Techbox: vše o fotoaparátu v mobilu

Tento článek je devátým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky. V předchozím díle nazvaném Za digitální fotoaparáty vděčíme i špionážním družicím si můžete přečíst o historii fotomobilů a významných milnících. Dnes se podíváme konkrétně na mož

Všechny fotoaparáty, nejen ty digitální, ale i analogové, využívají stejné principy, jako naše oči. Světlo se odráží od objektu, prochází čočkou a dopadá na světlocitlivou vrstvu. Zatímco v případě analogových fotoaparátů je tou vrstvou film, v případě digitálních fotoaparátů se jedná o obrazový čip, který převádí světlo na elektrický signál.

Obrazový čip si však nemůžeme představovat jako něco jednolitého. Pokud bychom se na něj podívali pod výkonným mikroskopem, objevili bychom strukturu připomínající hmyzí oko nebo včelí plástev. Také v tomto případě se jedná o plochu pokrytou drobnými pravidelnými buňkami citlivými na světlo.

Tyto elementy, které se nazývají pixely (picture element = obrazový element), a kterých mohou být v závislosti na rozlišení miliony, jsou uspořádány do pravidelné matice. Když na tuto buňku dopadne světlo, vzniká elektrický náboj. Jednotlivé elektrické náboje se načítají jako napěťový signál, který je přes A/D převodník (analogově/digitální převodník) konvertován na digitální údaj o jasu konkrétního bodu. Takto získaná surová data nicméně nedokáží obsáhnout všechny obrazové údaje, proto musí být obraz dopočítáván.

I tak bychom tímto způsobem ale získali pouze černobílý obraz. Barevný obraz získáte prostým skládáním základních barev RGB (Red = červená, Green = zelená, Blue = modrá).

K získání barevného obrazu je možné použít dvě metody. První z nich, která však najde uplatnění spíše u profesionálních a poloprofesionálních kamer, kde nezáleží na rozměrech, pracuje hned se třemi samostatnými čipy. Před každým čipem je barevný filtr pro jednu ze základních RGB barev. Mnohem běžnější je však použití jednoho čipu. V tom případě je barevný filtr tvořen šachovnicí z jednotlivých barev.

Jedná se o tzv. Bayerův filtr nebo také Bayerovu masku, která byla pojmenována po svém tvůrci Bryci E. Bayerovi z firmy Eastman Kodak, který si ji patentoval v roce 1976. Filtry všech tří barev, kdy každá barva propouští pouze světlo jedné vlnové délky, jsou uspořádány do pravidelné mřížky. Je zajímavé, že zelených filtrů je dvakrát více než filtrů propouštějících ostatní barvy. Důvodem je to, že lidské oko je nejcitlivější právě na zelenou barvu.

Nevýhodou tohoto řešení je, že každý pixel obsahuje informace pouze o jedné barvě, a abychom dostali snímek se stejným rozlišením jako je rozlišení čipu, tak se ostatní barevné složky musí dopočítávat.

CMOS versus CCD: Který je nejvhodnější pro fotomobily?

V současnosti jsou u digitálních fotoaparátů používány především dva typy snímačů. Starší z nich je technologie CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor = doplňující se kov-oxid-polovodič), která byla vynalezena v roce 1967 Frankem Wanlassem ze společnosti Fairchild Semiconductor. Je používána na výrobu většiny integrovaných obvodů, tedy nejen obrazových senzorů, ale i dalších čipů, jako jsou mikroprocesory, jednočipové počítače nebo elektronické paměti SRAM.

Jen o dva roky mladší je technologie CCD (Charge-Coupled Device = zařízení s vázanými náboji), kterou v roce 1969 objevili Willard Boyle a George E. Smith z Bellových laboratořích. V roce 2009 za ní získali Nobelovu cenu za fyziku.

Současné CMOS obrazové čip se dělí do dvou kategorií. Jednodušší jsou pasivní čipy (Passive Pixel Sensor), kde je v podstatě čip tvořen fotodiodami, které tvoří náboj. Ten pak putuje přes zesilovač do A/D převodníku. Nevýhodou tohoto typu je nekvalitní obraz a malá citlivost na světlo. V digitálních fotoaparátech se proto setkáte s aktivními čipy (Active Pixel Sensor), které se od pasivních liší tím, že každá světlocitlivá buňka je vybavena vlastním zesilovačem a analytickým obvodem, který vyhodnocuje a odstraňuje šum.

Právě blízkost zesilovače u fotodiody však dále zvyšuje šum, stejně jako přetékání náboje do sousedních buněk. Další nevýhodou toho, že každá buňka má svůj zesilovač, je kromě šumu i fakt, že zmenšují u fotodiod oblast citlivou na světlo. U některých levnějších čipů tato citlivá oblast může tvořit pouze 30 procent senzoru. S pomocí mikročoček před každým pixelem, které efektivněji směřují světlo, se nicméně podařilo tuto oblast u modernějších čipů rozšířit na 60 - 70 procent.

Stejně jako CMOS jsou i CCD tvořeny matricí světlocitlivých buněk. Ty jsou od okolí izolovány tenkou vrstvou oxidu křemičitého, který brání ztrátě elektronů uvolněných světlem. Ke snímání získaného náboje dochází po řádcích na posuvném registru, který je na jeho okraji. Použití celých řádků má přitom i tu výhodu, že obraz je mnohem méně náchylný na digitální šum.

Hlavní předností CMOS čipů pro použití ve fotomobilech je výrazně nižší spotřeba, což je u dnešních energeticky náročných smartphonů dost zásadní kritérium. Další významnou výhodou je nižší cena a snadnější masová výroba. Protože u CMOS jsou všechny důležité obvody na čipu, je možné vyrábět fotoaparáty pro mobily jako moduly. CMOS čipy jsou také mnohem rychlejší při sekvenčním snímání, při natáčení videa u rychle pohybujících objektů však mohou produkovat nežádoucí posun obrazu. Na druhou stranu však CCD čipy produkují mnohem méně digitálního šumu, mají vyšší dynamický rozsah a kvalitnější obraz. Je ale nutno dodat, že velmi kvalitní CMOS čipy se dnes již běžně používají také v zrcadlovkách a dalších kvalitních fotoaparátech a CCD technologie je mnohde na ústupu.

Vysoké rozlišení nevyužijete, ale budete se potýkat se šumem

Dalším důležitým pojmem, který se vyskytuje v souvislosti s obrazovým čipem a výslednými fotografiemi, je megapixel. V megapixelech se udává rozlišení fotoaparátu a je to v podstatě počet pixelů na obrazovém čipu a počet pixelů, ze kterých bude tvořena výsledná fotografie. V podstatě se jedná o násobek počtu pixelů na šířku a počtu pixelů na výšku. Například, když má fotografie rozměry 2 592 × 1 944 pixelů, znamená to, že obsahuje 5 038 848 pixelů, což odpovídá 5Mpix fotoaparátu.

Stejně jako jsou různá rozlišení fotoaparátů, existují i různé velikostí senzorů. U mobilních telefonů a levných kompaktů je nejrozšířenější velikost senzoru 1/2,3", což je přibližně 6,2×4,5 mm, zatímco třeba digitální zrcadlovky většinou používají APS-C senzory, které mají rozměry 25.1 × 16.7 mm a profesionální digitální zrcadlovky s tzv. full frame čipem, jehož velikost odpovídá políčku kinofilmu, tedy 36×24 mm.

Už na první pohled jsou jasně vidět propastné rozdíly ve velikostech čipů. A představte si, že máte na čipu o rozměrech 6,2x4,5 milimetrů a na čipu o rozměrech 36x24 milimetrů shodné rozlišení 10 megapixelů. V obou případech bylo nutné vměstnat na čip shodný počet pixelů. Logicky tedy na menším čipu musí být tyto světlocitlivé buňky mnohem menší a s mnohem vyšší hustotou, což způsobuje výrazně horší možnost zachytávání světla a dramatický nárůst šumu.

Proti rostoucímu šumu výrobci bojují softwarovým odšumováním, které však, pokud je příliš agresivní, může ve výsledku z fotografie kromě šumu odstranit i ostrost a detaily. Vysoké rozlišení přitom, pokud neděláte ze všech fotografií výřezy nebo netisknete ve velkých formátech, v podstatě na nic nepotřebujete.

Při tisku fotografií nás zajímá hodnota DPI (Dots per Inch = body na palec), čili kolik bodů bude vytištěno na jeden palec. Logicky z toho vyplývá, že čím vyšší bude tato hodnota, tím bude vytištěný obraz kvalitnější, ale při daném rozlišení také menší. Při tištění fotografií se obvykle používá 300 DPI, ale velmi dobrých výsledků dosáhnete i s 200 DPI. Jaké jsou maximální rozměry tisku při těchto hustotách, ukazuje následující tabulka. Vidíte, že při výrobě papírových fotografií v běžném formátu 10 x 15 si s rezervou vystačíte i s třímegapixelovým fotoaparátem.

Na cloně záleží, kolik světla dopadne na čip

Mezi další důležité součásti fotoaparátu patří závěrka a clona. Co se týče závěrky, tak fotomobily stejně jako většina ostatních digitálních fotoaparátů používá elektronickou závěrku. To v podstatě znamená, že je čip trvale osvětlen, ale data se z něj načítají pouze po určitou dobu. Pro srovnání mechanická závěrka, kterou používají digitální zrcadlovky, i kompaktní fotoaparáty a výjimečně i fotomobily, je tvořena kovovou nebo plechovou zástěnou, která kryje světlocitlivou vrstvu a při expozici se rozevře.

Clona funguje na stejném principu, jako lidská zornička, a je důležitá z toho důvodu, že právě ona určuje, kolik světla se dostane ke světlocitlivé vrstvě, v tomto případě k čipu. Její hodnota se udává pomocí clonového čísla, které dostaneme tak, že ohniskovou vzdálenost objektivu F vydělíte průměrem otvoru. Přitom platí, že čím je clonové číslo menší, tím více světla se dostane k čipu.

Clonové číslo je důležité především při nastavení expozice, tedy doby, po kterou musí na čip dopadat světlo. Když je clonové číslo nízké a otvor tedy velký, tak potřebujete na expozici kratší dobu, čímž dosáhnete i bez stabilizátoru kvalitních fotografií. Clona však ovlivňuje kromě jasnosti obrazu i jeho hloubku, když je clonové číslo vyšší a otvor tak menší, je hloubka obrazu vyšší a máte dokonale ostrých více objektů. Nižší clona se využívá naopak u portrétů k dosažení efektního rozmazaného pozadí.

Jako příklad si uvedeme nějaký nedávno testovaný mobilní telefon. Z hlediska clonového čísla má jeden z nejkvalitnějších fotoaparátů mezi mobilními telefony Nokia Lumia 720, která má na zadním fotoaparátu clonové číslo f-1,9, což je opravdu úžasná hodnota nejen mezi mobilními telefony, ale obecně mezi fotoaparáty.

Proč je digitální zoom horší než optický

Clona je zabudovaná do objektivu, cože je jednoduše řečeno soustava několika různých druhů čoček, kterými prochází světlo na obrazový čip. Několik čoček je použito kvůli potlačení různých optických vad.

Každý fotograf vám řekne, že můžete mít sebekvalitnější čip, ale pokud bude mít fotoaparát mizernou optiku, tak kvalitní fotografie nepořídíte. Levné mobilní telefony používají horší objektivy tvořené plastovými čočkami, zatímco ty kvalitnější používají čočky ze skla.

Aby bylo však možné fotografii vykreslit ostře, je nutné fotoaparát zaostřit, aby svazek paprsků dopadal přesně na čip a nesbíhal se před ním nebo za ním. Některé levné mobilní telefonu jsou vybaveny tzv. fixfokusem, kdy je telefon pevně zaostřen, protože svazek dopadajících paprsků na čip je tak úzký, že většina objektů v rozumné vzdálenosti bude vykreslena ostře i bez ostření.

Většina fotomobilů je nicméně vybavena autofokusem, kdy si telefon sám zaostří na objekt. V praxi vypadá hlavní rozdíl mezi mobilem s fixfokusem a autofokusem v tom, že ten první po stisku spouště okamžitě pořídí snímek, zatímco ten s autofokusem napřed zaostří na objekt, na který zamíříte.

Existují dva druhy autofokusu. Rozšířenější je pasivní autofokus, se kterým se setkáte i v mobilních telefonech. Fotoaparát v tomto případě ostří tak, že porovnává kontrast scény a to, co je pro něj kontrastní je i ostré. Bohužel tento systém má problém zaostřit při slabším světle a nedokáže zaostřit předměty, které nejsou kontrastní. Účinnější je aktivní autofokus, který používá ke změření vzdálenosti k objektu obvykle infračervený nebo jiný světelný paprsek, který se odrazí od zaměřovaného objektu. S tímto systémem můžete zaostřit i potmě, ale nevýhodou je, že dosah přisvětlovacího světla je obvykle malý.

Co se týče zoomu, tak pokud nepočítáme Samsung Galaxy S4 Zoom, tak pravidlem u mobilních telefonů je, že jsou vybaveny objektivem s pevnou ohniskovou vzdáleností a vzdálenost mezi středem čočky a rovinou, kde se protínají zaostřené paprsky, procházející čočkou, se nemění.

To neznamená, že byste nemohli ani u těchto objektivů zoomovat, pomůckou je digitální zoom. Každopádně ALE platí, že digitální zoom je horší než ten optický, a doporučujeme jen nepoužívat, a to z jednoho prostého důvodu. Optický zoom přibližuje obraz změnou polohy čoček, takže kvalita obrazu zůstává stejná, zatímco v případě digitálního zoomu se jedná o čistě softwarovou záležitost. Fotoaparát při digitálním přiblížení obraz ořízne a dopočítá v reálném čase do původní velikosti. Při tomto zvětšování nicméně velice trpí kvalita obrazu a nepomůže ani, když fotoaparát takto zvětšené scény doostří.

Výjimku představuje Nokia 808 PureView s velkým 41 megapixelovým čipem. Ten při použití nižšího rozlišení fotografií dokáže digitálně zoomovat bez ztráty kvality a dosáhnout tak stejných výsledků, jako s optickým zoomem.

Platí, že když už chcete zachytit bez optického zoomu vzdálenější scénu, tak je mnohem lepší nepoužít při fotografování digitální zoom, ale provést výřez a dodatečně při zpracování v počítači. Dosáhnete tak mnohem lepších výsledků.

LED dioda v. Xenonový blesk

S výjimkou nejnižších modelů je takřka pravidlem, že mobilní telefony nabízí k fotoaparátu nějakou formu přisvětlovací diody nebo blesk, které poslouží k přisvětlení scény za zhoršených světelných podmínek. U mobilních telefonů přitom máme na výběr ze dvou řešení - LED diody a xenonového blesku.

LED diody jsou v tomto ohledu mnohem rozšířenější, ale jsou mnohem méně výkonné. Jejich výhodou nicméně je, že mohou v režimu kontinuálního svícení posloužit i jako přisvětlovací světlo u videosekvencích nebo jako svítilna. Naproti tomu xenonové blesky jsou vyhrazeny pouze pro některé top modely a jsou schopné vyprodukovat pouze krátký, ale výkonný záblesk.

Světelný výkon obou řešení je nesrovnatelný. Jestliže xenonové blesky dokáží ve velmi krátkém pulsu, typicky 50 - 100 mikrosekund, vyprodukovat světelný výkon až několik set tisíc luxů, tak v případě LED je to i s podporou superkapacitátoru pouze několik set luxů v pulsu trvajícím kolem 100 milisekund.

Použitím xenonového blesku s jeho krátkým výkonným pulsem je tak možné dosáhnout s krátkým expozičním časem zmrazení pohybu bez pohybového rozmazání. Jak to funguje v praxi, se můžete podívat na trojici snímků pořízených letošní vlajkovou lodí Nokie Lumií 928, která na rozdíl od loňské Lumie 920 dostala xenonový blesk. Tento model je nicméně bohužel pro nás exkluzivně určený pouze pro amerického operátora Verizon.

Doufáme, že jsme vám osvětlili mnoho aspektů kolem digitální fotografie a vždy, když budete znovu fotit, si vzpomenete, jak složitý celý proces je a kolik technologických inovací stojí mezi stisknutím spouště a zobrazením fotografie na vašem displeji.

Zdroje: courses.coe.uh, en.wikipedia.org, techhive.com, en.wikipedia.org, en.wikipedia.org, electronics.howstuffworks.com, mobiletechreview.com, petavoxel.wordpress.com