Digitální fotoaparáty

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE Digitální fotoaparáty semestrální práce Petr Placatka Pavel Hanzalík V Praze dne Kartografická polygrafie a reprografie

2 Úvod Koncept vytvoření digitálního obrazu pomocí matice světlocitlivých prvků byl znám již poměrně dlouho. První pokus o digitální fotoaparát uskutečnila v roce 1975 firma Eastman Kodak, která použila tehdy nový CCD prvek vyvinutý v roce 1973 firmou Fairchild Semiconductor. Fotoaparát vážil 3,6 kg, byl jen černobílý, měl rozlišení 0,01 MPix ( pixelů) a snímek byl ukládán na magnetofonový pásek. Záznam jednoho snímku trval kolem 20 vteřin. Byla to technická novinka, nikoliv však komerční produkt. První skutečný digitální fotoaparát, který ukládal snímky jako opravdový obrazový počítačový soubor, byla v roce 1988 Fuji DS-1P. Ukládala snímky do vnitřní baterií napájené paměti 16 MB, nebyla však nikdy uvedena na trh. První komerčně dostupnou skutečnou digitální zrcadlovkou byl Kodak DCS-100 uvedený na trh v roce Ta nabídla rozlišení 1,3 megapixelů a stál kolem USD. Od té doby začala vyrábět digitální zrcadlovky řada výrobců, například Canon, Nikon, Kodak, Pentax, Olympus, Samsung, Konica Minolta, Fujifilm, Sony, Sigma atd. 1 Princip Obr. 1: Kodak DCS-100 Princip digitálního fotoaparátu vychází z konstrukce klasického fotoaparátu. Jádrem přístroje je světlocitlivá plocha snímače na bázi technologie CCD nebo CMOS. Na plochu senzoru je promítán obraz přes systém optických čoček v objektivu. Světelná energie, která přichází ze snímaného prostoru (scény), je v jednotlivých pixelech (obrazových bodech) převáděna na elektrický signál a uložena v podobě vázaného náboje (u technologie CCD). Náboj vzniká postupně během expozice čipu, kdy je otevřena uzávěrka fotoaparátu a světlo může dopadat na čip. Princip vzniku elektrického náboje je založen na fotoelektrickém jevu s tím rozdílem, že náboje neodtékají okamžitě do vnějšího obvodu ale jsou izolovány v nábojových zásobnících v elektricky izolované struktuře čipu. Po uzavření uzávěrky jsou vygenerované náboje z čipu postupně odváděny a měřeny speciálním zesilovačem pro každý jednotlivý pixel. Takto získaný signál je a dále převeden AD převodníkem na signál v binárním kódu. Vzniklý datový proud je pak pomocí mikroprocesoru různě upravován a převeden do některého grafického formátu používaného pro záznam obrazových dat, např. RAW, JPEG nebo TIFF. Výsledný datový soubor je uložen zpravidla na paměťové médium v podobě paměťové karty nebo vestavěné paměti typu Flash-EEPROM tj. elektricky mazatelná paměť s trvalým záznamem, který je uchován i bez přívodu elektrického napětí. 2 Třídy digitálních fotoaparátů 2.1 kompakty Kompaktní fotoaparáty jsou navrhovány s cílem snadné obsluhy a co nejmenších rozměrů. Přístroje prodávané v roce 2006 už zcela eliminovaly hledáček ve prospěch velkých displejů. 1

3 2.2 EVF EVF je zkratka z electronic viewfinder fotoaparáty tedy mají v hledáčku displej, ukazující obraz ze senzoru. Moderní EVF přístroje mají rozlišení okolo desíti megapixelů a zoom objektivy s velkým rozsahem ohniskových vzdáleností. Většina těchto fotoaparátů má také optický stabilizátor obrazu. Úhlopříčka snímače je 1/2,5"až 1/1,6". 2.3 DSLR Digitální zrcadlovka je v podstatě běžná zrcadlovka, která místo filmu obsahuje CCD nebo CMOS senzor. Z principu konstrukce vyplývá maximální věrnost zobrazení v hledáčku, možnost použití výměnných objektivů a donedávna nemožnost natáčet videosekvence nebo používat displej ke kompozici záběru.v nynější době nabízí téměř každý výrobce zrcadlovku s možností komponovat záběr na displeji (v režimu tzv. live view). Videosekvence již nabízejí zrcadlovky Nikon D90, Canon EOS 5D Mark II a Canon EOS 500D. Digitální zrcadlovky mají senzory od velikosti 18x13,5 mm (systém 4/3) až po rozměry filmového políčka (36x24 mm, tzv. full-frame). Z "kinofilmových"přístrojů dnes největší rozlišení poskytuje Sony Alfa A900 (24,4 Mpx) a Nikon D3x (24,5 Mpx). 3 Přehled parametrů digitálních fotoaparátů 3.1 Parametry objektivů Ohnisko (Focal Length) Z hlediska ohniskové vzdálenosti lze rozdělit objektivy na: Rybí oka (8 mm) extrémně širokoúhlé objektivy s úmyslnou deformací perspektivy Širokoúhlé (10-30 mm) interiéry, architektura, krajina, reportáž Střední (základní) ohniska ( mm) základní objektivy, přirozené zobrazení, portrét Normální objektiv (50 mm) - odpovídá zornému úhlu lidského oka Teleobjektivy ( mm) portrét, reportáž, krajina Silné teleobjektivy (>300 mm) příroda, sport Makroobjektivy měřítko 1:1, liší se minimální zaostřovací vzdáleností Tilt-Shift architektura (korekce sbíhání linií - flašky ) Mirror silné teleobjektivy (600 mm) konstruované na principu hvězdářského dalekohledu Zorný úhel objektivu a jeho ohnisková vzdálenost jsou vázány jednoduchým pravidlem: "Čím delší ohnisko objektivu f, tím menší zorný úhel". 2

4 Obr. 2: Vztah ohniskové vzdálenosti a zorného úhlu objektivu Crop faktor Crop faktor není de facto vlastnost objektivu, ale důsledek jeho nasazení na DSLR používající senzor velikosti APS-C o velikosti úhlopříčky cca 1,5x (Nikon, Fuji, Pentax) až 1,7x (Sigma) menší než klasický 35mm kinofilm. Co se potom děje s objektivem konstruovaným na klasický kinofilm ale nasazeným na DSLR? Obr. 3: Takto vidí fotografovanou scénu běžný objektiv. V rozích obraz tmavne (vinětace) a vlivem různých vad se rozostřuje. Obrazové pole je kruhová oblast, kde se konstruktéři objektivu maximálně snaží zajistit co nejlepší a rovnoměrnou kresbu Stabilizátor obrazu (Image Stabilizer) Obrazový stabilizátor dokáže částečně potlačit rozhýbání snímku vlivem chvění fotoaparátu v ruce, takže můžete z ruky fotit cca 2x až 3x delším expozičním časem než normálně. 3

5 3.1.4 Světelnost (Lens Speed) Světelnost neboli minimální clonové číslo neboli maximálně otevřená clona je klíčový parametr každého objektivu. Zjednodušeně řečeno udává, kolik světla je objektiv schopen dopravit na senzor. Fyzikálně je světelnost definována jako poměr ohniskové vzdálenosti ku průměru maximálně otevřené clony objektivu. Obr. 4: Světelnost je definována jako poměr ohniskové vzdálenosti (f) ku průměru maximálně otevřené clony objektivu (D) Počet lamel clony a její konstrukce (Number of Diaphragm Blades) Clona je v podstatě stínítko s proměnným kruhovým otvorem regulující množství světla procházejícího objektivem. Ideální clona by měla přísně kruhový tvar a nulovou tloušťku aby nedocházelo k rozptylu (difrakci) světla. Reálná clona je zkonstruována z tenkých kovových lamel, které vytvoří jen přibližně kruhový tvar. Počet lamel clony a její celková konstrukce se tak může projevit v ostrosti obrazu, způsobu rozostření objektů mimo hloubku ostrosti (tzv. bokeh) a v odlescích ("prasátkách") při snímání v protisvětle Maximální clonové číslo (minimální clona) Obr. 5: Typická konstrukce clony objektivu. Maximální clonové číslo udává, jak moc dokáže objektiv uzavřít otvor clony a bránit se tak světlu. Běžné objektivy dosahují maximálních clonových čísel kolem f/22 až f/32. Makroobjektivy z výše uvedeného důvodu dosahují maximálních clonových čísel často i f/45. U takto vysokých clonových čísel je ale nutné počítat s viditelnou difrakcí obrazu, která se projeví jeho lehkým rozmazáním. Optimální clona objektivu. Tento parametr nenajdete v žádném katalogu, vychází však z obecných vlastností světla a setkáte se s ním u každého objektivu. Optimální kresby se dosáhne jen v určitém rozsahu středních clon - u hodně otevřených clon bude kvalita klesat vlivem optických vad použitých skel, kdežto směrem k maximálně uzavřené cloně 4

6 (vysoká clonová čísla) bude kvalita klesat vlivem rozptylu světla na lamelách clony při průchodu malým otvorem (difrakce). Obr. 6: clona f/8 Obr. 7: clona f/22 Optimální kresby se proto dosahuje jen v určitém rozsahu středních clon. Obr. 8: Difrakce a vady skel jdou při změně průměru clony proti sobě. Proto lze u každého objektivu nalézt optimální clonu z hlediska kresby. V praxi bývá někde kolem f/ Senzor Ústředním jádrem celé digitální zrcadlovky je její senzor. Právě senzor a jeho vlastnosti určí výslednou kvalitu fotografie Typ senzoru V dnešních DSLR se používají v zásadě dva druhy senzorů a sice CMOS nebo CCD. Princip obou je tentýž - každý pixel 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 sbírání informací z jednotlivých pixelů. 5

7 3.2.2 Masky a filtry před senzorem Každý pixel senzoru je citlivý na světlo obecně a není tak schopen nijak rozlišit jeho barvu. Proto se používá tzv. Bayerova maska. Systém filtrů před senzorem má zabránit i problému zvanému moiré. Příčina moiré je v pravidelné mozaikové struktuře pixelů na senzoru. A pokud se zaznamenává pravidelný vzorek (např. kostkovaná košile) senzory uspořádanými též do pravidelného vzorku podobné velikosti, vznikne moiré - různé barevné či černobílé interferenční vzorky. Proto filtr před senzorem obsahuje i tzv. "Low-Pass Filter", který sice snižuje podání detailů (funguje jako filtr typu dolní propust) ale zabraňují vzniku moiré. Obr. 9: Na jednotlivé pixely senzoru dopadá díky Bayerově RGBG masce buď červené (Red), zelené (Green) nebo modré (Blue) světlo. Obr. 10: Systém filtrů před vlastním senzorem slouží hlavně k odfiltrování nežádoucích složek spektra a k odstranění moiré. Obr. 11: Ukázka moiré efektu při interferenci dvou jednoduchých systémů soustředných kruhů Velikost senzoru Velmi podstatným parametrem fotoaparátu je velikost jeho senzoru. Velmi zjednodušeně se dá říci, že čím větší bude senzor, tím těžší sice bude fotografovat ale o to vyšší bude kvalita obrazu. Velký senzor totiž nasbírá díky své ploše více světla a tak obraz je kvalitnější a s menším množstvím šumu. Naopak malé senzory díky malé ploše senzoru se potýkají s vysokým šumem. U kompaktních přístrojů je dnes de facto standardem rozměr senzoru 1/2.5 (5.8 x 4.3 mm). 6

8 Obr. 12: Typická velikost senzorů ve vztahu k velikosti kinofilmového políčka (žlutě). Modře je velikost senzorů většiny digitálních zrcadlovek a červeně nejběžnější velikost senzorů většiny kompaktů (1/2,5 ) Rozlišení senzoru Rozlišení senzoru udává počet pixelů fotografie - obvykle v megapixelech (miliony pixelů, MPix). Rozlišení senzorů se udává v počtu barvoslepých pixelů senzoru a barva pro každý pixel se získává Bayerovou interpolací. Celková barevná kresebnost fotografie je tak logicky vždy o něco nižší než udávané rozlišení Velikost jednoho pixelu Čím větší je každý pixel, tím větší je jeho citlivost na světlo a tím menší je jeho šum (roste poměr signálu a šumu, SNR). Velikost každého jednoho pixelu samozřejmě souvisí s rozlišením a s velikostí senzoru. Čím vyšší je rozlišení senzoru při jeho stejné velikosti, tím menší musí být každý pixel. Kompaktní fotoaparáty mají pixely o velikosti kolem 4μm. Naopak větší senzory DSLR mají logicky výrazně větší pixely a ty mají nižší šum, vyšší SNR a tím umožňují používat i výrazně vyšší ISO při stejném výsledném šumu. Mívají též lepší dynamický rozsah Šum a zrno Senzor nemá žádné zrno typické pro film, naopak má vysokou tendenci k šumu. Digitální šum je ale na rozdíl od filmového zrna na fotografii ošklivý až odporný! Digitální šum se projeví nejen jako barevné body v obraze, ale rozežere i hrany a degraduje ostrost obrazu a jemné detaily v něm. Obr. 13: Ukázka šumu pro různé ISO 7

9 4 Digitální reprografie v praxi Kromě základních předností digitalizovaného dokumentu jsou tu i významné doplňkové výhody při práci, zasílání, archivaci a manipulaci Zrychlení komunikace Rychlost a pohodlnost elektronických komunikací se prakticky nedá srovnávat s běžným zasíláním dokumentů poštou či jinými zasílatelskými službami. Přičteme-li k tomu nulové provozní výdaje je nasnadě proč elektronické dokumenty vítězí Zlepšení archivace Jedním ze sledovaných faktorů dneška je archivace dokumentů. S elektronickými dokumenty to lze jednoduše - vypálíte CD a je to. Nároky na prostor jsou proti desítkám papírových šanonů prakticky nulové. Rychlost a operativnost při vyhledávání je také veliká Zjednodušení manipulace Nesrovnatelné výhody přináší další práce s digitalizovanými papírovými dokumenty. Snadná dostupnost, jednoduchá a pohotová manipulace umožní mít všechny dokumenty vždy po ruce základních tipů a triků v reprografii Používejte normální ohniskové vzdálenosti. Ohniskové vzdálenosti širokoúhlých objektivů může vést ke zkreslení obrazu. Je-li aparát vybaven makrorežimem využijte ho. Využijte rozlišení - nastavte aparát tak, aby jste snímali s předlohou jen minimální okraje. Větší clona vede k větší hloubce ostrosti a vylepšují optické vlastnosti objektivu. Větší hloubka ostrosti pomůže v případech, kdy předloha není ideálně rovná (u knih a časopisů je to vzhledem k jejich vazbě velmi častý případ). 4.2 Převod klasických fotografií na digitální Klasickou cestou je skener. Ačkoliv jsou moderní skenery celkem rychlé (i když u těch nejlacinějších se na to spolehnout nelze), může skenování desítek, či dokonce stovek fotografií zabrat i několik dní Zásady a pravidla Pokud místo skeneru použijeme technologii digitální reprografie, faktor času odpadne, protože sejmutí jedné fotografie je otázkou vteřin. Jediný rozdíl může být ve kvalitě, neboť výstup ze skeneru může mít zatím vyšší rozlišení než výstup z běžného digitálního 8

10 fotoaparátu. Pokud však je rozlišení digitální fotografie pro vaše účely dostatečné, pak je digitální reprografie velmi efektivní metodou, jak převést fotografie do digitální podoby (ostatně je to tak, jako byste původní snímky fotili digitálním fotoaparátem). Nejde však jen o fotografie, ale o jakékoliv obrazové předlohy Adjustáž předlohy Základní pravidla pro reprografii zůstávají i její digitální podoby pochopitelně v platnosti. Je vhodné zajistit, aby fotografie (či jiná předloha) byla rovná a nekroutila se. Prohnutá předloha se na výsledku projeví deformací obrazu fotografie nebude například obdélníková a budete muset oříznout část obrazu, abyste ho dostali všude do krajů. Deformace může být i tak velká, že se deformace obrazu projeví i na tvaru objektů. Obr. 14: Příklad sbíhajících se linií, kdy rovina snímacího prvku nebyla rovnoběžná s rovinou snímání. Navíc se může projevit hloubka ostrosti a některé části budou rozostřené. Ať tak, či onak, bude vhodné reprodukovanou fotografii mít co nejvíce rovnou. Většinou je fotografie rovná a minimální deformace se příliš neprojeví. Pokud ale bude silně prohnutá, nebo zvlněná budete jí muset nějak připevnit k podložce. Literatura [1] Fotoroman: WWW stránky, [online], [cit ], URL: [2] Wikipedia: WWW stránky, [online], [cit ], URL: [3] DTPstudio: WWW stránky, [online], [cit ], URL: cz 9