Digitální fotografie

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE Digitální fotografie semestrální práce Magdaléna Kršnáková Štěpán Holubec V Praze dne Kartografická polygrafie a reprografie

2 Úvod V dnešní digitální době jsou bezesporu digitální fotoaparáty jedním z rychle se rozmáhajících trendů a standardů téměř každé rodiny. Je to periferie, která je již nedílnou součástí příslušenství uživatele osobního počítače. Dnes již můžeme zapomenout na starý přístup našich pradědečků, kdy pro zachycení významných okamžiků, jako byly například svatby, rodinné oslavy, narození vytoužených potomků apod., bylo zapotřebí povolat specialistu fotografa na plný úvazek, který po složité instalaci stativu, zástěn, mnohawattových lamp, zajišťujících osvětlení a dalších peripetií, mohl konečně začít se složitým zachycováním těch několika málo nainscenovaných obrázků. V této dávné době neexistovaly snímky, kterým dnes říkáme momentky, protože příprava, vlastní proces focení a obzvláště konečná výroba fotografií byla příliš složitá a zdlouhavá. Tato semestrální práce pojednává především o digitálních fotografiích, jejich vývoji, principech vytváření a o zařízeních nezbytných k jejich vytvoření. 1 Historie 1.1 Vývoj analogové fotografie Počátkem tohoto století Joseph Nicephore Niepce experimentoval v oboru litografie ve své domovině poblíž Chalonu ve Francii. Zkoumal světlo-reaktivní nátěry, aby našel látku, která by zachytila obraz po osvitu. V roce 1816 se mu podařilo vytvořit obraz pomocí přístroje a citlivého papíru s chloridem stříbrným. Měl s touto technologií určité úspěchy, ale byl nespokojen, protože výsledný obraz měl reverzní barvy (negativ) a nejevil se stabilním. Zjistil, že kyselina dusičná pomáhá obrázky na dočasně uchovat, ale nezabraňuje konečnému blednutí. Průlom přišel roku 1822, kdy vytvořil pomocí fotoaparátu s temnou zástěnou stálý obraz. Po osvícení cínových tyčí fotoaparátem použil výparů z rozžhavených jódových krystalů pro ztmavení stříbra a zvýšení kontrastu. Tato metoda později inspirovala i Louise Daguerra, který místo jódu použil rtuť. Nicephore dále se svými kolegy bádal a po několika úpravách procesů a použitých sloučenin vzešla metoda zvaná heliografie. Zachycení obrazu však bylo stále nesnadné a nepraktické. Přetrvávajícím problémem bylo nedostatečné osvětlení při zachycování snímků, což bylo nejdříve vyřešeno speciální bleskovou žárovkou, jenž byla po sléze nahrazena v roce 1927 fotobleskem, který byl dále vyvíjen a vylepšován až do dnešní podoby, kdy je integrován přímo do fotografického přístroje. V souvislosti s novými technologiemi se od černobílých filmů postupně přecházelo k barevným, od mechanických aparátů k elektronickým... Fotografování se postupně stávalo nejen zaměstnáním hrstky specializovaných profesionálů, ale oblíbenou činností běžných lidí a mnohdy dokonce koníčkem. 1.2 Vývoj digitální fotografie Počátky digitální fotografie souvisejí s vynálezem integrovaných obvodů umožňujících zaznamenat obraz pomocí elektrických signálů. Princip záznamu spočívá v konverzi světelného záření dopadajícího na jednotlivé obrazové elementy (pixely) světlocitlivého senzoru 1

3 na elektrický náboj. V roce 1969 vynalezli George Smith a Willard Boyle snímače typu CCD a v následujícím roce zabudovali CCD do fotoaparátu. Teprve roku 1981 společnost Sony vyrobila první fotoaparát pod označením MAVICA (MAgnetic VIdeo CAmera), který místo filmu na chemickém principu zaznamenával obraz na elektronické prvky CCD. Jeho analogové výstupy se zapisovaly na disketu, avšak k masivnímu rozšíření došlo až ve druhé polovině 90. let, především díky tomu, že největší rozmach informačních technologií se datuje k počátku 90. let. První digitální fotoaparát MAVICA měl 250Kpix a výstup se zobrazoval na televizi, nebo se tisknul na speciální tiskárně dodávané s fotoaparátem. Dnes však digitální fotografie bez použití počítače ztrácí část svých výhod. Hlavním tahounem vývoje byla v osmdesátých létech firma Kodak. První komerčně šířený digitální fotoaparát byl Apple QuickTake 100 z roku V běžném prodeji byly digitální fotoaparáty od roku 1996 i v Česku. Po roce 2000 aparáty používající digitální záznam začaly vytlačovat běžné kinofilmové. V poslední době jde jejich vývoj obrovskou rychlostí dopředu, stejně tak, jako informační technologie. V současné době se používají k záznamu obrazu dvě technologie, které si navzájem konkurují, a to CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductors ) a CCD (Charge Coupled Device ). Postupem doby si tyto technologie našly svoji oblast aplikací, pro které se používají. V obou případech lze proces záznamu rozdělit do pěti kroků, jimž odpovídají jednotlivé prvky soustavy. 2 Princip záznamu obrazové informace 2.1 Vytvoření a transformace obrazu Ve většině zařízeních určených k digitálnímu záznamu obrazu dopadá světlo na záznamový prvek prostřednictvím optických systémů složených z čoček, zrcadel nebo jiných optických prvků. Jejich cílem je zvětšení nebo zmenšení obrazu, separace barevných složek obrazu, konverze do oblasti vlnových délek viditelného spektra nebo zesílení optického signálu. Vstupní část digitálních fotoaparátů tvoří zpravidla objektivy. Slouží k vytvoření zmenšeného (někdy zvětšeného) obrazu na záznamové ploše světlocitlivého senzoru. Jsou charakterizovány ohniskovou vzdáleností, tj. zvětšením (optickým zoomem) a světelností. V mnoha aplikacích je výhodné použít optické prvky vyrobené z optických vláken, které lze využít k přímému připojení světelného zdroje k senzoru. Tyto objektivy mají mnohem větší světelnost než objektivy tvořené čočkami. Zobrazovací vláknová optika je běžně využívána k záznamu obrazu rentgenových nebo neutronových scintilačních obrazovek, chemoluminiscenčních zdrojů, obrazových zesilovačů nebo zářičů. 2.2 Separace barevných složek Pomocí polopropustných zrcadel nebo hranolů se barevná separace provádí (do složek RGB) např. u profesionálních televizních kamer. Záznam obrazu se provádí pomocí tří oddělených jednobarevných světlocitlivých senzorů obr. 1. Při tomto uspořádání jsou všechny tři barevné složky snímány současně, takže dosahuje jak vynikající kvality záznamu 2

4 obrazu, ostrosti, barevného souběhu tak i vysoké záznamové rychlosti. Druhá možnost spočívá v použití jednobarevného senzoru a barevné složky jsou snímány postupně obr. 1. V tomto případě trvá záznam obrazové informace delší dobu, ale na straně druhé lze při použití interferenčních filtrů dosáhnout velmi vysoké kvality záznamu. U digitálních fotoaparátů jsou světlocitlivé senzory tvořeny zpravidla maticí čtvercových obrazových bodů, nad kterou jsou umístěny barevné filtry (např. RGBG, obr. 1). Z obrázku je zřejmé, že zelené světlo je snímáno dvojnásobným počtem pixelů než obě zbývající. Toto uspořádání bylo zvoleno s ohledem na spektrální charakteristiky lidského oka. Na rozdíl od předcházejících způsobů, se dosahuje nižší kvality zaznamenaného obrazu, protože výsledná barva je dána interpolací barev sousedních obrazových bodů, a horší rozlišovací schopností, protože na stejné ploše jsou umístěny obrazové body pro všechny barevné složky. Naopak rychlost záznamu obrazu je srovnatelná s prvním způsobem. Obr. 1: Princip záznamu obrazu pomocí světlocitlivých senzorů 2.3 Zaznamenání barevných složek obrazu Dopadající světelné záření způsobuje u všech tří principů lokální generaci elektrického náboje v místech obrazových bodů. Maximální množství náboje, které je možno v daném místě vygenerovat definuje veličina nazvaná plnící kapacita (Full Well Capacity). Pro nízké koncentrace nábojů je závislost mezi dopadajícím světelným zářením a množstvím vygenerovaného náboje lineární, pro vyšší koncentrace dochází k saturaci, což vede k přetečení náboje do sousedních pixelů způsobenému přeexponováním, viz obr. 2 (tzv. blooming). Plnící kapacita souvisí tedy s velikostí pixelů a určuje tzv. dynamický rozsah. Udává se počtem elektronů, které mohou být v pixelu zachyceny. Digitální fotoaparáty umožňují zpravidla možnost volby záznamu obrazu v některém z následujících módů. Mód s vysokou citlivostí určen pro záznam obrazů podsvětlených aplikací s pomalými změnami intenzity světla. Mód s velkým dynamickým rozsahem umožňuje záznam obrazů vyznačujících se velkými dynamickými změnami. Pro velké expozice může docházet ke zkreslení obrazu způsobené přetečením pixelů. Mód s vysokým pom2rem signál šum slouží k nastavení vyšší úrovně aktivního signálu vzhledem k teplotnímu šumu. Lze toho dosáhnout zvýšením plnící kapacity 3

5 Obr. 2: Princip záznamu obrazu pomocí světlocitlivých senzorů sloučením nábojů ze sousedních pixelů (vytvářením tzv. superpixelů, tj.matic2x2, 3x3 původních pixelů). 2.4 Přenos elektrického náboje Po expozici jednotlivých pixelů obrazového senzoru dochází k transportu generovaného elektrického náboje strukturou do A/D převodníku, kde dochází k digitalizaci odpovídajícího elektrického signálu. Používají se čtyři odlišné principy : s mechanickou uzávěrkou (Full Frame CCD) s meziřádkovým přenosem náboje (Interline-Transfer CCD) s přenosem snímků (Frame -Transfer CCD) Systémy s mechanickou uzávěrkou Využívají stejné obrazové pole pro expozici fotonem, integraci náboje i jeho přenos. K řízení expozice a blokování dopadu světla na senzor během čtení je použita mechanická uzávěrka. Pixely jsou zpravidla čtvercové, takže nedochází ke zkreslení obrazu při detekci. Senzory je možné osvětlovat jak z čelní tak i zadní strany Systémy s meziřádkovým přenosem Tyto systémy mají paralelní registr rozdělen na pruhy tak, že neprůhledný paměťový registr se nachází mezi sloupci pixelů. Elektronický obraz se akumuluje na exponované ploše paralelního registru. Během čtení CCD se celý obraz přesune prostřednictvím meziřádkové masky do skrytého posuvného registru. CCD s meziřádkovým přenosem vykazují relativně špatnou citlivost, protože velká část každého pixelu je pokryta neprůhlednou maskou Systémy s přenosem snímků Systémy s přenosem snímků mají oddělené obrazové a paměťové pole. Zaznamenaný latentní obraz je nejprve přesunut z obrazového pole do paměťového a během další expozice 4

6 obrazového pole rychle přesunut ( 300 mikrosekund) k okraji senzoru, kde je digitalizován. Paměťové pole má obvykle stejnou velikost jako obrazové a je odděleno neprůhlednou maskou jako štít proti osvětlení pixelů. Tento typ CCD umožňuje přenášet obraz spojitě bez uzávěrky a to vysokou přenosovou rychlostí. CCD s přenosem snímků mohou být také užity ve spojení s mechanickou uzávěrkou k rychlému zaznamenání dvou po sobě následujících snímků. Toho lze využít např. při záznamu dvou obrazů s rozdílnou excitační nebo emisní vlnovou délkou přiněkterých obrazových experimentech Systémy s přímou adresací pixelu Umožňuje přímý přístup k jednotlivým pixelům senzoru. Elektrický náboj je generován v pixelech sestávajících ze dvou kolmých elektrod (MOS tranzistorů), které slouží k uložení i přenosu fotogenerovaného náboje. Tento princip, využívaný jak v CCD, tak i v CMOS senzorech, umožňuje destruktivní (elektrický náboj je injekován do kontaktu) nebo nedestruktivní (náboj zůstává v pixelu a je možné provádět další expozici) čtení obrazu. 2.5 Digitalizace signálu Vlastní digitalizace signálu se provádí pomocí A/D převodníku (Analog Digital Unit ADU). Počet kvantovacích úrovní digitalizovaného signálu určuje tzv. barevnou hloubku zaznamenaného obrazu, ze které vyplývá počet různých barev, které lze na obrázku rozlišit. Nejčastěji se provádí záznam obrazů ve 24 bitové nebo 36 bitové barevné hloubce (na každý barevný kanál RGB připadá 8 bitů, resp. 12 bitů), pomocí které lze rozlišit až 16,7 milionů (68,7 miliard) barev. U digitálních fotoaparátů je informace ukládána buď ve formátech definovaných výrobci (např. RAW) nebo ve formátech využívaných u osobních počítačů (např. formát s bezztrátovou kompresí TIFF, resp. se ztrátovou kompresí JPEG). 3 Snímací zařízení 3.1 CCD senzory První čip Charge-coupled device (CCD) vyvinuli George Smith a Willard Boyle v roce 1969, ovšem původně ne pro digitální fotografie, ale jako paměť. První fotoaparát, který používal CCD čip byl uveden v roce 1975, avšak teprve v roce 1981 byl firmou Sony představen digitální fotoaparát s CCD čipy, který již převáděl výstup z CCD čipu do digitální podoby a ukládal jej na 2 magnetický pružný disk. Čip Super CCD je konstrukčně podobný CCD čipu. Nejdůležitější odlišností je tvar fotocitlivé buňky čipu, který není čtvercový jak je tomu u CDD, ale osmiúhelníkový, které mají výhodu nižších ztrát při interpolaci Princip činnosti CCD detektory využívají stejně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikální jev fotoefekt, který spočívá v tom, že částice světla fotony při nárazu do atomů, dokáží přemístit některý z jeho elektronů ze základního stavu do tzv. excitovaného stavu. 5

7 činnost CCD lze rozdělit dotří fází : Příprava CCD Expozice obrazu Snímání obrazu Konstrukce CCD Od svého vynálezu prodělalo CCD mohutný technický vývoj a vlastnosti moderních CCD jsou samozřejmě s vlastnostmi CCD, které poprvé drželi v ruce Boyle a Smith, naprosto neporovnatelné. CCD prvky dělíme do dvou základních kategorií, a to lineární a plošné CCD. Lineární CCD Lineární CCD jsou vhodná všude tam, kde nám stačí snímat pouze jednorozměrný obraz nebo se snímání ve druhém rozměru zajišťuje nějakým jiným způsobem. Příkladem snímání jednorozměrného obrazu je třeba čtečka čárového kódu, která z čárového kódu sejme kteroukoliv řádku (nemusí být ani kolmá na čáry kódu) a na výstupu dá množinu pulzů odpovídající černým a bílým čarám v kódu. Ty se pak v počítači dále zpracují na odpovídající číslice. Obr. 3: Snímání čárového kódu lineárním CCD Dalším příkladem zařízení se snímáním dvourozměrného obrazu pomocí lineárního CCD je fax nebo scanner. U těchto zařízení je snímání druhého rozměru obrazu zajištěno mikroposuvem snímaného obrazu nebo samotného snímače, případně pomocné optiky. Lineární CCD ve faxu sejme jednu řádku papíru, papír se o zlomek milimetru posune, CCD sejme druhou řádku a papír se opět posune. V běžných scannerech je naopak papír s předlohou nehybný a pod sklem scanneru se pohybuje osvětlovací výbojka, optika a lineární snímač CCD. Plošné CCD Základní konstrukce dvojrozměrného CCD je pouhým spojením mnoha lineárních CCD na jediném čipu. Namísto toho, aby náboje na koncích řad vstupovaly do obrazových zesilovačů, vstupují do dalšího lineárního CCD, které je k řadám kolmé a tímto CCD teprve postupují k jedinému zesilovači na jeho konci. 6

8 3.1.3 Vlastnosti a vady CCD Vlastnosti a rozlišení Existuje celá řada používaných velikostí CCD snímačů, které se většinou udávají v palcových mírách. Tato konvence byla odvozena od snímacích elektronek používaných v TV kamerách před vynálezem CCD snímačů tzv. vidikonů. Základním měřítkem v běžné fotografii se stala velikost políčka kinofilmu, která je 36 x 24 mm. Obrázek na kinofilmu má poměr stran 3 : 2. TV kamery a amatérské digitální fotoaparáty proto používají většinou poměr stran snímače 4 : 3, zatímco profesionální digitální fotoaparáty používají převážn. poměr stran 3 : 2. Počet použitelných buněk CCD prvku je vždy o něco menší než je jejich faktický počet. Jednak u barevného snímače jsou buňky v krajních řadách nepoužitelné kvůli Bayerově interpolaci, a jednak výrobci digitální elektroniky často nechávají na okrajích snímačů z různých konstrukčních důvodů ochranná pásma. Dynamický rozsah Dynamický rozsah udává rozsah odstínů od nejčernější černé k nejbělejší bílé, kterou je ještě CCD snímač schopen rozlišit. Z jedné strany je limitován kapacitou každé buňky CCD (kolik elektronů vzniklých interakcí fotonů je schopna pojmout) a z druhé hladinou vlastního šumu buňky. Šum Obr. 4: Dynamický rozsah snímače při základní a zvýšené citlivosti Šum vzniká z mnoha různých příčin, ale tou základní je tepelný pohyb krystalové mřížky polovodiče. Přiněm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu. Takový elektron je pochopitelně přitažen k expoziční elektrodě, a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Protože okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky a expozici od expozice, je nemožné z obrázků tento šum stoprocentně odstranit. Dynamický rozsah běžných CCD snímačů odpovídá proto pouze 4-5 expozičním stupňům, zatímco kvalitní filmový materiál má tento rozsah okolo 6-7 expozičních stupňů. K dosažení velkého dynamického rozsahu připřijatelné šumové úrovni je potřeba aby buňky snímače byly co největší (dosáhne se tak velké kapacity buňky a tím i zvětšení odstupu signálu od šumu). Proto malé formáty snímačů a nebo snímače s vysokým rozlišením mají vždy výrazně horší šumové vlastnosti než snímače větší a s nižším rozlišením. U vědeckých přístrojů se šum 7

9 CCD snižuje chlazením prvku (např. tekutým dusíkem). Vinětace Protože jednotlivé buňky CCD jsou vybaveny čočkami, dopadá na ně maximum světla pouze ze směru kolmého k rovině snímače. Jakmile dopadají paprsky jen mírně šikmo, je jejich účinnost zmenšená. Bohužel u běžného objektivu dopadají paprsky kolmo jen v prostředku obrazu a směrem ke krajům obrázku se jejich úhel zvětšuje. To se projeví jako postupné ztmavování obrazu směrem k okrajům. Z tohoto důvodu jsou na optiku pro digitální fotoaparáty kladeny, co se kolmosti paprsků týká nároky daleko vyšší než na optiku filmových aparátů. Blooming K tomuto jevu dochází při použití elektronické závěrky, pokud na některé pixely dopadne tolik světla, že přeteče jejich kapacita. Přebytečné elektrony se pak roztečou do okolních pixelů v řadě, takže okolo silného světla vzniknou na fotografii rovnoběžné čárky nepravidelných délek. 3.2 CMOS V digitálních fotoaparátech jsou čipy CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) novinkou několika posledních let. Technologie CMOS je starší, neboť se pomocí ní vyrábějí čipy do počítače. CMOS je sice výrobně složitejší než CCD, ale technologie výroby je perfektně zvládnutá. První CMOS čipy se začaly objevovat v low-end zařízeních jako webové kamery apod. Jejich kvalita byla dost nízká a nesrovnatelná s čipy CCD kompaktních fotoaparátů. Zdálo se, že čipy CMOS jsou "odepsané". Jenomže "díru do světa"udělala firma Canon, když začala do svých hi-end digitálních SLR dávat CMOS čipy. Hlavní výhodou CMOS čipů je, digitální výstup a tím odpadá potřeba použití A/D převodníku. Navíc CCD čip má větší spotřebu el. energie, což je jeden z hlavních problémů digitálních fotoaparátů. Další výhodou je výstup z CMOS čipu, kde každá buňka má svůj vlastní vývod a díky tomu je digitalizace provedena v jeden časový okamžik. To se projeví např. u sériového snímání. K plnému využití popsané výhody, musí mít digitální fotoaparát patřičně velkou cache pamět, pro dočasné uložení fotografií. 3.3 Foveon X3 V roce 2002 představila firma Foveon zcela novou technologii snímání obrazu. Vyšla z koncepce klasického kinofilmu. Obsahuje tři silikonové vrstvy z nichž každá pohlcuje jednu barvu, takže každá fotocitlivá buňka Foevonu X3 dokáže zachytit všechny tři barevné složky. U klasických CCD i CMOS čipů je potřeba k zachycení všech tří barevných složek pole 2x2 (GRGB -doplnění na čtverec). Díky tomu je přístroj s čipen Foevon X3 a rozlišením 4Mpix schopen konkurovat přístroji s klasickým CMOS či CCD čipem s rozlišením 16Mpix. Bohužel zatím existují pouze dva fotoaparáty s tímto čipem. Jsou to profesionální SLR Sigma SD9 a SD10. 8

10 Závěr Všechny nové technologie se budou do budoucna zaměřovat nejen na zvýšení kvality fotografií, ale také na výdrž fotoaparátů. Jedním z dalších problémů digitálních fotoaparátů je barevná hloubka. Ke zlepšení může napomoci čip Faveon X3, jedna z novinek poslední doby, avšak se zvyšujícím se rozlišením roste i velikost fotografií a tím pádem nároky na paměti. Každým rokem se posunují hranice digitálních fotoaparátů. S trochou nadsázky lze říci, že fotoaparát, který dnes používají profesionálové, může být za 5 let kouskem patřícím do muzea. Literatura [1] Wikipedie Wikipedie [online]. 1995, [cit ] Dostupné z URL: < [2] Fotografování.cz Fotografování.cz [online]. 2003, [cit ] Dostupné z URL: < [3] Megapixel.cz Megapixel.cz [online]. 2005, [cit ] Dostupné z URL: < [4] Digineff.cz Digineff.cz [online]. 2005, [cit ] Dostupné z URL: < 9