. Proto je před každým senzorem poměrně masivní systém filtrů, který má za cíl filtrovat nechtěné složky spektra – zejména infračervené a UV. To je i důvod, proč u digitálních fotoaparátů není třeba používat UV filtry a proč při pokusu o infračervenou fotografii jsou digitální fotoaparáty na infračervené světlo poměrně málo citlivé a vyžadují dlouhé expozice řádu vteřin.

CMOS versus CCD
V dnešních digitálních fotoaparátech se používají v zásadě dva druhy senzorů, a sice CMOS nebo CCD. Princip obou je tentýž – každá buňka senzoru sbírá fotony na něj dopadajícího světla, a tím měří intenzitu světla. Takto shromážděný náboj je potom ve formě elektrického napětí zesílen zesilovačem a převeden A/D převodníkem na digitální číslo k dalšímu zpracování. CMOS a CCD senzory se neliší principem práce ale technologií výroby a způsobem jak předat dále informaci z jednotlivých buněk. Na internetu můžete najít bouřlivé diskuze, zda je lepší CMOS či CCD. Rozhodnout tento duel si sice netroufneme, ale faktem zůstává, že obě technologie jsou svým výsledkem velmi podobné a zhruba i stejně rozšířené. Pokud se dva fotoaparáty liší svým podáním obrazu, z drtivé většiny je to způsobeno odlišnostmi v následném elektronickém zpracování obrazu a ne typem senzoru.

CMOS senzor digitální zrcadlovky Canon EOS 350D není nic jiného, než velký integrovaný obvod.

Citlivost versus šum
Citlivost každé buňky senzoru na světlo je stále stejná a neměnná. Může být označena např. jako ISO 100, což odpovídá určité poměrně malé citlivosti filmu. V případě, že je na scéně málo světla, citlivost buňky by se hodila větší. Buňku senzoru ale nijak ovlivnit není možné, co ale možné ovlivnit je, je zesílení signálu (elektrického napětí), který buňku opouští. Čím více se bude signál zesilovat, tím méně bude stačit světla a tím bude buňka jakoby citlivější. Pokud se bude původní signál buňky zesilovat 2x, citlivost stoupne z původních ISO 100 na ISO 200.

Zesilování signálu má ale jeden poměrně nepříjemný doprovodný efekt a sice ten, že se signálem se logicky vždy zesiluje i šum. V hodně zesíleném signálu je šum stále více a více vidět, až se obraz stane téměř nepoužitelný. Proto některé fotoaparáty jsou vybaveny i funkcí redukce šumu, která se snaží digitálně šum v obraze potlačit.

Ukázka šumu pro různá ISO – s růstem ISO roste i šum. Šum bývá nejvíce patrný v červeném a modrém kanále a lze ho přirovnat k zrnu filmu. Na rozdíl od zrna je ale subjektivně velmi ošklivý.

A/D převodník a bitová hloubka, tonální rozsah
Výsledkem změření množství světla v každé buňce senzoru je analogové napětí. Pro další použití v digitálních fotoaparátech je však třeba toto analogové napětí převést na číslo, s kterým se dá dále snadno pracovat. Právě o proces převodu napětí poskytnutého každou buňkou senzoru na číslo se stará analogově/digitální převodník neboli A/D převodník.

A/D převodník převede analogový signál na číslo podobně jako stupnice teploměru. Celkový rozsah možných čísel odpovídá dynamickému rozsahu, nejmenší možný krok určí přesnost převodu, oboje dohromady určí potom tonální rozsah. 8bitové převodníky mají k dispozici 256 úrovní, 10bitové 1024 a 12bitové 4096.

Většina fotoaparátů používá 8bitový, v lepším případě 12bitový převod. Počet bitů přitom určí počet hladin, do kterých se lze při převodu trefovat. 8bitové převodníky nabízejí 256 hladin a 12bitové 4096. Čím je tedy počet bitů vyšší, tím je i přesnost převodu lepší a krok mezi sousedními hodnotami jemnější. Teprve za A/D převodníkem je výsledkem každé buňky celé číslo např. v rozsahu 0 až 255 (celkem 256 úrovní při 8bitovém převodu), které odpovídá množství světla dopadnutého na buňku senzoru.

RAW data
Z předchozího odstavce vyplývá, že data poskytnutá senzorem a převedená do digitální podoby A/D převodníkem nejsou finálním obrazem. Jsou to velmi surová data (raw = anglicky surový, hrubý), z kterých je obraz teprve potřeba vypočítat, tzn. provést interpolaci a celou řadu dalších operací. Nabízí se ale možnost uložit na paměťovou kartu tato surová data a výpočet finální fotografie provést až později na PC. Výhoda tohoto postupu je, že RAW data obsahují mnohem více informací než finální již vypočítaný JPEG, a tak je možné při převodu provádět například dodatečnou expoziční kompenzaci, ovlivňovat vyvážení bílé, kontrast atd. To vše v klidu a pohodlí domova a s náhledem na kvalitní obrazovce PC.

Ukládání do RAW obejde ve fotoaparátu všechny modré a zelené operace, které se provedou až v PC a obvykle i ve vyšší kvalitě (12 bitů). Je to ale náročné na obsluhu, protože každý snímek je nutné v PC ručně na JPEG nebo TIFF "vyvolat".

Dynamický rozsah
Maximální množství světla, které je senzor schopen lineárně zaznamenat, určí jeho dynamický rozsah. Jestliže předpokládáme 12bitový převodník, který má rozsah hodnot 0 až 4095, tak hodnota 0 bude odpovídat nulovému napětí ze senzoru. To nutně nemusí odpovídat úplné tmě. Bude to však odpovídat tak malému množství světla, které nestačí vyprovokovat na buňce dostatečné napětí, aby A/D převodník poskytl číslo 1. Opačná hodnota 4095 bude potom odpovídat situaci, kdy buňka je již zcela naplněna fotony světla a je tedy na hranici svých možností. Bude to tedy maximální hladina světla pro kvalitní kresbu. Dopadne-li na buňku ještě větší množství světla, buňka již není schopna více reagovat a tak A/D převodník také poskytne maximální hodnotu 4095.

Čím méně fotonů dopadá na senzor, tím horší je poměr signál/šum (SNR) a šum je tedy více vidět. Při maximální expozici buňky je šum v poměru k signálu minimální, při ještě větším počtu fotonů však hrozí přepálená místa, či dokonce blooming.

Rozsah intenzity světla (přesně řečeno luminance fotografovaných předmětů) odpovídající výsledku 0 a výsledku 4095 určí tzv. dynamický rozsah senzoru, tedy rozsah, v kterém senzor pracuje, jak má a věrně zaznamenává realitu. Bude-li dopadat na buňku méně světla, než odpovídá výsledku 0, buňka nebude již reagovat a kresba v těchto tmavých místech se ztratí. Vytvoří se tzv. "podpálená černá – podpal". Bude-li dopadat na buňku více světla než odpovídá výsledku 4095, buňka také nebude již reagovat a kresba v těchto světlých místech se také ztratí. Vytvoří se tzv. "přepálená bílá – přepal".

Současné senzory mají stále malý dynamický rozsah, což je asi jejich největší neřest. Fotograf tak často musí řešit dilema, zda ve scéně zaznamená tmavá místa (obrázek nahoře) a obětuje detailní kresbu ve světlech (obloha), nebo naopak zaznamená světlá místa a obětuje detailní kresbu v tmavých pasážích snímku (dole). Určuje se to expozicí neboli kolik světla se nechá dopadnout na senzor. Zaznamenat oboje na jednom snímku nelze.

Blooming
Jak již bylo řečeno, senzor je tvořen maticí světlocitlivých buněk, ve kterých se dopadem světla generují elektrony, jež úměrně vytvářejí elektrický náboj. Blooming je stav, kdy dopadající světlo na buňku má tak vysokou intenzitu, že vytvoří obrovské množství elektronů, a ty přetečou do sousedních buněk a i dál. Blooming se tak dá přirovnat k záplavě vody, která naplní i sousední buňky. I když moderní fotoaparáty mají tzv. antibloomingové obvody (něco jako „drenáž“), nejsou proti bloomingu zcela odolné a snadno se stane, že přeexponované bílé plochy obrazu poškodí i kresbu v místech, kde by měla být normální kresba (typicky větve stromů proti obloze).

Typická ukázka bloomingu, kdy přeexponované buňky z oblohy přeexponovaly i jinak tmavé listy palem. Ve výsledku to degraduje obraz, který ztrácí detaily i v tmavým místech.

Prach na senzoru
Senzory zejména digitálních zrcadlovek (DSLR) ale i řady kompaktních fotoaparátů se potýkají se zcela novým problémem. Zatímco u filmových fotoaparátů se mění film vždy za nový a snímek se neustále posouvá, na digitálních senzorech se usazuje prach a jiné drobné nečistoty a tento prach se na nich časem hromadí. Drobné částečky prachu potom stíní buňky senzoru a projevují se na všech fotografiích jako stejně umístěné tmavé "hroudy". Lze je nalézt zejména u snímků pořízených dlouhými ohnisky či při silném zaclonění objektivu (např. f/22), kdy paprsky dopadají na senzor hodně rovnoběžně, a tudíž nemají šanci prach "obejít".

Ukázka nečistot na senzoru, které stíní jeho jednotlivé buňky a projeví se proto tmavými hrudkami v obraze.

Vytestovat množství prachu na vašem senzoru můžete snadno sami. Stačí nastavit nejdelší možné ohnisko a silně zaclonit (např. f/8 nebo i více). Dále maximálně rozostřit obraz, např. manuálně zaostřit na nekonečno a snímat blízkou světlou zeď či naopak zaostřit na makro a sejmout oblohu. I když díky vysoké cloně vyjde dlouhý expoziční čas, tak se nic neděje – snímek je možné bez obav rozhýbat a tudíž snímat z ruky. Na výsledném obvykle jednolitě šedém obraze budou potom všechny nečistoty velmi dobře patrné.

A jedna dobrá zpráva. Nečistoty na senzoru jsou sice nepříjemné, ale naštěstí nejsou fatální. Na mnoha snímcích je ani nenajdete, protože se zcela skryjí v kresbě. A pokud na snímku přeci ruší, nebývá velký problém je v PC jedním klepnutím razítka vyretušovat.

U podobných obrázků se není naštěstí třeba nečistot tolik bát, protože je v obraze není možné reálně najít.

Závěr
Možná vás překvapilo, s kolika problémy se senzory dnešních moderních fotoaparátů potýkají. Pokud se však na celou situaci podíváme prakticky, tak pionýrské doby jsou již dávno za námi, a tak je řada problémů pro většinu konzumních fotografů zcela nepostřehnutelná. Nicméně jeden problém stále zůstává, a tím je ne zcela dostatečný dynamický rozsah. To klade u digitální fotografie zvýšené nároky na stanovení správné expozice, které se budeme věnovat v dalších článcích.