• obrazové senzory – obrazové snímače obsahující světlocitlivé elementy (buňky)
  • zařízení citlivé na světlo, obsahující elementy schopné registrovat světlo a vyhodnocovat jeho intenzitu(úroveň jasu)
  • lineární nebo plošné integrované obvody (čipy) s množstvím světlocitlivých elementů s fotodiodami, v nichž se na základě fotoelektrického jevu – fotoefektu mění energie fotonů na elektrický náboj → opto-elektrická konverze
  • hlavní druhy:
    • CCD – Coupled Charge Ddevice (zařízení pracující s propojeným nábojem, resp. s vázanými náboji)
    • Super CCD – Super CCD SR – Super CCD EXR aj.
    • CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – Exmor R
    • Foveon X3

Princip činnosti

  • konstrukčně se jedná o lineární nebo plošné snímače různé velikosti obsahující miliony polovodičových světlocitlivých elementů (buněk) – fotodiod
  • každý element dokáže vyhodnotit pouze intenzitu dopadajícího světla, resp. úroveň jasu (nikoli barvu)
  • využívá se přitom fotoelektrického jevu známého jako fotoefekt, kdy foton při nárazu do atomu polovodiče elementu dokáže přemístit některý z jeho elektronů ze základního stavu do excitovaného stavu
  • fotony excitují určité množství elektronů → ve světlocitlivém elementu vznikne zjistitelný elektrický náboj, resp. napětí odpovídající intenzitě světla, které do buňky dopadlo
  • buňka je tudíž analogové zařízení a jejím výstupem je analogové napětí úměrné změřenému světlu
  1. příprava snímače – bez přístupu světla jsou odebrány všechny volné elektrony, čímž je smazán případný zbytek předchozího snímání
  2. expozice obrazu – na dobu vymezenou expozicí začnou dovnitř objektivem vnikat světelné paprsky; dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony a v buňce vzniká shluk elektronů
  3. snímání obrazu – skenování – přenos náboje – při expozici vytvořené náboje (shluky elektronů v buňkách) se při následném snímání obrazu (skenování, skenu) přenášejí různými způsoby ke sběrnici a dále k zesilovači, který je zesílí na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu
  4. digitalizace – po zesílení se náboje vedou do A/D (analog-digitálního) převodníku, kde se analogový signál digitalizuje a nakonec zpracuje v obrazovém procesoru
  5. záznam barvy – je-li před senzorem nebo přímo před buňkou umístěn barevný filtr (obvykle RGB), mění buňka na náboj pouze světlo určené vlnové délky
    • některé systémy postupně osvěcují RGB světly předlohu a snímač vytvoří 3 dílčí barevné separace obrazu
    • obrazový procesor porovnává informaci z příslušných buněk a z jednotlivých barevných kanálů (obvykle RGB) určí výslednou barvu pixelu

Uspořádání elementů

  • buňky pro jednotlivé barevné kanály mohou být uspořádány do řádek RGB, do ploch RGB nebo do čtveřic s mozaikovými barevnými filtry, typicky RGBG = tzv. Bayerova maska
  • jednotlivé čtveřice v mozaice, resp. trojice v řadách nebo trojice v plochách vyjadřují jeden pixel obrazu
  • Bayerovu masku (bayerovské uspořádání) RGBG patentoval 1976 Bryce Bayer z firmy Kodak – oko je nejcitlivější na žlutozelenou barvu → informace o této barvě je nejdůležitější
  • některé firmy přišly s variantou využít čtvrtý subpixel u plošných snímačů pro čtvrtou barvu nebo zcela změnit RGBG uspořádání
  • v současnosti používá zvláště firma SONY jako čtvrtou barvu smaragdově zelenou (emerald), která tak rozšiřuje vnímání čipu více směrem k zelené a modré části spektra – RGBE

54

 

RGBG, CYGM, CYYM, RGBW, RGBE

Citlivost

  • buňky zachycují světlo a mění energii dopadajících fotonů na elektrický náboj
  • výsledkem energie světla v každé buňce senzoru vzniká jistý elektrický náboj (analogová hodnota)
  • čím větší je energie dopadajících paprsků, tím větší elektrický náboj, resp. napětí v buňce vzniká
  • čím vyšší je citlivost snímače,
    • tím kratší čas je zapotřebí ke správné expozici
    • tím méně světla je zapotřebí pro pořízení snímku
  • pokud tedy zdvojnásobíme citlivost, budeme potřebovat poloviční množství světla ke správné expozici
  • elektrické napětí vznikající v buňce má ale spodní a horní limit, např. 0 mV – 1 mV nebo 0 mV – 4 mV
  • na spodní úrovni vzniká působením různých vnitřních (např. tepelný pohyb krystalové mřížky) a vnějších vlivů (např. elektromagnetický smog) nechtěný falešný náboj = šum
  • šum je ale též vyhodnocován jako světlo, takže kazí obraz
  • proti šumu se postupuje různými HW i SW způsoby, neboť každé zvyšování citlivosti snímače zesilováním signálů vede současně k zesilování šumu
  • proto je např. před každým senzorem systém nízkopásmových filtrů, který má za cíl minimalizovat nechtěné (neviditelné) složky spektra a bránit vzniku falešných nábojů
  • šum jsou náhodné fluktuace výsledku v buňce snímek od snímku – to vede i k fluktuacím v sousedních buňkách v jednom snímku

55

 

Šum

  • šum je vyhodnocován jako dopadající světlo, neboť procesor nerozezná, jak velká část náboje v té které buňce připadá na šum a jaká je vytvořená skutečným světlem
  • když je v buňce vygenerováno např. 10 elektronů šumem a 1000 elektronů světlem, je poměr šumu 1%; když dopadající světlo vygeneruje pouze 10 elektronů, je poměr šumu již 50%; tento poměr se nazýváSNR Signal to Noise Ratio (poměr signálu a šumu)
  • šum se projevuje tím více, čím je intenzita dopadajícího světla nižší tzv. efekt barevné tmy
  • šum se též projevuje tím více, čím
    • je snímací čip menší
    • má vyšší rozlišovací schopnost
  • horní úroveň napětí vznikajícího v buňce, např. 1 mV nebo 4 mV, je limitována technickými vlastnostmi snímacího prvku
  • úroveň napětí v dané buňce se posuzuje 8b (256 úrovní), 10b (1024 úrovní), 12b (4096 úrovní) 14b (16384 úrovní) nebo 16b (65536 úrovní) analogově-digitálními (A/D) převodníky
    • např. nechť je horní úroveň napětí 1 mV, signál se nebude zesilovat a A/D převodník pracuje v režimu 8b (0 – 255)
    • vznikne-li v tomto případě v dané buňce napětí 1 mV, přiřadí se jí maximální jas o hodnotě 255; vznikne-li např. 0,5 mV, přiřadí se jí hodnota jasu 125 atd.
  • citlivost se udává v jednotkách – nejznámější jsou:
    • ASA (American Standards Association)
    • DIN (Deutsche Industrie Norm)
    • ISO (International Standards Organization)
  • 100 ISO (21 DIN) je běžně základní citlivost buňky; některé přístroje nabízejí snímače i s nižší citlivostí, např. 50 ISO (18 DIN)
  • citlivost snímání lze (zvl. u digitálních fotoaparátů) přepnout na vyšší hodnotu, např. na 200 ISO (24 DIN), 400 ISO (27 DIN), 800 ISO (30 DIN), 1600 ISO (33 DIN), 3200 ISO (36 DIN), 6400 ISO, 12800 ISO … zesílením signálu
    • např. přístroj má 100 – 1600 ISO, rozšiřitelné na 50 – 3 200 ISO
  • citlivost každé buňky senzoru na světlo je stále stejná a neměnná, relativně nízká, např. 100 ISO
  • citlivost lze zvýšit pouze zesílením signálu a dopočtem
  • hladina šumu bývá konstantní
  • při zvyšování citlivosti = zesilování signálu se tudíž vždy zesiluje i šum

56

 

Zesílení šumu

Přenos náboje

  • metody stahování (skenování – skenu) hodnot nábojů z jednotlivých citlivých buněk do A/D převodníku
    • metoda prokládaného skenu
    • metoda progresivního skenu
    • metoda plošného skenu
    • metoda přímé adresace
  • prokládaný sken – náboje přecházejí z buněk nejdříve do pomocných registrů a teprve z nich postupují do hlavního registru a poté do zesilovač a A/D převodníku
    • výrobně nejsnazší
    • standardně kvalitní i rychlá metoda – především pro kamery
  • progresivní sken – náboje „propadávají“ po řadách přímo do hlavního registru a dále do zesilovače a A/D převodníku; kvalitnější, ale pomalejší metoda skenu – standard fotopřístroje
  • plošný sken (CCD prvky typu FTD – Frame Transfer Device)
    • všechny náboje najednou do přenosového registru – pole
    • moderní a nejrychlejší metoda umožňující rychlé expozice

Parametry

  • dynamický rozsah
    • udává rozsah odstínů od nejčernější černé k nejbělejší bílé, kterou je ještě snímač schopen rozlišit
    • shora limitován kapacitou každé buňky a zdola hladinou vlastního šumu buňky
    • trendem je technologie HDRI (High Dynamic Range Imaging) = zobrazování vysokého dynamického rozsahu
    • bude-li dopadat na určité buňky méně světla, než odpovídá nastavené hodnotě 0, nebudou buňky již reagovat a obraz se v těchto tmavých místech ztratí – tzv. podpálená černá

57

 

Podpálená černá

  • bude-li na určité buňky dopadat více světla, než odpovídá maximální hodnotě, nebudou buňky též reagovat a obraz se v těchto světlých místech opět ztratí – tzv. přepálená bílá

58

Přepálená bílá

  • pokud na některé buňky dopadne příliš intenzivní světlo, roztečou se přebytečné elektrony do okolních buněk v řadě a v obraze vniknou bílé čárky či plošky – tzv. blooming

59

Blooming

60

Blooming v praxi

  • počet pixelů
    • udává se celkový počet citlivých bodů senzoru, např. 13,93 milionu
    • udává se též efektivní počet citlivých bodů senzoru, které světlocitlivý element využívá (tj. bez bodů u okrajů), např. 13,50 milionu
    • udává se též počet pixelů obrazu při maximálním rozlišení, a to v Mp (Mpix), např. 13,38 milionu
  • rozlišení plošných senzorů – udává kolik pixelů vodorovně a kolik svisle, je schopen senzor rozeznávat – např.:
    • VGA 640×480 – 1988
    • 1 Mp (1,31 = 1280×1024) – 1991
    • 2 Mp (1,92 = 1600×1200) – 1998
    • 4 Mp (3,99 = 2304×1734) – 2000
    • 5 Mp (4,95 = 2568×1928) – 2001
    • 8 Mp (7,99 = 3264×2448) – 2003
    • 10 Mp (9,98 = 3648×2736) – 2004
    • 12 Mp (12,22 = 4000×3000) – 2004
    • 13 Mp (13,38 = 4224×3168) – 2006
    • 14 Mp (14,60 = 4416×3312) – 2008 vše výše při poměru stran 4 : 3
    • 18 Mp (18,70 = 5184×3456) – 2010 vše níže při poměru stran 3 : 2
    • 21 Mpx (21,06 = 5616×3744 – 2010
    • 24 Mpx (24,38 = 6048×4032 – 2010
  • formát stran
    • většina digitálních fotoaparátů dovoluje nastavování rozlišení snímku alespoň ze dvou hodnot
    • 4:3 (4224×3168) poměr převzatý z rozlišení monitorů – nejběžnější (klasické fotoformáty jsou ale 3:2 → ořez; možno užít digitální formáty papíru, např. 11×15, 13×17, 15×20 cm, kdy bude ořez menší
    • 3:2 (4224×2816) poměr stran klasické fotografie; stále více se používá; např. snímač APS-C 25,1×16,7 mm nebo Nikon FX 35,9×24,0 mm
    • 16:9 (4224×2376) širokoúhlý formát; některé přístroje jej umožňují nejen prostým ořezem snímku, ale i speciálním objektivem nebo formátem čipu; např. foto 13 Mpx
  • velikost plošného senzoru se u fotopřístrojů a kamer udává dle konvence průměrem montážního otvoru dřívějších vidikonů
  • relativní velikosti senzorů
  • pro profesionální využití se vyrábějí větší senzory – digitální stěny
    • např. středoformátové (0,2 až 1 mil.)
      • 39 Mpx (5412 x 7212) – 36,7 x 49 mm, sooubor 120 MB (24b)
      • 60,5 Mpx (8984 x 6732) – 53,9 x 40,4, soubor 180 MB (24b)
    • např. velkoformátové (0,3 až … mil.)
      • 384(192) Mpx (12000 x 15990),72 x 96 mm, 1.1 GB (48b)
    • bitová (barevná) hloubka
      • 24 bitová barevná hloubka (8 bitů na kanál R, G, B), tj. 256 odstínů na kanál, tj. 16,8 miliónu odstínů
      • 30 bitová barevná hloubka (10 bitů na kanál R, G, B), tj. 1024 odstínů na kanál, tj. 1,07 miliardy odstínů
      • 36 bitová barevná hloubka (12 bitů na kanál R, G, B), tj. 4096 odstínů na kanál, tj. 68,7 miliard odstínů
      • 48 bitová barevná hloubka (16 bitů na kanál R, G, B) tj. 65536 odstínů na kanál, tj. 281 * 1012odstínů
    • způsob vyvážení bílé barvy (White Balance) – aby mohl senzor a obrazový procesor generovat správné barvy, musí zohledňovat barevnou teplotu světla = musí mít správně vyváženou bílou barvu (aby např. zářivkové osvětlení netónovalo obraz do modré barvy a žárovkové do žluté)
      • automatické nastavování
      • přednastavené hodnoty (Slunečno, Zataženo, Zářivky, Žárovky…)
      • nastavení teploty chromatičnosti – barevné teploty – D50, D65 i jiné
      • zadání bílého etalonu – namířit fotoaparát na nějakou bílou plochu a potvrdit, že toto je bílá
      • metoda bracketingu (expoziční vějíř) – pokusný snímek je automaticky zkopírován při různém vyvážení bílé do 3-7 snímků a uživatel si pak vybere ten záběr, kde bylo dle jeho soudu vyvážení bílé barvy nejlepší (pouze dražší přístroje)
    • ostření obrazu (manuální či automatický zaostřovací systém)
      • Fix Focus – přístroj je výrobcem permanentně zaostřen na nekonečno s velkou hloubkou ostrosti; systém v současnosti již v podstatě nepoužíván
      • Auto Focus
        • aktivní autofocus – přístroj zjišťuje infračerveným paprskem vzdálenost ostřeného objektu (problémy s průsvitnými materiály)
        • pasivní autofocus – systém ostří, přitom měří na čipu kontrast a při nejvyšší naměřené hodnotě je zaostřeno – měření může provádět v řadě přednastavených nebo zvolených oblastí ostření
        • hybridní autofocus – užívá nejprve aktivní ostření s infrasvětlem či laserem (emitovaná mřížka) a poté pasivní metodu k doostření
      • Manual Focus– přístroj je doostřován ručně, tlačítkem a motorkem nebo hybridně
    • stabilizace obrazu – aby mohl přístroj (fotoaparát, kamera) využívat delší expoziční časy při práci z ruky, je vybavován systémem stabilizace obrazu; systém eliminuje nežádoucí chvění a tím potlačuje neostrost
      • systémy optické stabilizace
        • optickým měch – v objektivu je speciální čočka složená ze dvou částí spojených silikonem dovolujícím vzájemný pohyb obou částí
        • plovoucí čočka – přístroj vybaven dvěma gyroskopy registrujícími pohyby a řídicí jednotkou, která příslušně pohybuje čočkou
        • pohyb celého objektivu – v případě krátkých objektivů
        • pohyb snímacího čipu – snímač je umístěn na gelovém podkladu a prostřednictvím úponů s ním řídicí jednotka dle potřeby pohybuje
      • systémy elektronické stabilizace – čip s vyšším rozlišením může snímat menší obraz, jímž lze po čipu pohybovat a eliminovat malé výchylky (především kamery)

CCD

  • CCD (Charge Coupled Devices) – 1969 – zařízení pracující s propojeným nábojem, resp. s vázanými náboji
  • elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj generovaný na základě fotoefektu ve fotodiodách obrazových elementů přenášen potenciálovými jámami pomocí napětí na soustavě elektrod
  • shluky excitovaných elektronů v buňkách jsou přitahovány ke kladně nabitým 2, 3 nebo 4 elektrodám
  • na elektrodách se pravidelně zvyšuje a snižuje napětí, čímž jsou zde vytvářeny postupné potenciálové jámy, do kterých se náboje přelévají, a tak postupují od jednoho elementu snímacího obvodu k druhému
  • CCD vynalezli W. Boyle a G. Smith v roce 1969 – jejich vynález se týkal obecně paměťového posuvného registru, přičemž CCD je posuvný registr vystavený působení světla
  • 1975 první CCD TV kamera, 1983 první astro dalekohled
  • uspořádání CCD je jednovrstevné, lineární nebo plošné

Super CCD

  • Firma FUJI 1999
  • princip Super CCD je založen na poznatku, že lidské oko citlivěji vnímá vertikály a horizontály, než diagonály
  • konstrukčně je čip stejný jako normální CCD čip, pouze tvar světločivných buněk je osmiúhelníkový, a tak též pokrytí plochy Super CCD čipu je lepší
  • uspořádání umožnilo stisknout prvky více k sobě, takže ve výsledném efektu se jeví rozlišení asi 1,6 až 2,3 x větší
  • buňky jsou citlivější než u CCD díky čočkám
  • nyní se užívá též rychlejší metoda skenu – plošný sken
  • super CCD má 2x vyšší rozlišení na stejné ploše než CCD

Super CCD SR

  • Firma FUJI 2003
  • Super CCD SR = Super Dynamic Range – dynamický rozsah
  • čip se dvěma fotodiodami na buňku – menší světlocitlivá buňka je využívána pro zisk doplňkové informace (zejména pro vyvážení bílé a redukci šumu)

Super CCD EXR

  • Firma FUJI 2008
  • Super CCD EXR přináší novou geometrii subpixelů
  • zlepšuje výsledky zejména při obtížných světelných podmínkách
  • v případě vysokého kontrastu dokáže dvojnásobně zvýšit svůj dynamický rozsah bez zvýšení šumu – virtuálně se rozdělí na dva snímací čipy, jejichž matrice se prolínají, jeden se nastaví, aby byl citlivější v oblasti vysokého osvitu, a druhý v oblasti nízkého osvitu; následně jsou data z obou virtuálních čipů sjednocena
  • v případě nízkého osvitu zvýší svou citlivost a přímo na čipu potlačí šum na úkor rozlišení
  • díky své geometrii může snížit své rozlišení na polovinu tak, že diagonálně sousedící světločivné buňky detekující stejnou barvu, sloučí do virtuální jedné buňky s dvojnásobnou plochou
  • zvýšení plochy buňky efektivně zvyšuje její citlivost, aniž by došlo ke zvýšení šumu (lepší kvalitní 6 Mp snímek s minimálním šumem nežli zašuměný 12 Mp snímek)

CMOS

  • CMOS – (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – 1963
  • elektronický integrovaný obvod, ve kterém je elektrický náboj generovaný ve fotodiodách obrazových elementů odváděn pomocí adresovatelné sběrnice
  • CMOS je v podstatě procesor s integrovanými světlocitlivými buňkami
  • digitalizační obvody, 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 výstup dat se provádí z každé buňky již v digitální podobě
  • mezi nejdůležitější vlastnosti CMOS patří vysoká odolnost proti šumu a nízká spotřeba ve statickém stavu
  • vzhledem k tomu, že každá světločivná oblast má u sebe i své digitalizační obvody, zaujímají oblasti citlivé na světlo pouze část celé plochy čipu – obvody zde zabírají 75% plochy
  • proto se každá takováto buňka vybavuje nejen RGB filtrem, ale i miniaturní čočku soustřeďující světlo
  • kvalita snímání byla dlouho horší než u CCD, ale CMOS se rychle zdokonaloval a začal nad klasickým CCD dominovat

Exmor R CMOS

  • Firma SONY 2008
  • v klasických CMOS snímačích jsou řetězce vodičů umístěny mezi vrstvou čoček a RGB filtrů a vrstvou vlastních fotodiod; zabírají mnoho místa a částečně stíní světlu z čoček
  • u Exmor R CMOS jsou fotodiody přímo pod čočkami a RGB filtry a svazky vodičů až pod nimi – tzv. uspořádání Backside
  • toto vede k dvojnásobnému zvýšení citlivosti senzoru
  • citlivost ISO tudíž není třeba tolik uměle zvyšovat zesílením signálu, a tím se snižuje obecně míra šumu ve snímcích
  • lepší obrazové výsledky tak dosahuje senzor při fotografování ve zhoršených světelných podmínkách

Foveon X3

  • společnost Foveon 2002
  • průlomová technologie, která umožňuje bez zvýšení počtu světločivných bodů dosáhnout až čtyřnásobného barevného rozlišení
  • např. 4 Mp čip Faveon X3 může zastat až 16 Mp CCD
  • nejedná se o mozaikové uspořádání, ale o vrstvené – čip Faveon X3 si počíná stejně jako klasický film

61

 

Barevný film a chip Foveon X3