Objavljeno: 18.9.2005 22:39 | Avtor: Arnold Marko | Monitor Februar 2004

Tehnologija digitalnih fotoaparatov

V zadnji lanski številki smo pisali o digitalni fotografiji v praksi, s tem člankom pa se bomo lotili tehničnega ozadja digitalne fotografije.

Digitalni fotoaparati so zelo zapleteno zgrajene elektronsko-optične naprave, v katere je bilo v minulih letih vloženega veliko razvojnega dela. Sanjači in skeptiki bodo morda ugovarjali, da velikega razvoja na tem področju ne bo več, ker zaradi dosežene kakovosti digitalne fotografije niti ni potreben, a je v praksi seveda še veliko prostora za izboljšave in razvoj. Dobra slika je resda še vedno odvisna od očesa uporabnika, a z izboljšano tehnično osnovo vendarle lahko naredimo boljše fotografije. Česar digitalni fotoaparat ne zmore zajeti zaradi tehničnih omejitev, tega ne more pričarati niti najbolj izkušen fotograf.

Da bi razumeli, kako deluje digitalni fotoaparat (pri čemer se bomo omejili predvsem na elektroniko in programsko opremo v teh napravah), si oglejmo ključne sestavne dele, kako delujejo in težave, omejitve in rešitve v razvoju teh delov.

Kakovost digitalnega fotoaparata je odvisna od kakovosti objektiva in vgrajenih leč, od velikosti in kakovosti svetlobnega tipala ter od vgrajenih algoritmov za obdelavo pridobljenih informacij v uporabno sliko.

Delovanje digitalnih fotoaparatov še zdaleč ni tako enostavno, kot delovanje klasičnih fotoaparatov.

Nekaj osnovne slikovne obdelave lahko poteka že v fotoaparatu samem, najbolje pa je, če slike naknadno obdelamo s programi, kot je Adobe Photoshop in podobnimi. Vendar to zahteva veliko časa, pa tudi programi niso ravno poceni. Zato se trudijo izdelovalci optimizirati aparate tako, da bi z njimi samodejno zajemali čim lepše posnetke.

Osnovno čutilo

Največkrat navedeni podatek o digitalnih fotoaparatih je ločljivost tipala, zato je to verjetno tudi najbolj znan posamezni sestavni del. Pa vendar ločljivost tipala pove le malo o dejanski kakovosti fotografije, ki jo je mogoče z aparatom doseči (čeprav s slabim tipalom dobre kakovosti nikakor ni mogoče doseči), saj na to vpliva še kup drugih dejavnikov - denimo kakovost optike, dodatni algoritmi za obdelavo barv, odpravljanje napak, šuma in podobno. Poleg tega so se pri razvoju tipal z vedno večjo ločljivostjo začeli pojavljati določeni negativni učinki, kot so manjša občutljivost za svetlobo (zaradi manjših svetlobnih elementov), večja občutljivost za šum, pa tudi učinki, ki jih razvijalci pred tem sploh niso predvidevali. Pri tipalih z ločljivostjo pet milijonov pik, denimo, proti robu osvetljenost slik občutno upade (t. i. učinek vinjete). Natančnega razloga za to snovalci še ne poznajo, domnevajo pa, da gre za stranski učinek majhnih svetlobnih elementov, ki postanejo bolj občutljivi tudi za majhne razlike v osvetljenosti, in za vodenja svetlobe na robovih. V HP (kjer uporabljajo tipala izdelovalca Sony) te težave, recimo, rešujejo z algoritmom, ki na podlagi padca osvetljenosti od sredine proti robu končno sliko ustrezno popravi.

Tudi tipala z enako "milijonsko" oznako se med seboj precej razlikujejo. Prvi dejavnik je tako že vrsta samega tipala. Sicer danes večina digitalnih fotoaparatov uporablja čipe CCD, nekateri pa poznajo tudi alternativne tehnologije, kot je CMOS, kot posebno različico te pa velja omeniti tudi tipalo Foveon s tremi sloji silicija, ki so občutljivi za različne valovne dolžine barv - a o tem nekoliko pozneje.

Delovanje tipala

Tudi različne vrste tipal imajo način delovanja vsaj v prvi fazi enak. Ko se fotoni vidne svetlobe (in deloma tudi infrardeče) zaletijo v silicij (ki je osnova vsem vrstam tipal), vzburijo elektrone. Prosti elektroni se potem nabirajo v "zbiralniku" električnega naboja tako dolgo, dokler je svetlobni element osvetljen. Število elektronov, ki se tako sprostijo, bi v idealnih razmerah popolnoma ustrezalo številu fotonov, a v resničnem svetu ni tako in praviloma en foton v povprečju sprosti manj kot en elektron (v nekaterih izjemnih primerih pa tudi več), pa še za tega ni nujno, da ga bo tipalo ujelo in uporabilo za ustvarjanje slike. Najpomembnejši dejavnik pri tem je predvsem kakovost uporabljene silicijeve rezine, ki jo na različne načine čistijo, ji ustvarjajo optimalno strukturo, jo obogatijo z dodatnimi elementi, ki povečujejo njeno sposobnost sproščanja elektronov, in podobno.

Večina tipal ima posamezne svetlobne elemente razporejene v pravokotno mrežo (zmnožek števila svetlobnih elementov v vsaki vrsti in števila vrst pa seveda poda ločljivost tipala). Za razliko od navadnega filma, pri katerem je vseeno, pod katerim kotom svetloba zadane kemikalije, je pri tipalih nujno, da ta na svetlobni element pade čim bolj pravokotno, saj sicer ne sprosti toliko elektronov. V ta namen večinoma pokrijejo prav vsako piko s posebno kupolasto mikrolečo, ki pravilno preusmerja svetlobo in s tem poveča občutljivost tipala za svetlobo. Cena teh mikroleč ponavadi presega ceno samega tipala, a omogoča izdelovalcem, da v objektivu uporabijo manjše in bolj preprosto zasnovane leče, to pa spet ugodno vpliva na ceno.

Od fotona do barve

Naslednji korak pri zajemanju fotografije se pri tipalih CCD in CMOS bistveno razlikuje. Pri tipalu CCD se naboj polni z vrha proti dnu tipala, vrstico za vrstico (torej gre za navpični pomik vseh nabojev v vrstici), zadnja vrstica pa rabi kot vodoravni premični register, ki naboje vsake pike v vrstici zaporedno prenese iz tipala. Ob "izstopu" se vsak naboj še dodatno ojači, dobljeni izhodni signal različnih napetosti pa se končno posreduje ločenemu analogno-digitalnemu pretvorniku, ki električne napetosti "prevede" v "surovo" (ali RAW) digitalno podobo slike. Ker je pri takem načinu prenašanja naboja le malo izgub ali motenj, ki bi bile posledica delovanja različnih vezij na čipu, kot se sicer dogaja pri tipalih CMOS, je laže izdelati tipala, ki so bistveno manj občutljiva za šum. Kljub temu pa nekaj motenj vedno ostane in nekaj elektronov naboja se tudi pri takem prenašanju izgubi v "neznano".

Pri zajemanju svetlobe je zelo pomembna tudi velikost tipala. Ob tem je zelo pomembna velikost za svetlobo občutljivega dela posamezne pike - čim večja je ta površina, tem večja je sposobnost zajemanja svetlobe oziroma pretvarjanja fotonov v elektrone (kapacitivnost). To pomeni, da tipala z več pikami, a enako velikostjo ne pomenijo nujno napredka v kakovosti fotografije, saj se ob manjših svetlobnih elementih nujno zmanjša naboj, ki ga lahko posamezni svetlobni element zajame - s tem pa tudi količina barvnih podrobnosti ali dinamični obseg tipala. Poleg tega je treba izhodne signale bolj ojačiti, to pa povzroča dodatni šum (tako ali tako so tipala z večjim številom svetlobnih elementov bolj občutljiva za šum).

V tem tiči tudi razlog, da aparati s tipali z večjo ločljivostjo tudi na naših preizkusih pogosto ne dajo tako kakovostne fotografije, kot jo zmorejo njihovi predhodniki s tipali z manjšo ločljivostjo. Za doseganje 10-bitnega dinamičnega obsega, pri čemer bi na primer šum predstavljal le 10 elektronov, je namreč treba zajeti kar 10.240 elektronov, za doseganje 12-bitnega dinamičnega obsega (ki ga dosegajo predvsem v dražjih modelih digitalnih fotoaparatov) pa je treba že kar 40.960 elektronov. Po drugi strani pa velikosti tipal ni mogoče kar preprosto večati, saj ob tem neizogibno nastanejo druge vrste šuma. Poveča se namreč občutljivost za učinek moire in podobno.

Barvni kompromis

Kot smo že omenili, tipala digitalnih fotoaparatov (razen omenjenega Foveona) zajemajo svetlobo glede na jakost, neodvisno od njene barve. Za ustvarjanje barv so razvijalci uporabili zvijačo in so pred tipalo postavili barvno mrežo, sestavljeno iz osnovnih barv (pri tipalih z mikrolečami je ta barvni filter postavljen med mikrolečo in svetlobni element). Sicer so razvijalci izumljali različne vrste tovrstnih filtrov, a je za praktično rabo "preživel" pravzaprav le Kodakov vzorec (imenovan tudi GRGB), ki je bil razvit že v sedemdesetih letih minulega stoletja. Ta ima dvakrat več zelenih elementov kakor rdečih in modrih, kar izhaja iz tega, da človeško oko za določanje ostrine najbolj uporablja zeleno svetlobo. Filtri si v tem vzorcu sledijo po zaporedju modra-zelena-modra-zelena (in tako naprej) v vsaki lihi in v zaporedju zelena-rdeča-zelena-rdeča (in tako naprej) v vsaki parni vrstici. Surova slika, ki jo dobimo neposredno iz tipala, je v bistvu sivinska, s polovico informacij za zeleni del slike in po četrtino za rdeči oziroma modri del slike. Tako se barva vsake z algoritmom za barvno interpolacijo sestavi iz vrednosti, ki jo poda devet svetlobnih elementov (razporejenih v matriko 3 × 3). Ti algoritmi se med sabo lahko seveda precej razlikujejo in njihova učinkovitost precej določa, kako natančno in ostro bo digitalni fotoaparat zajel barvne podrobnosti.

Sicer so se pred časom uporabljali tudi druge vrste filtri - v Nikonu in Canonu so npr. včasih uporabljali filtre CMGY, sestavljene iz svetlo modrih, škrlatno rdečih, zelenih in rumenih filtrov (vrstice so si torej sledile po zaporedju CMCM in GYGY), a so jih opustili. A tudi pri barvnih filtrih se pojavljajo novosti. Tako je Sony letos poleti predstavil nov barvni vzorec RGBE, ki ga je skupaj z novim tipalom ICX456 (8 milijonov za svetlobo občutljivih elementov) vgradil v polprofesionalni model DSC-F828. Ta uvaja dodatno "E" ali smaragdno barvo (ki še najbolj ustreza svetlo modri barvi v tiskarstvu), z uporabo tovrstnega vzorca pa naj bi povečali obseg barv, ki jih lahko zajame tipalo, in izboljšali natančnost zajemanja. Tipalo ICX456 je zanimivo tudi zato, ker uporablja zelo majhne za svetlobo občutljive elemente, ki so med seboj oddaljeni vsega 2,7 mikrometra, to pa je že skoraj na robu velikosti, ki jo potrebujemo, da lahko zajamemo dovolj veliko količine svetlobe za 12-bitno pretvarjanje analognega signala v digitalnega. Žal še ne vemo, ali so v Sonyju zagotovili dovolj dobro kakovost zajemanja, ne da bi bilo tipalo preveč občutljivo za šum, ki se pri tako majhnih svetlobnih elementih začne pojavljati kot stranski učinek - a Sony se je že pri modelu DSC-717 precej opiral na dodatno algoritemsko odpravljanje šuma s slik.

Tudi sicer pri načrtovanju tipal razvijalci odkrivajo vedno nove načine za izboljšanje kakovosti njihovega delovanja, predvsem pa poskušajo odpravljati vse napake, ki bi jih lahko povzročalo nenatančno zajemanje svetlobe. Tako so sodobna tipala zgrajena zelo zapleteno, vgrajene imajo ovire, ki preprečujejo, da bi fotoni, ki priletijo na tipalo pod ostrim kotom, padli na sosednje elemente, poleg "zbiralnikov" električnega naboja so posebni prehodi, ki preprečujejo, da bi se ob preveliki osvetlitvi elektroni prelivali v sosednji zbiralnik (ki sodi k sosednji piki), za boljši nadzor elektronov in odpravljanje šuma pa uvajajo dodatne plasti materialov - denimo Sony pri tipalih HAD.

Svojevrstna tipala že dolgo izdelujejo tudi v Fujifilmu. Njihova tipala Super CCD se ponašajo s posebno šestkotno obliko osnovnih elementov, ki omogoča, da so si bliže in da je na tipalu več prostora za zajemanje svetlobe (maskirani del je manjši). Ker vrstice deloma prekrivajo druga drugo, v Fujifilmu uporabljajo še dodatno interpolacijo za ustvarjanje slik večje ločljivosti. Zadnji modeli tipal Super CCD so že četrti rod, pri Fujifilmu pa so razvili dve vrsti teh tipal - različico s povečanim dinamičnim obsegom zajemanja (ker ima dve strukturno različni plasti silicija, ki sta prilagojeni za večje valovne dolžine svetlobe), a z manjšo ločljivostjo zaradi večjih elementov; in različico z več elementi in "standardno" zasnovo z eno vrsto silicija. Z novimi vrstami tipal so že opremili fotoaparate S5000 in S7000, ki so jih predstavili pred kratkim.

Če gre pri razvoju novih tipal CCD večinoma za izboljšave starejših vrst tipal, pa je največ novosti pri razvoju tipal CMOS. Z vse manjšimi merami tranzistorskih vezij, ki zagotavljajo vse več prostora na tipalu CMOS za zajemanje svetlobe in z boljšimi metodami za odpravljanje šuma tudi tipala CMOS postajajo vse bolj zanimiva tehnologija, ki pa se trenutno uveljavlja bolj v višjih segmentih digitalne fotografije. Sicer je s kakovostnim tipalom CMOS že lep čas na trgu navzoč Canon, ki je kot prvi predstavil serijski model D60, z modelom EOS-300D pa so v Canonu tehnologijo CMOS prestavili tudi v razred niže - v razred, namenjen zahtevnejši amaterski in polprofesionalni rabi. Poleg tega je Canon tudi eden od dveh izdelovalcev (poleg Kodaka), ki z modelom EOS-1Ds ponuja fotoaparat s tipalom CMOS tako imenovane polne velikosti, kar pomeni, da velikost tipala ustreza velikosti filma leica in omogoča rabo klasičnih objektivov ter poln izkoristek širine kota (gre seveda za zrcalno-refleksno napravo z izmenljivimi objektivi).

Zato ne čudi, da se je v bitko pri tehnologiji CMOS vpletel tudi večni Canonov tekmec, Nikon. Pravzaprav pri tem Nikon ne posega neposredno po tehnologiji CMOS, temveč za ojačevalne tranzistorje signala v svojem tipalu LBCAST, ki ga bo uporabljal profesionalni model D2H, namesto čipov MOSFET uporablja JFET (Junction Field Effect Transistor). Čip naj bi blestel predvsem s hitrostjo zajemanja (do 8 slik na sekundo), ob tem pa naj bi proizvedel zelo malo šuma in porabil zelo malo energije. In če smo že pri tehnologiji CMOS, je težko prezreti tipalo Foveon. To je edino tipalo doslej, ki na istem osnovnem, za svetlobo občutljivem elementu zajema tri barve. To so dosegli s plastmi silicija, občutljivimi za različne valovne dolžine svetlobe. Tako imajo tipala ločljivosti, denimo, 3 milijone pik trikrat toliko svetlobnih elementov. No, kljub velikim pričakovanjem izdelovalca pa se Foveon le počasi uveljavlja, k čemur so zagotovo precej prispevale zamude v razvoju čipa in to, da ga zaenkrat uporablja edino Sigma v zrcalno-refleksnem modelu SD-9. A ker je tehnologija razmeroma mlada, lahko v prihodnosti vseeno pričakujemo še nekaj možnosti za nadaljnji razvoj in uveljavitev. Sivinska tipala lahko namreč podobno barvno natančnost dosegajo le s hitrim večanjem števila in manjšanjem samih elementov ali pa moramo uporabiti tri sivinska tipala - za vsako osnovno barvo po eno (kot npr. pri boljših video kamerah), to pa močno zaplete in podraži izdelavo.

Iz surove v zrelo sliko

Tipalo je sicer temeljni pogoj za kakovostno fotografijo, nikakor pa ni dovolj. Še posebej ne pri najbolj razširjeni vrsti tipal CCD, ki ustvari le surovo, popolnoma neobdelano sliko, pri kateri je najprej treba sestaviti optimalno barvno sliko. Poleg tega na kakovost fotografije še pred zajemanjem odločilno vpliva tudi dodatna elektronika, ki nadzoruje svetlobne razmere in temu ustrezno odpira zaslonko objektiva, določi čas zajemanja, skuša določiti temperaturo bele, poskrbi za ustrezno sinhronizacijo svetlobe bliskavice in nenazadnje sliko tudi ustrezno izostri. Za določanje čim bolj optimalnega delovanja digitalnega fotoaparata uporabljajo različne tehnike - od analize svetlobe na tipalu (torej merjenje skozi lečo ali TTL) do ločenih tipal, dodatnih virov svetlobe za boljše določanje ostrine in podobnega. Elektronika tudi določi svetlobo na različne načine (lahko jo, recimo, meri le na središčno točko, upošteva povprečno osvetljenost celotne slike ali pa meri svetlobo na več segmentov), nekaj podobnega pa velja tudi za določanje optimalne izostritve.

Še tako izpopolnjena nadaljnja obdelava surovih posnetkov (za katero sicer skrbijo hitri procesorji DSP, ki jih je lahko tudi več) ne more narediti čudežev iz slike, ki je že v osnovi slabo zajeta (presvetla, pretemna, neostra in tako naprej). Večino teh nastavitev lahko pri boljših digitalnih fotoaparatih sicer določamo tudi ročno, a le redkokateri uporabnik uporablja popolnoma ročno nastavljanje vseh parametrov digitalne fotografije (kar je po svoje tudi razumljivo, saj je dejavnikov fotografiranja, ki jih lahko določimo, celo več kot pri analogni fotografiji). Poleg tega pa tudi pri popolnoma ročnem načinu delovanja končna podoba slike ni neodvisna od podatkov, ki jih zajame elektronika pred samim zajemanjem fotografije s tipalom, saj je veliko teh podatkov uporabljenih tudi v postopkih nadaljnje obdelave slike (tudi v primerih, ko sliko zapisujemo v "surovem" zapisu RAW in za nadaljnjo obdelavo uporabljamo programe v osebnih računalnikih, saj večina surovih zapisov vsebuje tudi podatke o pogojih slikanja, ki jih zbirajo bodisi v istih, bodisi v ločenih datotekah).

Med te v prvi vrsti spada predvsem obdelava barv - postopek, po katerem se končni videz fotografije tudi najbolj razlikuje od izdelovalca do izdelovalca in med različnimi fotoaparati. Človeško oko je namreč različno občutljivo za barve različnih valovnih dolžin, poleg tega je naša zaznava zelo odvisna od razmer, v katerih predmet gledamo. Tipalo teh naših "posebnosti" pri zajemanju svetlobe seveda sploh ne upošteva. Način, na katerega človeški vid zaznava barve, raziskovalci v razvojnih laboratorijih skrbno preučujejo in upoštevajo pri razvijanju vedno bolj sofisticiranih algoritmov za prikazovanje barv na digitalnih fotografijah (potreba po natančnih algoritmih z večanjem ločljivosti tipal in s tem posledičnega manjšanja svetlobnih elementov le še narašča). V osnovi delujejo ti algoritmi s pomočjo podatkov, ki so empirične narave (torej zbrani s preizkusi). Ponavadi gre za zapise točk na krivulji, ki označuje

Za natančen zajem barv je temeljnega pomena tudi temperatura svetlobe, s katero je obsijan prostor, pri čemer se določa temperatura bele svetlobe (torej take, ki vsebuje vse barve). Človeški vid ima namreč lastnost, da pri obdelavi barv v možganih prilagodi zaznavanje barv ustrezno svetlobnim razmeram, tako da tudi pod svetlobo žarnice vidimo nek prizor podobno, kakor če je obsijan s sončno svetlobo ali svetlobo neonski žarnic. V svetu analogne fotografije so se v ta namen uporabljali filmi, prilagojeni različnim vrstam svetlobe, ter različne barvne predleče, ki so popravljale barve, digitalna fotografija pa je uvedla možnost, ko je mogoče natančno določiti, kakšen izvor svetlobe osvetljuje prostor, bodisi prek nastavitev, ki barve prilagodijo najbolj razširjenim vrstam bele svetlobe (žarnice, sonce, senca...), bodisi prek določanja temperature bele na način, da aparatu "pokažemo" neko belo površino v prostoru, barvni algoritmi pa nato ustrezno popravijo vse barve na posnetku.

Glede na to, da večina ljudi le nerada stvari nastavlja ročno, je razumljivo, da izdelovalci kupce snubijo tudi z vedno bolj izpopolnjenimi algoritmi za samodejno prilagajanje temperature bele barve. Ti algoritmi namreč poskušajo iz prizora sami zaznati temperaturo svetlobe, ki prostor osvetljuje, in temu ustrezno prilagoditi barve. Če je še pred kratkim večina teh algoritmov dajala dokaj povprečne rezultate, še posebej v razmerah, ko prostor osvetljuje več virov svetlobe, ali ko je le malo belih površin (npr. v gozdu), v zadnjem času vedno bolj izpopolnjujejo tudi postopke za pravilno določanje temperature bele, ob tem pa vedno bolj upoštevajo tudi vpliv, ki ga ima različna temperatura na človekovo zaznavanje barv v vidnem spektru svetlobe. V ta namen uporabljajo predvsem od optičnega tipala ločena pomožna tipala - teh je lahko tudi več (pri omenjenem modelu Nikon D2H bodo uporabljena kar tri dodatna tipala za določanje temperature bele, ki bodo med drugim lahko zaznala tudi utripanje neonskih luči). Pri Nikonu, denimo, v svoje boljše modele digitalnih fotoaparatov vgrajujejo večje število podatkov o zaznavni krivulji za določene temperature bele, novejši modeli HP pa so sposobni določiti zaznavno krivuljo za vsak prizor, ki ga fotografiramo posebej in tako sploh uspevajo doseči eno najboljših prilagajanj temperature bele barve (pa čeprav gre za modele, ki so še vedno namenjeni širšemu potrošniku). Kljub vsej znanosti in razvoju pa enotnega jezika pri obdelovanju barv ni, kar je pač posledica tega, da so barve zelo vezane na zaznavo (ki je spremenljiva od človeka do človeka), zato se končni videz barv tudi pri istih razmerah in predlogah lahko zelo razlikuje. Tako nekateri izdelovalci, denimo Sony, bolj prisegajo na tople barve, njihove slike imajo nekoliko bolj rdečkaste odtenke (ki so zaradi tega tudi nekoliko bolj mehke), Canonove fotografije pa, denimo, slovijo po nekoliko bolj hladnih barvah, ki dajejo boljši občutek ostrine in detajlov. Kaj od tega je bolj "pravilno", je bolj stvar okusa kakor trdnih resnic.

Dodatni postopki obdelave

Pravzaprav je prvi proces, ki se dogaja zunaj tipala (po pretvorbi fotonov v električni naboj) že sama pretvorba iz analognega v digitalni signal. Največ se za to uporabljajo 10-bitni pretvorniki, pri boljših aparatih tudi do 12-bitni. Uporaba takih pretvornikov je smiselna le, če uporabljamo za svetlobo dovolj občutljivo tipalo. Te digitalne informacije nato prevzame že omenjeni procesor DSP, ki poleg tega, da poskrbi za pretvorbo v barve, opravi še kup drugih stvari. Pri obdelavi slik se namreč pogosto uporabljajo še različni algoritmi za ostrenje oziroma mehčanje slike (podobni tistim v programih za obdelavo slik). Procesor DSP skrbi tudi za delovanje posebnih algoritmov za dodatno odpravljanje šuma, ki tudi vedno bolj pogosto postajajo sestavni del digitalnih fotoaparatov in predvsem omogočajo doseganje večje kakovosti fotografije v slabih svetlobnih razmerah, ko uporabljamo večjo občutljivost ISO delovanja tipala CCD - ta se izraža v enotah ASA in ustreza občutljivosti klasičnega 35-milimetrskega filma, pomeni pa nič drugega kot to, da se toliko močneje ojača signal, ki ga tipalo posreduje analogno digitalnemu pretvorniku. S tem se seveda drastično okrepi tudi šum, ki se na sliki izrazi kot zrnatost in kot slabša ostrina. Digitalni filtri za šum iščejo šum na sami sliki ali pa pri odstranjevanju šuma upoštevajo šum, ki ga ustvari tipalo CCD, če mu zgolj ojačamo signal in ga ne osvetljujemo (iz temne slike dobimo torej nekakšno sliko šuma in to odštejemo iz končne slike, kar je veliko boljša rešitev). Če so še pred časom ti filtri preveč mehčali slike in so bili njihovi rezultati skromni, pa so v zadnjem času postali vse bolj zapleteni in predvsem koristni. Tako, denimo, pri zmogljivejših modelih HP digitalno odpravljanje šuma deluje skoraj brezhibno, nekaj podobnega velja tudi za Sonyjeve algoritme, v katerih kakovost sam izdelovalec očitno tako zelo zaupa, da pri modelu F717 algoritma za dodatno odpravljanje šuma sploh ni mogoče izklopiti.

Poleg osnovne obdelave se je predvsem v razredih, ki so namenjeni potrošnikom, uveljavilo tudi dodajanje funkcij, s katerimi lahko ustvarjamo različne barvne učinke, ki dajejo slikam starinski videz, jih spremenijo v navidezne risbe, naredijo barve bolj "žive" ali omogočajo črno-belo fotografiranje. Te dodatne možnosti so sicer namenjene bolj "eksperimentiranju" kakor resnemu delu, saj lahko prav vse te učinke uporabimo tudi pri nadaljnji obdelavi s programi za obdelavo slik. Med zanimivimi možnostmi, ki so se v zadnjem času pojavile na trgu, je tudi digitalna bliskavica, ki jo bosta v kratkem v nekatere svoje modele vgradila HP in Nikon. Tak dodatek poskuša na slikah najti premalo osvetljene dele in jih digitalno dodatno osvetliti, tako da ustrezajo preostalim delom slike. Seveda tak "digitalni fleš" ni vsemogočen in ustrezno deluje le pri tistih scenah, kjer razlika v osvetljenosti delov ni prehuda, sicer preveč naraste količina šuma na digitalno dodatno osvetljenih delih slike.

Ne nazadnje je prav procesor DSP tisti, ki ustvari končno sliko - torej tako, ki je zapisana na način, da jo lahko potem uporabljamo tudi v osebnih računalnikih, jo pošljemo v studio in podobno. Glede na to, da večina današnjih aparatov deluje z 10- ali 12-bitnimi analogno-digitalnimi pretvorniki, se pri zapisu v zapis JPEG (in pogosto tudi TIFF) izgubi velik del barvnih informacij, saj je zapis 24-biten, za vsak barvni kanal torej uporablja le 8 bitov. Za ohranjanje kakovosti in izkoriščanje polne zmogljivosti digitalnega fotoaparat je tako najprimernejši "surovi" zapis (RAW), ki pa zahteva dodatno obdelavo slike z ustrezno programsko opremo (ki se razlikuje od modela do modela), včasih pa aparati ponujajo tudi možnost zapisovanja slik TIFF z globljo barvno paleto. Kot ste verjetno že ugotovili, so procesorji DSP dokaj obremenjene naprave znotraj digitalnih fotoaparatov, kar velja predvsem za aparate, ki uporabljajo tipala CCD (torej veliko večino), medtem ko lahko pri tehnologiji CMOS velik del obdelave poteka že na ravni samega tipala (recimo barvna obdelava, zmanjšanje šuma, analogno-digitalna pretvorba...).

Svet pa se vrti naprej

Prostora za razvoj elektronike in algoritmov (in tudi optike, a to presega domeno pričujočega članka) za digitalne fotoaparate je še dovolj. Razvijalci danes vlagajo veliko energije v večanje števila svetlobnih elementov, a po drugi strani večanje tega števila v nedogled ni smiselno - razen za posebne potrebe. Večjo pozornost snovalcev lahko pričakujemo pri izboljševanju kakovosti v smislu manjšanja občutljivosti za šum in drugih napak, večanja barvne dinamike in nasploh občutljivosti tipal... Predvsem pa je veliko prostora za razvoj izboljšanih algoritmov, ki poskrbijo za obdelavo podatkov iz tipal v končno sliko - denimo za obdelavo barv, odpravljanje šuma ali točno določanje svetlobnih razmer. Poleg tega digitalni fotoaparati že danes ponujajo precej večje število možnosti za vplivanje na način zajemanja in videz fotografije kakor pri analognih fotoaparatih, v prihodnosti bo teh dodatkov zagotovo še več (digitalna bliskavica, ki smo jo omenili, je že ena takih izboljšav). A ne le kakovost in dodatne možnosti - še največ prostora za nadaljnji razvoj imajo digitalni fotoaparati pri povečevanju hitrosti delovanja, kar je povezano z izboljševanjem praktično vseh sestavnih delov, pri čemer je največ prostora za večanje hitrosti prenašanja podatkov tako iz tipala kot tudi med drugimi komponentami (skupaj s pomnilnikom), hitrejšemu merjenju osvetlitve prostora, kjer fotografiramo, večanju hitrosti ostrenja in še čemu. Veliko razvojnih ur bo zagotovo namenjenih tudi izboljševanju zasnove ohišij, uporabniških vmesnikov in menujev, kakovosti zaslonov LCD in zmogljivosti akumulatorjev oziroma manjšanju porabe. Rezerve je torej dovolj in dokler bo trg vroč, kot je danes, se (kljub raznim krizam v svetu tehnologije) tehnologiji digitalnih fotoaparatov ni bati niti za pritok dovolj velike količine denarja za razvoj še bolj izpopolnjenih naprav, ki bodo tudi tehnične zanesenjake lahko držale v napetosti in pričakovanju.

Ostrenje

Praktično vsi digitalni fotoaparati, razen tistih z najmanj kakovostnimi fiksnimi objektivi, ki so torej brez gibljivih leč, poznajo samodejno ostrenje. To je pri kompaktnih digitalnih fotoaparatih večinoma pasivno, torej sliko ostri procesna enota fotoaparata, ki s pomočjo motorjev vrti leče fotoaparata in "išče" tisti položaj, na katerem je razlika med intenzivnostjo blizu ležečih pik največja. Pri tem si pomaga bodisi le z delom informacij s tipala CCD, ki se uporablja tudi za zajemanje slike, ali pa uporablja dodatno enovrstično tipalo CCD z manjšim številom pik v vrstici, ki je namenjeno le temu. Aktivno samodejno ostrenje pa deluje podobno kakor radar in meri razdaljo od predmeta, ponavadi s pomočjo infrardeče svetlobe in ustreznega tipala (prvi sistemi za samodejno ostrenje so, recimo, uporabljali kar ultrazvok). Ker potrebuje pasivno ostrenje za izostritev dovolj svetlobe in tudi kontrasten motiv na sliki, si izdelovalci za bolj optimalno in hitrejše ostrenje pomagajo tudi z različnimi "zvijačami", kot so povečevanje občutljivosti delovanja tipala pri ostrenju, osvetljevanje scene z dodatno osvetlitvijo, ki je lahko vidna ali infrardeča svetloba, še bolj učinkovit je Sonyjev sistem ostrenja z laserskim hologramom, ki ga projicira na predmet in ki aparatu "pove", kako oddaljen je predmet, ki ga slikamo.

Pasivno ostrenje je večinoma omejeno na eno vrstico informacije, predvsem zaradi hitrosti procesiranja in s tem ostrenja, zato ponavadi reagira le na vodoravno ali navpične razlike v intenzivnosti - pač odvisno od tega, v kateri smeri "išče" razlike. To za uporabnika pomeni, da tudi na samodejno ostrenje lahko zelo vpliva s tem, da središče izreza, ki se ponavadi uporablja pri iskanju optimalne izostritve (razen če uporabnik v nastavitvah izbere drugo možnost), usmeri proti dovolj "jasnemu" predmetu na sliki. Če se pojavijo težave z ostrenjem, si lahko pomaga z iskanjem intenzivnega prehoda, ki je drugače usmerjen - denimo, če ima aparat težave pri ostrenju obzorja na sliki, torej vodoravnega prehoda, si lahko pomagamo z dovolj oddaljenim drevesom, ki predstavlja navpični prehod. Omenimo še, da ima pasivno ostrenje pred aktivnim vendarle tudi prednost - je neodvisno od razdalje do predmeta, nanj pa tudi ne vplivajo ovire, kot je steklo, ki lahko zaustavi ali preusmeri žarek aktivnega sistema ostrenja.

Tipala CCD in CMOS

Tipala so polprevodniški elementi, ki svetlobo pretvorijo v električno napetost. Njihov razvoj sega že v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, povezan pa je (kot mnogo drugih stvari v visoki tehnologiji) z razvojem predvsem vojaških in vesoljskih programov. ZDA so namreč v tistem času razvile svoje prve vohunske satelite, ki so najprej delovali popolnoma analogno, kar je pomenilo, da so morali škatle s filmi fizično pošiljati v Tihi ocean, kjer so jih potem iskali s posebnimi letali in ladjami. Tak način je bil vse prej kot uporaben (kakšna škatla se je izgubila, nekaj pa jih je menda prišlo tudi v sovražnikove roke).

Za prehod na digitalno tehnologijo so bila odločilna pozna šestdeseta, ko so različni znanstveniki ugotovili, da so lahko polprevodniki CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) občutljivi za svetlobo. CCD (Charge Coupled Device - vezje s sklopljenim nabojem) sta leta 1969 izumila William S. Boyle in George E. Smith v Bellovih laboratorijih, prvi komercialni CCD pa je bil narejen leta 1973. Niti CMOS niti CCD nista bila izvirno namenjena zajemanju svetlobe, temveč so ju razvili kot pomnilniške čipe, vendar so se čipi CMOS razširili v prav vse vrste elektronskih naprav, medtem ko so CCD-je kmalu začeli uporabljati zgolj za zajemanje slik - tako v optičnih bralnikih kot tudi digitalnih fotoaparatih.

Največja razlika med tipali vrste CMOS in CCD je v načinu prenašanja elektronov iz tipala in večji možnosti integracije dodatnih funkcij obdelave v čipih CMOS (od pretvarjanja v digitalno podobo, obdelave barv, odpravljanja šuma, dodatnega ostrenja in tako dalje). Prav zato lahko s tipali CMOS izdelamo bistveno cenejše digitalne fotoaparate, ki so lahko tudi manjši in energijsko manj zahtevni, vendar je njihova slabost v tem, da so praviloma manj občutljivi za svetlobo (ker imajo manjše površine, ki so izpostavljene fotonom), zato pa so veliko bolj občutljivi za šum. Po kakovosti zajemanja slik je torej v prednosti tehnologija CCD, ki pa za delovanje potrebuje veliko več energije, poleg tega pa še veliko dodatne elektronike, kar poveča tako strošek kot tudi velikost. Sicer se z manjšanjem tranzistorskih vezi (kar pomeni večanje površine za zajem svetlobe) uspešno izboljšuje tudi tehnologija CMOS - lep zgled za to so predvsem Canonovi zrcalno-refleksni modeli, ki temeljijo prav na tej tehnologiji.

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki

Monitor na Facebooku

Monitor TV na YouTube

HRWrFBljAjU

  • Polja označena z * je potrebno obvezno izpolniti
  • Pošlji