Světlocitlivé snímací čipy

    To co snímá obraz za obejktivem digitálního fotoaparátu se jmenuje CCD, nebo CMOS čip. Rozdíly mezi CCD a CMOS jsou spíše technického charakteru, pro uživatele nepodstatné, ale pokud vás to zajímá, tak o něco níže je přehled používaných typů.

U světločivných čipů rozeznáváme dva údaje, první je jeho velikost (myslí se velikost světločivné oblasti), která se udává v palcích a dnes se nejšastěji pohybuje okolo 1/2", 1/1.8", 1/2.7" a 1/3.6". Tento údaj je důležitý pouze pro přepočty ohliskových vzdáleností objektivu pro kinofilmový ekvivalent. Daleko důležitější je:

• Rozlišení

  CCD a CMOS čipy se skládají až z miliónů jednotlivých buněk (někdy se jim říká pixel, i když pixelem se většinou rozumí zobrazovaný bod), z nichž každá dokáže registrovat světlo a vyhodnocovat jeho intenzitu. Jak ale pak takovvý čip rozeznává barvy? Jednoduše, světlo lze rozložit do tří základních barev, červené, zelené a modré, všechny ostatní barvy lze pomocí těchto základních nakombinovat (např. dáme 255 červené, 255 zelené a 0 modré a obdržíme jasně žlutou). Proto je nad každou světločivnou buňkou malý barevný filtr, proto některé buňky registrují jen červenou, jiné jen modrou a ty poslední jenom zelenou. Celkem se všem těmto filtrům na CCD či CMOS čipu říká RGB filtr (Red, Green, Blue filtr).

  Tyto barevně rozlišené světločivné buňky se združují po čtyřech do skupin. V takové skupině je jedna pro červenou barvu, jedna pro modrou a dvě pro zelenou barvu. Protože pro zelenou barvu jsou dvě, tak se jim přikládá pouze poloviční váha (počítá se průměr). Po čtyřech se združují z důvodu jednoduchosti výplně (je jednodušší vyplnit plochu čtverci nežli trojúhelníky). Z jedné této skupiny pak vzniká jeden obrazový bod, tedy pixel.

  Počet těchto pixelů se udává jako hlavní údaj o CCD či CMOS čipu. Proto rozeznáváme čipy s 1.31 Mpix (tedy 1.31 miliónem pixelů), 2.11 Mpix, 3.34 Mpix a 4.14 Mpix. Toto číslo ale samo o sobě není ten nejdůležitější údaj o digitálním fotoaparátu, sice z něj ihned vyčteme, jakým čipem je aparát osazen, ale ne kolik procent z něj dokáže využít. Například CANON PowerShot Pro 90 IS je size osazen 3.34 Mpix CCD čipem, ale používá z něj sotva 80% světločivných bodů.

  Oním velmi důležitým údajem je rozlišení snímku. To nám udává kolik bodů vodorovně a kolik bodů (pixelů) svisle, je schopen fotoaparát rozeznat. Tak můžeme potkat fotoaparáty oba s 3.34 Mpix, ale jeden dosáhne 2048x1536 pixelů rozlišení, a ten druhý jen 1856x1322 pixelů rozlišení.

  Většina digitálních fotoaparátů dovoluje nastavování rozlišení snímku alespoň ze dvouch hodnot. Hodnoty rozlišení snímku jsou převzaté z rozlišení monitorů a tak se setkáváme se rozlišeními 640x480 pix, 1024x768 pix, 1280x960 pix a 1600x1200 pix. V současné době je standartním rozlišením monitoru 1024x1536 pix, pouze ty nejlepší monitory zvládají v nějaké slušné obnovovací frekvenci zobrazovat 1600x1200 pix rozlišení. Z toho plyne, že pokud potřebujeme digitální fotoaparát pro focení do počítače, pro katalogizaci, nebo Internet, tak nemá smysl kupovat aparát s rozlišením větším nežli 1280x960 pix, což zhruba odpovídá 1.31 Mpix.

  

  Následující tabulka zobrazuje nejčastěji používané CCD a CMOS čipy, nejvyšší dosažitelné rozlišení s tímto čipem a k čemu se hodí digitální fotoaparát osazený tímto čipem s uvedeným rozlišením.

  CCD, CMOS čip	Maximální rozlišení	Nejvhodnější činnosti
  1.31 Mpix	1280 x 960 pix	Snímky do počítače, tisk ve fotokvalitě do formátu 9x13 cm
  2.11 Mpix	1600 x 1200 pix	Snímky do počítače, tisk ve fotokvalitě do formátu 13x18 cm
  3.34 Mpix	2048 x 1536 pix	Snímky do počítače, tisk ve fotokvalitě do formátu A4
  4.14 Mpix	2272 x 1704 pix	Snímky do počítače, tisk ve fotokvalitě do formátu A3
  5.24 Mpix	2568 x 1928 pix	Snímky do počítače, velkoformátový tisk ve fotokvalitě
  6.52 Mpix	3072 x 2048 pix	Snímky do počítače, velkoformátový tisk ve fotokvalitě

  
   

• Vyvážení bílé barvy

  Vyvážení bílé barvy je zvláštní nutností pro digitální fotoaparáty. Protože CCD a CMOS čipy jsou velice barevně citlivá zařízení, dochází k jevům, kdy například zářivkové osvětlení místnosti natónuje celkový záběr do modré barvy. K potlačení tohoto nežádoucího jevu slouží právě vyvážení bílé barvy.

   

  Každý digitální fotoaparát umožňuje automatické nastavení, ale dokonalejší (a dražší) modely nabízejí i něco navíc. První stupeň jsou přednastavené hodnoty (Slunečno, Podmrakem, Zářivky, Žárovky atd..), které lze rychle a jednoduše uplatnit. Dalším stupněm je nastavení teploty chromatičnosti, kdy si uživatel může měnit barevnou teplotu po stupních jak sám chce, až dosáhne nejlepšího barevného nastavení.

   

  
   

• Citlivost CCD-CMOS čipu

  Většina digitálních fotoaparátů má tzv. nastavení citlibosti CCD nebo CMOS čipu. Pro jednoduchost se udává ve stejných jednotkách jako citlivost filmů, tedy v ASA. Tak můžeme nastavit citlivost čipu na 100 ASA, 200 ASA, 400 ASA atd.. Většina digitálních fotoaparátů navíc umožňuje i nastavení citlivosti na automatiku.

  Co se praktického využití týče, tak už je to horší. Použití je jen jedno, a to to, že vyšší nastavení citlivosti CCD či CMOS čipu nám umožní používat kratší časy. Stejného výsledku jako použití vyšší citlivosti lze ale dosáhnout s libovolným programem pro editaci fotografií, kdy můžeme zvýšit jas a kontrast až do požadované úrovně. Digitální fotoaparáty jsou totiž velmi citliví na malá množství světla a tak jim více vadí přeexpozice, nežli podexpozice. Podexponovaný záběr můžeme jednoduše zachránit výše uvedeným způsobem opravy foto-programem.

                 
   

• Barevná hloubka

  Barevná hloubka se udává v bitech a nejčastěji používanou hodnotou je 24 bitů. Čím větší je toto číslo, tím více barev je možné rozeznat na výsledném snímku. 24 bitů znamená, že na každou barvu připadá 8 bitů (8 na červenou, 8 na zelenou a 8 modrou), což je pro lidské oko blízko hranice rozlišitelnosti. Jinými slovy více než 32 bitů na barvu lidské oko nerozezná. Více napoví tato tabulka, kde jsou veškeré důležité údaje:

  Barevná hloubka	Množství rozlišitelných barev	Firmy které používají toto rozlišení	Použití
  16 bit	65.536	Snad nikdo	Snímky do počítače
  24 bit	16.777.216	OLYMPUS, FUJI, CANON, NIKON, MINOLTA	Obecné použití
  32 bit	4.294.967.296	OLYMPUS, FUJI, CANON, NIKON, MINOLTA	Velkoformátový tisk
  36 bit	6.871.947.673	CANON, NIKON, MINOLTA	Velkoformátový tisk

• CCD čip

  CCD čip je nejčastěji používaným obrazovým čipem. Jeho výroba je relativně jednoduchá, ale nákladná. Výstup informací z CCD čipu ještě není digitální, ale analogový a proto za CCD čipem musí následovat obvody pro digitalizaci obrazu (A/D převodník), což znamená vyšší odběr elektrické energie a zpomalení toku dat.

  Světločivné buňky na CCD čipu mají tvar čtverce a výstup z CCD čipu je pomocí sběrnice. Jednotlivé řádky, případně sloupce světločivných buněk jsou napojeny na sběrnici a tak když se odečítají údaje o obrazu nejprve hlásí údaje jeden sloupec, poté druhý atd.. a to všechno po jedné sběrnici. Jednodušší provedení, ale pomalejší čtení dat. Takovémuto uspořádání CCD čipu se říká progresivní CCD čip. Naproti tomu čip označovaný jako prokládaný CCD čip je sice složitější na pohled, ale výrobně jednodušší. Princip je velice jednoduchý. Nenačítají se řady či sloupce světločivných buněk postupně, ale po blocích, kdy např. první až třetí sloupec ná svůj vlastní registr (jakási minipaměť pro odčítání), čtvrtý až šestý mají také vlastní atd. Odečítají se pak postupně právě tyto hodonoty jednotlivých registrů, což vede k urychlení získávání dat z čipu (v uvedeném případě by to bolo 2-3x). Prokládaný CCD čip je tak výhodnější pro případy, kdy je nuné fotografovat několik snímků za sebou (sériové snímání).

   

  

  
   

• Super CCD čip

  Super CCD čip je konstrukčně stejný jako normální CCD čip, pouze tvar světločivných buněk je osmiúhelníkový a tak pokrytí plochy uper CCD čipu je lepší nežli u CCD čipu. Proto se Super CCD čip velmi hodí pro interpolované snímky, potenciál Super CCD čipu je větší nežli u CCD čipu, pokud z CCD dostaneme jisté maximální rozlišení, tak ze Super CCD lze zhruba při stejné kvalitě získat rozlišení podstatně větší. Tyto čipy používá např. Fuji.

  
   

• CMOS čip

  CMOS čip je konstrukčně velmi složitou záležitostí, ale je výrobně levnější, protože se vyrábí stejným způsobem jako procesory pro počítače. Obvody, které digitalizují obraz u CCD čipu pro všechny pixely postupně jsou zde již přímo součástí CMOS čipu, kdy každá světločivná buňka má tyto obvody přímo u sebe. Digitalizace obrazu se tak provádí pro všechny pixely zvlášť a najednou. To snižuje dobu pro přečtení obrazu z CMOS čipu a snižuje spotřebu energie. Díky tomu, že každá světločivná oblast má rovnou u sebe své digitalizační obvody zajímají tyto oblasti citlivé na světlo pouze nepatrnou část celé plochy čipu. To se řeší tak, že každá takováto buňka dostane nad sebe, kromě RGB filtru i miniaturní čočku, která soustředí paprsky dopadající na plochu s digitalizačními obvody do místa citlivého na světlo. Počet takovýchto mikronových čoček tak stoupá do miliónů.

  Další výhodou je výstup dat z CMOS čipu. Neděje se tak postupně po sběrnici, ale najednou. Vývod dat totiž má každá světločivná buňka zvlášť (milióny vývodů!). To zvyšuje rychlost odběru dat z CMOS čipu, zejména je tato vlastnst žádoucí při sériovém snímání.

  
   

• CMOS Faveon X3

  Faveon X3 je novinkou roku 2002 a to novinkou zásadní. Jedná se skutečně o průlomovou technologii, která umožňuje bez zýšení počtu světločivných bodů dosáhnout až 4x většího barevného rozlišení. Jak je to možné? U klasických CCD či CMOS čipů se detekují pouze tři základní barvy a to červená (Red), zelená (Green) a modrá (Blue). Často se tomuto barevnému modelu proto říká RGB. Vhodným složením těchto barev lze nakombinovat ohromné množství barev, s rezervou postačující pro barevné rozlišení člověka. Tak např. složením červené, zelené a modré s maximální intenzitou dává bílou, složení jen červené a zelené žlutou, složení červené a modré fialovou atd..

  Světločivná buňka na CCD či CMOS čipu ovšem dokáže rozpoznat pouze intenzitu dopadajícího světla. Pokud bychom to nechali pouze takto, tak bycho dostali pouze černobílý obrázek. Řeší se to následujícím způsobem. Pokud nad vlastní světločivnou buňku umístíme filtr v inverzní barvě, tj. filtr, který pohltí všechny barvy kromě jediné na kterou je nastaven, tak nám tato buňka bude detekovat pouze intenzitu jedné barvy. A dál je to jasné, sdružíme buňky po třech, každá z této trojice dostane jeden filtr v barvě inverzní k červené, zelené či modré a tak nám jedna buňka z trojice detekuje pouze intenzity červené barvy, druhá intenzity zelené a ta poslení jen modré. Dohromady jsou tak schopni detekovat všechny barvy, které mohou vzniknout složením červené, zelené a modré.

  V praxi se ovšem buňky seskupují po čtyřech, protože vyplnit čtvercovou plochu světločivných buněk na CCD či CMOS čipu identickými trojicemi není zas tak jednoduché, ovšem vyplnit ji čtveřicemi je triviální. Některá barva tak musí být v takovéto čtveřici zastoupena dvakrát. Volí se zelená, protože lidské oko je nejcitlivější právě na tuto barevnou složku. Máme tak jednu buňku červenou, jednu modrou a dvě zelené, které se ovšem počítají při sestavování barvy jako buňka jedna (mají poloviční váhu, chcete-li hlas), aby celý obrázek nešel do zelena.

  A zde je již vidět kámen úrazu klasických CCD či CMOS čipů. Ačkoliv máme rozlišení např. 800 x 600 světločivných buněk, tak jsou sdruženy po čtyřech a každá čtveřice představuje jeden barevný pixel na obrazovce. Barevné rozlišení je tak pouze 200 x 150. To zní otřesně, ale lze to sice zlepšit takovým způsobem, že se jednotlivá buňka z každé čtveřice použije pro výpočet barev z dalších čtyř okolních, což nám zvýší barevné rozlišení na 800 x 600, ale při detailním pohledu jsou barvy nějak spité do sebe a drobné detaily, které by mohl čip rozlišit jsou rozmazané. Proto pokud jde o co největší rozlišení je výhodné použít režim černobílé fotografie, kdy každá světločivná buňka vygeneruje skutečně jeden pixel a není ovlivněna sousedními buňkami. Takováto černobílá digitální fotografie je v detailech skutečně mnohem ostřejší nežli na stejném rozlišení fotografie barevná.

  Jak se to řešeno u klasického filmu? Klasický barevný kinofilm má totiž tři světločivné vrstvy nad sebou a ne jako mozaika uspořádané čtveřice. První vrstva je je v barvě inverzní k modré a pohlcuje tedy pouze modré světlo, další vrstva je v inverzní barvě k zelené a pohlcuje světlo zelené. Poslední je v barvě inverzní k červené a pohlcuje ten zbutek světla co nechaly projít dvě vrtvy nad ní, tedy červenou. V praxi se ale žádná barevná složka nepohlcuje přesně a beze zbytku v té které určené vrstvě, ale část projde a je pohlcena až vrstvou následující. To se velmi blíží uspořádání lidského oka a tak díky těmto chybám je výsledný snímek hodnocen jako subjektivně pěkný.

  
  
   

  Čip Faveon X3 si počíná stejně jako klasický kinofilm. Využívá totiž vlastnosti silikonu, který pohlcuje různé složky světla různě, podle toho jak tlustá je jeho vrstva. Každá světločivná buňka Faveonu X3 tak nezískává údaj jen o intenzitě jedné složky (např. červené), ale všech tří a to naráz! U klasického CCD či CMOS byla zapotřebí plocha 2x2 buněk jen na to, abychom detekovali jednu libovolnou barvu, zde stejnou práci vykoná jedna jediná buňka. Ihned je patrné, že barevné rozlišení takovéhoto čipu zvětšilo 4x. Černobílé digitální fotografie z čipu Faveon X3 a klasického CCD či CMOS se stejným rozlišením jsou size stejně kvalitní, ale barevná digitální fotografie z čipu Faveon X3 vypadá jakoby byla dělána klasickým čipem s rozlišením 3-4x větším. 2 Mpix čip Faveon X3 tak může v barevných fotografiích zastat až 8 Mpix čip klasický! Již dnes lze zakoupit aparát s klasickým CMOS čipem 6.5 Mpix. Pokud by tento aparát měl čip Faveon o stejném rozlišení, tak barevná fotografie z něj pořízená by při optimálním případu vypadala jako z čipu s rozlišením 26 Mpix! (rozličení negativu kinofilmu je zhruba 5-6 Mpix).

  Prvním fotoaparátem vybaveným tímto novým zázrakem je Sigma SD9, jednooká profesionální zrcadlovka s celou řadou výměnných objektivů a s čipem Faveon X3 3.54 Mpix, tedy ekvivalentem pro klasické čipu by byl čip s rozlišením zhruba 10.28 Mpix.