Techbox: vše o fotoaparátu v mobilu

10

Dnes se již s výjimkou těch nejlevnějších takřka nesetkáte s mobilním telefonem, který by nebyl vybavený digitálním fotoaparátem. Mezi jednotlivými fotoaparáty jsou nicméně obrovské rozdíly v kvalitě a rozlišení i technologiích snímání a zpracování obrazu. To, jak fungují, však mají společné, a právě to si dnes vysvětlíme, spolu s dalšími důležitými pojmy.

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.

Počet megapixelů rozlišení velikost tisku při 300 DPI velikost tisku při 200 DPI
3 2048x1536 6,82" x 5,12" (17,32 x 13 cm) 10,24" x 7,68" (26,01 x 19,51 cm)
4 2464x1632 8,21" x 5,44" (20,85 x 13,82 cm) 12,32" x 8,16" (31,29 x 20,73 cm)
6 3008x2000 10,02" x 6,67" (25,45 x 16,94 cm) 15,04" x 10,00" (38,20 x 25,40 cm)
8 3264x2448 10.88" x 8.16" (27,64 x 20,73 cm) 16,32" x 12,24" (41,45 x 31,09 cm)
10 3872x2592 12,91" x 8,64" (32,79 x 21,95 cm) 19,36" x 12,96" (49,17 x 32,92 cm)
12 4290x2800 14,30" x 9,34" (36,32 x 23,72 cm) 21,45" x 14,00" (54,48 x 35,56 cm)
Diskuze ke článku
thegrid
Nokia fotí s tím xenonem báječně. Kdyby měla droida, už by Nokia měla odemne prachy.
IQLogic
"Jen o dva roky mladší a mnohem rozšířenější je technologie CCD ... "

To už pekných pár rokoch nie je pravda, opravte si to ;) Inak veľmi zaujímavé a pútavé čítanie, takýchto odborných článkov by ste mohli publikovať určite viac :)
morr
Vyborný článek!
Konečně něco zajímavého.
Jen víc takových článků.Díky
fry
treba dodať, že v mobiloch sa v drvivej väčšine používa ešte menší čip ako tu spomínaný 1/2,3. spravidla to je 1/3. preto majú mobily problém s kvalitou obrazu, že ešte na menší čip dá výrobca veľa mpx.

Načíst všechny komentáře

Přidat názor

Nejživější diskuze