Ako pracuje snímač digitálneho fotoaparátu?

Na úvod by som sa rád ospravedlnil za povrchnosť informácií v tomto článku. Princíp snímania a práca snímača sa dá vyjadriť tak zložitou matematickou rečou a vzorcami, ktoré normálny človek pochopí až po dlhšom štúdiu. Málokto však potrebuje študovať snímač natoľko do hĺbky. Komu tento článok nepostačí, môže siahnuť po zdrojoch s podrobnejšími informáciami.

Svetlocitlivé očká

Snímač sa skladá z veľkého množstva svetlocitlivých bodov. Zjednodušene zakreslený a veľmi zväčšený snímač by vyzeral asi takto:

Každý štvorček na tomto obrázku predstavuje jeden svetlocitlivý bod.

Čo znamená svetlocitlivý? To, že ak na takú plôšku dopadne svetlo, plôška na to zareaguje a vytvorí nejaký elektrický náboj. Tento elektrický náboj sa dá odmerať. Čím väčšiu hodnotu nameráme, tým viac svetla na danú plôšku dopadlo. To je všetko, čo potrebujeme tušiť o princípe snímania digitálneho záznamu obrazu – čiernobielej fotografie.

Ak sú plôšky umiestnené husto vedľa seba, stačí ich namerané hodnoty nejakým spôsobom interpretovať – čím väčšia bola nameraná hodnota pre niektorú plôšku, tým svetlejší bod bude na fotografii na rovnakom mieste a uvidíte čiernobielu fotku.

A kde je ten digitál?

Možno si práve predstavujete, ako sa po nafotografovaní fotografii vo fotoaparáte vychília milióny ručičiek miniatúrnych voltmetrov. Potom vám isto napadne otázka, ako a čo sa tu vlastne mení na čísla?

Práve namerané hodnoty z každého jednotlivého prvku – očka, či senzoru – snímača sa zmerajú a číselne zaznamenajú výsledky.

To sú tie čísla, ktoré robia digitálny obraz digitálnym. (Číslicovým.)

Fotoaparát nameraný najsilnejší možný svetelný stav premení na číslo – napríklad 255. Ak je svetla o niečo menej, nižšia nameraná hodnota sa zmení na menšie číslo, napríklad 217. A takto by sa dalo pokračovať až po úplnú tmu, kotrej by zodpovedalo číslo nula.

Zo snímača sa teda na pamäťovú kartu uloží veľký zoznam čísel – niekoľko miliónov čísel.

Fajn. Ale kde sú ale farby?

Pozorný čitateľ si iste všimol, že som zatiaľ napísal princíp, ako snímať obraz čiernobielej fotografie. Ako na farbu?

K farebnému zloženiu obrazu som už písal článok o RGB – ako vznikajú farby na fotke.

V ďalšom texte si preto dovolím predpokladať, že farebnému záznamu pomocou kanálov RGB už rozumiete.

Jeden pixel má štyri očká. A viac.

Štruktúra snímača je zložená z viacerých farieb.

Dnes to veľmi často bývajú farby RGB (červená, zelená a modrá) no objavili sa už snímače, ktoré v záujme presnejšej farebnej vernosti pridávajú aj ďalšie farby. To teraz ignorujme, všímajme si len záznam najčastejšie používaným snímačom RGB.

Štruktúra jeednotlivých svetlocitlivých prvkov je takpovediac prekrytá štruktúrou farebných filtrov.

Aby sme získali farebnú informáciu pre jeden pixel na budúcej fotografii, potrebujeme na to nasnímať až 3 farby – červenú, zelenú a modrú. Presnejšie povedané potrebujeme nasnímať informáciu o týchto troch farbách.

Na jeden pixel budúcej fotografie teda nemožno mechanicky použiť jedno “očko” snímača, pretože to je prekryté napríklad modrým filtrom.

Preto budúci jeden pixel fotografie je na snímači fotoaparátu zastúpený až štyrmi svetlocitlivými bodmi. Dvoma zelenými, jedným modrým a jedným červeným.

Prečo viac zelených snímačov?

Ľudské oko je najcitlivejšie práve na podrobnosti v spektre, aké sa dajú zachytiť práve zeleným filtrom. Ostatné farby nepotrebuje mať popísané až tak precízne. Do hlbších podrobností by som sa nerád púšťal. Proste tak to výrobcovia robia.

Ale veď…

Áno. Štruktúra farebných filtrov položených vedľa seba prináša vážny problém, čo s drobnými detailami.

Práve táto štruktúra má na svedomí fakt, že fotografia z digitálneho fotoaparátu po zväčšení nie je nikdy tak dokonale ostrá a plná podrobností, ako by mohla byť teoreticky, ak by snímač pracoval na inom princípe, alebo čiernobielo.

Tento problém sa najlepšie ukáže práve pri snímaní testovacích obrazcov.

Hore zväčšená digitálna fotografia terča, dolu ukážka, čo by sa dalo zaznamenať teoreticky – čierne a biele pásiky. Zväčšíme to viac:

Hore je umelo vyrobený detail terča, v strede ukážka, ako býva taký terč odfotografovaný digitálnym fotoaparátom (4× zväčšené) a spodné dva riadky ukazujú, ako by mal terč vyzerať teoreticky – jeden pixel by mal byť úplne čierny, ďalší úplne biely.

Hoc počítačový súbor je schopný preniesť tak prudký kontrast, digitálny fotoaparát sa tomu ešte pekných pár rokov ani zďaleka nepriblíži. Dôvod je práve v tom, že jeden pixel sa skladá zo štyroch senzorov.

Predstavme si, že chceme odfotografovať takýto terč:

V skutočnosti však bude veľmi maličký.

Na nám už známu štruktúru snímača sa objektívom premietne obraz terča.

Trebárs takto. Zväčším to ešte viac:

Už asi tušíte, čo sa deje. Čiernu čiarku z terča “vidí” z jedného pixelu napríklad zelený a modrý senzor. Druhý zelený a červený senzor z toho pixelu vidia jasné, biele svetlo. Akú farbu má takýto pixel oznámiť digitálnemu fotoaparátu?

Čokoľvek by to bolo, bolo by to nesprávne, pretože takto osvetlený pixel nezistí správny výsledok – že totiž bol zakrytý čiastočne čiernou farbou na bielom pozadí.

Jasne osvetlený zelený a červený pixel vytovria žltú farbu. Zatienené pixely modrý a zelený oznámia tmu. Teoretický súčet takého pixelu by bol tmavšia žltá.

Názorne:

Z terča bude sieť červených senzorov vidieť len niečo. Všimnite si interferencie – raz je čierna čiarka prekrytá jedným pixelom, inokedy dvoma, inokedy jedným a pol…

Interpretácia červeného kanáílu v celkom surovom stave by teda vyzerala asi takto.

Myslím, že sa ľahko uznesieme na tom, že takýto obraz nie je veľmi kvalitný.

Zelený snímač napovie viac – má dvojnásobný počet senzorov.

Čo s tým? Ako spojiť tieto vzájomne len čudne sa prekrývajúce tri obrazy?

To je tajomstvo každého výrobcu a aj najťažší
kumšt, ako vyrobiť kvalitnú digitálnu fotografiu.

Ciele sú jasné:

  • Zložiť z troch vzájomne posunutých obrázkov jeden, farebný, ktorý podľa možnosti pochopí, že fotografujete čierny pásik na bielom podklade aj v prípade, že jednotlivé farebné pixely to nebudú vidieť.
  • Výpočet musí prebehnúť rýchlo, fotograf nerád vyčkáva.

Takúto úlohu si môžeme skúsiť rekonštruovať vo fotoeditore. Jednou z ciest, ako dosiahnuť požadovaný výsledok by bol tento postup:

Hotový obrázok každého kanálu sa musí najskôr zneostriť niektorým vhodným filtrom, aby sa čo najviac zmazala jeho štruktúra – štvorčeková sieť. Pre účely ukážky zneostrím obraz zatiaľ len čiastočne.

Červený kanál. Šípky ukazujú veľmi zle zaznamenanú čiarku – v červenom kanáli takmer, ako keby žiadna čiarka nebola.

Zelený kanál je oveľa detailnejší – ten môže fotoaparát neskôr používať aj na identifikáciu podrobností.

Modrý kanál.

A teraz ten istý obrázok rozmažem tak, aby už neobsahoval štvorčekovú štruktúru.

Hore nerozmazané “zdrojové” obrázky jednotlivých troch kanálov RGB.

Po rozostrení zmizne sieť štvorčekov, ale aj ostrosť jemných detailov.

Po prekrytí farebnými filtrami sa dá zložiť farebný obraz.

Dopadne asi takto. Rôznofarebné okraje a neostrosť spôsobená likvidáciou štvorčekovej siete sú pomerne vzdialené pôvodnej predlohe.

Vo fotoaparáte preto výrobca musí nechať prebehnúť ešte proces, ktorý kontroluje aj farby z okolitých pixelov. Interpoláciou potom fotoaparát dokáže vypočítať, že v skutočnosti čierny nápis na terči nemá mať žiadne dúhové okraje. Alebo ich má, ale len slabé.

Ako vlastne prebehne tento – asi najzložitejší – výpočet, to je strážené tajomstovo firiem, ktoré vyrábajú fotoaparáty. Čím lacnejší fotoaparát si kúpite, tým horšie bude zachytávať práve takéto náročné štruktúry.

Ako teda zaznamená fotoaparát takýto terč? Čiarky na terči sú stále hustejšie a nás zaujíma práve tá oblasť, kedy už čiarky sú v takej hustote, že dopadávajú na jednotlivé senzory snímača. Ako zvládne fotoaparát takú interferenciu?

Veľmi často vzniknú v štruktúre čiarok terča rôznofarebné vlny.

Iný fotoaparát, ktorý dokáže interpolovať farby a interpretovať čiarky priam perfektne – obraz je takmer bez interferencií.

Nasleduje na ukážku niekoľko záberov terča rôznymi fotoaparátmi. Všetky nasledujúce obrázky sú 2× zväčšené. (To kde končí rozlíšenie teraz neskúmajte, niektoré fotoaparáty majú menšie rozlíšenie, iné väčšie, ale interferencie sa týkajú všetkých rovnako.)

(1:1 pre názornosť)

Takmer ideálna ukážka – v zábere takmer nie je badať interferencie, len v oblasti 1 400 čiar na milimeter je náznek “neistoty” a jemné farebné artefakty. Obraz je však viditeľne softvérovo doostrený.

Iný prístroj. Farebné vlnky sú len jemné.

Ťažké skreslenie – v obraze sú farby, ktoré na ňom nemajú čo hľadať.

Iný prístroj v oblasti okolo 2000 čiar vidí čiarky, ktoré tam v skutočnosti nie sú.

Iná ukážka – interferencie sú silné, no farebne nie sú nápadné.

Lacný fotoaparát. V oblasti 1000 čiar sú farebné artefakty.

Proste dnes nenájdete digitálny fotoaparát, ktorý by bol po všetkých stránkach naozaj perfektný.

Záver

Práve vďaka tomu, že farebný obraz sa musí skladať z troch farieb, výrobcovia degradujú skutočné rozlíšenie fotoaparátu.

Napríklad trojmegapixelový výsledný obrázok teda nevzniká zložením z troch trojmegapixelových fotiek, ale je vytvorený z troch jednomegapixelových. To znamená, že v skutočnosti je obraz z trojmegapixelového fotoaparátu oveľa menej ostrý, ako by mohol byť teoreticky, keby sa využila plná kapacita troch megapixelov.

Preto je každá digitálna fotografia po zväčšení viditeľne mierne neostrá a v dohľadnom čase sa s tým nebude dať nič spraviť.

Z toho dôvodu sa ani nedá mechanicky prepočítať digitálna fotografia na DPI prostým zmeraním rozmerov fotky a určením DPI pre konkrétny rozmer. Prepočítali by sme síce veľkosť v pixeloch, ale nie skutočne zaznamenateľné podrobnosti, ktorých je menej.

Preto sa dá povedať, že pixely sú menšie, ako rozlíšenie snímača.

15× koment k článku Ako pracuje snímač digitálneho fotoaparátu?

  1. Jakub Šerých (serych zavinac panska tecka cz) hovorí:

    S Vasim clankem tentokrat nemohu uplne stoprocentne souhlasit. Popis snimace je perfektni, ale popis vzniku barevneho moire neni uplne presny.
    Tento jev vznika diky tzv. aliasingu (cesky falsovani) a nema tolik spolecneho s michanim barev z jednotlivych pixelu pod tzv. Bayer RGB filtrem. Michani barev pouze zpusobi, ze moire je “vybarveno” falesnymi barvami, ovsem samotne moire by vzniklo i kdyby snimac byl pouze cernobily.
    Podstatou aliasingu je, ze kazde vzorkovani signalu (at uz je to treba akusticky signal vzorkovany v case nebo v nasem pripade fotka vzorkovana v prostorove souradnici X nebo Y) je schopno navzorkovat maximalne signal s polovicni frekvenci nez jakou ma samotne vzorkovani.
    Takze je-li na snimaci rekneme 120 pixelu na mm a dojde k tomu, ze na nej cocka fotoaparatu promitne treba 70 car/mm, musi zakonite dojit k aliasingu (120/2=60, takze maximalni pripustna frekvence promitnutelna cockou je 60 car/mm).
    Bohuzel jedinou obranou proti aliasingu je fyzicky nepripustit, aby se ke vzorkovacimu zarizeni (u nas CCD) dostala vyssi nez povolena frekvence (u nas car/mm). Jakmile se tam jednou dostane, vznikne aliasing a ten uz nikdy nelze ze signalu plnohodnotne odstranit (muzeme se pouze pokusit nejak omezit jeho nasledky).
    Proto, aby se nikdy ke vzorkovacimu zarizeni nedostala vyssi nez povolena frekvence se pouziva tzv. antialiasing filtr. V pripade digitalniho fotaku je pred snimacem proste “matne” sklicko. Samozrejme jeho zmatneni je jen veeeeelmi mirne. Toto sklicko zpusobi mirne rozmazani obrazku, tedy nepusti ke snimaci vyssi frekvence nez ty povolene. Nekteri vyrobci maji v tech nejdrazsich digitalnich zrcadlovkach tento filtr vyjimatelny (tusim, ze to u nektereho modelu pouziva napriklad Kodak), ale obecne byva antialiasing filtr spise pevny.
    Pokud Vas pristroj ma slaby AA filtr a fotite nejakou scenu, kde by aliasing hrozil (clovek v huste prouzkovanem tricku, pletivo plotu nebo jakykoliv podobny pravidelne strukturovany a hodne kontrastni motiv), muzete se aliasingu zbavit lehounkym rozostrenim nebo alespon vyuzitim co nejvetsiho nebo naopak co nejmensiho clonoveho cisla, u kterych objektiv nekresli tak ostre jako u cisel kolem f/8.
    Proto take paradoxne levne pristroje s malinkymi snimaci a s mizernou (tedy neostrou) optikou maji s aliasingem vyrazne mensi problemy nez profi pristroje s velkymi snimaci a velmi kvalitni optikou.

    Jakub Serych

  2. Miro Veselý hovorí:

    Jakub Šerých: Ďakujem vám za presné doplnenie problematiky aliasingu.

  3. Aiko hovorí:

    Obrazy z R, G a B snimkov sa podla mojich informacii skladaju troska inym sposobom. Nepritomna zlozka sa vyfiltruje (algoritmus zavisi od vyrobcu, ale v podstate je to vahovany priemer) z okolitych pixelov. Napr. mame pixel R, chyba nam G a B. Zo styroch susednych pixelov si vyratame priemernu G a B. V praxi sa da pozorovat cinnost tohto algoritmu (Olympus C740), napr. na rozhrani sytej cervenej a sytej modrej vznikaju striedave pruzky raz jednej a raz druhej farby. Podla Vasho sposobu skladania obrazu by museli na rozhrani svetla a tmy vznikat farebne okraje.

    A este pre istotu troska matematiky:
    Mame rozlisenie 2048×1536, to je ~3.15 MPixelov.
    Z toho je polovica zelenych (~1.57 MPixelov), a stvrtina cervenych a modrych (~0.79MPixelov).

    Dalsia vec: optika nieje dokonala, a sprava sa ako low-pass filter, informacia na pixeloch je preto “rozmazana”. S tym treba ratat aj pri skladani obrazu. Preto si myslim ze pri “skladani” RGB hodnoty uz prebieha nejaky druh “sharpeningu” na priostrenie obrazu. (Hlavne pri drahsich pristrojoch si mozete vsimnut ze su obrazky viac “blurnute”, napr. EOS300D, EOS10D, EOS20D, vyrobca radsej generuje to co fotak naozaj “vidi” ako by mal sposobit stratu obrazovej informacie ku ktorej dochadza pri ostreni.)

  4. mM hovorí:

    No niesom si tak celkom isty ci mam pravdu, ale myslim ze 3 MPx fotoaparat ma uz vyslednych 3 MPx “plnofarebnych” pixelov na snimaci, to znamena ze by mal mat min. z kazdej farby 3 miliony snimacov, pripadne ak pouziva 2 zelene tak 6 milionov pre zelenu…

    Vysledna forografia ma totiz 3 miliony plnofarebnych bodov a nie 3 miliony bodov ale kazdy je bud cerveny, zeleny, alebo modry…

  5. Lukas hovorí:

    taky si to myslim :)

  6. Dano hovorí:

    Nie je nahodou rozdiel pixel a bod (anglicky dot)? Pixel je zmes dvoch zelenych, modreho a cerveneho bodu ako na monitore a nadobuda lubovolnu farbu namiesanu z tych farebnych bodov. Ja si tiez myslim, ze trojmegovy fotak ma 3 miliony pixelov skladajucich sa kazdy z tych styroch bodov. Otazne je, ci tych pixelov je naozaj tolko a ci sa tie zvysne nedopocitaju. Neverim, ze obraz dopadajuci na snimac je tak dokonaly aby kazda stvorica bodov reprezentovala 1 pixel. Ten pixel je mozno tvoreny aj 10 bodmi a ten zvysok do tych 3 mega si fotak vymysli. Zvacsenie fotky pred kompresiou o 1 megapixel nie je az taky viditelny rozdiel. Keby nas takto vyrobci klamali, nikto by sa to nikdy nedozvedel.

  7. sleeper hovorí:

    Nie. Pocet pixelov vysledneho obrazka je zhruba zhodny s poctom svetlocitlivych bodov (minus nejake okraje pouzivane pre odstranenie sumu a pod) Celkom dobry clanok o tom je na paladxe: http://www.paladix.cz/rs/clanek.php?aid=10368&sid=46&hledej= Skutocne 3 svetlocitlive body pre jeden pixel (nie pouzivanie susednych pre vypocet) robi Foveon ktory to ma v 3 vrstvach pod sebou.

  8. Jiri Dobry hovorí:

    Skutecne je to tak trochu podraz. 3Mpix fotak ma skutecne pouze 3Mpix (+nejaky drobny na okraje) s barevnymi filtry. To znamena, ze vysledny obrazek je ze 2/3 vycucany z prstu. To take znamena, ze 8M fotak udela lepsi 3M fotku i na stejne optice.

    Jinak receno: Pri zapocteni vlivu GRBG filtru potrebujete na 1Mpix perfektne ostrou fotku 4M fotak. Jinak jsou jednotlive body rozmazane bez ohledu na kvalitni optiku.

    Ale zadna tragedie to neni. Projevi se to pouze u zvetsenin. Typicky vsichni vime ze 3M fotak “snese” zobrazeni na 21″ monitoru. Papir je o neco prisnejsi.

  9. Miro Veselý hovorí:

    mM: Nie. Výsledná fotografia je naozaj vycucaná z prstu, ako vtipne a celkom priliehavo definoval pojem interpolácie Jiri Dobry.

  10. Miro Veselý hovorí:

    Dano: Pixel a dot sú dve veci. Pixel je jeden “štvorček” z akých sa skladá fotka. Nesie informáciu o farbe – napríklad zelený, alebo tmavomodrý. Nič iné. To, že na monitore sa skladá z troch farieb je druhá vec. Ale vo fotoaparáte sa obraz naozaj skladá v článku popísaným spôsobom. Dot je bod, používa sa na vyjadrenie, koľko bodov (alebo trebárs čiar) na utčitú merateľnú vzdialenosť systém prenesie. Trebárs nejaký materiál prenesie 1000 čiar na jeden milimeter, čiže pod mikroskopom by sme napočítali 500 bielych a 500 čiernych čiaročiek. Hustejšie čiarky by sa už zlievali.

  11. fero hovorí:

    Len to, ze vychylit sa pise s tvrdym i po ch!!!
    fero

  12. zdenok hovorí:

    Miro V: mozno by nebolo od veci doplnit tento clanok aj o popis snimaca Foveon, ktory prave riesi vela z popisanych problemov

  13. Miro Veselý hovorí:

    zdenok: Keď bude bežne v lacných foťákoch, mrkneme sa na to.

  14. Laik hovorí:

    Prosím, vysvetlite mi, aký veľký je senzor dig.fotoaparátu, ked má číslo 1/1,7″.Je to aktívna šírka x dlžka senzora v palcoch ? Ďakujem !

  15. Lavar hovorí:

    Laik: Jedná sa o takzvaný CROP FACTOR, čo je vlastne údaj o zmenšení snímača oproti full-size snímaču 36mm*24mm (35mm film).
    V tvojom prípade je to:
    1,7″ * 2,54cm(jeden palec v cm) = 4,318 crop factor
    36 / 4,318 = 8,34
    24 / 4,318 = 5,56
    Veľkosť tvojho snímača je 8,34mmx5,56mm
    Crop factor je potrebný aj na prepočet ohniska optiky na ekvivalent 35mm filmu.
    Ak máš na optike ohniskovú vzdialenosť napr. 10-100mm, tak v prepočte na 35mm film je to v tvojom prípade optika s ohniskovou vzdialenosťou 43,18 – 431,8mm
    Vyzerá to pekne, ale čím väčší crop factor, tým horšia kvalita snímky.
    Ak nemáš problém s angličtinou tak si klikni http://en.wikipedia.org/wiki/Crop_factor

Napíšte komentár

Tipy na knihy

Tento web píše a prevádzkuje © Miro Veselý |  mv@mix.sk  |  facebook  |  google+  |  instagram  | 

Dozvedeli ste sa niečo užitočné? Pomôžte vašim priateľom nájsť tieto stránky. Zdieľajte ich.