Úvod Co je to pixel pixel

Úvod V tomto článku jsem se snažila přiblížit technologii fungování CCD senzorů. Jsou to senzory, s kterými se dnes setkáváme téměř u všech moderních záznamových přístrojů jako jsou digitální kamery a fotoaparáty, dalekohledy a skenery. Zaměřila jsem se na popis funkce senzorů a způsob tvorby barevného obrazu, typy používaných CCD, jejich výhody, nevýhody a vhodnost použití. Zmínila jsem se také o některých vlastnostech a parametrech těchto senzorů. 1) Pixel 2) Co je CCD I Tvorba a zpracování obrazu (černobílý, barevný) Vyhodnocení barvy Interpolace Typy CCD – progresivní, prokládaný, plošný, super CCD Výroba Velikost 3) Co je CCD II Tvorba a zpracování obrazu, rozlišení Typy snímačů – prokládané, progresivní Zpracování barev – barevný filtr, řádkové snímače, multi-shot, multi CCD Skenery – průsvitné, odrazivé předlohy, pohyb snímače 4) CCD a CMOS 5) Parametry CCD čipu Geometrie Kvantová účinnost Šum Architektura Cena Citlivost

Co je to pixel (11.3.1999) Podobně jako v kapitole o CCD musím upozornit na terminologickou nejasnost.

V běžné praxi hovoříme o tom, že CCD má tolik a tolik pixel" - má 820 000 pixelů, nebo má dva megapixely (dva miliony pixelů). Také o digitálním snímku říkáme, že má dejme tomu 640x480 pixelů a pod. A tady POZOR: jde o ZCELA NĚCO JINÉHO, to čemu se říká pixel na CCD je součást harwaru, je to technické zařízení, kdežto pixel na obrázku je prostě puntík, z něhož se obrázek skládá, je to barevná skvrna. Proto jsem si dovolil převzít termín "buňka" z výborné knížky ing. Jaroslava Hyana DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE (vydal JTH-SOFT, Praha 1998, k dostání je na př. v Aaronu v Praze v Ječné ulici) ve smyslu "zobrazovací element CCD prvku", kdežto slovo "pixel" rezervuji pro barevný bod obrázku. Podívejte se na libovolnou fotografii v novinách. Nic zvláštního, prostě fotka. Když si ji prohlédnete lupou zjistíte, že se skládá z bodů. Také digitální obrázek se skládá z bodů - a takový bod se jmenuje pixel (Picture element - tedy základní prvek či bod digitálního obrazu). Fotka v novinách má různé stupně šedi, od (skoro) bílé do (skoro) černé. Znovu si prohlédněte

ty body. Zjistíte, že jsou všechny stejně černé, avšak různě veliké - tím je vyvoláván dojem polotónů u černobílé fotky v novinách. Na obrazovce monitoru je to jiné, tam jsou pixely stejně veliké, avšak mají různou hodnotu jasu (někdy svítí víc a jindy míň) a jinou hodnotu barvy. Také televizní obrazovka je puntíkatá, a když byste hodně zvětšili políčko negativu, uvidíte tak zvané zrno. I to jsou fakticky takové pixely. A kdybychom si dali na sklíčko mikroskopu sítnici lidského oka, viděli byste světlocitlivé čípky - co jiného to je, než pixely? Lidské oko má 120 milionů "pixelů", pokud jde o políčko kinofilmu, obvykle se uvádí, že "použitelných" je pět miliónů. Víme, že jádro digitálního aparátu tvoří snímač CCD, tedy destička pokrytá snímacími body. Podle toho, kolik snímacích bodů na CCD je, tolika pixelový obrázek je schopen snímač vygenerovat. Logicky, že čím větší, tím lépe. Ještě do roku 1998 to bývaly "megapixelové" CCD - tedy schopné vytvořit obrázek 1 - 1,5 mega pixelů, nyní je budou postupně nahrazovat "dvoumegapixlové" přístroje a na "trojku" nebudeme jistě dlouho čekat. Limitu 5 Mp se dotkneme podle mého odhadu do tří let. Rostoucí počet pixelů výsledných obrázků závisí na vzrůstu počtu snímacích prvků na CCD. Říkáme, že roste rozlišovací schopnost digitálních aparátů. Ale pozor: existuje dvojí rozlišovací schopnost, optická a interpolovaná. Ta optická skutečně závisí na počtu zobrazovacích bodů CCD prvku: když jich bude milion, "vyrobí" se obrázek s milionem pixlů. Jedná se však o digitální fotografii. Takže mezi dva sousední pixely lze "dopočítat" neexistující třetí, jaké by měl hodnoty, kdyby tam nějaký byl. Mezi dvěma tmavočervenými body jistě bude taky tmavočervený bod... Právě toto provádějí s obrázky mnohé fotokamery. Některé velmi dobře, například Agfa používá skvělé "vylepšovací" softwary. Nicméně, určující je optická rozlišovací schopnost. Jakmile se zajímáte o digitální aparát, vždycky zkoumejte jeho optickou rozlišovací schopnost.

Co je to CCD I Mluvme nejdříve obecně o obrazových senzorech. CCD stejně jako jeho druh CMOS je totiž obrazový senzor, tedy zařízení citlivé na světlo, generující obraz. V kapitole o Pixelech jsme si všimli, že obrázky jsou tvořeny z bodů, jimiž se v praxi digitálního obrazu říká pixel. Základním zdrojem těchto pixelů jsou v digitální fotografii právě tyto speciální senzory. CCD bez náboje (prázdné skleničky) Jsou to malé destičky (donedávna zpravidla o úhlopříčce čeká na expozici 1/3 palce, nyní stále častěji větší 1(2 palcové) složené z

polovodičových buněk, tedy elementů citlivých na světlo. Představme si je zvětšené - jako tác, na němž je vedle sebe naskládáno veliké množství skleniček, jedna vedle druhé (obrázek vlevo). Před začátkem fotografování, tedy před začátkem expozice jsou prázdné. Je to něco podobného, jako když v naprosté tmě uvnitř aparátu čeká na osvit nové políčko filmu - tam ovšem místo polovodičových buněk jsou mikroskopická zrnka halogenových sloučenin stříbra. Prakticky jde o totéž, jenom technická realizace je jiná. Pak stiskneme spoušť a aktivujeme závěrku (některé senzory samy fungují

jako závěrka, tedy na patřičnou dobu se aktivují, jiné aparáty používají elektromagnetickou, jiné elektro-optickou závěrku, to nás však v danou chvíli nemusí zajímat). Na dobu vymezenou expozičním automatem nebo naším manuálním nastavením začnou dovnitř objektivem vnikat světelné paprsky. Pro názornost si zobrazíme paprsky odražené ze stinných míst jako krátké linky, paprsky odražené jako delší linky: představme si, že to jsou řady elementů světla, fotonů - jako kdyby světlo teklo (obrázek vpravo). Všimněte si, že do některých skleniček "tečou" kratší "proudy" fotonů a někde jsou Cvak! Exponujeme a na CCD proudy delší. Jsou to fotony, které přicházejí skrz objektiv dopadají objektivem světelné paprsky z více osvětlených částí obrazu. Co udělají tyto fotony, částice světla? Na filmu narážejí do krystalů halogenových sloučenin stříbra a způsobí změny v jejich struktuře, které pak způsobí, že se ve vývojce krystal zvětší, je pak vidět a stane se zrnem negativu, tedy jakýmsi pixelem. Na CCD dojde k něčemu obdobnému. Fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů. Toto je vidět na třetím obrázku vlevo. Červená tekutina ve skleničkách, to je ono množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů. Množství fotonů a množství elektronů je tedy podobné, analogické. To je důležité zjištění, pořád totiž ještě nejsme u ničeho digitálního! CCD snímače takto fungují už pětadvacet let ve videokamerách! Abychom se dostali k digitálnímu záznamu, je třeba, aby se množství"tekutiny", tedy velikost elektrického náboje vyvolaného dopadem světa, změřila a vyjádřila číselnou hodnotou. No a to vidíme na čtvrtém obrázku vpravo. Zde už jsou čísla, samozřejmě "obyčejná". Jenže to už je jednoduché převést naše běžná čísla do dvojkové soustavy, na sled nul a jedniček, jimž počítače rozumějí.

Světelné paprsky "vyrazily" z buněk elektrony červená "voda"

Ještě si řekněme, že v CCD prvku se obsah "skleniček" čili náboj v buňkách - měří či skenuje po řadách. Je to velmi složitý proces a má několik technických řešení - viz kapitolu o progresivním a prokládaném CCD. V každém případě se tímto procesem měří fakticky jen světlo co do jeho intenzity. Je jasné, že tam, kde je na fotografované předloze tma, "sklenička" se nenaplní, v buňce žádný náboj nevznikne, bude to černá buňka, tedy černý pixel. Tam kde je maximální jas, vznikne pixel bílý. Jsme tedy u Tak. A máme to číselné, tedy máme to "digi" černobílého obrazu.

Jednotlivé buňky CCD prvku zachycují světlo a mění energii dopadajících fotonů na elektrický náboj. Nejsou tedy samy o sobě schopny nijak "měřit" barvu dopadajícího světla, tedy jeho vlnovou délku. Tím pádem "nevědí", jestli ten který paprsek, odražený od fotografovaného objektu a zachycený objektivem byl odražen dejme tomu od hnědé kůry stromu, žlutého písku nebo červené cihly. "Vnímají" jen světlo a stín. Držme se i nadále našeho příkladu s baňkami, přičemž obsah baněk znázorňuje elektrický náboj. Před ústí každé baňky nasaďme filtr, tedy skleněné víčko v jedné ze tří základních barev RGB, tedy červená, zelená a modrá, které dohromady dají bílou barvu a ve vzájemném poměru jsou schopny vyjádřit libovolnou další barvu. Na našem obrázku je více zelených filtrů než modrých a červených. Tak tomu v praxi je. Z praktických důvodů se totiž buňky organizují do čtveřic, tudíž jedna ze tří barev tam musí být obsažena dvakrát. Volba padla na zelenou. Co se tedy děje, jakmile svazky paprsků odražených od fotografovaného objektu projdou objektivem a pokračují na prvek CCD ? Projdou filtry. Zelený propustí zelenou Do buněk v CCD světlo prochází část spektra a odrazí modrou a červenou; podobně červený přes barevné filtry odrazí zelenou a modrou složku a konečně modrý propustí modrou složku a odmítne zelenou a červenou. Uvnitř baňky opět vznikne elektrický náboj, ale jeho mohutnost už nezávisí jenom na intenzitě světla, nýbrž na jeho barevném složení. Takže procesor, který vyhodnocuje informaci získanou z CCD ví, že - hodně zjednodušeně řečeno - buňka číslo 1 v řadě 1 má zelený filtr, buňka 2/1 červený, buňka 3/1 zelený atd., pak v další řadě 1/2 modrý, 2/2 zelený, 3/2 modrý atd. Touto metodou procesor získá první informace o barevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD. Zatím je ale ještě daleko do barevného obrazu. Připomeňme si, jak se barvy skládají dohromady: jakmile jsou všechny v plné intenzitě, modrá + červená + zelená dají bílou, červená + modrá je purpurová, zelená + modrá je azurová a zelená a červená je žlutá. Když jsme si toto připomněli, snadno pochopíme, jak může procesor vytvořit z informace o třech barvách vytvořit barevný pixel, základní stavební prvek digitální fotky. Pro názornost jsem převzal stupnici od 0 do 255, jaká se pro základní barvy používá v obrazových editorech. "Nula" je žádná barva (tedy bílá), kdežto "255" je maximální odstín.Dejme tomu, že zobrazovací buňky CCD prvku nasnímaly obraz, vznikl v nich elektrický náboj, ten byl v převodníku "analog - digital" vyhodnocen a převeden do digitální, tedy číselné podoby. Podívejme se na schema vlevo. Procesor vyhodnocuje informaci ze čtyř buněk (zde pro názornost propojených žlutým kroužkem). Červená má hodnotu 255, zelená (bez ohledu na to, že jsou dvě zelené) 255, modrá buňka taktéž 255. Procesor z této informace "ví",

že výsledný pixel je bílý. Na obrázku bude bílý bod. Proces pokračuje, procesor bude vyhodnocovat informaci z buněk 2 a 3 v první řadě a 2 a 3 v druhé řadě, ty mají stejné hodnoty (nejsou na obrázku vyznačeny, ale je očividné, že barvy jsou stejné) a dojde ke stejnému závěru. Takto postupně vyhodnotí čtyři úplné čtveřice - takže kdyby náš imaginární CCD prvek měl těchto 9 buněk, metodou vyhodnocování čtveřic bychom došli ke čtyřem pixlům na digitální fotce. Schéma vpravo ukazuje jinou situaci. Buňky mají jinou barevnou hodnotu, opět vyjádřenou číselně: červená má hodnotu 183, zelená 147, modrá 98. Výsledný pixel je tudíž hnědý. A opět, postupně by došlo k vyhodnocování čtyř úplných čtveřic z CCD prvku o devíti buňkách. Toto je nejhrubší schematické vyjádření procesu, který začíná průnikem paprsků skrz objektiv na plochu CCD prvku posetou buňkami, přes vznik elektrického náboje, přes převodník analog-digital do procesoru, který porovnává informaci ze sousedních buněk. Praxe je samozřejmě složitější. Buněk jsou statisíce, ba miliony. Buňky mohou mít různé tvary, nemusejí být čtvercové. Vyhodnocovat se nemusí čtveřice, mohou to být trojice (ovšem každá buňka z trojice je opatřena filtrem se základní barvou a nese informaci o červené nebo zelené nebo modré složce). Co je INTERPOLACE Interpolace je důležitý pojem, s nímž se budete setkávat - zde je jen stručná informace, více se dozvíte v samostatném článku. Vraťme se k našim schematů. Na tom prvním (kde nám vyšel bílý pixel) procesor zhodnotil jednu čtveřici, pak druhou čtveřici, pak šel níže a vyhodnotil další dvě čtveřice. Pokaždé došel k výsledku "bílá". Kdybyste byli na místě toho procesoru, položíte si logickou otázku: "Jakou barvu by měly pixely MEZI těmito bílými pixely, kdyby buněk bylo víc?" Samozřejmě že taky bílou, to dá rozum. Takže byste nasázeli mezi pixely které jsou vypočítané z REÁLNÝCH, tedy EXISTUJÍCÍCH buněk CCD prvku, vymyšlené, dopočítané čili INTERPOLOVANÉ prvky. Stejně byste postupovali i v druhém případu, kdy jsme došli k hnědým pixlům. Skutečnost je samozřejmě složitější - náš příklad uváděl "jednobarevné obrázky" (první bílý, druhý hnědý), kdežto skutečnost je mnohem pestřejší. Ale i tady lze interpolovat. Dejme tomu mezi tmavší a světlejší pixel dané barvy lze vpálit pixel, který bude na půl cesty od světlejšího ke tmavšímu. Toto se skutečně děje v praxi digitální fotografie. Některé interpolační metody jsou velmi důmyslné a obrázek markantně zlepšují - ovšem v každém případě jde o obraz umělý, dopočítaný, který nenese žádnou další informaci, jen vypadá líp. Nakonec si řekneme, jak vlastně se informace o intenzitě a barevné hodnotě světla dostane z jednotlivých buněk přes převodník analog-digital do procesoru, v němž vznikají pixely. Už jsem se zmínil, jde o složitý proces a různé typy aparátů nabízejí dvě základní řešení - a v poslední době dokonce tři: progresivní sken, prokládaný sken a metodu, kterou bych přeložil jako plošný sken (FTC neboli Frame Transfer Charge - obecně přijímaný český výraz zatím není k disposici). Progresivní sken Připomenu, že CCD je zkratka anglického "coupled charge

device". Tedy zařízení (device), které pracuje s propojeným nábojem (coupled charge). Jak tomu rozumět? Pokusil jsem se to znázornit opět na schématickém obrázku, znázorňující progesivní sken. Představme si hrubý CCD prvek o dvaceti buňkách ve čtyřech řadách. Spodní řada je načítací registr, zde se náboje z jednotlivých buněk jaksi "řadí do fronty" a odcházejí přes zesilovač do konvertoru analog - digital. Jakmile náboje odešly, do registru sestoupí náboje z následující řady, ovšem protože jsou to propojené náboje (couppled charges), o jednu klesnou všechny řady. Informace z jednotlivých buněk odcházejí z řádky (row), která klesla do registru, jedna po druhé přes zesilovač do analog/digitálního převodníku a pak už v digitální podobě do procesoru, kde se vyhodnocují informace ze sousedních buněk a takto postupně vznikají ony skutečné pixely, z nichž se skládá obrázek. Mějme na paměti, že informace z každé buňky se posuzuje několikrát - vzhledem k jejím sousedům. Problematické jsou krajní - proto obrázek zpravidla nemá tolik pixelů, jako je buněk na CCD prvku. Prokládaný (interlaced) sken Progresivní sken se používá u dražších fotoaparátů teď se dostáváme k praxi, všimněte si, že informace o tom, zda je CCD progresivní (progressive) nebo prokládaný (interlaced) patří k základním parametrům přístroje! CCD užívající prokládaného skenu vypadají složitěji, avšak výrobně jsou jednodušší a proto levnější. Jejich funkci si ukážeme opět na schematickém obrázku. Zase vidíme buňky s barevnými filtry, avšak buňky jsou proloženy pomocnými registry. Náboj přechází z buněk nejdříve do pomocných registrů a teprve z nich postupují do hlavního registru a potom zase přes zesilovač do analog/digitálního převodníku a procesoru. Plošný sken Tato moderní metoda je varianta progresivního skenu a někdy bývá zaměňována. Jde o to, že z CCD prvku typu FTD (Frame Transfer Device) přecházejí všechny náboje najednou do přenosového registru náboje (Charge Shift Register). Z tohoto CTR pak náboje odcházejí do zesilovače a A/D převodníku a procesoru. Ovšem co je důležité - v tuto dobu je CCD prvek už opět přichystaný k další expozici. Podstatné pro praxi je to, že tyto CCD prvky, respektive fotoaparáty takovými CCD vybavené, nepotřebují žádnou mechanickou závěrku, náboj vyhodnocují po dobu určenou expoziční automatikou. Pro praxi si zapamatujme, že progresivní a FTD CCD prvky jsou dražší, mají lepší zobrazovací schopnosti a tudíž jsou jimi vybaveny aparáty spíše vyšší třídy, kdežto prokládané CCD prvky jsou rezervovány levnějším aparátům: vyrábějí se ve větších sériích (lze je použít i v jiných oborech, než ve fotografii), kdežto progresivní CCD jsou stavěny výhradně pro použití v oblasti digitální fotografie.

Co je to super CCD Už první zprávy o superCCD se zmiňovaly o osmihranných světlocitlivých prvcích. Tyto informace však byly poněkud zavádějící, neboť naznačovaly, že prvky jsou v CCD rozděleny na velké a malé, přičemž velké mají zelené filtry a malé červené a modré. Pravda je jiná, jak patrno z

názorného obrázku. Princip nového CCD je založen na poznatku, že lidské oko citlivěji vnímá vertikály a horizontály, než diagonály (tedy svislice a "vodorovnice" spíše než úhlopříčky). Proto je struktura CCD oproti tradičnímu řešení posunuta o 45stupňů. Podle tvrzení Fuji nové uspořádání umožnilo stisknout prvky více k sobě, takže ve výsledném efektu to vypadá, jako by rozlišení bylo od 1,6 do 2,3 krát větší. SuperCCD má citlivé prvky opatřené mikročočkami. Tím se podařilo zvýšit jejich citlivost, takže odpovídá ISO 800 (30 DIN). Nové řešení - opět podle oficiálního sdělení - umožňuje rychlejší načítání informace, takže lze uvažovat o videozáznamech o rychlosti 30 snímků za vteřinu ve velikém rozlišení - o jakém dosavadní videokamery nemají zdání. CCD je řešen tak, že nepotřebuje závěrku, což zjednodušuje konstrukci a tudíž vede ke zlevnění výroby (našinec se nad tímto tvrzením pousměje). Fuji připravuje uvedení na trh přístrojů s tímto CCD už na jaro 2000. Fuji slíbila i amatérskou digitální videokameru s rozlišením 4 milionů pixelů, jakož i jednookou zrcadlovku, zřejmě pro profesionální fotografy. Jak se vyrábí CCD Některé aparáty mají dokonce tři CCD (na červenou, zelenou a modrou složku), jiné dva. Podívejme se nejdříve, jak CCD vypadají. Toto je kolekce CCD prvků používaných v různých přístrojích firmy Kodak. V běžných aparátech naleznete ten nejmenší z nich úplně vlevo, má úhlopříčku 1/3 palce. Všimněte si i lineárních CCD - to jsou ty podlouhlé, ve spodní části obrázku. Ty se používají při ateliérové digitální fotografii, při snímání t.zv. trojrozměrnými skenery. Tento CCD používané firmou Kodak senzor se při expozici posouvá a (foto eff © ) snímá obraz po řádcích, lze to přirovnat k obrazovce televizoru. Toto jsou už hotové CCD senzory, tedy opatřené paticemi k připojení do přístroje.

CCD senzor má jako základ desku z čistého křemíku. Na snímku vidíte křemíkový kotouč s 31 CCD. V podmínkách ultračistého provozu, kdy lidé pracují ve speciálních skafandrech, se na křemíkovou desku mikrofotograficky nanášejí jednotlivé vrstvy, kterých je dohromady až šedesát. Každá plní speciální funkci - o konkrétní konstrukci nejsou vydávány tiskové zprávy a patří to k firemnímu tajemství. Řezání kotouče je mimořádně delikátní operace. Řez musí být absolutně kolmý, mezi vrstvami nesmí vzniknout žádná nerovnost nebo štěrbina pak by CCD byl nefunkční. Lze předpokládat, že při této Skupina CCD na křemíkové desce ještě před rozřezáním. operaci vzniká velký odpad - i to přispívá k vysoké ceně (foto eff © ) CCD. Nařezané destičky se potom zapracují do patic. Ke složitosti zařízení přispívá i nutnost užívat tří různých napětí. Nelze doufat v zásadní zjednodušení tohoto procesu a proto se vkládá tolik nadějí do technologie CMOS.

Jak je to s velikostmi CCD Rozměr CCD se obvykle udává v palcové míře: 1/2,7´´, 1/1,8´´ nebo 2/3´´ a pod. Když oprášíte školní vědomosti a osvěžíte si Pythagorovu větu, dojdete... k falešnému výsledku, jak upozorňuje ing. Antonín Vajčner ze zkušební laboratoře VUZORT. Jde o historické označování rozměrů snímacích elektronek v televizních kamerách v 50.tých létech. Míra se tedy netýká snímače, ale skleněného obalu kolem snímače. Z důvodů poněkud nepochopitelných se toto podivné měření udrželo. Reálná úhlopříčka snímače je přibližně 2/3 uváděné úhlopříčky v palcové míře. Takže, 2/3 palce je plus mínus 16 mm, ale sám snímač má úhlopříčku 11 mm (8,8 x 6,6 mm). Přesné údaje přináší následující tabulka: Co tvrdí tradiční označení Typ

Poměr stran

Reálná velikost snímače v mm

průměr trubice (mm)

úhlopříčka

šířka

výška

1/3.6"

4:3

7.056

5.000

4.000

3.000

1/3.2"

4:3

7.938

5.680

4.536

3.416

1/3"

4:3

8.467

6.000

4.800

3.600

1/2.7"

4:3

9.407

6.592

5.270

3.960

1/2"

4:3

12.700

8.000

6.400

4.800

1/1.8"

4:3

14.111

8.933

7.176

5.319

2/3"

4:3

16.933

11.000

8.800

6.600

1"

4:3

25.400

16.000

12.800

9.600

4/3"

4:3

33.867

22.500

18.000

13.500

Srovnání s rozměry klasického negativu APS

3:2

nespecifikován

30.100

25.100

16.700

35 mm

3:2

nespecifikován

43.300

36.000

24.000

645

4:3

nespecifikován

69.700

56.000

41.500

Co je CCD II Snímací prvky se objevují ve velkém množství nejrůznějších zařízení. Asi nejvíce jsme si CCD spojili s digitálními fotoaparáty a skenery. Najdeme je však i v některých klasických videokamerách a používají se v různých obměnách v nejrůznějších zařízeních. Jejich funkce je zdánlivě jednoduchá. Jak jméno opisuje, tyto obvody snímají dopadající světlo a převádějí jej do podoby digitálního obrazu. Zkratka CCD v sobě skrývá slovní spojení Charge Coupled Device. Tyto fotocitlivé obvody převádějí dopadající světlo na elektrický náboj. Ten je pak měřen a převáděn do digitální podoby. Každý snímač je složen z velkého množství samostatných miniaturních buněk zaznamenávajících světlo samostatně. Digitální obraz je vždy složen z jednotlivých bodů (anglicky pixel). Každý bod má svojí barvu a jednotlivé body dohromady vytvářejí mozaiku obrazu. Pro lepší představu jsme pro vás připravili 5x zvětšený výřez fotografie s jasně patrnými jednotlivými body. Proč jsme se věnovali jednotlivým bodům obrazu? Protože jedna buňka snímače vyprodukuje právě ten jeden bod na výstupu, pokud se budeme bavit o obdélníkových snímačích. Z toho plyne jednoduchá rovnice. Čím více buněk má snímač, tím větší získáme obraz. Rozlišení snímače se udává v celkovém počtu buněk. Například pokud máme snímač s rozlišením 850.000 bodů (snímacích buněk) produkuje obraz s rozlišením 1024x768 bodů. Moderní snímače mají rozlišení 2-3 milióny bodů a špičkové snímače mají až 10 miliónů buněk. U skenerů se většinou používají takzvané řádkové snímače. Ty nesnímají obraz najednou pomocí mozaiky buněk, ale provádějí snímání po jednotlivých řádcích. Snímač má tři řádky buněk s řádově tisíci buněk. Celý snímač se pohybuje horizontálně a snímá jednotlivé řádky separátně. Na snímači jsou tři řádky z důvodu zachycení barev, ale o tom se budeme bavit až v následujícím článku. Podívejme se zblízka na jednu buňku snímače. Ta je vyrobena z několika desítek různých velice tenkých vrstviček materiálu. Celá buňka má velikost několika desetin milimetru. Na této malé ploše se odehrává převod světla na elektrickou energii. Zjednodušeně řečeno se odečítá rozdíl napětí vzniklý na dvou oddělených vrstvách. Tyto dvě vrstvy jsou doplněny celou řadou filtrů a dalších komponent, aby výsledkem byla hodnota napětí reprezentující dopadající světlo. Pro lepší názornost si přiblížíme fungování buněk snímače na velmi oblíbeném příkladu. Představme si, že každá buňka je nádoba. Světlo je pro potřeby našeho zjednodušení nahrazeno deštěm. Buňka

pak funguje tak, že se v ní zachytává dopadající déšť po dobu, kdy je odkryta (expozice). Pak už jen stačí změřit, kolik vody se v nádobě zachytilo a je hotovo. Na závěr dnešního povídání o CCD se budeme věnovat tomu, jak se změní elektrický proud na digitální hodnotu pro jeden bod. Za tímto převodem stojí pochopitelně analogově-digitální převodník. Ten vychází z toho, že buňka produkuje napětí řekněme 0 - 5mV. Protože výstupem jsou hodnoty v rozsahu 0-255, rozdělí tento člen rozsah 0-5mV na 255 dílků a například napětí 2,5mV přiřadí hodnotu 127. Zde se všeobecně používá ještě jedna technologie, o které se příliš nepíše. Tou je změna citlivosti snímače. Každý snímací prvek je nějakým způsobem citlivý na světlo. Tento fakt se je označován jako citlivost a většinou se pohybuje v rozsahu 75 až 200 ISO. Pokud výrobce potřebuje zvýšit citlivost snímače posune pouze rozsah převodníku. V lepším případě tuto možnost dá přímo uživateli. Jediným problémem je takzvaná hladina šumu, což je v podstatě nepřesnost jednotlivých měření. A to je pro tento článek vše. V příštím pokračování se zaměříme na to, jakým způsobem se zpracovává barevná informace a jak vlastně vzniká barevný obraz. Dnešní pokračování seriálu věnovaného CCD snímačům bude celé věnované plošným snímačům, se kterými se nejčastěji můžete setkat právě u digitálních fotoaparátů nebo videokamer. Jak jsme si řekli v minulém díle, jde o prvky obdélníkového tvaru složené z miliónů snímacích buněk. Buňky samotné jsou buď obdélníkové (video snímače), čtvercové (klasické pro DF) nebo plástvové ( Super CCD). Každá buňka měří dopadající světlo a podle jeho intenzity generuje elektrický náboj. Ten se musí ze snímače odvést na analog-digitální převodník, který zpracuje elektrický náboj na digitální informaci. Podle toho, jakým způsobem se provádí zpracování náboje se rozlišují dva základní typy snímačů. Prokládané snímače ( interlaced ) Byly původně vyvinuty pro televizní a video techniku, ale můžeme se s nimi setkat i u mnoha digitálních fotoaparátů. Jejich konstrukce je přizpůsobena tomu, jak se zpracovává televizní obraz, tedy řádkově. Televizní obraz je rozložen na řádky a zvlášť se přenášejí liché a zvlášť sudé řádky. Pro tuto technologii jsou uzpůsobeny prokládané snímače. Ty po expozici nejprve zpracují liché řádky obrazu a pak zpracují sudé. U video kamer je to postup zcela přirozený a expozice sudých a lichých řádků je prováděna separátně stejně jako zpracování. U digitálních fotoaparátů je potřeba obraz zpětně složit. Úplně nejjednodušší variantou je pracovat pouze s lichými řádky. S tím jsme se mohli setkat třeba u CASIA QV-10, ale protože rozlišení snímače je příliš cenné, je to postup velmi výjimečný. Složitější cestou je elektronicky obraz složit. Samozřejmě je potřeba zaručit, že po dobu zpracování všech řádků se obraz nezmění, což se musí realizovat mechanickou závěrkou.

Postup práce u digitálního fotoaparátu je tedy následující :

1. Proběhne expozice senzoru. 2. Pomocnými registry je odveden náboj z lichých řádků do hlavního registru, řádek po řádku. 3. Následně je stejnou cestou zpracován náboj ze sudých řádků. 4. Mimo snímač je obraz složen dohromady. Vše je znázorněno na obrázku. Ve skutečnosti jsou snímače u fotoaparátů otočeny o 90 stupňů, takže z řádků se stávají sloupce, což je vidět i na našem obrázku. Výhody : • •

Pro záznam video signálů je prokládané prvky ideální. Jednotlivé půlsnímky (sudé a liché řádky) se zpracovávají separátně a nevznikají žádné technické problémy. Díky masové výrobě video kamer jsou prvky poměrně levná a výrobní technologie je přijatelně komplikovaná.

Nevýhody pro digitální fotografii: • • • •

Je nutné skládat obraz nebo se spokojit s polovičním rozlišením. Zpracování je pomalé a vylučuje rychlé časy závěrky. Vyžaduje mechanickou závěrku, aby nedošlo ke změně obrazu v době zpracování. Pokud není použita může docházet k rozostření nebo řádkovému posunu obrazu. Většina prvků používá pomocné registry a výrobci často používají interpolační algoritmy na dopočítání rozlišení.

Progresivní snímače (progressive) Druhou velkou skupinu snímačů tvoří takzvané progresivní snímače. Ty zpracovávají celý obraz najednou, což je sice technologicky složitější, ale přináší to velké výhody. Progresivní snímače se vyrábějí poměrně velmi komplikovanou technologií v malých sériích, takže jsou velmi nákladné. Co je důležité, informace se zaznamenává a zpracovává ve všech buňkách součastně. To přináší vyšší ostrost, přesnost podání obrazu a samozřejmě to umožňuje použití elektronické závěrky s velmi krátkými časy. Celkově se tedy dá říct, že progresivní snímač je zatím nejlepším řešením pro digitální fotografii, které je k dispozici. Zpracování může probíhat dvěma způsoby. U nejdražších modelů se používá technologie FTD (Frame Transfer Device), u které se ze všech buněk najednou odvede náboj do pomocných registrů a pak se dále sériově zpracovává. To je ta nejlepší a také

nejkomplikovanější alternativa, takže se s ní můžeme setkat jen opravdu zřídka. Mnohem častější je takzvané řádkové čtení, které si detailněji popíšeme:

1. Dojde k expozici všech buněk. 2. Náboj z prvního řádku se přenese do pomocného registru a z něj je postupně zpracován bránou 3. Do prvního řádku se posune náboj z druhého řádku a postupně dojde k posunu náboje po celém snímači o jeden řádek dolů. 4. Opakuje se postup od bodu jedna, dokud není načten celý obrázek. Výhody : • •

Přesné zachycení obrazu s minimálním zkreslením. Umožňuje velice krátké časy a použití elektronické závěrky

Nevýhody : • •

Výrobně velmi nákladné a složité řešení Nevhodné pro videokamery z čehož plyne malosériová výroba

V předchozích dílech našeho seriálu jsme si vysvětlili, jak pracují CCD snímače a jakým způsobem se rozdělují. Zcela jsme však opominuli otázku zpracování barev. Doposud jsme se bavili pouze o tom, že snímače jsou citlivé na světlo, ale jak je to vlastně s barvou světla? Snímače jako takové barvu dopadajícího světla nerozlišují. Každá buňka registruje pouze intenzitu světla, nikoli jeho frekvenci, která udává barvu světla. Snímač samotný je tedy barvoslepý a přirozeným výstupem je obrázek ve škálách šedé. S černobílou fotografií se v současnosti vystačit nedá, takže je k dispozici celá řada technologií, jak rozlišovat barvu světla dopadajícího na snímač. V dnešním a příštím dílu si popíšeme běžně používané technologie.

Zpracování barev Barevný filtr Všechny dále popsané postupy vycházejí z použití barevných filtrů. Barevný filtr slouží k odfiltrování určité části spektra a propouští pouze vybrané frekvence. Například červený barevný filtr propustí pouze světlo s vlnovou délkou odpovídající odstínu červené barvy, všechny ostatní vlnové délky pohltí.

Protože snímače pracují s dopadajícím světlem, jeho barvu zaznamenávají v takzvaném RGB barevném režimu. Ten vychází z toho, že každá barva se dá reprezentovat jako poměr tří základních barev. Zkratka RGB reprezentuje tyto základní barvy : R - red - červená, G - green - zelena, B - blue - modrá. Použití právě RGB režimu má své výhody i nevýhody. RGB se používá při zobrazování u televizorů nebo počítačů, takže obrázky není potřeba převádět. Naopak při tisku na papír je nutný převod do CMY nebo CMYK, ale to již se snímači nesouvisí. Řádkové snímače Asi nejjednodušším použitím barevných filtrů jsou třířádkové snímače. Tyto prvky mají tři řádky buněk a nad každou řádkou je umístěn jeden barevný filtr. To znamená, že první řádka zaznamenává pouze červenou složku světla, druhý řádek zelenou a třetí řádek modrou. K získání barvy jednoho konkrétního bodu je tedy potřeba, aby se snímač 3x posunul tak, aby požadovaný bod změřila v každém řádku jedna buňka. To je přesně princip jednoprůchodových stolních skenerů vybavených CCD snímačem. Snímací hlava obsahuje třířádkový snímač a optiku, která zaručuje, že snímač obsáhne přesně maximální šířku předlohy. Snímací hlava se pak postupně pohybuje po řádcích od shora dolů a tím je zaručeno, že každý bod, který se snímá je přečten celkem 3x ( každým řádkem snímače jednou). Podmínkou úspěchu je pochopitelně to, že snímací hlava se pohybuje tak, aby docházelo ke snímání krokově v každém bodě. Třířádkový (tri-lineární) snímač se používá i v některých specifických oblastech digitální fotografie. Výhody: •

poměrně snadná a levná výroba

Nevýhody: • • •

vhodné pouze pro statické scény se statickým osvětlením vyžaduje přesnou mechaniku pro posun snímače snímání trvá dlouho a neumožňuje krátkou expozici

Multi-shot Další technologie, kterou si popíšeme je anglicky označena jako multi-shot, což ve volném překladu znamená více-snímková digitalizace. Princip je poměrně jednoduchý. Snímač jako takový není vybaven žádným barevným filtrem, ale barevný filtr je součástí optické soustavy. Snímání neprobíhá v rámci jedné expozice, ale celkem ve třech expozicích. Při každé expozici se vymění filtr se základní barvou a provede se snímání. Po dokončení všech tří expozic se pak obraz složí elektronicky dohromady. Podmínkou úspěchu je samozřejmě statická scéna, fixní fotoaparát a stálé osvětlení. S touto technologií se můžeme setkat u studiových digitálních fotoaparátů, které lze používat pro fotografování produktů a jiných dalších statických scén. Výhody: •

nesnižuje rozlišení a umožňuje velmi přesné snímání barev

Nevýhody: •

vhodné pouze pro statické scény se statickým osvětlením

•

systém výměnných filtrů je poměrně velký

Multi-CCD Poslední technologií, které se budeme dnes věnovat je použití více snímačů součastně. Jde v podstatě o obměnu Multi-shotu odstraňující její největší nevýhodu. V jednom přístroji je umístěno více snímačů a před každým je jiný barevný filtr. Světlo přicházející z objektivu je pomocí optického hranolu rozloženo na jednotlivé snímače. V rámci jedné expozice je tedy možno provést snímání na všech CCD. Nejběžnější je varianta se třemi snímači, při které je před každým snímačem jeden z RGB filtrů. Existuje i varianta pouze se dvěmi snímači, ale ta využívá postupů, o kterých si řekneme příště.

Výhody : • •

nesnižuje rozlišení a umožňuje velmi přesné snímání barev umožňuje krátké expozice a snímání pohyblivých scén

Nevýhody : • •

více snímačů výrazně zvyšuje cenu přístroje optika a více snímačů zvětšují rozměr fotoaparátu

Minule jsme si vysvětlili tři způsoby, jak získat informaci o barvě světla z CCD snímače. Každý z nich měl svoje nevýhody, které omezovaly jeho použití. Dnes si podrobně vysvětlíme princip fungování barevné mozaiky, kterou používá drtivá většina digitálních fotoaparátů nebo video kamer. Jde o technologii pokročilou, která prodělala poměrně komplikovaný vývoj a existuje celá řada zajímavých vylepšení. Barevná mozaika

Základem je opět použití barevných filtrů ve třech základních barvách RGB. Aby bylo možné provést měření všech základních barev současně v průběhu jedné krátké expozice světlem, jsou na snímači současně všechny tři filtry uspořádané do mozaiky. Nejde o filtry celistvé, uložené přes celou plochu snímače, ale nad každou buňkou je umístěn jeden miniaturní filtr, který je nad buňku napařen již při výrobě. Nejčastěji používaný je vzor G-R-G-B Bayer, který vychází ze 4 sousedních bodů. Dva z nich mají zelený filtr, jeden červený a jeden modrý. Tento vzor se opakuje po celé ploše snímače. Poměr barev 2:1:1 vychází z fyzikálních vlastností světla, jeho vnímání lidským okem a také tvaru čtverce 2x2. Pokud jste si pozorně přečetli v předchozích dílech ( základy, typy snímačů, barva I), tak jistě již víte, že každá buňka při tomto uspořádání nepřečte celou barevnou informaci, ale pouze část. Pokud využijeme náš ilustrační obrázek, tak buňky 1 a 4 čtou pouze informaci o intenzitě zelené barvy, buňka 2 měří intenzitu červené a buňka 3 modré. Pokud použijeme všechny informace získané dohromady ze 4 buněk, můžeme určit barvu dopadajícího světla. Pokud například všechny buňky naměří hodnotu 255, tak jde o bílé světlo. Bohužel každá buňka měří jiný dopadající paprsek, což přináší několik nevýhod: 1. Barevné rozlišení snímače je výrazně nižší než jeho schopnost rozlišovat jas. Pokud tedy máme snímač s uváděným rozlišením 1800 x 1200 bodů, pak pouze 900 x 600 bodů rozlišuje červenou, 900 x 600 bodů rozlišuje modrou a 900 x 1200 bodů rozlišuje zelenou složku světla. 2. Barva je vypočítávána ze čtyř nebo více bodů pomocí vzorců a postupů, které mohou jen s určitou přesností určit barvu jednotlivých borů. Většinou fotoaparáty detekují ostré hrany a neporuší je, ale u komplikovaných vzorů může dojít k zásadnímu zkreslení na úrovni jednoho bodu. 3. Při mozaikovém uspořádání se hůře koriguje nepřesné snímání barev způsobené různými vlnovými délkami světla, případně jiná zkreslení. Samozřejmě existuje celá řada postupů, jak zmenšovat chybu vznikající jako důsledek uspořádání. Nejběžnější je současné zpracování ne jedné ale třeba čtyř čtveřic sousedních bodů. Tímto způsobem se lépe detekují rozdílné barevné plochy, přechody a jiné změny motivu. Další možností je využití jiných barevných filtrů než je kombinace RGB nebo jiné uspořádání barev v mozaice. Například společnost Canon u některých digitálních fotoaparátů používá CY-G-M filtry místo RGB.

Pokud shrneme vlastnosti tohoto uspořádání: 1. Digitální fotoaparát je vybaven jedním CCD snímačem s napařenou mozaikou barevných filtrů, což je jedno z nejlevnějších řešení. 2. Pro určení všech barev stačí jedna expozice s krátkým časem. Barevná informace je k dispozici prakticky okamžitě. 3. Tato technologie je vhodná pouze pro plošné snímací prvky a to zejména v digitální fotografii nebo pro záznam videa.

4. Existuje celá řada vylepšení a jednotlivé snímače a příslušná elektronika se různí výrobce od výrobce. Dva snímače se stejným uspořádáním a rozlišením mohou poskytovat různě kvalitní obraz v závislosti na zpracování.

Skenery Tento díl seriálu o CCD snímačích celý věnujeme skenerům. Sice jsme se již zmínili o řádkových snímačích, ale přednost zatím dostávala digitální fotografie. Skenery mají samozřejmě zcela odlišné konstrukční prvky než fotoaparáty, takže používají celou řadu unikátních technologií, ve kterých hraje právě CCD snímač velmi důležitou roli. Než se dostaneme k CCD samotnému slušelo by se zmínit dva největší konkurenty. Tím prvním jsou PMT prvky používané u bubnových skenerů. Jde v současné době asi nejlepší komerčně dostupné řešení digitalizace předloh, ale stále se zdokonalující CCD šlapou i této technologii na paty. Navíc řešení s PMT je velmi drahé. Na druhém konci pomyslné cenové osy konkurují CIS snímače. Ty sice nabízejí nižší kvalitu snímání než CCD, ale jsou levnější a jejich použití nevyžaduje prakticky žádné další součástky. Díky tomu jsou CIS skenery nejnižší a nejlehčí na trhu. CCD snímače tvoří pomyslný střed a můžeme je najít u skenerů za 4.000Kč stejně dobře jako u skenerů za 1-2 milióny korun. Základem skenerů jsou třířádkové CCD prvky. O těch jsme již hovořili v přecházejících dílech, takže jen ve zkratce připomenu. Jde o snímače s buňkami uspořádanými do tří řádek. Každá řádka je opatřena jedním z RGB filtrů a snímá jednu barevnou složku světla. Skener je vybaven mechanikou, která pohybuje snímačem a ten postupně snímá jednotlivé řádky předlohy. Na jeden průchod je tedy skener schopen digitalizovat předlohu umístěnou do tohoto zařízení. Snímat se dá prakticky cokoli, co jde přitisknout na skleněnou desku zařízení. Od filmů, přes papírové předlohy až po jednu stěnu krabice či stránku knihy. Předlohy mohou být opravdu různorodé a skenery na tento fakt musejí reagovat. Principielně se rozlišují dva typy předloh. Průsvitné předlohy Často je také označujeme jako transparentní předlohy a jedná se o takové materiály, které propouštějí světlo. Protože CCD měří dopadající světlo, je potřeba takovou předlohu prosvítit silným světelným zdrojem a procházející světlo pak měřit snímačem. Proto průsvitné předlohy lze zpracovávat pouze ve skenerech, které výrobce pro tuto práci vybavil. Podmínkou je uspořádání zakreslené na náčrtku. Náčrtek je pochopitelně značně zjednodušený, protože v každém skeneru je obsažena ještě optika, které usměrňuje paprsky světla a zajišťuje odpovídající zvětšení nebo zmenšení obrazu pro velikost CCD. Odrazivé předlohy

Druhou skupinu tvoří předlohy z materiálů odrážejících světlo. Ty se umísťují na skleněnou desku skeneru, jsou opět osvětleny lampou a odražené světlo se měří

snímačem. Protože lampa a snímač jsou umístěny na stejné straně, můžeme takto snímat libovolně velké předměty, které lze přiložit na sklo skeneru. Pohyb snímače V úvodu jsme řekli, že snímač se pohybuje a čte předlohu v jedno průchodu po řádcích. Toto tvrzení není zcela správné, protože některé profesionální skenery používají trochu jiný postup. Kromě pohybu snímací hlavy v ose Y přibývá ještě pohyb v ose X. Tato technologie je označována jako XY technologie a přináší hlavně zefektivnění práce skeneru. Ten nemusí snímat celou plochu, ale může pracovat jen s určitou částí a navíc může přizpůsobovat parametry snímání v různých částech pracovní plochy. Obraz zaznamenaný touto technologií se pak skládá z jednotlivých nasnímaných pásů do výsledné podoby.

Rozdíly mezi jednotlivými skenery jsou jak v konstrukci optiky a elektroniky, tak ve snímačích samotných. Používá se několik velikostí snímačů od různých výrobců. Ve vyšší kategorii je nejběžnější použití snímačů s 10500 buňkami od výrobců jako je Kodak, Phillips a dalších. Počet buněk určuje pochopitelně rozlišení snímače, ale do výsledku ještě vstupuje optická soustava. Se stejnými snímači se produkují skenery s různým optickým rozlišením v závislosti na použité optice. Přesto snímač s větším počtem buněk je výhodou. Dalším parametrem velmi důležitým pro kvalitní snímání je denzita, které je skener schopen dosáhnout. Ta určuje, nakolik skener je schopen rozlišovat různé intenzity světla. Čím vyšší je denzita, tím lépe skener rozlišuje velmi tmavé a velmi světlé oblasti. Například pokud mám skener s nízkou denzitou, tak získám pouze černou plochu tam, kde lepší skener ještě rozliší určitý motiv. U levných skenerů se denzita ani neudává (je šptná), ale profesionálních zařízení jde o jeden ze stěžejních parametrů. U nejlepších modelů může přesáhnout až hranici 4.0. Na závěr se musíme zmínit o bitové hloubce barev. Každý snímač vybavený A/D převodníkem je schopen rozlišit určitý počet barev. Ten je určen tím, kolik bitů používá pro ukládání informací o barvě. Pokud se o některém skeneru řekne že zaznamenává 10 bitů na kanál tak je schopen rozlišit před miliardu barev. Proč? Snímáme ve třech kanálech (RGB) a v každém rozlišujeme 10 bitů. To je tedy celkem 3 krát 2na desátou. Trocha matematiky, ale rozdíl mezi 256 a 16 milióny barev pozná asi každý. Výše uvedený popis není příliš technický, ale měl by poskytnout potřebné informace pro první kontakt s touto technikou. Podobně je tomu i u předchozích dílů :

Blooming, antiblooming Dnešní díl seriálu věnujeme opět plošným snímacím prvkům a to přesněji řečeno jednomu z jejich nešvarů. Podle anglicko-českého slovníku znamená slůvko Blooming: zatracený, vzkvétající, kvetoucí. Asi nejpopisnější je v našem případě slůvko kvetoucí, protože jde o nepříjemný jev, se kterým se setkali konstruktéři CCD snímačů a usilovně s ním bojují. Za určitých podmínek může v digitální fotografii doslova vykvést nepěkná bílá plocha. Oč jde? V prvním dílu našeho seriálu jsme řekli, že jednotlivé buňky samostatně a nezávisle měří dopadající světlo a převádějí jej na elektrický náboj. Bohužel toto tvrzení není zcela správné. Pokud na jednu buňku dopadá příliš silné světlo (je přeexponována) vygeneruje takové množství elektrického náboje, že ovlivní i sousední buňky. Pokud se vrátíme k metafoře z přecházejících dílů, lze vysvětlit blooming následovně:

Jednotlivé buňky jsou nádoby, do kterých se zachytává déšť(světlo). Pokud na jednu buňku dopadá příliš mnoho deště, přeteče a voda se dostává do okolních nádob. Výsledkem je nepěkná oblast plně vrchovatých nádob, která se na digitální fotografii projeví jako čistě bílá. Zde je ukázka snímku, na kterém došlo k bloomingu.

Bez Bloomingu

Blooming

Možná váš zaráží tvar oblasti, ve které dochází k zmíněnému jevu. Samozřejmě není náhodný. V bezprostředním okolí přeexponované oblasti jsou ovlivněny všechny buňky, ale dále je blooming již nerovnoměrný. Pro pochopení jsou důležité dva fakty. Tím prvním je otočení snímače o 90 stupňů. O tom jsme si také říkali a způsobuje, že "řádky" snímače jsou vlastně sloupci. Druhým faktem je, že jednotlivé řádky jsou od sebe do jisté míry izolovány. Právě tento fakt způsobuje, že k bloomingu dochází výrazně více u sousedních buněk na jednom řádku. Proto ty dlouhé bílé rovné čáry. A jak na blooming? Zcela nečekaně je zde technologie Antiblooming, kterou postupně začínají používat všichni výrobci plošných snímačů. Princip je poměrně snadný. Mezi buňky je umístěn prvek, který zabraňuje případnému nežádoucímu přenosu elektrického náboje. S použitím našeho vodního příměru jde o jakýsi odvodní kanálek, kterých se odvádí přetékající voda pryč z nádoby. Praktická realizace je samozřejmě dost komplikovaná. Samotné buňky mají rozměr řádově několik mikrometrů a mezery mezi nimi jsou ještě menší. Navíc nejde zcela jednotlivé buňky izolovat, protože při čtení obrazu ze snímače se používá přelévání náboje po ploše snímače. Výrobců se zvládnutou technologií antibloomingu je hodně. Jmenujme třeba Phillips, Kodak nebo třeba Scitex. U jednotlivých snímačů se dá poměrně snadno vyzkoušet, zda antiblooming zvládají. Stačí vzít fotoaparát a vyfotografovat bodový velmi intenzivní zdroj světla. Může jít o žárovku nebo třeba sluneční odlesk, který můžete vidět na ukázce. Rozdíl pozná i laik.

Pokud váš fotoaparát uspěje stejně jako Fuji MX-1700, tak anti-blooming umí

CCD a CMOS CCD CCD snímače jsou malé destičky o úhlopříčce 2/3 palce složené z polovodičových elementů, které jsou schopny absorbovat světlo, podobně jako například houba na tabuli nasakuje vodu. K získání informace o barvě se používá jednoduchého triku spočívajícího v porozumění skladbě světla. Je známo, že jakoukoliv barvu jsme schopni získat složením tří základních složek: červené, zelené a modré. Jejich vzájemným poměrným zastoupením potom dostaneme jakoukoliv barvu světelného spektra. A jak je toho tedy dosaženo na CCD snímači?

Tak, že je před každý element vložen barevný filtr (viz obrázek). Z praktických důvodů se elementy skládají do čtveřic, takže jeden barevný filtr musí být zastoupen dvakrát - volba daná praxí padla na zelený. A co se tedy stane nyní, když začne světlo dopadat na CCD prvek? Projde samozřejmě filtrem, před každým elementem. Modrý filtr propustí modrou část spektra a odrazí červenou a zelenou, červený a zelený si povedou analogicky. Opět tedy dojde k pohlcení fotonů a získání elektrického náboje, ale nyní jeho velikost nezávisí jen na intenzitě dopadajícího světla, ale také na barevném složení! Skutečnou barvu daného pixelu pak dostaneme matematickou interpolací barev z jednotlivých elementů. Nejčastěji se používá 24-bitová barevná hloubka. Tento údaj znamená, že na každou ze tří barev (červená, zelená, modrá) připadá osmibitová informace. Což znamená dvě na osmou - 256 odstínů dané barvy. Jejich složením (interpolací) pak dostáváme 256 x 256 x 256, tj. 16 777 216 barevných odstínů, což postačuje ke kvalitnímu zachycení reality Je dobré poznamenat, že některé profesionální systémy pracují s ještě větší barevnou hloubkou - až 14 bitů na jeden barevný kanál.

CMOS Nyní, když už víme, jakým způsobem čip získává informace o barvě se můžeme vrátit k diskuzi o CMOS čipu Foveon X3.

Převrat se týká právě získání barevné informace. Dosavadní čipy pro digitální fotoaparáty a videokamery jsou totiž tvořeny skupinami elementů s jednotlivými barevnými filtry, ze kterých se skládá obraz. Informace o barvě je pak interpolována pro sousední elementy, citlivé na zbývající dvě barvy. Naproti tomu čip Foveon X3 interpolaci barev provádět nemusí, neboť je na každé pozici pixelu získána kompletní barevná informace, podobně jako u klasického filmu. Čip je totiž třívrstvý (viz. obrázek) a pro separaci barev nepoužívá barevných filtrů, ale optických vlastností silikonu. Silikon totiž pohlcuje barevné spektrum podle toho, jak silná je jeho vrstva. Nejvíce je pohlcována modrá složka barevného spektra, méně zelená a nejméně červená. V tomto pořadí jsou také umístěny jednotlivé vrstvy čipu (viz. schematický nákres). Díky tomuto řešení se kromě známé barevné charakteristiky získává podstatně větší barevné rozlišení obrazu.

Parametry CCD • • • • •

geometrie čipu - velikost, rozlišení, velikost pixelu. kvantová účinnost - kolik % fotonů se přemění na signál (elektrony). šum - kolik elektronů vznikne za určitý čas v jednom pixelu. architektura - Ful Frame/Frame Transfer, antiblooming, časování, apod. cena - na kolik nás přijde

Geometrie čipu Především je nutno říct, že CCD není příliš vhodné na širokoúhlé snímky s vysokým rozlišením. Názory že CCD snímky jsou oproti klasické fotografii čtverečkované, jsou opodstatněné jen tehdy, pokud se na malý čip krátkým ohniskem promítne stejný obraz jako na velkou plochu filmu delším ohniskem. Pokud ale při zachování ohniskové vzdálenosti exponujete stejný objekt na film, z něhož vezmete jen těch několik mm2 odpovídajících ploše CCD, zjistíte, že CCD snímek je kvalitnější. Nutnost pracovat jen s malou plochou detektoru ale není příliš na závadu - plošně malých objektů je totiž dramaticky více než velkých. Pokud potřebujete velkoplošné přehledové snímky (např při hledání planetek nebo komet), "čtverečkování" obrazu zase nevadí. Fyzická velikost CCD čipu nemusí ještě příliš znamenat. Důležitá je kombinace této velikosti s velikostí jednoho obrazového elementu (pixelu), udávající rozlišení čipu. Velikost pixelu se pohybuje asi od 25um po 7um. Tedy čip s rozlišením 1536x1024 bodů může být plošně menší než čip s rozlišením 512x512 bodů.

Velmi důležité je ale sladění ohniskové vzdálenosti s velikostí pixelu CCD čipu. Pomineme-li vizuální pozorování, kdy oko dokáže využít krátkých okamžiků klidné atmosféry (což je důvodem proč mnozí amatéři utrácejí nehorázné peníze za vysoce kvalitní refraktory bez středového zastínění poškozujícího vlnoplochu), rozlišení je dáno neklidem atmosféry (pokud optika není až tak nekvalitní, že neklid atmosféry ustoupí do pozadí. Během expozice se totiž pohyb obrazu hvězd vlivem scintilace spojí do výsledného nebodového obrazce tím většího, čím je vzduch neklidnější. Podmínky na špičkových pozorovacích místech (ještě jsem na takovém nebyl) dovolují zobrazit hvězdy do úhlového průměru asi 2". Dobré podmínky udělají hvězdy asi 4" a typičtější bude asi počítat s 6". To je dost velký průměr, uvážíte-li, že když vizuálně rozlišíte epsilon Lyr na 4 složky, dvojice mají vzdálenost asi 2,5". Empirie říká, že ideální průměr kotoučku hvězdy na CCD čipu je 2 pixely. Proč? • •

Pokud se hvězda promítne do menšího průměru, než je pixel, zbytečně se ztrácí rozlišení. Na místo malé hvězdy "zbělá" celý pixel. Pokud se hvězda promítne do mnoha pixelů, zbytečně se ztrácí citlivost. Stejné množství světla, které by v jednom pixelu vybudilo daný signál vybudí ve více pixelech proporčně menší signál.

Tabulka udává "ideální" ohniskové vzdálenosti pro různé CCD čipy, kdy jeden pixel zobrazí plochu velikosti 2", tedy obraz hvězdy o průměru 4" zabere 2 pixely: CCD čip rozlišení

velikost pixelů ohnisko zobrazující 2" na pixel

TC-211

192x165

13.75x16 um

155 cm

TC-255

324x242

10x10 um

103 cm

TC-237

658x469

7,4x7.4 um

76 cm

TC-245

378x242

17x19.75 um

191 cm

TC-241

375x244

23x27 um

258 cm

9x9 um

93 cm

KAF1600 1536x1024 9x9 um

93 cm

KAF0400 768x512

Platí tedy, že při zachování průměru objektivu dopadá na jeden pixel velikosti 20um stejné množství světla při světelnosti f/8 jako na pixel velikosti 10um při světelnosti f/4. Nelze tedy říci, že CCD s velkými pixely jsou citlivější než CCD s malými pixely. To platí jen při konstantní ohniskové vzdálenosti. Tyto teoretické vývody ale v praxi narážejí na řadu překážek: •

•

Především volba ohniskové vzdálenosti optiky není až tak úplně v našich rukou. Pomocí extenderů (Barlow) nebo reduktorů lze sice s ohniskem do jisté míry manipulovat, každopádně ale tato manipulace není zcela svobodná a přináší jisté kompromisy (snížení rozlišení, světelné ztráty apod.). Navíc velikost pixelu přímo ovlivňuje některé další charakteristiky CCD čipů: o Velké pixely dokáží akumulovat větší náboj. Dynamický rozsah CCD čipu s velkými pixely je tedy větší než u čipu s malými pixely.

o

Na druhé straně velké pixely jsou zpravidla zatíženy větším šumem, který znehodnocuje užitečný signál.

Čipy s malými pixely mohou s úspěchem používat techniku zvanou binning -- spojování pixelů do větších celků, např. čtverec 2x2 pixely je sloučen do jednoho pixelu. Tím klesá rozlišení, ale je to způsob, jako použít kameru s malými pixely spolu s dalekohledem o velké ohniskové vzdálenosti. Sloučení může být realizováno přímo na čipu (slévání nábojů) nebo programově, spojováním přečtených hodnot. I když tato technika může být velmi užitečná, přesto zcela nenahrazuje čipy s velkými pixely. Kvantová účinnost Kvantová účinnost (Quantum Efficiency - QE) se u jednotlivých konstrukcí čipů překvapivě liší. Špičkové čipy dokáží přeměnit na signál (elektrony) až 85 ze 100 fotonů. Naproti tomu mnohé čipy používané v komerčních digitálních fotoaparátech zužitkují jen asi 10 až 20 fotonů ze 100. QE není konstantní přes viditelné spektrum. Zatímco filmové emulze jsou citlivé spíše na modré než na červené světlo, CCD čipy "vidí" i v blízkém infračerveném oboru, zatímco na modré světlo jsou poněkud "slepé". Doba expozice nutná k zachycení stejného signálu pak samozřejmě závisí na celkové QE čipu. QE ovlivňuje konstrukce a materiál čipu. •

• •

Čím má čip na povrchu více armatury (vodivých elektrod), tím menší je QE -- čipy SITe tento problém řeší ztenčením křemíkového substrátu a nalepením na podložku ze strany armatury (back-illuminated). Tim se eliminuje zastínění elektrodami a dosahuje se QE až 85%. Čipy s Anti-Blooming Gate (ABG) mají až o 30% procent menší QE než non-ABG verze. Elektrody ABG cloní čip. QE lze zvýšit použitím průsvitnějšího materiálu na elektrody. Čipy KAF0400E (BlueEnhanced) mají až o 50% větší QE než klasické KAF díky průsvitnějšímu materiálu elektrod.

Tabulka udává QE v procentech pro různé vlnové délky pro některé čipy: vlnová délka SITe

KAF0400 KAF0400E TC-237

Sony

350

35

2

25

10

17

400

63

4

30

33

25

450

70

13

37

60

32

500

75

23

45

42

40

550

80

35

55

55

41

600

83

40

65

50

30

650

86

34

65

75

27

700

86

36

55

50

21

750

84

45

45

68

15

800

75

35

32

40

9

850

65

35

30

30

5

900

52

25

22

20

3

950

35

15

12

15

2

1000

20

5

5

10

1

Šum Šum je v elektronice všudypřítomen a v CCD technice je obzvláště nepříjemný, protože se pracuje s velmi malými úrovněmi signálů. Zašumění obrazu má mnoho příčin, mimo vlastní šum čipu (elektrony plnící pixely čistě v důsledku tepelného pohybu atomů) se na šumu podepisují i zesilovače v čipu a vlastní elektronika kamery. Aby se obraz neznehodnotil šumem, je nutno provést několik kroků: •

•

Šum čipu velmi závisí na teplotě. Čip je v astronomických CCD kamerách vždy chlazen o několik desítek stupňů pod okolní teplotu. U čipů TI TC šum klesá na polovinu s ochlazením asi o 7 C, u čipů Kodak KAF s ochlazením o 5 C. Šum je více méně reprodukovatelný, proto je ho možno zaznamenat (temný snímek) a od exponovaného snímku odečíst. Přesto je v každém snímku i náhodná (nereprodukovatelná) složka. Velkým problémem je, pokud se teplota čipu během expozice mění, tepelný šum je pak téměř nereprodukovatelný.

O šumu lze psát velmi dlouho. Důležité je, že šum znehodnocuje pozorování a nízký šum mnohdy vyváží i nižší kvantovou účinnost, protože dovoluje prodloužit expozici a především poskytuje obraz s lepším poměrem signál/šum. Různé čipy mají různý vlastní šum, mnohdy až mnohonásobně. Čip s menším šumem je nutno chladit podstatně méně než čip s velkým šumem, což velmi zjednodušuje konstrukci kamery a napájecího zdroje, zmenšuje nároky na chlazení, snižuje spotřebu apod. Např. čipy KAF při 0 C šumí méně, než čipy TI při -30 C. Architektura čipu Do pojmu architektura lze zahrnout celou řadu věcí. •

•

•

Full Frame/Frame Transfer. Vyčítání CCD čipu se děje postupně po řádcích a nějakou dobu trvá (jednotky až desítky sekund). Problém je, že obraz se stále exponuje i během vyčítání, avšak na již posouvaný obraz. Aby tento efekt nerušil, musí být doba expozice mnohem (řádově) delší než doba vyčítání. Jasné hvězdy ale zanechají stopy. Některé čipy dokáží tento problém omezit velmi rychlým přesunutím naexponovaného obrazu z osvětlované oblasti (Image Area) do oblasti kryté před světlem (Storage Area), odkud se poté již pomalu vyčítají (Frame Transfer -- FT). Pokud čip tuto schopnost nemá (Full Frame -- FF), je téměř nezbytné používat závěrku. Storage Area může být zcela vedle Image Area (čipy TI) nebo mohou být Storage sloupce umístěny mezi Image sloupci (čipy Sony). Ve druhém případě bývají na povrchu čipu umístěny cylindrické čočky soustředící světlo do Image sloupců, aby plocha Storage sloupců nesnižovala QE (microlensing). Pokud množství náboje v jednotlivých pixelech přesáhne kapacitu (podle velikosti pixelu asi 50 000 až 300 000 elektronů), elektrony začnou pronikat potenciálovými valy do vedlejších pixelů (blooming -- rozkvétání). Některé čipy jsou proto vybaveny systémem elektrod, který dokáže přetékající náboj odvádět (Anti-Blooming Gate -ABG). Pro astronomické použití ale ABG čipy nejsou příliš vhodné. ABG snižuje QE a především použití ABG láme charakteristiku čipu a tím komplikuje např. fotometrická měření. Pokud jsou v zorném poli hvězdy způsobující blooming, lze expozici rozložit na kratší časy, při nichž blooming nenastane a jednotlivé snímky elektronicky složit. Pro konstrukci kamery je důležitý způsob časování -- změny napětí na elektrodách způsobující posun řádků do vyčítacího řádku a posun pixelů ve vyčítacím řádku. Na praktické použití nemají tyto parametry vliv, ovlivňují jen složitost konstrukce kamery a řídicího software. Čipy TI používají Single-Phase Clocking -- i když posuny se dějí časovými posuny napětí na několika elektrodách, zvenku se každý posun ovládá jediným signálem. Čipy KAF používají Multi-Pinned Phase, posun je nutno řídit změnou napětí na dvou elektrodách. Rozdílné ja také napětí elektrod a napájení zesilovačů, typicky se pohybuje v rozmezí +-15V.

Cena Cena je pro amatéra jistě důležitá. Čipy SITe za tisíce USD jsou pro běžného člověka nedostupné. Čipy TI jsou obecně levnější než čipy Kodak při mírně horších parametrech.

KAF-0401

Za ideální čip pro amatérskou CCD kameru považuji KAF-0400E (Blue Enhanced). Velikost pixelu 9x9 um vyhovuje spíše kratším ohniskovým vzdálenostem malých amatérských dalekohledů. Velmi malý šum podstatně zjednodušuje konstrukci kamery a zlepšuje kvalitu snímků (zlepšuje poměr signál/šum). Přitom vysoká kvantová účinnost (až 65%) je na špici front-illuminated čipů a za naprostou špičkou čipů SITe (QE 85%) příliš nezaostává. Svým rozlišením 768x512 bodů dokáže téměř vyplnit SuperVGA obrazovku a přitom velikost obrazu (800 KB) je ještě únosná pro ukládání na disk a zpracování i na pomalejších počítačích i486. Cena čipu kolem USD 500 je ale dosti vysoká. Z nabídky firmy Texas Instruments je vhodný čip TC-237. Má menší rozlišení 640x480 bodů a menší pixely 7,4x7,4 um. Celková plocha je tedy menší. Tento čip naneštěstí šumí mnohem více než čipy KAF, ale stojí jen USD 80. Vzhledem k mimořádné cenové nabídce firmy Kodak na čipy KAF-0401 za USD 80 se tyto čipy stávají jasným favoritem v poměru cena/výkon. Všechny parametry mají shodné s KAF0401E, až na menší celkovou QE (až o 30%), zejména v modré části spektra (viz. předchozí tabulka). Šum těchto čipů je dokonce ještě menší než u E varianty. Citlivost CCD Snímací CCD prvek si představte jako pole miniaturních expozimetrů. CCD prvek o 1 megapixelu jich má milión, CCD prvek VGA pouhých 300 tisíc. KAŽDÝ z nich měří světlo - nezávisle na sousedovi. Čím větší je energie dopadajících paprsků, tím větší elektrický náboj v buňce vzniká. A teď pozor: elektrický náboj neroste do nekonečna! Má limity na spodní úrovni i na horní. Na spodní nikdy nenastane nula, čili absolutně žádný náboj. Působením vnějších vlivů, zejména rozhlasového a televizního vysílání, je v každé buňce náboj, kterému se říká šum. To je tedy "dno". Horní úroveň je též limitována technickými vlastnostmi CCD prvku a jeho buněk. Dejme tomu, že horní úroveň náboje je 1 mV. I kdyby na buňku prala sebevětší světelná energie, víc než jeden milivolt z ní nevytříská. V následném zpracování, tedy po zesílení náboje a digitalizaci, se k hodnotě náboje přiřazuje hodnota jasu. Připomenu, že pracujeme s dvojkovou soustavou, CCD prvky z praktických důvodů mají osmibitový výstup, takže 2 na 8 je 256. Jasová škála má tedy 256 stupňů, od 0 do 255 Pak je to vcelku jednoduché: pokud v buňce vznikne náboj 1 mV, získáme jas o hodnotě 255. Čím menší náboj, tím nižší číslo, takže, dejme tomu, 0,5 mV má přiřazenu hodnotu jasu 125. Toto vidíme na obrázku vlevo. Porovnáním citlivosti CCD a citlivosti filmového materiálu se dospělo ke konvenci, že určitý výkon CCD prvku odpovídá 100 ISO. Teď se ale zeptáte: jak je možné, že některé CCD se dají přepnout, ze 100 ISO na 200 ISO, ev. 400 ISO? Vždyť film nelze "přepnout"! Odpověď je jednoduchá. Ten jas, tedy číselná hodnota přiřazená voltáži, vzniká při přepočítání. Procesor prostě "ví", že 1 mV odpovídá hodnotě 255, 0,5 mV odpovídá hodnotě

125 atd. Takže mu stačí přenastavit parametry a nařídit mu, aby hodnotu 255 přiřadil voltáži 0,5 mV (a vyšší!) a úměrně aby postupoval u nižších voltážích, takže 0,25 mV bude mít oněch 125. Takhle bychom tedy mohli "oblbnout" CCD a snadno dosáhnout i vysokých citlivostí, jako je 800 ISO, 1600 ISO? Pokud je to tak jednoduché, proč nemáme tak citlivé CCD! Nesmíme zapomenout na šum. Ten vzniká vždycky, je v CCD trvale přítomný. Podívejme se na poslední graf, který znázorňuje tři režimy, 100, 200 a 400 ISO. Je to graf, který ukazuje průběh zobrazení jasů. Ta nejvyšší "špička" znamená 255, čím nižší je špička, tím nižší hodnota. Z toho co jsme si řekli v předchozím odstavci víme, že v každém režimu citlivosti ta nejvyšší špička znamená 255, takže z hlediska podání jasů je výsledek všech tří křivek totožný. V čem se křivky liší? V odstupu od šumu. Jakmile CCD prvek nastavíme na vyšší citlivost, tím snížíme jeho odstup od šumu a obrázek bude horší. Snadno si to ověříme v praxi. Všichni jsme se už setkali s podexponovanými digitálními snímky. Lze je zachránit zesvětlením v editoru. Ovšem, co znamená zesvětlení? Prostě jsme přiřadili jiné hodnoty jasu, jiné tedy vyšší! Udělali jsme prakticky totéž co dělá procesor digi aparátu, když přepneme na vyšší citlivost! No a víme, že takto zachraňovaný podšvihnutý snímek nikdy není tak ostrý a brilantní, jako správně exponovaný snímek - poškodil ho šum.

Odkazy, z kterých jsem čerpala: CCD I: http://www.digineff.cz/cojeto/ccd/ccd1.html CCD II: http://www.grafika.cz/serial16.html Parametry čipu CCD: http://www.mii.cz/~ccd/g2/ccd/ccd.htm http://www2.digitalfuture.cz/odf/jaktofunguje/1/ Doporucuji: http://mujweb.atlas.cz/web/martin_nemrava/ccd_vyp.htm