Obrazové problémy digitální fotografie II.- Velikost senzoru - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

16. března 2009, 00.00 | Klíčovým parametrem každého digitálního fotoaparátu je jeho velikost senzoru, která do značné míry předurčí kvalitu obrazu. Proč je to tak a jaké to má důsledky najdete v tomto článku.

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.

Představíte-li si senzor jako zemědělské pole a proud fotonů světla jako déšť, tak čím je větší plocha pole, tím více vody na něj spadne. Bude-li úkolem měřit průměrné množství spadlých dešťových srážek, tak měření bude logicky přesnější při výpočtu průměrných srážek z velkého pole, než při usuzování na množství průměrných srážek z pozemku 1 x 1 metr. Obdobně hraje v měření světla klíčovou roli plocha senzoru, respektive plocha aktivní části každé jednotlivé buňky senzoru.

Velikost senzoru
Bylo by tedy nejlepší mít velký senzor, který by poskytl velmi kvalitní obraz. Problém je ale v tom, že společně se zvětšováním velikosti senzoru je třeba pro dosažení stejného zorného úhlu prodlužovat ohnisko objektivu a objektivy s dlouhými ohnisky jsou velké, těžké a drahé. Na světe je tedy první kompromis - malý, lehký a levný fotoaparát s omezenou kvalitou obrazu nebo velký senzor a tím velký a těžký objektiv (a tím i fotoaparát) s vyšší kvalitou obrazu?

Velký senzor potřebuje pro dosažení stejného zorného úhlu objektiv s delší ohniskovou vzdáleností. Delší ohnisková vzdálenost ale dělá objektiv větší, těžší a dražší. S prodlužováním ohniska objektivu také klesá hloubka ostrosti.

Objektiv 50 mm je považován mnoha fotografy za základní a jeho horizontální zorný úhel je 40°. Platí to ale pouze na kinofilmu 24x36mm. Například na senzoru s delší stranou 8,8 mm by dosáhl zorného úhlu jen 10°, což by na kinofilmu odpovídalo ohnisku 200 mm. Viz přepočet ohniska níže.

Velikostí senzoru vynucená ohnisková vzdálenost objektivu má ještě jeden závažný důsledek a tou je změna hloubky ostrosti. Objektivy s krátkými ohnisky mají velkou hloubku ostrosti, což na jednu stranu usnadňuje fotografování a zlevňuje konstrukci zaostřovacího systému, z druhé strany generuje typicky perspektivně ploché fotografie. U řady fotomobilů dokonce zaostřovací systém chybí zcela a objektiv je navržen tak, aby udržoval vše stále ostré v rozsahu vzdáleností například 1 metr až nekonečno.

Malý senzor vyžaduje krátké ohnisko objektivu a to vede na obrovskou hloubku ostrosti, což je strategie fotomobilů a malých kompaktů. Snadno se sice zaostřuje, na snímku je ale vše stále ostré.

Na druhou stranu DSLR s kinofilmovou velikostí senzoru a zejména středoformátové a velkoformátové fotoaparáty produkují velmi malou hloubku ostrosti v rozsahu například 4 cm při zaostření na 3 metry (!) - tj. 2,98 až 3,02 metru (ohnisko 200 mm při cloně f/2.8). To přirozeně klade obrovské nároky jak na zaostřovací systém, tak na fotografa, o čemž se přesvědčil nejeden novopečený majitel DSLR.

Velký senzor vyžaduje dlouhé ohnisko a to vytváří malou až extrémně malou hloubku ostrosti. Správně zaostřit je potom ale pořádná dřina!

Na trhu jsou pochopitelně fotoaparáty všech typů - od fotomobilů s extrémně malými senzory a objektivy s velmi krátkým ohniskem, přes stylové kompakty, pokročilé kompakty, DSLR až po středoformátové digitální fotoaparáty. S růstem velikosti senzoru roste kvalita obrazu ale i délka potřebného ohniska a tím rozměr, váha i cena.

Středoformátové fotoaparáty
Na trhu jsou i digitální fotoaparáty případně výměnné digitální stěny, která mají rozměr digitálního senzoru větší než je kinofilm. Typická velikost jejich senzoru je 36x48 mm, což je dvojnásobná plocha kinofilmu. Příkladem může být digitální stěna Mamiya ZD Back, která pasuje na digitální fotoaparáty Mamyia 645AF. Má senzor velikosti 36x48 mm (plocha 17,28 cm²) a rozlišení 21 MPix. Středoformátové fotoaparáty dosahují vynikající kvality obrazu a velmi malé hloubky ostrosti, cena (jen stěny) je však kolem 7000 USD.

Digitální stěna Mamiya ZD Back se senzorem velikosti 36x48 mm a s rozlišením 21 MPix.

Dalším příkladem může být fotoaparát Hasselblad H3DII-50, který je vybaven senzorem Kodak také s velikostí 36x48 mm, ale s rozlišením dokonce 50 MPix. Je však třeba si uvědomit, že fotoaparát s 80mm objektivem váží kolem 2,3 kg a jeden snímek ve formátu RAW má 65 MB a tak se na jednu 2 GB kartu vejde jen asi 30 snímků!

Fotoaparát Hasselblad H3DII-50 má senzor o velikosti 36x48 mm, rozlišení 50 MPix a váží s 80mm objektivem kolem 2,3 kg.

Srovnání velikostí senzorů
Velikost senzorů se často udává ve zlomcích palců jako 1/1.8" atp. a to vypadá jako velikost úhlopříčky podobně jako u obrazovek televizorů nebo LCD displejů. Nenechte se ale zmást - skutečná velikost úhlopříček senzorů je menší, zhruba 2/3 uvedeného údaje. Značení totiž vychází ze zvyklostí inženýrů z 50 let, kdy se podobným způsobem značily elektronky určené na snímání TV obrazu v kamerách.

Velikost senzoru o úhlopříčce 2/3" (17 mm) by odpovídala šedivému kruhu. Skutečná velikost senzoru označovaného jako 2/3" je však vždy menší, důvody jsou ryze historické.
 

Příklady velikosti některých senzorů používaných v dnešních středoformátových fotoaparátech (bíle), DSLR (žlutě) a kompaktních fotoaparátech (fialově).

Porovnání typických velikostí senzoru. Fotomobily mají senzory mnohdy ještě mnohem menší.

Přepočet ohniska, 35 mm ekvivalent (35 EQ)
Fotografové si zvykli označovat ohniskem objektivu zorný úhel. Řekne-li Vám někdo, že používá objektiv 28 mm, automaticky tím myslí, že je v hledáčku vidět "hodně do šířky". Neboli 28mm objektiv má velký zorný úhel a tedy pohled (objektiv) je hodně širokoúhlý.

Zorný úhel objektivu označuje část scény, kterou objektiv vidí. Tento údaj však závisí na velikosti použitého senzoru.

Problém je v tom, že samotné ohnisko objektivu neříká o zorném úhlu vůbec nic bez informace o velikosti použitého senzoru. Stejný 28mm objektiv bude mít zcela jiný zorný úhel na malém senzoru ve srovnání se senzorem velkým. Jinými slovy - čím je senzor menší, tím bude menší (užší) i jeho zorný úhel.

Menší senzor vidí na stejném objektivu s ohniskem f menší kus světa než větší senzor. Menší senzor má tedy užší zorný úhel.

Fotografové si masově zvykli označovat zorný úhel objektivu pro kinofilm a tedy senzor o velikosti 24 x 36 mm (35 EQ). Proto hovoří o 28mm objektivu jako o širokoúhlém - myslí tím automaticky "na kinofilmu". A jak je vidět z obrázku výše, na malém senzoru kompaktního fotoaparátu by 28mm objektiv vůbec nebyl širokoúhlý, naopak by mohl být slušným teleobjektivem!

Pro fotografy je v praxi mnohem důležitější zorný úhel (ten určí co bude zaznamenáno) než ohnisko či velikost senzoru. Zvykli si proto přepočítávat ohnisko svého objektivu tak, jako kdyby měli kinofilm. A proto je třeba vždy, když nasadíte objektiv na fotoaparát s jinou velikostí senzoru než je kinofilm (větší či menší), jeho ohnisko přepočíst "jako že na kinofilm". Budou-li tedy dva fotografové mít stejné přepočtené ohnisko, budou mít stejný zorný úhel.

Aby menší senzor vidět to samé (měl stejný zorný úhel), je třeba pro něj ohnisko zkrátit o crop faktor. Jinými slovy - nasadíte-li ohnisko f₁ na menší senzor, jeví se relativně ke kinofilmu o crop faktor delší a tedy jako f₂.

Crop faktor
Vlastní přepočet je velmi jednoduchý a je dán poměrem úhlopříčky kinofilmu ku úhlopříčce vašeho senzoru. Například některé zrcadlovky Nikon a Sony používají senzory o velikosti 23.6 x 15.8 mm, mají tedy úhlopříčku 28,4 mm, což je cca 1,5x méně než kinofilm (úhlopříčka 43,3 mm). Tyto zrcadlovky mají tedy crop faktor 1,5x. 28 mm objektiv nasazený na takovou zrcadlovku uvidí tedy totéž (bude mít stejný zorný úhel) co objektiv 28 * 1,5 = 42 mm na kinofilmu.

Kompaktní fotoaparát s velikostí senzoru 1/2,5" (5,75 x 4,31 mm) má úhlopříčku 7,2 mm a crop faktor tedy 6x. Objektiv 28 mm použitý na takovém fotoaparátu bude tedy ekvivalentní ohnisku 168 mm na kinofilmu, což je slušný teleobjektiv! A naopak k dosažení stejného zorného úhlu jako má objektiv 28 mm na kinofilmu by takový kompakt potřeboval objektiv s ohniskem 28 / 6 = 4,7 mm!

Středoformátový fotoaparát Hasselblad H3DII-50 má senzor o velikosti 36x48 mm a tedy crop faktor 0,72x. 28mm objektiv nasazený na tento fotoaparát by měl zorný úhel jako 28 * 0,72 = 20mm objektiv na kinofilmu.

Čím je senzor menší, tím je větší problém zrealizovat širokoúhlý objektiv, naopak se ale snáze realizují teleobjektivy. Na snímku ukázka 17 mm objektivu na senzoru velikosti kinofilmu, kdy je horizontální zorný úhel 92°. Takový zorný úhel je na kompaktním fotoaparátu nereálný.

Poměr stran (Aspect Ratio)
Poměr horizontální a vertikální strany senzoru je obvykle označován jako poměr stran a je obvykle vyjádřen jako poměr dvou celých čísel např. 4:3 nebo 3:2. Poměr stran kinofilmu byl 3:2, avšak televizory a PC monitory zavedly poměr 4:3. Většina standardních fotopapírů ale bohužel nectí ani poměr 4:3 ani 3:2  a tak je při tisku zásah PC nutný. Navíc moderní LCD monitory a TV obrazovky zavedly nový poměr stran 16:9.

Vlevo poměr stran 3:2, vpravo 4:3. Ani jeden však nevyhoví současným moderním televizím, monitorům ani fotopapírům. Více se jim ale blíží formát 3:2 (vlevo).

Velikost aktivní části buňky senzoru
Velikost aktivní části jedné buňky senzoru je celkem přirozeně navázána na velikost celého senzoru a jeho rozlišení (tj. počet buněk) v MPix. S růstem rozlišení klesá velikost jedné buňky a naopak. Vysoké rozlišení v MPix chtějí fotografové, velký senzor je ale obvykle cenově nepřijatelný a tak požadavky na velikost buňky a rozlišení  jdou proti sobě.

Teoretickou velikost jedné buňky senzoru je možné snadno spočítat jako:

Šířka senzoru v mm / Horizontální rozlišení

Výška senzoru v mm / Vertikální rozlišení

Příkladem může být DSLR Canon EOS 50D, který má CMOS senzor velikosti 22,3 x 14,9 mm a rozlišení 4752 x 3168 (15 Mpix). Velikost jeho buňky tedy vychází téměř čtvercová s hranou 4,7 μm. Kompaktní fotoaparáty s velikostí senzoru 1/2,5" (5,75 x 4,31 mm, což je typická a oblíbená velikost senzoru u kompaktů) a s rozlišením 7 MPix (3072 x 2304 - opět typické) dosáhnout hrany jedné buňky jen 1,9 μm. Jedna buňka je tak plošně asi 6x menší. Je přirozené, že právě tento parametr je důležitý pro kvalitní signál poskytovaný buňkou.

Porovnání plochy jedné buňky senzoru u klasického kompaktního fotoaparátu (zeleně) a typické DSLR (žlutě). Typický kompakt má plochu jedné buňky asi 6x menší.
 

Dá se na to dívat i obráceně. Typický kompaktní fotoaparát dosahuje hustoty buněk kolem 28 MPix na 1 cm² senzoru, kdežto DSLR jen 4,54. Kdyby DSLR měla stejnou hustotu buněk jako kompaktní fotoaparát, její rozlišení by bylo 93 MPix!

CMOS senzory s aktivní buňkou (viz minulý díl) potřebují jistou část buňky kolem sebe na podpůrnou elektroniku. Výpočty výše jsou tedy jen teoretické, protože předpokládají, že celá plocha buňky slouží na měření světla a je tedy aktivní. Mikroobjektivy nad každou buňkou sice směrují světlo na buňku, čímž se omezuje ztráta světla, avšak mikroobjektivy nebývají bez mezery, čímž se část světla opět nenávratně ztrácí. Proto CMOS senzory trpěly nižší kvalitou signálu oproti CCD senzorům. Stále se zlepšující technologií mikroobjektivů a snižujícím se šumem elektroniky byl však tento rozdíl již setřen.

U CMOS senzorů není celá plocha buňky aktivní a tak by se část světla ztrácela. Mikroobjektivy tento problém zlepšují, avšak ani ony nejsou bez mezery a tak řešení nebývá vždy 100% účinné - stále se část světla ztrácí. Mikroobjektivy zcela bez mezery se chlubí např. fotoaparát Canon EOS 50D.

Závěr
Plošná velikost senzoru je základním parametrem každého fotoaparátu. K velikosti senzoru je potom třeba naladit ohnisko objektivu a oba tyto faktory společně s konstrukčními důsledky předurčí cenu, váhu a rozměry fotoaparátu.

Plošná velikost aktivní části buňky předurčí citlivost buňky na světlo a ta silně ovlivňuje šum. Je přirozené, že plošná velikost buňky klesá s růstem rozlišením senzoru a tak na trhu např. nenajdete (zatím) kompaktní fotoaparát s rozlišením 21 MPix. Důvod je ten, že buňka by byla již tak malá, že by silně šuměla a právě šumu se budeme věnovat příště.