Městské víceleté gymnázium Klobouky u Brna
Digitální fotoaparáty
školní rok 2008/2009
Michal Škápík, VII.G
Co to je digitální fotoaparát… Digitální fotoaparát je fotoaparát, zaznamenávající obraz v digitální formě, takže může být okamžitě zobrazen na zabudovaném displeji nebo nahrán do počítače. V roce 2006 digitální fotoaparáty na trhu dominují. Základní funkcí digitálního fotoaparátu je snímání statických obrazů do podoby tzv. digitální fotografie a umožnit tak jejich další zpracování, např. pomocí běžného počítače, jejich tisk či vyvolání speciální osvitovou jednotkou do výsledné podoby jako u klasické fotografie. Dnešní digitální fotoaparáty nabízí kromě své základní funkce také řadu další doplňujících a rozšiřujících funkcí, které souvisejí ať už přímo či nepřímo se zpracovávanými obrazovými daty. Některé fotoaparáty tak dokážou kromě obrazu zaznamenat i pohyblivé scény ve formě videa nebo zvukový záznam ve formě ozvučeného videa nebo jako poznámky k pořízeným snímkům.
Princip digitálního fotoaparátu vychází z konstrukce klasického fotoaparátu. Jádrem přístroje je světlocitlivá plocha snímače na bázi technologie CCD nebo CMOS. Na plochu senzoru je promítán obraz přes systém optických čoček v objektivu. Světelná energie, která přichází ze snímaného prostoru (scény), je v jednotlivých pixelech (obrazových bodech) převáděna na elektrický signál a uložena v podobě vázaného náboje (u technologie CCD). Náboj vzniká postupně během expozice čipu, kdy je otevřena uzávěrka fotoaparátu a světlo může dopadat na čip. Princip vzniku elektrického náboje je založen na fotoelektrickém jevu s tím rozdílem, že náboje neodtékají okamžitě do vnějšího obvodu ale jsou izolovány v nábojových zásobnících v elektricky izolované struktuře čipu. Po uzavření uzávěrky jsou vygenerované náboje z čipu postupně odváděny a měřeny speciálním zesilovačem pro každý jednotlivý pixel. Takto získaný signál je a dále převeden AD převodníkem na signál v binárním kódu. Vzniklý datový proud je pak pomocí mikroprocesoru různě upravován a převeden do některého grafického formátu používaného pro záznam obrazových dat, např. RAW, JPEG nebo TIFF. Výsledný datový soubor je uložen zpravidla na paměťové médium v podobě paměťové karty nebo vestavěné paměti typu Flash-EEPROM tj. elektricky mazatelná paměť s trvalým záznamem, který je uchován i bez přívodu elektrického napětí. Existují i přístroje, které dokážou fotografie nebo videosekvence přímo zaznamenat na CD nebo magnetické pásky, ovšem to je běžné spíše v oblasti digitálních videokamer.
Dnes se téměř výhradně používají digitální fotoaparáty se snímači umožňujícími pořizovat fotografie barevné. To ve většině případů zajišťuje tzv. Bayerova maska, v níž jsou z každých čtyř buněk snímače dva překryty zeleným filtrem, jeden červeným a jeden modrým. Toto uspořádání je dáno návazností na spektrální citlivost lidského zraku, který je v oblasti zelené barvy nejcitlivější. Například čtyřmegapixelový snímač obsahuje dva miliony bodů citlivých na zelenou, a po milionu bodů citlivých na červenou a modrou. Zbývající barevná informace se ve výsledném snímku dopočítává. Výjimkou jsou senzory Foveon, které jsou založeny na principu pronikání světla o různých vlnových délkách do různé hloubky. Každý pixel tedy má zaznamenány informace o všech třech barvách a interpolace tedy není třeba. Proto může mást rozlišení - je nutno jej vydělit třemi. Dalším alternativním typem senzorů je Super CCD, které mají čtvercovou síť otočenou o 45˚. Posledním typem je Super CCD EXR. Pro srovnání: lidské oko obsahuje cca 6-8 milionů buněk citlivých na barvu (čípků) a až 150 milionů buněk citlivých na jas (tyčinek). V oblasti barevného rozlišení tak digitální fotoaparáty lidské oko prakticky překonaly.
Co to je CCD snímač… CCD je elektronická součástka používaná pro snímání obrazové informace. Uplatnění má například ve videokamerách, digitálních fotoaparátech, faxech, scannerech, čtečkách čárových kódů, ale i řadě vědeckých přístrojů, jakými jsou například astronomické dalekohledy (včetně například Hubbleova teleskopu). Zkratka CCD pochází z anglického Charge-Coupled Device, což v překladu znamená zařízení s vázanými náboji. CCD vynalezli pánové Willard Boyle a George E. Smith v Bellových laboratořích v roce 1969. Vynález se váže k vývoji určitého typu paměťového registru, který v podstatě funguje jako CCD bez přístupu světla, respektive CCD není nic jiného než posuvný registr vystavený působení světla. Když v únoru 2006 získali Boyle a Smith ze tento svůj převratný vynález ocenění Americké národní akademie ve výši $500 000 (po několika předchozích oceněních v rámci celého světa), Boyle vzpomněl, že práce na vynálezu CCD fakticky trvala zhruba pouhou hodinu, kdy nejprve se Smithem načrtli na tabuli několik obrázků, a pak prostě šli do laboratoře první jednoduché CCD zrealizovat. • • •
V roce 1970 Bellovy laboratoře postavily na světě první kameru, která používala polovodičový obrazový snímač. V roce 1975 demonstrovali první kameru s obrazovou kvalitou dostatečnou pro televizní vysílání. Od roku 1983 se CCD používají v astronomických dalekohledech čímž přinášejí průlom do astronomie.
CCD využívá podobně jako všechny ostatní světlocitlivé součástky fyzikálního jevu známého jako fotoefekt. Tento jev spočívá v tom, že částice světla foton při nárazu do atomu dokáže přemístit některý z jeho elektronů ze základního do tzv. excitovaného stavu. Odevzdá mu přitom energii E=ν.h, kde ν je kmitočet fotonu (u viditelného světla v řádu stovek THz) a h je tzv. Planckova konstanta. V polovodiči se takto uvolněný elektron může podílet na elektrické vodivosti respektive je možno ho z polovodiče odvést pomocí přiložených elektrod, tak, jak se to děje například u běžné fotodiody. Ta proto po dopadu světla vyrábí elektrický proud. Stejně fungují i fotočlánky, které se používají jako zdroj elektrické energie. U CCD je ovšem elektroda od polovodiče izolována tenoučkou vrstvičkou oxidu křemičitého SiO2, který se chová jako dokonalý elektrický izolant, takže fotoefektem uvolněné elektrony nemohou být odvedeny pryč. Činnost CCD se skládá ze tří fází: Příprava CCD Během této fáze jsou z CCD bez přístupu světla odebrány všechny volné elektrony, čímž je z něj smazán jakýkoliv zbytek předchozího nasnímaného obrazu. Expozice obrazu Na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo (například v digitálním fotoaparátu se otevře závěrka). Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo.
Snímání obrazu
Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět trojfázový hodinový signál (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením). To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2. Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý proud odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu.
Důležité parametry pro výběr digitálního fotoaparátu Rozlišení snímače V dnešní době se dá říci, že rozlišení snímače už nevypovídá tolik o kvalitě přístroje, jako tomu bylo dříve. V podstatě u všech dnes prodávaných přístrojů je totiž rozlišení více než dobré. Je důležité uvědomit si, jak budou výsledné snímky použity. Rozlišení totiž vypovídá pouze o tom, jak velkou fotografii můžeme vytisknout. Pokud plánujete své snímky prohlížet pouze na počítači a nebo chcete tisknout snímky do rodinného alba (běžnou velikost 10x15cm), s velkou rezervou na to stačí rozlišení 3 Mpx (megapixely). V případě, že si občas necháte nějaký povedený snímek vytisknout na formát A4 (20x30 vyjádřeno v centimetrech), bude vám na to stačit rozlišení 5 nebo 6 Mpx. Na zhotovení větších fotografií je potřeba samozřejmě rozlišení vyšší, ale kupříkladu 8 Mpx stačí na velmi kvalitní výtisk formátu A3, tedy 30x45 cm, což je už výstavní formát. Jestliže počítáte s tím, že nebudete využívat celou plochu snímku a plánujete tisknout výřezy z fotografií, je dobré, když zvolíte pro jistotu vyšší rozlišení. V dnešní době mají i ty nejlevnější přístroje rozlišení kolem 8 Mpx, z čehož je jasné, že vzhledem k použití snímků si s rozlišením nemusíme dělat žádné starosti. Naopak nevýhodou příliš vysokého rozlišení fotografií je fakt, že snímky uložené na paměťové kartě a nebo v počítači zabírají zbytečně moc místa a kladou tak daleko větší nároky na kapacitu paměťového média a také na výkon počítače.
Funkce Množství funkcí hraje pro nejednoho fotografa významnou roli. Ti zkušení si velmi dobře poradí s možností manuálního nastavení expozice, režimem měření světla, vyvážením bílé barvy a ostatními funkcemi. V úplně jiné situaci se ale ocitnou ti, kteří s fotografováním nemají takové zkušenost a nebo jsou úplní začátečníci. Pro tyto uživatel je každý fotoaparát vybaven plně automatickým režimem, ve kterém stačí jen zamířit a stisknout spoušť. Přístroj udělá vše automaticky prakticky v každé situaci, takže je tento režim univerzálně použitelný. Pro přesnější přizpůsobení fotoaparátu konkrétní situaci slouží automatické motivové programy, kterými je vybavena naprostá většina i těch nejběžnějších přístrojů. Motivové programy jsou označeny různými symboly, podle toho, jakou situaci se chystáme fotit, například portrét, krajina, makro, noční snímek, západ slunce a podobně. Díky motivovému programu je fotoaparát nastaven optimálně pro daný typ snímku a podává tedy lepší výsledky, než s automatickým programem.
Materiál těla přístroje Tento parametr je velice často zákazníky hodnocen a při tom je z funkčního hlediska v podstatě naprosto zanedbatelný. Rozdíl mezi kovovým a plastovým přístrojem rozhodně není v odolnosti (jak si mnozí myslí), ale pouze v designu. Kovové přístroje někdy vypadají velmi elegantně, ale zákazník si tento efekt zaplatí.
Odolnost Odolnost přístroje je naopak pro mnohé z nás poměrně důležitý parametr. Jak je uvedeno výše, není odolnost závislá ani tak na materiálu, jako především na konstrukci přístroje. Je dobré mít na paměti, že naprostá většina všech fotoaparátů jsou velmi citlivá zařízení a velmi jim škodí (i drobné) nárazy, prach, vlhko a náhlé změny teplot. Proto ke každému přístroji doporučujeme vhodné pouzdro, které dokáže přístroj proti těmto vlivům velmi dobře ochránit. Jsou ovšem i přístroje, které jsou konstruovány s ohledem na možnost použití za zhoršených podmínek. Některé jsou odolné stékající vodě (nevadí jim zmoknutí) a vnikání prachu. Jsou ale i takové, které jsou vyloženě vodotěsné až do 10m hloubky a dokonce jsou schopné vydržet pád z výšky 1,5m!
Rozsah zoomu Rozsah zoomu nám v podstatě určuje šíři záběru. V naprosté většině jsou přístroje vybaveny objektivem s trojnásobným rozsahem zoomu (3x zoom). Tyto fotoaparáty jsou určeny pro zachycení běžných situací, protože 3x zoom naprosto bohatě vystačí pro tento typ záběrů. Zoomy s větším rozsahem umožňují z jednoho místa pořídit jak záběry celé scény, tak i jednotlivé detaily a nebo velmi vzdálené objekty. Volí si je tedy fotografové, kteří se fotografování více věnují a zajímají je i neobvyklé záběry. Velký rozsah zoomu má ale i své nevýhody. Takové objektivy mohou být o něco méně kvalitní, než ty s malým rozsahem. Fotografování dlouhým ohniskem je také náročnější na dobré světlo, protože při horším osvětlení dochází velice často k rozmazání snímku.
Stabilizátor Stabilizátor obrazu, kterým jsou vybaveny některé přístroje, je schopen do jisté míry zabránit rozostření snímků, viz výše. Je to velmi dobrý pomocník, ale ani zdaleka neplatí, že zachrání každou situaci a nebo že by s přístrojem bez stabilizátoru nebylo možné pořídit ostrý snímek. Použití stabilizátoru je vhodné například při fotografování dlouhým ohniskem zoomu a nebo při horším světle. Hodí se především na statické záběry, protože pro zachycení pohybu je zapotřebí krátkých expozičních časů a ty mohou být použity jen při dobrých světelných podmínkách. Pro některé typy záběrů je tedy stabilizátor naprosto zbytečný.
Paměťové karty
Compact Flash
Secure Digital
xD Picture Card
Memory Stick
adaptéry
Jeden z nejdražších modelů na trhu… Digitální zrcadlovka CANON EOS 1Ds Mark III Body -
cena okolo 180 000 kč
Revoluční digitální zrcadlovka s rozlišením neuvěřitelných 21 megapixelů pro nejnáročnější použití. Vyznačuje se především fantastickou kvalitou obrazu díky inovovanému exkluzivnímu CMOS snímači Canon o velikosti 36 x 24 mm a poskytuje 14-bitové zpracování obrazu. Dvojice procesorů DIGIC III zajišťuje vynikající reprodukci barev a umožní souvislé snímání až 56 velkých snímků. Výhodou tohoto modelu je také 3” LCD displej s režimem Live View a integrovaným čisticím systémem EOS. Výhodou je i blesková odezva za všech situací a náběh po zapnutí za méně než půl sekundy. Vysokou odolnost a trvanlivost fotoaparátu zaručuje robustní magnéziové tělo s těsněními proti prachu a pronikání vlhkosti. Duální slot na paměťové karty Compact Flash a SD/SDHC umožňuje kritické snímky zaznamenávat dvakrát, samozřejmostí je i možnost uložení nastavení fotoaparátu na kartu. Pouze samotné tělo fotoaparátu bez objektivu. Parametry a specifikace: CMOS senzor: Obrazový snímač: CMOS 36 x 24 mm s 21 miliony pixelů Efektivní počet pixelů: 21,1 miliony pixelů Celkový počet pixelů: 21,9 miliony pixelů Maximální rozlišení fotografie: až 5616 x 3744 bodů Poměr stran: 3:2 Obrazový procesor: 2 x DIGIC III Objektiv: Dodává se bez objektivu Výměnné objektivy Canon EF (kromě objektivů řady EF-S) Zaostřování: Systém: TTL-AREA-SIR se senzorem CMOS Systém AF: 19 bodů AF křížového typu (a 26 pomocných bodů AF) Režim: inteligentní AF, jednosnímkový AF, AF-Servo (sledování objektu), ruční zaostřování Expozice: Měření expozice: poměrové, středové, bodové, plošné se zdůrazněným středem Režimy: automatický, AE lock, priorita clony, priorita času, manuál Rychlost závěrky: 30 – 1/8000 s
Hledáček: Pětihranol Pokrytí (vertikální/horizontální): 100 % Zvětšení: 0,76 x Bod oka: 20 mm Dioptrická korekce: -3 až +1 D Matnice: vyměnitelná (10 typů) standardní matnice Ec-C IV Zrcadlo: polopropustné zrcadlo s rychlým návratem (Poměr propustnost : odraznost 37 : 63) LCD displej: Rozměr: 3" Počet bodů: 230 000 Nastavitelný jas (7 úrovní) Rozhraní: USB 2.0 Hi-Speed (Mini-B) Videovýstup (PAL/NTSC) Zdířka pro rozšiřovací systém 15 pinů Ostatní parametry: Citlivost: automatická, manuální, ISO 100 - 1600 Vyvážení bílé: Automatické, Denní světlo, Stín, Zataženo, Žárovka, Zářivka, Blesk, Uživatelské Blesk: E-TTL II, režimy auto, vypnutý, doplňkový, uživatelský - patice pro příslušenství / zdířka PC Samospoušť Paměťové médium: duální slot Compact Flash I a II (kompatibilní s Microdrive), Secure Digital (SD,SDHC) Možnost přímého tisku Možnost upgrade firmware Rozměry: 156 x 157,6 x 79,9 mm Hmotnost: 1210 gramů (bez baterií a karty, hmotnost akumulátoru cca. 180 g) Podpora operačních systémů: Windows 98 a vyšší, MacOS 9.0 a vyšší, OS X v10.1 v10.3 Napájení: Ni-MH akumulátor LP-E4
