Technologie snímacích čipů u digitálních jednookých zrcadlovek

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technických věd a informačních technologií Tomáš Kocián Technologie snímacích čipů u digitálních jednookých zrcadlovek Bakalářská práce Vedoucí práce: Mgr. Jan Kubrický Olomouc 2011

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Technologie snímacích čipů u digitálních jednookých zrcadlovek vypracoval samostatně pod vedením Mgr. Jana Kubrického a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje. V Olomouci dne 21. března 2012 Vlastnoruční podpis autora

Poděkování Velmi rád bych poděkoval vedoucímu své bakalářské práce Mgr. Janu Kubrickému za cenné rady, připomínky a metodické vedení práce. Dále bych velice rád poděkoval Martinu Vachatovi a zaměstnancům firmy Foto Škoda za zapůjčení testovaných fotoaparátů a pomoc při jejich testování.

Anotace Bakalářská práce se zabývá záznamem digitálního obrazu jednookou digitální zrcadlovkou. Popisuje dnes užívané technologie v této oblasti a zaměřuje se na výslednou kvalitu fotografií v závislosti na použitém snímacím čipu. Práce se rovněž zabývá chybami v obraze, které přímo souvisí se snímacím čipem nebo obrazovým procesorem fotoaparátu a popisuje možnosti jak tyto fotoaparáty testovat. Výsledkem práce je pak srovnání výsledků testů několika fotoaparátů, které jsou dnes dostupné na trhu. Abstrakt This bachelor thesis deals with digital image recording by DSLR camera. Describes the technology used today in this area and focuses on the resulting image quality depending on the sensing chip. The work also deals with errors in the image, which is directly related to the sensing chip or image processor and describes ways to test these cameras. Result of this work is to compare test results of several cameras that are now available on the market. Klíčová slova snímací senzor, obrazový procesor, digitální šum, barevné podání, kresebnost, testování fotoaparátů, digitální jednooká zrcadlovka, digitální fotografie Keywords scanning sensor, image processor, digital noise, color rendering, testing cameras, digital single lens reflex, digital photography

OBSAH ÚVOD... 2 1. HISTORIE A VÝVOJ... 3 1.1 Historicky významné typy DSLR... 3 1.1.1 Sony MAVICA... 3 1.1.2 Kodak EO, DSC... 4 1.1.3 Nikon D1... 5 1.1.4 Canon EOS-1Ds... 6 1.2 DSLR v dnešní době... 8 2. SNÍMACÍ SENZORY... 9 2.1 Nábojově vázané obrazové senzory CCD... 9 2.2 Obrazové senzory CMOS... 12 2.3 Záznam barvy... 14 3. OBRAZOVÉ PROCESORY, DIGITALIZACE OBRAZU... 17 3.1 A/D převodník... 17 3.2 Obrazové procesory pro DSLR... 18 3.3 Formáty obrazového souboru... 19 4. TESTOVÁNÍ ČIPŮ PRO DSLR... 23 4.1 Testování digitálního šumu při zvyšující se citlivosti obrazového senzoru... 23 4.2 Testování výsledného obrazu na podání barev... 28 4.3 Test kresebnosti obrazového snímače... 33 ZÁVĚR... 36 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A INTERNETOVÝCH ZDROJŮ... 37

ÚVOD V bakalářské práci se zabývám technologií snímacích čipů u digitálních fotoaparátů a dalších prvků v elektronice těchto přístrojů, které přímo souvisí se zpracováním výsledného obrazu z čipu. Hlavní skupinou fotoaparátů, na kterou jsem se zaměřil, jsou digitální DSLR zrcadlovky. Tuto kategorii jsem vybral proto, že v součastné době reprezentují moderní trendy ve vývoji obrazových snímačů a procesorů (pokud tedy pomineme kategorii profesionálních, středoformátových fotoaparátů, se kterými se ale běžný uživatel nesetkává). Ve své práci budu tyto technologie srozumitelně popisovat, ale také poukazovat na možné chyby ve výsledném obraze, které právě s těmito použitými technologiemi vznikají. Pomocí testů, které jsem na vybrané skupině digitálních fotoaparátů provedl, budu některé z těchto chyb na příkladech demonstrovat a ozřejmím také, jak tato testování probíhají. Jelikož je testování digitálních fotoaparátů velmi široká oblast, zaměřil jsem se pouze na chyby obrazu, které vznikají v souvislosti s použitým obrazovým senzorem. 2

1. Historie a vývoj Celý obor digitálního snímání obrazu dospěl v několika málo letech a jedním z nejvýznamnějších důsledků tohoto vývoje je ustálení konstrukce fotoaparátů. Profesionální špičkové fotoaparáty jsou z mnoha dobrých důvodů jednooké zrcadlovky, které mimochodem tvarem a ovládáním nezapřou přímou příbuznost s jednookými zrcadlovkami na kinofilm, které ovládaly fotografii více než 40 let. Spotřebitelské digitální fotoaparáty se stále konstrukčně mění, ať už podle módy nebo pro účely marketingu, experimentuje se s ergonomií. Poloprofesionální a profesionální digitální fotoaparáty se však už významně měnit nebudou. Funkce se budou vylepšovat, forma je již stanovena. (FREEMAN 2007 s. 6) 1.1 Historicky významné typy DSLR 1.1.1 Sony MAVICA Za prvního předchůdce digitálních fotoaparátů můžeme považovat model Sony MAVICA (Magnetic Video Kamera) z roku 1981, který jako první používal výměnný disk k záznamu dat. Tento prototyp nebyl ještě digitálním fotoaparátem tak jak jej známe dnes, protože výstup z jeho CCD senzoru byl analogový. Výstupní video signál byl ve formátu NTSC v rozlišení 570 x 490 pixelů. Výsledné obrázky byly ukládány na diskety Mavipak 2.0, které byly později přejaty i jinými výrobci pod označením VF (Video Floppy). Snímky si bylo možno prohlížet na obrazovce televizoru a počítalo se i s jejich odesíláním přes telefonní síť. U pozdějších modelů z řady MAVICA byly pak výsledné fotografie ukládány na dvě 3,5 diskety o kapacitě 1,4MB v souborovém systému DOS FAT 12. S pozdějším rozvojem vysokokapacitních paměťových zařízení, digitalizací signálu ze senzoru a příchodem USB rozhraní začaly být tyto fotoaparáty kompatibilní i s paměťovými kartami Memory Stick. Nejprve přes disketový Memory Stick adaptér, později byl na přístroji vyhrazen samostatný Memory Stick slot. V roce 2000 byl na trh uveden model MAVICA MVC-CD 1000, který výsledná data zapisoval na 8 disk CD-R, ze kterého bylo možné data stahovat do PC z fotoaparátu přes rozhraní USB, pozdější modely pak dokázaly zapisovat i na disk CD-RW. [2] 3

Jak původní model MAVICA tak i jeho nástupci MVC-5000 a MVC-7000 byly koncipovány jako zrcadlovky s možností výměny objektivů. Model MVC-7 000 byl vybaven i adaptéry pro možnost použití objektivů od značek Nikon a Canon. 1.1.2 Kodak EO, DSC V roce 1987 byl ve firmě Kodak vyvinut první megapixelový CCD čip pod názvem M1. Zasazením tohoto snímacího čipu do těla klasické SRL zrcadlovky vznikl prototyp profesionální DSLR zrcadlovky označený jako Electro-Optic Camera. Tento fotoaparát předurčil koncepci vývojové řady Kodak DSC, ale také budoucí koncepci profesionálních DLSR zrcadlovek jak jej známe dnes. [3] Prototyp Kodak EO vznikl spojením klasického těla SLR fotoaparátu Canon F1 vybaveného vnitřním motorkem pro ostření a monochromatického KAF-1400 (M1) senzoru s rozlišením 1320 x 1035 pixelů. Fotoaparát již byl plně digitalizován, neboť byl vybaven 10bit A/D převodníkem pro převod analogového signálu ze senzoru na digitální a obrazovým procesorem Intel 80C196 ucontroller. Fotografie byly ukládány na vnitřní disk SCSI o velikosti 100MB. V koncepci se počítalo s přídavnou jednotkou, která byla s fotoaparátem propojena plochým kabelem pro sběrnici a fotograf ji nosil v brašně. Přídavná jednotka (tzv. black box) byla vybavena dalším SCSI diskem o kapacitě 200MB. Pro zrychlení přístroje byl fotoaparát vybaven 10MB vyrovnávací pamětí, která pojala až 6 snímků. [3] Z prototypu Kodak EO byl následně vyvíjen model Kodak Tactical Camera, který měl být určen pro vojenské účely a model Hawkeye II pro komerční využití. U řady Hawkeye II byl poprvé předveden senzor KAF-1300 (M3), který byl vyráběn jak v chromatické, tak i v barevné RGB verzi. Všechny tyto prototypy předurčily následný vývoj fotoaparátů Kodak řady DSC. Camera Imager Pixels CFA ISO FPS Depth Body Processor Intel 80C196 EO M1 1035x1320 Mono 200-800 5 6 Canon F1 ucontroller Intel 80C196 Tactical M1 1024x1280 Mono 200-800 5 12 Canon F1 ucontroller Intel 80C188 Hawkeye II int M1 1024x1280 Mono 50-400 0 4 Nikon F3 ucontroller Hawkeye II Intel 80C188 teth M1 1024x1280 Mono 50-400 2 6 Nikon F3 ucontroller Hawkeye II Intel 80C188 teth M3 1024x1280 Mono 50-400 2 6 Nikon F3 ucontroller Hawkeye II Intel 80C188 teth M3 1024x1280 3G RGB 50-400 2 6 Nikon F3 ucontroller Tab.1 Srovnání prototypů pro vytvoření DSLR Kodak [3] 4

První komerčně rozšířenou DSLR zrcadlovkou se stal model Kodak DSC 100. Při srovnání parametrů s prototypem Hawkeye II je jasné, že celá koncepce Kodak Professional DSC vychází právě z něj. Tělo fotoaparátu tvoří stejně jako u prototypu SRL zrcadlovka Nikon F3, která je osazena senzorem KAF-1300 v monochromatické nebo 3G RGB barevné verzi. O převod analogového signálu ze senzoru na digitální se staral 8bit A/D převodník a o optimalizaci snímků pak obrazový procesor Intel 80C188 ucontroller. [3] Hlavních změn však dosáhla přídavná jednotka DSU (Digital Storage Unit). Ta byla vybavena 200MB 3.5" SCSI pevným diskem, na který bylo možné ukládat komprimované fotografie ve formátu JPEG. Fotografie si zde poprvé bylo možno prohlížet na monochromatickém čtyřpalcovém LCD displeji. O potřebné napájení celého systému se pak staral dobíjecí akumulátor nebo 12V AC adaptér. [4] I když byl Kodak DSC ve své době revoluční přístroj, začala přídavná jednotka představovat pro další vývoj i pohodlné využívání celého systému problém. V roce 1992 tedy Kodak oznámil společný výzkum se společností Canon, Fuji, Minolta a Nikon s cílem vyvinout pokročilý fotografický systém. Výsledkem pak byl nový model DSC 200 (již bez přídavné jednotky) a pokračující řada DSC Professional, která zajistila firmě Kodak na několik let prvenství na trhu s profesionálními DSLR zrcadlovkami. 1.1.3 Nikon D1 V roce 1999 uvádí firma Nikon na trh svůj model D1. Fotoaparát Nikon D1 má v historii DSLR zrcadlovek významné místo, jelikož se jedná o první profesionální přístroj, který byl vyvinut a zkonstruován pouze jedním z velkých výrobců fotoaparátů. Tento fakt umožnil snížit výslednou cenu přístroje zhruba na polovinu. Uvedení tohoto modelu na trh bylo jasnou odpovědí na vedoucí pozici firmy Kodak na trhu s DSLR fotoaparáty, která nedokázala svým tehdejším modelem DCS 620 konkurovat. Pokud pomineme cenu, Nikon D1 navíc obsahoval 2,7Mpix senzor (oproti 2.0Mpix u DCS 620), takže podával kvalitnější výstup a umožňoval tisk větších fotografií. Na obr. 1 a tab. 2 můžeme vidět srovnání senzoru použitého u D1 s klasickými 35mm a APS analogovými formáty. Dále pak se senzorem Sony 1/1.8", který byl používán u kompaktních fotoaparátů a konkurenčním senzorem zrcadlovky Canon EOS 30. Nikon D1 se stal jasnou volbou pro novináře, kteří si jej pochvalovali, ale i ti brzy začali toužit po větším rozlišení a lepším barevném podání. Na tyto požadavky společnost 5

Nikon reaguje a v roce 2001 přichází nejprve s 2.66Mpix Nikonem D1H, který se chlubil vyšší pracovní rychlostí, jež dovolila exponovat až 5 snímků za sekundu a až 40 snímků v sérii za sebou. A novým Nikonen D1x, který měl snímač CCD 5.33Mpix. [5] Obr. 1 Porovnání velikostí senzorů Nikonu D1 s konkurencí [6] Sensor / Effective pixels Effective Imager Pixel (unit) Camera (millions) resolution size (mm) size (µm) Sony 1/1.8" CCD 3.12 2,048 x 1,536 5.52 x 4.14 3.45 Nikon D1 CCD 2.62 2,000 x 1,312 23.6 x 15.5 11.8 Canon EOS- D30 CMOS 3.11 2,160 x 1,440 22.7 x 15.1 10.5 APS negative (C type) n/a n/a 30.2 x 16.7 n/a 35mm negative n/a n/a 35.0 x 23.3 n/a 1.1.4 Canon EOS-1Ds Tab. 2 Porovnání velikostí senzorů Nikonu D1 s konkurencí [6] Dalším vývojovým stupněm, který se v oblasti profesionálních DSLR fotoaparátů nabízel, bylo vytvořit přístroj, jež by měl senzor stejně veliký jako je políčko kinofilmu u SLR zrcadlovky. U klasických kinofilmových zrcadlovek je nejčastěji používán 35mm formát (ten předpokládal velikost senzoru 36mm x 24mm), se kterým pak koresponduje značení ohniskové vzdálenosti na výměnných objektivech SLR. Většina výrobců používala senzory s menšími rozměry hlavně z důvodu nákladnosti samotné výroby související právě s jejich rostoucí velikostí. 6

Použitím menšího senzoru než je políčko kinofilmu (většinou 23mm x 15mm) a klasického SLR objektivu vznikne tzv. crop factor neboli prodlužovací faktor. Menší senzor zaznamená menší plochu obrazu promítnutého objektivem než políčko 36mm x 24mm, a tak je zorný úhel objektivu menší. Ve skutečnosti to znamená, že základní objektiv o ohniskové délce 50mm nasazený na digitální přístroj se senzorem o rozměrech 23mm x 15mm se bude chovat jako objektiv cca 80mm na filmovém přístroji. Hodnoty crop facoru se v závislosti na velikosti senzoru pohybují v rozmezí zhruba 1,6 2,0 v praxi to tedy znamená vynásobit ohniskovou vzdálenost kinofilmového objektivu velikostí crop facoru (50mm x 1,6 = 80mm). [1] Pokud chceme používat objektivy s velkými ohniskovými délkami je pro nás vliv crop facoru svým způsobem pozitivní (získáme větší přiblížení u digitálního přístroje než u analogového se stejným objektivem). Pokud ovšem chceme použít objektiv s krátkou ohniskovou vzdáleností je vliv crop facoru nežádoucí a objektivy ztrácí své širokoúhlé vlastnosti. Obr. 3 Výsledná velikost ohniska na vzrůstajícím crop factoru [7] Za první profesionální fotoaparát, který používal full frame senzor a nabídl tak svým zákazníkům možnost plně využívat objektivy ze svých SLR zrcadlovek byl Canon EOS 1Ds s rozlišením 11,4MPix a snímacím senzorem CMOS. 7

1.2 DSLR v dnešní době Za současné leadery v oblasti profesionální digitální fotografie můžeme považovat firmy Nikon a Canon. Každá z těchto firem má sice trochu odlišnou koncepci vývoje svých přístrojů, ale je jisté, že právě tyto dvě firmy určují směr, kterým se bude v příštích letech profesionální DSLR technika vyvíjet. Modely obou firem by se daly pomyslně rozdělit do několika kategorií a to na amatérské, poloprofesionální a profesionální zrcadlovky. U amatérských a poloprofesionálních přístrojů se počítá s rozšířením této techniky mezi obyčejné uživatele. Tomu odpovídá technické řešení těchto přístrojů. Těla zrcadlovek bývají vyrobena především z levnějších slitin plastů a bývají podstatně menší, aby mohla svým uživatelům nabídnout jistou kompaktnost přístroje. Ovládací prvky fotoaparátu bývají zjednodušené a často automatizované pro snadné a intuitivní užívání. K obsluze těchto fotoaparátů často nebývají nutné hlubší znalosti fototechniky. Těla profesionálních přístrojů bývají naopak mohutnější a mnohem odolnější k okolním vlivům, v současnosti se u profesionálních těl používá slitina hořčíku. K ovládání těchto přístrojů je již nutná znalost fototechniky. Oproti snaze některé postupy usnadnit nebo automatizovat, je zde spíše snaha nabídnout fotografovi co nejširší možnosti nastavení, aby bylo možné dosáhnout snímků s dokonalou technickou kvalitou a to často i ve velmi nepříznivých podmínkách. Tyto fotoaparáty bývají často osazeny full frame senzory typu CMOS. 8

2. SNÍMACÍ SENZORY Jak digitální fotoaparáty, tak i fotografické přístroje používající klasický film pracují na stejném principu. Vytvářejí záznam snímané scény za použití světelné energie, jež způsobuje změnu v materiálu citlivém na světlo. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že v digitálních fotoaparátech absorbuje světlo citlivý elektronický snímač neboli senzor, zatímco v klasických fotoaparátech se používá políčko na světlocitlivém filmu. [8] Čip ale není jen pouhou náhradou filmu. Je nedílnou součástí přístroje, naplňuje většinu jeho funkcí a sám je zbytkem zařízení také podporován. [1] Počátkem 70. let minulého století začaly být vakuové snímače obrazu nahrazovány polovodičovými. Vzhledem k nejvýhodnějším vlastnostem byl přednostně používán systém označovaný CCD (Charge Coupled Device nábojově vázané struktury), který je po mnoha technologických vylepšeních používán doposud. Dosažený technologický pokrok v současné době umožnil výrobu obrazových senzorů typu CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor). [9] 2.1 Nábojově vázané obrazové senzory CCD Obrazovými senzory CCD bývá dnes vybavena podstatná většina amatérských kompaktních fotoaparátů, ale také řada amatérských a poloprofesionálních DSLR zrcadlovek. Jde o skupiny fotoaparátů, kde není důležitá vysoká rychlost přenosu obrazových dat ze senzoru. Důležitější roli hraje cenová dostupnost přístroje pro koncového zákazníka. Proto je u těchto fotoaparátů vhodné používat senzory CCD, které mají podstatně nižší výrobní náklady oproti senzorům CMOS. Velkým výrobcem a inovátorem v oblasti CCD senzorů je firma Sony, která dodává tyto čipy i do DSLR přístrojů Nikon. Výjimku v tomto trendu tvoří digitální zrcadlovky Canon, která se zabývá vývojem svých vlastních CMOS senzorů, které používá u všech svých DSLR přístrojů. Princip nábojově vázaných senzorů spočívá v tom, že po dopadu světelného záření vzniká v každé buňce senzoru, podle stejného principu jako ve fotodiodě, elektrický náboj, jehož velikost odpovídá intenzitě dopadajícího optického záření. [9] Hlavní vlastností CCD senzorů je schopnost posouvat elektrický náboj, který je vyvolán dopadem světelného záření z jedné buňky do druhé viz obr.4. [9] 9

Obr. 4 Princip CCD senzoru [10] CCD senzor je pokryt sítí buněk, které udržují světlem uvolněné elektrony. Počet buněk je udáván jako rozlišení v pixelech. Pokud se na buňky přivede různé napětí, elektrony mohou být přelévány z jedné nábojové studny do sousední. Tak je možné náboj posouvat po ploše čipu. Tento proces je používán tehdy, je-li potřeba informaci z CCD čipu vyčíst. Balíky elektronů, reprezentující jednotlivé pixely, jsou posouvány do výstupního zesilovače, kde je elektrický náboj převeden na napětí. Toto napětí se objeví na výstupním pinu CCD čipu. Elektronika fotoaparátu pak musí toto napětí změřit (převést na číslo pomocí A/D převodníku) pro každý pixel. Informace o náboji akumulovaném v každém pixelu (a tedy o množství světla, která do každého pixelu dopadlo) tvoří datový soubor reprezentující obrázek. [11] Rychlost, jakou jsou výsledná data převedena z čipu a ten je tak připraven pro nový snímek, je jednou z klíčových vlastností fotoaparátu. Základ, na který jsou profesionální fotografové zvyklí je odvozen od klasických SLR zrcadlovek, je dán rychlostí 8 snímků za sekundu. Velké úsilí je nyní věnováno zrychlení procesu, aby se digitální zrcadlovky staly stejně rychlými jako ty filmové. V současnosti máme tři metody převodu dat z exponovaného čipu. [1] 1. Interline transfer je to základní tradiční postup, který dal senzorům CCD jejich jméno. Data z fotocitlivých buněk jsou po sloupcích postupně předávána do čtecích registrů umístěných po straně vedle. Řádky čtecích registrů jsou pak zpracovávány po jednom, přičemž konec jednoho řádku je provázán se začátkem následujícího řádku. Dalo by se říct, že CCD senzor tak funguje jako posuvný registr. Nevýhodou této metody pro fotografii je zdržení potřebné pro posun dat ve čtecích registrech a potřeba umístění čtecího modulu vedle fotocitlivých buněk, což omezuje velikost účinného otvoru buněk. [1] 10

2. X-Y adressing kde je každá fotocitlivá buňka zpracovávána samostatně a tím podstatně zkracuje čas pro interpretaci dat. Technologie vyžaduje přidat ke každé buňce přepínač, který opět vyžaduje prostor a snižuje tak účinný otvor. Tento postup je využíván spíše u senzorů typu CMOS. [1] 3. Full frame transfer je metoda, při které jsou všechny informace najednou předány do čtecí oblasti, která je stejně veliká jako samotný senzor. Musíme tedy přidat ještě jednu vrstvu pod fotocitlivé buňky. Díky tomu, že jsou převodové kanály pod buňkami, je zvětšen i prostor pro samotné fotocitlivé buňky. Metoda vyhovuje i požadavkům na zvýšení rychlosti senzoru. [1] V roce 1999 vyvinula firma Fuji novou koncepci CCD čipu a uvádí na trh typ senzoru super CCD (z technického hlediska znám jako PIA-CCD Pixel Interleaved Array). U čipů super CCD je využit poznatek, že zrakem lépe vnímáme horizontály a vertikály než diagonály, což vedlo k pootočení fotocitlivých buněk o 45. Obrazové buňky navíc nejsou čtvercové, ale osmiúhelníkové, což umožňuje ontagonální uspořádání. Jednotlivé buňky jsou tak blíže sobě což umožňuje zvětšit rozlišení až 1,6x 2,3x. [9] Na obr. 5 vidíme vývojové řady čipu super CCD, kde se využívá dvou typů fotocitlivých buněk. Velké S-pixely jsou obdobné jako na jiných CCD senzorech. Pokud na ně dopadá příliš jasné světlo, zobrazí ho čistě bílou barvou, což způsobuje ztrátu kresby na fotografii. Z tohoto důvodu je senzor doplněn o malé R-pixely, které mají díky své menší velikosti i menší citlivost na světlo. Díky tomuto jevu nám R-pixely umožňují vykreslit i takto přesvětlená místa a výsledná fotografie má potom větší obrazovou dynamiku. Tento tvar rozmístění buněk také napomáhá ke zvýšení citlivosti a zlepšení v oblasti šumu. Obr. 5 Vývojové řady čipu super CCD [12] 11

2.2 Obrazové senzory CMOS Jak už jsem výše uvedl, v současné době je nejrozšířenějším typem senzoru stále čip CCD, ale je pravděpodobné, že tato skutečnost už nebude za pár let platit. Dosažený technologický pokrok umožnil hromadnou produkci senzorů CMOS a pro výrobce začínají být mnohem více zajímavější výhody, které využití technologie CMOS přináší. V budoucnu se počítá s hromadným využitím CMOS senzorů hlavně u DSLR zrcadlovek. V oblasti amatérských digitálních fotoaparátů bude pravděpodobně stále užívána technologie CCD. Hlavní výhoda snímače CMOS, která vychází z konstrukce tohoto senzoru je nízká spotřeba energie. Oproti senzoru CCD, který potřebuje pro čtení (posun) získaných dat dvě napěťové úrovně, stačí senzoru CMOS pro čtení dat napěťová úroveň jedna. Nízká spotřeba čipu je samozřejmě velmi kladná vlastnost pro užití této technologie v přístrojích napájených baterií. S nižší spotřebou energie pak také souvisí nižší produkce zbytkového tepla, které způsobuje zahřívání senzoru. Tento jev se stal problémem hlavně u velkých CCD senzorů, neboť se vzrůstající teplotou roste i velikost digitálního šumu produkovaného snímačem. [13] Další výhodou CMOS snímačů, která začala hrát svou roli hlavně v posledních letech, je rychlost s jakou se dá přenést zaznamenaný náboj ze snímače na A/D převodník a připravit tak snímač na další expozici. Dokud byly fotoaparáty pomalé a rozlišení snímačů malé, nehrál tento faktor prakticky žádnou roli, ale dnes dochází u DSLR fotoaparátů k přenosu až desítek miliónů hodnot přes jedinou sériovou výstupní bránu a přitom je požadována připravenost snímače v řádu desetin sekund. Zde snímače CMOS vynikají svou schopností okamžitě a prakticky současně odvést zaznamenaný náboj ze všech buněk najednou a nezdržovat se posunem náboje a jeho postupným odčítáním. [13] Obrazové senzory CMOS dělíme na dva typy a to na pasivní senzor CMOS (PPS Passive Pixel Senzors) a aktivní senzor CMOS (APS Aktive Pixel Senzors). [14] Na obr. 6 vidíme uspořádání PPS senzoru. Buňka pasivního senzoru CMOS je zpravidla tvořena fotocitlivým prvkem, jež zde tvoří fotodioda, a tranzistorem MOS FET, který pracuje jako spínač. Výhodou takovéhoto uspořádání je možnost adresního výběru kterékoliv buňky, což výrazně ovlivňuje rychlost odečítání dat z čipu. Nevýhodou PPS senzoru je malá citlivost buněk a velký obrazový šum výsledného signálu. Z těchto důvodů se PPS senzory u digitálních fotoaparátů nepoužívají. [9] 12

Obr. 6 Uspořádání senzoru PPS [9] U aktivního CMOS senzoru je každá buňka doplněna o zesilovač signálu generovaného fotodiodou viz obr. 7. Zesílením signálu z fotodiody dochází ke zvýšení citlivosti buněk a tím také ke snížení výsledného digitálního šumu. Na druhou stranu se přidáním zesilovače do buňky senzoru snižuje činitel plnění, což je poměr mezi velikostí fotocitlivé buňky a velikostí buňky celkově. S novými technologiemi a postupným snižováním velikostí tranzistorů a dalších prvků integrovaných obvodů se činitel plnění zvětšuje. Stále je však menší než 100%. [9] Obr. 7 Uspořádání senzoru APS [9] 13

2.3 Záznam barvy Protože jednotlivé buňky senzoru zaznamenávají pouze intenzitu (jas) světla a nikoli jeho vlnovou délku je pro získání informace o barvě nutné dopadající světlo na buňku filtrovat. Celý senzor je tedy pokryt soustavou barevných filtrů zvanou Color Filter Array (CFA). Jde o soustavu červených, zelených a modrých filtrů, které jsou vždy po jednom umístěny nad každou buňkou. Uspořádání těchto filtrů na senzoru nazýváme Bayerova maska neboli Bayerova matice. Rozmístěním těchto filtrů na senzoru umožní to, že každá buňka bude vnímat jen světlo určité barvy. [1] V Bayerově masce se u většiny výrobců střídá červená, modrá a zelená barva, což odpovídá lidskému vnímání barvy založeném na třech druzích čípků v oku. Z tohoto důvodu je také použito dvakrát více zelených filtrů než modrých nebo červených, což souvisí s vyšší citlivostí lidského oka na zelenou barvu. Takovéto rozmístění filtrů označujeme jako RGBG. [15] Obr. 8 Klasické rozložení filtrů v Bayerově masce [16] Krom modelu RGBG existují na trhu i jiná řešení snímaní barev. Jedním z nich je model RGBE, který u svých fotoaparátů používá firma Sony. Jde o čtyřbarevný model, jak už z názvu vyplývá (Red Green Blue Emerald), ke kterému výrobce přidal místo opakující se zelené, světlý odstín modrozelené barvy (emerald). Ten by měl výslednému obrazu dodávat realističtější nádech, zvýšením gamutu a zlepšením reprodukce barev. [17] 14

Obr. 9 Rozložení barevných filtrů v modelu RGBE [18] Protože ale žádná z buněk neobsahuje úplnou informaci o barvě, je ještě nutné zbývající barevné složky dopočítat. Proces postupného dopočítávání nazýváme interpolace barev. Interpolace tedy znamená, že každý pixel obrazu potřebuje pro výpočet barvy znát informace ze 4 sousedních buněk. Z této čtveřice je pak obrazovým procesorem fotoaparátu vypočítán kompletní RGB jednoho pixelu. Pro výpočet barvy dalšího pixelu vybereme čtveřici o jeden pixel vpravo, po dokončení zpracování řády se posouváme o řádku níže (zase o jeden pixel) a pokračujeme dokud nejsou zpracována data ze všech pixelů. Díky této metodě je každý pixel použit čtyřikrát. Při použití koncepce RGBG pak vychází zelený kanál nejostřeji a obsahuje také nejméně digitálního šumu. [16] Systém masek a optických filtrů má ale kromě filtrace světelného signálu i další úkoly. Před každým senzorem je tedy ještě umístěn poměrně masivní systém filtrů, které mají eliminovat nebo upravit nežádoucí složky světla dopadající na buňky senzoru. Mezi tyto nežádoucí jevy patří například neviditelné složky světla (infračervené a UV záření), které by mohly ovlivňovat vyhodnocení barev některých buněk. Jednotlivé buňky totiž na tato spektra mohou reagovat a výsledné barevné podání by se pak mohlo jevit jiné než ve skutečnosti. [16] Dalším nežádoucím prvkem, který je možno systémem filtrů eliminovat je vznik tzv. moaré (angl. moire). Moaré se na výsledných snímcích projevuje jako rovnoběžné barevné čáry, které vznikají vzájemným působením tvaru mřížky fotocitlivých buněk čipu a podobné mřížky na fotografovaném objektu viz. obr. 10. S potlačením moaré nám pomáhá systém tzv. low pass filtrů zabudovaných přímo ve fotoaparátu nebo i systém konstrukce objektivů. Řešení, které by však tento jev úplně potlačilo u všech případů, zatím neexistuje. [1] 15

Obr. 10 Princip vzniku moaré [19] Zcela odlišný způsob záznamu barev zvolili výrobci čipu Foveon. Jde v podstatě o inovovaný CMOS čip, přičemž základní rozdíl spočívá v tom, že každá fotocitlivá buňka senzoru je schopna zpracovat informaci o všech třech barvách. Jelikož buňka senzoru obsahuje všechny barevné filtry, není zde už nutná interpolace obrazu a senzor se tak svými vlastnostmi nejvíce podobá třívrstvému barevnému filmu. Výrobci u čipu Foveon využili toho, že křemík, ze kterého jsou senzory vyráběny je průhledný a v závislosti na své tloušťce pohlcuje některé vlnové délky světla. Jedna vrstva je tedy určena pro modrou, jedna pro zelenou a jedna pro červenou barvu viz obr. 11. [20] Obr. 11 Srovnání Faveon X3 senzoru s klasickou Bayerovou maticí [21] 16

3. OBRAZOVÉ PROCESORY, DIGITALIZACE OBRAZU 3.1 A/D převodník Výsledný signál, který ze snímacího senzoru vychází je analogový. Pro další zpracování v obrazovém procesoru je ale potřeba toto analogové napětí převést na celé číslo, se kterým může obrazová jednotka dobře počítat. Právě o tento převod signálu z každé buňky senzoru se stará analogově - digitální převodník (A/D). A/D převodník tedy převede analogový signál na číselnou hodnotu. Rozsah těchto hodnot odpovídá dynamickému rozsahu. Počet úrovní je pak dán počtem bitů A/D převodníku. 8 bitové převodníky mají k dispozici 256 úrovní, 10 bitové mají dispozici 1024, 12 bitové 4096 a tak dále. Čím je tedy počet bitů převodníku vyšší, tím je přesnost převodu barev lepší a přechod mezi sousedními pixely je jemnější. [23] Citlivost jednotlivých buněk snímacího senzoru je neměnná a u DSLR zrcadlovek je tato hodnota zpravidla dána citlivostí ISO 200, i když tato hodnota se může v závislosti na výrobci měnit. Toto značení citlivosti digitálního senzoru je ekvivalentem k citlivosti kinofilmu. ISO 200 je tedy citlivost, při které fotoaparát podává snímky nejoptimálnější kvality, protože analogový signál jdoucí ze senzoru nemusí být zesilován a je dostatečně silný sám o sobě. Pokud se ale s fotoaparátem dostaneme do podmínek, kdy je světlo dopadající na senzor příliš malé nebo nedostatečné, je potřeba citlivost senzoru nějak zvýšit. Pokud jsme ale řekli, že je citlivost jednotlivých buněk snímacího senzoru neměnná, musíme tedy zesílit analogový signál vycházející ze snímače ještě před jeho převodem do digitální podoby. Se zesíleným obrazovým signálem se ale zesilují i jeho obrazové vady především digitální šum. Potlačení tohoto šumu je pak už prací obrazového procesoru. U nejdražších modelů DSLR se digitální šum daří omezovat do velmi vysokých hodnot a tyto modely dokáží potlačit digitální šum i při hodnotách ISO 3200. Digitální kompakty, které obsahují stejné obrazové procesory, ale podstatně zjednodušené, a u kterých je použit levnější snímací senzor, mohou potlačit hodnoty šumu maximálně do citlivosti ISO 400. 17

3.2 Obrazové procesory pro DSLR Další součástí, která má nemalý vliv na výsledný snímek, je obrazový procesor. Informace zachycené buňkami obrazového senzoru jsou dále přiváděny do A/D převodníku a odtud putují právě do obrazového senzoru, který je odpovědný za přerod těchto informací do výsledného snímku a za jeho následnou kompresi a uložení na paměťovou kartu. Oproti PC se ve fotoaparátu nevyskytuje pouze jeden víceúčelový procesor, ale jeho obrazová jednotka se skládá z několika čipů, které mezi sebou spolupracují. Takovýchto čipů může být v celé obrazové jednotce až 7 (například čip pro ostření, měření expozice, konverze dat do formátu jpeg aj.). To, jak rychle dokáže obrazový procesor odečíst data ze snímacího senzoru a zpracovat je do výsledného obrazu, udává pak i celkovou rychlost fotoaparátu. Skloubit všechny funkce jednotlivých čipů je pak úkolem složitých algoritmů neboli matematických postupů k vykonávání určité činnosti, které si každý výrobce chrání. Výslednou kvalitu těchto algoritmů může posoudit jedině vzhledem výsledného snímku. Jelikož si každý výrobce uchovává tajemství konstrukce a algoritmů v procesorech, můžeme se u každého z nich setkat s jinou verzí čipu. U firmy Canon je to systém Digic u Nikonu Expeed u Panasonicu Venus Engine a u Sony Bionz. Každá takto nově vyvinutá technologie je nejprve používána u nejdražších modelů DSLR zrcadlovek, ale postupem času proniká po jistém zjednodušení do všech modelů včetně kompaktních přístrojů. [22] Obrazový procesor digitálního fotoaparátu odpovídá především za tyto úkoly [1]: Činnost vyrovnávací paměti - Hlavně u profesionálních DSLR je velice důležitá rychlost snímání a s ní i připravenost fotoaparátu ke snímání dalšího obrazu. Ke zrychlení tohoto procesu je využívána vyrovnávací paměť (buffer). Do této paměti jsou ukládány snímky před výslednou úpravou, fotoaparát si tak odkládá jejich zpracování a může se věnovat snímání dalších dat ze senzoru. Využití vyrovnávací paměti umožňuje velmi rychlé sekvenční snímání. U profesionálních fotoaparátů je kapacita bufferu zobrazována v hledáčku. Barevné interpolace - Jednotlivé pixely jsou porovnávány s údaji o barvách svých sousedů, aby doplnili chybějící informaci o barvě. Odstupňování barevných odstínů na výsledné fotografii by mělo být hladké. Mezi další činnosti, za které odpovídá obrazový procesor patří také vytvoření a komprese výsledného obrazu na některý z požadovaných formátů, provedení jednotlivých 18

uživatelských nastavení z nabídky fotoaparátu, tvorba ostrosti a výsledného rozlišení fotografie. Obr. 12 Dvojitý modul 11Mpix čipů Canon [1] 3.3 Formáty obrazového souboru Způsobů, jak zapsat data digitálních obrázků, a tím je uložit je mnoho. Záleží vždy na tom, jak je navržen konkrétní kód zápisu. Historie celého oboru je tak dlouhá, že už vzniklo nesčetné množství formátů s různými vlastnostmi a je vždy jen na uživateli, pro který se rozhodne. Jiné typy souborů jsou vhodné pro práci s vektorovou grafikou, jiné pro práci s fotografiemi. Dalším hlediskem, kterým se uživatel řídí je, zda zvolí formát se ztrátovou nebo bezztrátovou kompresí. V současné době se u digitální fotografie nejvíce využívají formáty TIFF a RAW, které používají bezztrátovou kompresi a JPEG, který je ztrátový. [24] Bezztrátovou kompresí rozumíme překódování a jakési zhuštění dat výsledného obrázku, při kterém ale nedochází ke ztrátě nebo k odstranění žádných dat. Výhodou těchto formátů je, že si zachovávají plnou obrazovou kvalitu. Hlavní nevýhodou bezztrátové komprese je časová náročnost při ukládání souborů na paměťovou kartu fotoaparátu díky větší velikosti těchto souborů a jejich nutná editace v počítači, která je rovněž časově náročná. [24] 19

Na druhou stranu ztrátová komprese sice poškodí původní obrázek, ale ne vždy to musí být tak veliká míra poškození, aby ji zaznamenalo lidské oko. Nejpoužívanějším ztrátovým formátem je v součastné době formát JPEG a to snad u všech výrobců digitálních fotoaparátů. Míra komprese je dána poměrem, který si volí uživatel přímo na fotoaparátu většinou z přednastavených možností 1:4, 1:8, 1:16. Výhodou této komprese je menší datová velikost souborů, které je tak možno snáze zpracovávat v grafických programech, u kterých má zvláště formát JPEG velmi širokou podporu. Snazší je i publikace těchto souborů na webu. [1] RAW Název tohoto formátu byl odvozen z anglického slova raw znamenající surový, neupravený, hrubý. Je to z toho důvodu, že tento soubor obsahuje nejméně upravená data ze senzoru. RAW formát je nejčastěji využíván profesionálními fotografy, neboť je nutná jeho další úprava v počítači a následné vyvolání. Vyvoláním RAW souboru pak rozumíme přepočítání obrazu v PC. Toto nastavení může být pro běžného uživatele složité, neboť jde opravdu o surová data ze snímacího čipu, která neobsahují informace o vyvážení bílé ani nejsou ukotvena k žádnému standardnímu barevnému prostoru. To vše je nutno nastavit až při vyvolání a vyžaduje jistou zkušenost s prací v editorech na zpracování RAWu. Na druhou stranu ale uživatel získá největší možnost a svobodu ovlivnit výsledný snímek svými úpravami, případně možnost vyrobit z jednoho originálního RAW snímku několik třeba i naprosto odlišných fotografií v TIFF nebo JPEG formátu. [25] Možnou nevýhodou formátu RAW může být to, že se výrobci fotoaparátů neshodli na jeho standardizované formě a každý z nich si podle svých potřeb definoval vlastní verzi. Tento fakt klade na uživatele nároky pořídit si k fotoaparátu i program, který danou verzi RAWu podporuje. Nestandardnost tohoto formátu potvrzují i odlišné koncovky souborů pro každého výrobce viz tab 3. [25] 20

.raf.crw.cr2.kdc.dcr.mrw.nef.orf.dng.ptx.pef.arw.srf.sr2.x3f.raw Fuji Canon Kodak Minolta Nikon Olympus Adobe - otevřený standart Pentax Sony Sigma Panasonic TIFF Tab. 3 Odlišné koncovky formátu RAW v závislosti na výrobcích [25] Formát TIFF (Tagged Image File Format) byl původně navržen výrobci skenerů pro účely ukládání skenovaných obrazů. V minulosti se jednalo o velice populární formát díky tomu, že nabízel bezztrátovou kompresi. Dnes je však u fotografií čím dál častěji nahrazován formátem RAW. Součastným vlastníkem formátu TIFF je firma Adobe, která jej však nelicencuje. [26] TIFF je postaven na používání tzv. tagů (visaček, etiket) pomocí kterých je popsána organizace dat uvnitř souborů, jejich velikost a použitá komprese. Jde o tzv. kontejnerový formát, který dokáže přenášet různá data za použití různých druhů komprese. Kontejner je pak jakýsi přenašeč, který je definován jednotlivými tagy. Šíře možností, které využití tagů nabízí může však způsobovat problémy s kompatibilitou takto uložených dat. Z tohoto důvodu se častěji využívá ukládání při zachování maximální kvality bez použití komprese. TIFF tedy bývá používán spíše pro ukládání meziverzí různých obrazů nebo k archivaci pro tisk ve vysoké kvalitě. Oproti RAWu nese tento formát ještě výhodu v možnosti ukládání několika vrstev či stran do obrazu. Stejně jako JPEG umožňuje TIFF uchovat i tzv. EXIF informaci, která s sebou nese údaje o nastavení fotoaparátu v době, kdy byla fotografie pořízena. [26] JPEG/JFIF Jde o nejrozšířenější ztrátovou kompresi užívanou pro digitální fotoaparáty. Svoji zkratku nese z Joint Photographic Experts Group, což je název fotografické komise, která tento standart vytvořila. Zkratkou JPEG však rozumíme jen specifikaci zpracování dat. Skutečným názvem souborového formátu je zkratka JFIF (JPEG File Interchange Format), 21

která se stala synonymem pro JPEG. Hlavní výhodou JPEG/JFIFu je široká možnost nastavení komprese, takže je možné fotografie v tomto formátu připravit pro velmi kvalitní tisk, ale i pro prezentaci na webu. Finální velikost souboru pak závisí na stupni použité komprese a obsahu fotografie. Jde o to, že u ostré fotografie plné detailů můžeme použít jen velmi malou úroveň komprese, aby nedošlo ke znehodnocení fotografie, které už by bylo znatelné pro lidské oko. U fotografie na které je jemný portrét s rozostřeným pozadím si ale můžeme dovolit kompresi vyšší, neboť ztráta kvality v rozostřené oblasti nebude pro lidské oko tolik znatelná. [27] Princip samotné komprese pak spočívá v tom, že je vstupní obraz v barevném modelu RGB převeden do modelu YCbCr. Tento model obsahuje jasovou složku Y a dvě barevné složky Cb a Cr. Důvod pro převod na tento barevný model je, že lidské oko je více citlivé na změny v jasu než v barevných složkách. Z toho plyne, že barevné složky můžeme komprimovat 2x více než jasové a lidské oko to nepostřehne. To samo o sobě značně zmenší velikost souboru. Další krok je proveden pro všechny složky YCbCr. Obraz je rozdělen na čtverce 8x8 pixelů a uvnitř těchto pixelů proběhne diskrétní Cosinova transformace (DCT). To znamená že místo 8x8 = 64 čísel je uloženo jen několik čísel reprezentujících vzorek pro daný čtverec. Nakonec už je na celý obraz aplikována bezztrátová komprese a fotografie je uložena ve formátu.jpg. [27] 22

4. TESTOVÁNÍ ČIPŮ PRO DSLR Testování DSLR a obecně digitálních fotoaparátů je velmi široká oblast. Zvláště u jednookých zrcadlovek existuje široká škála testů od posuzování kvality objektivů, přes celkovou funkčnost a ovládání fotoaparátu, až po testování vlastností snímacích čipů. Já jsem se v této práci zaměřil na testování snímacích senzorů a s nimi i na obrazové procesory, které mají na výslednou podobu fotografie nemalý vliv. Zvolil jsem takové typy testů, ke kterým není zcela nutné využít laboratorní podmínky a k jejich vyhodnocení stačí srovnání pouhým pohledem. Hlavní náplní mého testování je tedy posouzení růstu digitálního šumu při zvyšování citlivosti senzoru, test barevného podání, vyvážení bílé barvy pro daný typ obrazového procesoru a posouzení kresebnosti senzoru. Ve svých testech se také opírám o poznatky a výzkumy asociace DIWA, jež je celosvětovou organizací internetových webů, které se zabývají testováním digitálních fotoaparátů. Tato organizace zřizuje také jednu z nejlépe vybavených laboratoří DIWA Labs, která je určena pro profesionální testování fotoaparátů všech kategorií. Českým a slovenským zástupcem této asociace je pak server fotoaparat.cz, zabývající se recenzemi a testováním digitálních fotoaparátů. [28] 4.1 Testování digitálního šumu při zvyšující se citlivosti obrazového senzoru Za šum u digitální fotografie považujeme nahodilé, nežádoucí informace, které zakrývají původní a chtěný obraz. Fotografie, která obsahuje digitální šum se pak může jevit jako zrnitá nebo pokrytá drobnými barevnými body. Digitální šum vzniká obecně při špatných světelných podmínkách, zpravidla zvyšováním citlivosti senzoru, tedy zesilováním signálu jdoucího do A/D převodníku. Šum neboli zrno může být pro některé prvky umělecké zvláště pak černobílé fotografie dokonce i žádoucím jevem. Obecně ale platí, že čím nižší hladina šumu, tím kvalitnější přístroj. Proto je nutné fotoaparáty na přítomnost tohoto jevu testovat, aby bylo možné srovnat dané technologie a výrobce. Jednou z příčin vzniku digitálního šumu jsou teplotní změny v elektronických součástkách a kolísání počtu fotonů na fotocitlivé buňce, které ovlivňují výstupní analogový signál. Tento typ nazýváme nahodilý šum (random noise). Ze statistiky sledování tohoto jevu byl vyvozen závěr, že úroveň šumu je úměrná druhé odmocnině úrovně hodnoty světelného 23

signálu. Z toho vyplývá, že čím více světla na senzor dopadá, tím je úroveň digitálního šumu nižší. Naopak při nedostatku světelného signálu, zahřívání senzoru a při zmenšování fotocitlivých buněk, hladina šumu stoupá. [29] Dalším typem šumu je tzv. temný šum (dark noise). Tento šum vzniká zahříváním senzoru fotoaparátu. Takovéto navýšení teploty může na buňce senzoru vyvolat signál jako by na něj dopadalo světlo. Tento signál potom není možné odlišit od skutečného snímaného obrazu. Úroveň temného šumu roste se zvyšujícím se stářím senzoru a jeho zvyšující se teplotou. K odstranění temného šumu stačí danou scénu vyfotografovat s uzavřenou závěrkou a tento snímek pak odečíst od skutečného. [29] Posledním typem šumu je zesilovací šum (amplification noise). Digitální fotoaparáty umožňují pro daný snímací senzor nastavit hodnotu citlivosti ISO. Na rozdíl od klasického filmu, kde byla hodnota citlivosti dána použitím filmu z jiného materiálu, je senzor neměnný. Výstupní analogový signál je tedy nutno zesílit a s ním je zesílen i obsah digitálního šumu na fotografii. Největší problém pak nastává u signálu z modrého kanálu. Ten má totiž nižší intenzitu než červený a zelený kanál, a tak je nutné jej zesílit už při interpolaci obrazu. Dalším zesílením před přechodem do A/D převodníku tato chyba dále roste. [29] Způsob jak otestovat fotoaparát na přítomnost a úroveň digitálního šumu je v podstatě jednoduchý. Nejčastěji se šum testuje vyfotografováním určité scény postupně pro každou danou citlivost senzoru, a takto pořízené snímky se mezi sebou porovnají. Často je dobré na těchto snímcích provést výřez detailu, na kterém je úroveň poškození fotografie více patrná při pouhém pohledu oka. Úroveň kvality zpracování a odstranění šumu fotoaparátu pak ještě lépe posoudíme, srovnáme- li mezi sebou více modelů. Při tomto srovnání je pak více patrné, která technologie se umí s digitálním šumem lépe vyrovnat. Je třeba dát si ale pozor, aby byly fotografie pořízeny za stejných světelných podmínek a snímaly pokud možno stejný obraz. K tomuto srovnání může být vhodné fotografování určité scény ve fotoateliéru, kde nejlépe zajistíme konstantní osvětlení. Dalším způsobem, jak lépe rozlišit úroveň šumu je vyfotografovat některý z testovacích obrazců. Na obrazcích s několika úrovněmi šedé barvy nebo na barevném testovacím obrazci, kde je šum snáze rozlišitelný a navíc jej můžeme posoudit v jednotlivých barevných složkách. Je ale nutné použít profesionální obrazec, neboť špatně zhotovená předloha, ať už chybným zvolením tisku, nebo špatnou kvalitou předlohy, pak může výsledky porovnání zkreslit chybami na samotném obrazci. Z hlediska kvality tisku je nejvýhodnější použít obrazce zhotovené osvitovou metodou (tedy osvitem z kinofilmu). 24

Testování: První sérii testů jsem provedl na skupině fotoaparátů firmy Canon. Ve svém výběru modelů jsem vycházel z aktuální nabídky na trhu a snažil jsem se zastoupit všechny uživatelské úrovně. Jedinou kategorií, kterou jsem musel opomenout, jsou full frame DSLR fotoaparáty, které patří ke špičkám daných firem a jejichž cena často přesahuje hodnotu 100 000,-. Kč. Díky vysoké pořizovací ceně jsou tyto fotoaparáty zřídkakdy zapůjčovány k testování. Všechny nové modely řady EOS, ze kterých jsem při testování vycházel, jsou vybaveny novým procesorem DIGIC 4 a snímacími senzory CMOS, které Canon sám vyvíjí. Pozitivním krokem ze strany firmy je i 14bit A/D převodník použitý u všech kategorií. Fotoaparát Canon EOS 1100D Canon EOS 600D Canon EOS 60D Canon EOS 7D Typ snímače CMOS CMOS CMOS CMOS Velikost čipu 22,3 x 14.9 mm 22,3 x 14.9 mm 22,3 x 14.9 mm 22,3 x 14.9 mm Rozlišení 12,2 Mpx 18,0 Mpx 18,0 Mpx 18,0 Mpx A/D převodník 14bit 14bit 14bit 14bit Obrazový procesor DIGIC 4 DIGIC 4 DIGIC 4 2x DIGIC 4 Kategorie Vstupní/Amaterská Amatérská Poloprofesionální Profesionální Přibližná cena těla [kč] 9000,- 15 500,- 24 500,- 36 000,- Crop faktor 1.6x 1.6x 1.6x 1.6x Tab. 4 Testované fotoaparáty firmy Canon [30] Vstupním modelem součastné nabídky firmy Canon je model EOS 1100D. Záměrně uvádím název kategorie jako vstupní, jelikož se předpokládá, že majitel této zrcadlovky nemá v této oblasti ještě zkušenosti a jde o jeho první setkání s DSLR zrcadlovkou. Tomu nasvědčuje i cena přístroje, nižší rozlišení senzoru a ovládání uzpůsobené pro amatérského uživatele. Pro hodnocení úrovně šumu jsem pak zvolil testování při hodnotách citlivosti na světlo ISO 100, 200, 400, 800, 1600, 3200. Při těchto úrovních jsem postupně fotografoval běžně osvětlenou venkovní scénu. U jednotlivých fotografií jsem pak zhotovil výřezy pro lepší rozpoznatelnost a srovnání úrovně šumu. V první časti pro všechny testované hodnoty ISO, v druhé pak pro ISO 200 a ISO 3200 k lepšímu zhodnocení nárůstu šumu v těchto krajních polohách. 25

Obr. 13 Porovnání digitálního šumu u modelu EOS 1100D Další výsledky z testu první série fotoaparátů Canon jsou umístěny v příloze 1 a na přiloženém CD. Testy proběhly postupně ve všech uživatelských kategoriích, jak je uvedeno v tab. 4. Pro podrobnější přezkoumání výsledků testů doporučuji shlédnout data v plném rozlišení na monitoru PC, kde nevzniká zkreslení dané tiskem. Druhou sérii testů jsem provedl za stejných podmínek pro fotoaparáty značky Nikon. Do svého výběru jsem zařadil podobně jako u první série modely, které reprezentují součastnou nabídku na trhu a zároveň i jednotlivé uživatelské kategorie. Tyto fotoaparáty jsou osazeny procesory EXPEED 2 a 12bit převodníky (s výjimkou modelu D 300s) viz tab 5. Do svého výběru jsem ještě zařadil netradičně i amatérský kompaktní fotoaparát Nikon 1 V1, který využívá procesor EXPEED 3. Tento procesor je zatím využit jen u top modelu firmy Nikonu D3 a bude zakomponován až do nové série modelů, která je v tuto dobu postupně uváděna na trh. Pro srovnání jsem ještě otestoval i model Samsung NX 200, který zase na trhu konkuruje nezvykle vysokým rozlišením senzoru 20,3 Mpx. 26

Fotoaparát Nikon 1 V1 Nikon d3100 Nikon d7000 Nikon d300s Samsung NX 200 Typ snímače CMOS CMOS CMOS CMOS CMOS Velikost čipu 13,2 x 8,8 mm 23,1 x 15,4 mm 23,1 x 15,4 mm 23,6 x 15,8 mm 23,5 x 15,7 mm Rozlišení 10,1 Mpx 14,2 Mpx 16,2 Mpx 12,3 Mpx 20,3 Mpx A/D převodník 12bit 12bit 12bit 14bit 12bit Obrazový procesor EXPEED 3 EXPEED 2 EXPEED 2 EXPEED 2 DRIM III Kategorie Kompakt Vstupní/amatérská Poloprofesionální Profesionální Kompakt Přibližná cena těla [kč] 20 000,- 12 000,- 26 000,- 31 000,- 14 000,- Crop faktor 2.7x 1.5x 1.5x 1.5x 1.5x Tab. 5 Testované fotoaparáty firmy Nikon a Samsung [31] [32] Obr. 14 Porovnání digitálního šumu u modelu D300s Pro jednodušší srovnání výsledků testů jsem ještě dané fotografie obodoval a vše zanesl do tabulky (tab. 6). Jako kritérium hodnocení jsem zvolil tři body, kdy jeden bod náleží fotografiím s nízkým nebo nerozlišitelným digitálním šumem, dva body fotografiím s mírným šumem ale dobrou ostrostí a kresbou, a tři body pak patří fotografiím s vysokým 27

šumem a špatnou kresbou. Pokud by při testech byly použity podmínky fotoateliéru a fotografovaným objektem by byl testovací obrazec (např. několik stupňů barev od bílé až po černou), byl by odečet mnohem jednodušší, a tak bych mohl zvolit větší bodové rozpětí. To by samozřejmě umožnilo ještě přesněji odlišit kvalitu jednotlivých modelů. N1 V1 N d3100 N d7000 N d300s S NX 200 EOS 1100D EOS 600D EOS 60D EOS 7D 100 1 1 1 2 1 1 1 1 200 2 1 1 1 2 1 1 1 1 400 2 2 1 1 2 2 2 2 2 800 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1600 3 3 2 2 3 3 3 2 2 3200 3 3 3 2 3 3 3 3 3 Tab. 6 Výsledné zhodnocení testů šumu Z výsledků testů vyplývá celkem očekávaný fakt, a to, že dražší modely DSLR si s digitálním šumem umí poradit lépe. Nejlepší výsledky podal model Nikon D300s, nejhorší výsledky potom samozřejmě kompaktní fotoaparáty. Za nejvýhodnější fotoaparát v poměru ceny a výkonu bychom mohli označit model Canon 1100D, který nabízí v podstatě stejnou kvalitu jako podobný model konkurence Nikon D3100, ale v tuto chvíli je k dostání za nejnižší cenu ze všech testovaných fotoaparátů (včetně kompaktních přístrojů). 4.2 Testování výsledného obrazu na podání barev Zdroje světelného signálu, které člověk vnímá jako bílé, ve skutečnosti bílé nejsou. Mají svoje spektrum. Nejběžnějším zdrojem světla je Slunce. Slunce ale svou barvu (spektrum) mění v závislosti na denní době, počasí nebo nadmořské výšce. Spektrum ranního a večerního slunce je např. zabarvené do červena, pokud je zamračeno, tak spíše do modra atd. [33] Když se díváme na bílý předmět, je jeho barva bílá, protože odráží všechno světlo, které na něj dopadá a nemění jeho spektrum. Dopadá-li na předmět světlo bílé, jeví se nám jako bílý, dopadá-li však na něj světlo modré, jeví se nám jako modrý. Takže svítí-li na bílý předmět (např. papír), denní světlo má takovou barvu, jaké spektrum odráží. Přesto se však v jakékoli denní době pro lidské oko bude papír jevit jako bílý. [33] 28