CCD snímače I. - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

28. prosince 1999, 00.00 | Základní informace o snímačích, bez kterých se neobejde ani jeden digitální fotoaparát, skener dokonce ani většina videokamer. Nenechte si ujít první díl seriálu.

Rozhodli jsme se připravit seriál článků o tom, jak se zaznamenává digitální obraz. Dnešní článek je úvodem do problematiky světlocitlivých snímačů CCD. Podíváme se na to, co znamená zkratka CCD a nakousneme, jak CCD snímače fungují. Nemusíte se bát, celý článek je psán velmi lehkou formou a neměl by obsahovat žádné nevysvětlené technické pojmy.

Snímací prvky se objevují ve velkém množství nejrůznějších zařízení. Asi nejvíce jsme si CCD spojili s digitálními fotoaparáty a skenery. Najdeme je však i v některých klasických videokamerách a používají se v různých obměnách v nejrůznějších zařízeních. Jejich funkce je zdánlivě jednoduchá. Jak jméno opisuje, tyto obvody snímají dopadající světlo a převádějí jej do podoby digitálního obrazu.

Zkratka CCD v sobě skrývá slovní spojení Charge Coupled Device. Tyto fotocitlivé obvody převádějí dopadající světlo na elektrický náboj. Ten je pak měřen a převáděn do digitální podoby. Každý snímač je složen z velkého množství samostatných miniaturních buněk zaznamenávajících světlo samostatně.

Digitální obraz je vždy složen z jednotlivých bodů (anglicky pixel). Každý bod má svojí barvu a jednotlivé body dohromady vytvářejí mozaiku obrazu. Pro lepší představu jsme pro vás připravili 5x zvětšený výřez fotografie s jasně patrnými jednotlivými body.
Proč jsme se věnovali jednotlivým bodům obrazu? Protože jedna buňka snímače vyprodukuje právě ten jeden bod na výstupu, pokud se budeme bavit o obdélníkových snímačích. Z toho plyne jednoduchá rovnice. Čím více buněk má snímač, tím větší získáme obraz. Rozlišení snímače se udává v celkovém počtu buněk. Například pokud máme snímač s rozlišením 850.000 bodů (snímacích buněk) produkuje obraz s rozlišením 1024x768 bodů. Moderní snímače mají rozlišení 2-3 milióny bodů a špičkové snímače mají až 10 miliónů buněk.

U skenerů se většinou používají takzvané řádkové snímače. Ty nesnímají obraz najednou pomocí mozaiky buněk, ale provádějí snímání po jednotlivých řádcích. Snímač má tři řádky buněk s řádově tisíci buněk. Celý snímač se pohybuje horizontálně a snímá jednotlivé řádky separátně. Na snímači jsou tři řádky z důvodu zachycení barev, ale o tom se budeme bavit až v následujícím článku.

Podívejme se zblízka na jednu buňku snímače. Ta je vyrobena z několika desítek různých velice tenkých vrstviček materiálu. Celá buňka má velikost několika desetin milimetru. Na této malé ploše se odehrává převod světla na elektrickou energii. Zjednodušeně řečeno se odečítá rozdíl napětí vzniklý na dvou oddělených vrstvách. Tyto dvě vrstvy jsou doplněny celou řadou filtrů a dalších komponent, aby výsledkem byla hodnota napětí reprezentující dopadající světlo.

Pro lepší názornost si přiblížíme fungování buněk snímače na velmi oblíbeném příkladu. Představme si, že každá buňka je nádoba. Světlo je pro potřeby našeho zjednodušení nahrazeno deštěm. Buňka pak funguje tak, že se v ní zachytává dopadající déšť po dobu, kdy je odkryta (expozice). Pak už jen stačí změřit, kolik vody se v nádobě zachytilo a je hotovo.

Na závěr dnešního povídání o CCD se budeme věnovat tomu, jak se změní elektrický proud na digitální hodnotu pro jeden bod. Za tímto převodem stojí pochopitelně analogově-digitální převodník. Ten vychází z toho, že buňka produkuje napětí řekněme 0 - 5mV. Protože výstupem jsou hodnoty v rozsahu 0-255, rozdělí tento člen rozsah 0-5mV na 255 dílků a například napětí 2,5mV přiřadí hodnotu 127. Zde se všeobecně používá ještě jedna technologie, o které se příliš nepíše. Tou je změna citlivosti snímače. Každý snímací prvek je nějakým způsobem citlivý na světlo. Tento fakt se je označován jako citlivost a většinou se pohybuje v rozsahu 75 až 200 ISO. Pokud výrobce potřebuje zvýšit citlivost snímače posune pouze rozsah převodníku. V lepším případě tuto možnost dá přímo uživateli. Jediným problémem je takzvaná hladina šumu, což je v podstatě nepřesnost jednotlivých měření.

A to je pro tento článek vše. V příštím pokračování se zaměříme na to, jakým způsobem se zpracovává barevná informace a jak vlastně vzniká barevný obraz.