Krimi servis Hlaváček

Všechno začalo před 170. roky, aneb O cestě k digitálním fotopřístrojům a kamerám

2. Duben 2009 - Zobrazeno: 10,771 x

Fotografie má mnoho tváří. Z bezpočtu hledisek ji lze třídit, popisovat nebo i prezentovat. Od daguerrotypie po dnešní virtuální prohlídky digitálních fotografií uteklo hodně vody. Skutečně, je to už neskutečných 170 let! Za tu dobu o ní bylo napsáno ohromné množství knih a statí. Dnes už zřejmě není v silách jedince, aby obsáhl celý tento obor lidské činnosti. Přesto, ať se do tajů fotografie snažíme nahlédnout z kterékoliv strany, je to vždy pohled zajímavý.

 

Trocha historie a teorie z Wikipedie (a odjinud)

Jenom pro přehled si dovoluji připomenout některé milníky v předlouhé řadě událostí spojených s fotografií. Ta historie je opravdu zajímavá – už jenom podle přehledu publikovaném ve Wikipedii¹⁾.

Dokumentovat obraz si lidstvo nejspíš přálo odjakživa. Z počátku však lidé uměli jen promítnout obraz na plochu, neuměli ho trvale zaznamenat. V 16. století je ve větší míře využívána tzv. camera obscura („temná komora“). Světlo procházející malým otvorem do tmavé místnosti se promítlo na stěnu, samozřejmě (podle zákonů fyziky) stranově obráceně.²⁾ To ještě nejspíš nevěděli, že k vynalezení fotografie musí spojit poznatky z oblasti výtvarného umění, optiky a chemie, aby se s použitím vytvořeného fotografického přístroje dalo využít vlastností látek citlivých na světlo, jak uvádí SCHEUFLER.³⁾

V roce 1826 dokázal poprvé francouzský vynálezce Nicéphore Niépce (1765 - 1833) zachytit obraz na vyleštěnou cínovou desku pokrytou petrolejovým roztokem. První fotografický snímek exponoval osm hodin. Výsledky ale neuspokojily. Problémem byla fotografická deska.⁴⁾

Později začal experimentovat se sloučeninami stříbra, přičemž vycházel z poznatků Joanna Heinricha Schultze, který zjistil, že směs křídy a stříbra tmavnou, pokud jsou osvětleny. To už na scénu přibyl Jean Louis Mandé Daguerre (1787 – 1851), umělec a badatel, který učinil dva zásadní objevy. Zjistil, že pokud stříbro nejprve vystaví jódovým parám, pak snímek exponuje, a když na něj nechá působit rtuťové výpary, získá viditelný a nestálý obraz. Ten pak lze ustálit ponořením desky do solné lázně. V roce 1839 (odtud vzato 170. výročí fotografie) Daguerre oznámil, že objevil proces využívající postříbřenou měděnou desku, který nazval daguerrotypie. Není bez zajímavosti, že dne 19. srpna 1839 na slavnostním zasedání francouzské Akademie věd Francouzská vláda jeho patent Daguerre koupila a darovala jej celému světu bez nároku na odměnu. S výjimkou Velké Británie, kde si o pět dnů dříve Daguerre v zastoupení nechal svůj objev patentovat. Francouzsko-britské vztahy asi nikdy nebyly ideální…

O rok později oznámil ve Velké Británii William Henry Fox Talbot (1800 - 1877) vynález nazvaný calotypie (calotypie se využívaly od 1840 do přibližně 1855; k patentu přihlášeny 8. 2. 1841). Podobně jako Daguerre objevil způsob, jak ustálit obraz získaný pomocí „stříbrné expozice“, ale tajil ho. Jakmile se ale dozvěděl o daguerrotypii, svůj postup zveřejnil; jeho postup byl lepší, protože byl rychlejší a citlivější. Listy papíru potáhl vrstvou chloridu stříbrného pro vytvoření okamžitého negativního obrazu, který mohl být použit k vytvoření libovolného množství kopií. Talbot, který si nechal proces patentovat, pak už jen po zbytek života vedl soudní pře o svůj patent, aby nakonec svoje práce na poli fotografie zanechal. Nikdo mu ale neupře, že jako první přišel z možností rozmnožování snímků dvoustupňovým procesem negativ - pozitiv. Pojem „negativ – pozitiv“ je ale přisuzován Johnu Herschelovi, který pokračoval ve výzkumu poznatků Talbota.

Později Talbotův proces zdokonalil George Eastman⁵⁾ a ten je používán dodnes. Eastman mj. zhotovil i první negativní film.

Z hlediska přeměny camery obscury na fotografický přístroj jsou významná zejména dvě její zdokonalení: Vsazení čočky do zvětšeného vstupního otvoru (1550 Girolamem Cardanem) ke zvýšení světlosti obrazu a zavedení clonky ke zlepšení ostrosti kresby jednoduché spojné čočky (1568 Daniel Barbaro). Historie zkoumání látek citlivých na světlo, zejména pak solí stříbra, úzce souvisí se vznikem chemie jako vědního oboru. Na prahu vynálezu fotografie byly pokusy, které prováděly Thomas Wedgwood a Humphry Davy roce 1802, kdy impregnovali papír nebo bílou kůži dusičnanem nebo chloridem stříbrným. Na zcitlivěnou plochu pak kladli listy rostlin nebo jiné plošné předměty a vystavovali je účinkům světla. Vzniklé obrazy však neuměli ustálit.⁶⁾

 

Od filmu k čipům

V této jednoduché rekapitulaci zůstává jen připomenout, kdože jsou otcové digitální fotografie? Psal se rok 1969, když Georgie Smith a Willard Boyle z Bellových laboratoří v USA vynalezli snímač typu CCD (viz dále) a v následujícím roce ho zabudovali do fotoaparátu. Trvalo dlouhých 12 let, než tento vynález začala komerčně uplatňovat firma SONY a přišla s prvním sériově vyráběným digitálním fotopřístrojem Mavica (Magnetic Video Camera). Psal se rok 1981.

Pak opět převzali iniciativu Američané. Firma KODAK, vlajková loď mezi výrobci filmového materiálu, si zřejmě jako jedna z prvních uvědomila, že éra filmu končí, a v 80. letech min. st. investovala značné prostředky do vývoje digitálních fotopřístrojů a zejména digitálních snímačů (čipů). Jejich „digitály“ se ale moc neprosadily.

První komerčně šířený digitální fotoaparát byl Apple QuickTake 100 z roku 1994. V běžném prodeji byly digitální fotoaparáty od roku 1996 (postupně i v Česku), ovšem za velmi vysokou cenu. Ještě v roce 1999 jsem vzdal v USA nákup digitálního fotopřístroje od firmy FUJI s čipem se 720 kpx(!) za 700 dolarů. Po roce 2000 začaly postupně digitální fotopřístroje vytlačovat do té doby běžné přístroje na film - samozřejmě hlavně díky masivnímu zlevnění, neboť cena digitálního kompaktu klesla z 20 až 40 000 Kč na desetinu, navíc při lepších technických parametrech. V posledních dvou až třech letech digitální fotografické přístroje plně nahradily i nejnáročnější profesionální komoditu zrcadlových fotopřístrojů s výměnnými objektivy.

Připomeňme, že za standardní rozměr se v běžné fotografii považuje snímek o poměru stran 3 : 2. Vychází se přitom tradičně z rozměru kinofilmu, jehož políčko má 36 x 24 mm. Není bez významu, že úhlopříčka tohoto obdélníku je přibližně 50 mm. To má úzkou souvislost s parametry objektivů.

Oproti tomu poměr stran televizní obrazovky nebo počítačového monitoru je 4 : 3. Televizní kamery a amatérské digitální fotoaparáty proto používají většinou poměr stran snímače (viz dále) 4 : 3. Nověji se však prosazuje tzv. „širokoúhlý“ poměr 16 : 9. Profesionální digitální fotoaparáty používají převážně „standardní“ poměr stran 3 : 2. Podle některých názorů je to proto, že se nejvíce blíží poměru stran zavedených formátů fotografických papírů (řada 10 x 15, 13 x 18 atd.). 

Běžné je, že lepší kamery i fotoaparáty mají poměr stran „přepínatelný“. Ve skutečnosti vznikne „nudlovištější“ formát oříznutím části obrazu již při expozici. Rozhodně racionálnější je provádět ořez až v klidu při úpravě fotografické snímku. Kdo viděl při práci s obrazovým editorem opravdového Pana Fotografa, dá mi za pravdu, že výslední formát opravdu kvalitního obrázku se neřídí zavedenou řadou fotografických papírů (viz výše), ale jeho celkovou kompozicí.

U digitálních kamer a fotopřístrojů již není obraz zaznamenáván na film, ale na snímač (elektronickou součástku), kterou už dávno není elektronka (vidikon), ale snímač (elektronický čip, senzor). A čipy se dnes užívají dva – CCD nebo CMOS. Jejich velikost se uvádí v palcových mírách.
 

Senzor je jádrem každého digitálního fotoaparátu, Když pomineme potíže optiky, tak právě on určuje základní parametry a kvalitu obrazu - rozlišení, barvy, šum, dynamický rozsah atd.

CCD (charge-coupled device, nebo-li zařízení s vázanými náboji) si lze představit jako plošku přesně definovaného rozměru (viz tabulka dále - počet použitelných bodů je vždy o něco menší, než je jejich faktický počet; důvody jsou technologické) osázenou mnoha miniaturními polovodiči (diodami), z nichž každý má své elektrody; získaly označení obrazový bod – pixel. Mají za úkol převést světelnou energii na elektrický signál určité měřitelné hodnoty a tuto „informaci o obrazu“ uložit do digitální paměti přístroje.

 

 

 

 

Mikroskopická fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá asi 0,1 milimetru

Vysvětlit, jak funguje zařízení s vázanými náboji (CCD) není vůbec jednoduché a snad ani v této stati nemusíme jít do detailů. CCD využívá fotoelektrický jev, při kterém jsou z látky (nejčastěji kovu) uvolňovány (emitovány) elektrony v důsledku pohlcování (absorpce) elektromagnetického záření (resp. částic světla). Emitované elektrony jsou označovány jako fotoelektrony. Částice světla (fotony), když narazí do atomu kovu, mu předají energii a v důsledku toho dojde k přemístění některého z jeho elektronů do vyšších energetických hladin, čemuž se říká excitovaný (vybuzený, podrážděný) stav. Teď už to začíná být příliš složité, takže už jen stručně:

 

 

Každá buňka senzoru je v jakési malé jamce, ale protože by nemohla zpracovávat světlo přicházející ze stran, nad jamkou je zabudován mikroobjektiv, který soustředí světlo na dno jamky a tím umožní jeho využití beze ztrát.

V polovodiči je možné takto uvolněný elektron odvést pomocí elektrod; tak je to například u fotodiody nebo fotočlánku. CCD je ale jiný v tom, že uvolněné elektrony zadržuje⁷⁾  - elektrody jsou od svých polovodičů (pixelů) izolované tenkou vrstvičkou oxidu křemičitého -, aby je v relativně hodně složitém vnitřním systému této elektronické součástky zpracoval, přičemž vytvořený elektrický proud odpovídající počtu zadržených elektronů v jednotlivých pixelech je pak zesílen na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu. Že to nebylo jednoduché? Úžasné je, že tyto jevy probíhají v mikro a nano světě! ^{8 )}

Pokud to opravdu bylo složité, tak ještě jednou: Snímací čip digitálních fotoaparátů složený z matice světlocitlivých buněk, reaguje na dopadající světlo vytvářením elektrického napětí. Napětí je úměrné intenzitě světla. Čip na výstupu poskytuje elektrický analogový signál, který se následně převádí do digitální formy. Rozlišení barvy světla je řešeno předsazením barevných filtrů.

 

Poměr velikostí běžných CCD

Název	Úhlopříčka	Šířka	Výška	š : v
1/3,6″	5 mm	4 mm	3 mm	4:3
1/3″	6 mm	4,8 mm	3,6 mm	4:3
1/2,7″	6,592 mm	5,270 mm	3,960 mm	4:3
1/2″	8 mm	6,4 mm	4,8 mm	4:3
1/1,8″	8,933 mm	7,176 mm	5,319 mm	4:3
2/3″	11 mm	8,8 mm	6,6 mm	4:3
1″	16 mm	12,8 mm	9,6 mm	4:3
4/3″	22,5 mm	18 mm	13,5 mm	4:3
APS-C	30,1 mm	25,1 mm	16,7 mm	3:2
35mm	43,3 mm	36 mm	24 mm	3:2
645	69,7 mm	56 mm	41,5 mm	4:3

        
S velikostí čipu samozřejmě úzce souvisí hodnota rozlišení, která se udává v megapixelech. Jedná se vlastně o počet polovodičových prvků (pixelů) implementovaných do plochy čipu. Běžné CCD snímače dnešních digitálních fotoaparátů mají rozlišení od 5 do 12 Mpx (milionů pixlů), profesionální i více jak 20 Mpx, naopak u kamer jsou snímače menší (od 1 – do 5 Mpx). Existují ale i snímače s rozlišením výrazně nižším (používané například v optických myších), nebo i vyšším (užívané v různých vědeckých přístrojích, astronomických dalekohledech, na družicích atd.). ⁹⁾

CCD snímače mají ovšem i další vlastnosti (viz níže), a proto neplatí vžitý názor, že čím vyšší je rozlišení, tím je CCD prvek kvalitnější.

 

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) nabízí více funkcí na čipu při nižší spotřebě energie. Pozdější zájem výrobců digitálních fotopřístroje a kamer o CMOS má souvislost s rozvojem litografie (90. léta min. st.), na níž je výroba čipů bytostně závislá. Díky pokrokům v litografii může být CMOS menší při stejném počtu pixelů, než CCD.

To podmiňuje i nižší spotřebu energie; proto někteří výrobci přístrojů favorizují právě CMOS. Dnes neexistuje zásadní dělicí rovina pro použití CCD a CMOS. Návrháři CMOS nyní věnují intenzivní úsilí na dosažení vysoké kvality obrazu, zatímco návrháři CCD musí snížit spotřebu energie a velikost pixelů. CMOS fotopřístroje a kamery sice nepotřebují tolik komponent a mají nižší spotřebu, ale na druhou stranu potřebují doplňkové elektronické obvody pro optimalizaci kvality obrazu, což zvyšuje náklady na výrobu těchto přístrojů a tím se de facto snižují výhody predikované nižší spotřebou činu CMOS. Přístroje s CCD jsou sice méně složité než ty s CMOS, což se projevuje v celkových náklady na jejich výrobu. Cena výroba CCD je obecně nižší.¹⁰⁾

 

CCD vs. CMOS

CCD senzor čte své buňky postupně a vyžaduje větší rozsah napájení a více elektroniky kolem sebe pro svoji obsluhu

CMOS senzor má řídící obvody přímo uvnitř senzoru, nepotřebuje více napájení, umožňuje vyšší integraci a dokáže přímo adresovat každou buňku

Bylo by možné uvádět mnoho dalších argumentů pro a proti CCD nebo CMOS. Zdá se ale, že obě technologie mají své místo na slunci zajištěné. Všechno má své pro a proti. Bude nejspíš záležet na udržitelnosti výrobních cen obou součástek.

Je třeba předeslat, že technologie a obchod jsou dvě rozdílné oblasti a stále se vyvíjejí, takže rozhodně nelze bezmezně věřit všemu, co se povídá a píše. A také, že je obtížný každý soud, kde se porovnávají jablka s pomeranči.

CCD a CMOS jsou obrazové snímače, ale vyráběné dvěma různými technologiemi. Proto má každý z nich unikátní silné i slabé stránky, poskytující však výhody v různých aplikacích. Ani jeden ze snímačů není významně lepší než druhý, i když prodejci nabízející pouze jednu technologii většinou tvrdí opak. Za posledních pět let se výrazně změnila technologie jejich výroby, a proto mnohé prognózy o zániku jednoho či druhého čipu se ukázaly jako falešné. S ohledem na současnou situaci v oblasti vývoje digitálních fotopřístrojů a kamer je výhled pro obě technologie příznivý.¹¹⁾ Skutečností je, že dnešní stav technologie rozdíly mezi CCD a CMOS víceméně stírá. Navíc rozdíl mezi nimi není ve vlastní světlocitlivé fotodiodě (ta je de facto stejná), ale ve způsobu sběru signálu z buněk a v logice ovládání celého senzoru.¹²⁾

Jan Hlaváček, 21. 3. 2009

Použité fotografie převzaty z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/CCD
http://www.fotografovani.cz/art/fotech_df/rom_trouble1.html

Autor děkuje za cenné rady a doporučení Petru Švarcovi.

________________________________________

1] Podle Wikipedia - http://cs.wikipedia.org/wiki/Chronologie_fotografie

2] Podle Pavla SCHEUFLERA byla právě camera obscura principem budoucího vynálezu fotografického přístroje. Jevu, kdy světlo vnikající malým otvorem do tmavé místnosti vykreslí na protilehlou stěně převrácený obraz předmětů nacházejících se před otvorem, si nejdříve povšiml již Aristoteles (kolem 350 př. n. l.). Kolem roku 1020 byl princip popsán Alhazenem (Abu Ali al-Hasan), kolem 1250 jej popisuje Roger Bacon. Avšak teprve v době vrcholné renesance, kdy byly hledány a formulovány zákony malířské perspektivy, byl princip camery obscury cílevědomě využit nejprve ve formě úprav skutečných místností a brzy i ve formě přenosných přístrojů, které používali malíři a později cestovatelé, aby si usnadnili skicování krajinných pohledů a stavebních památek. Vztahy mezi perspektivou a funkcí oka s upozorněním na využití principu camery obscury popsal Leonardo da Vinci ve spisu Codex Atlanticus. Roku 1545 uveřejnil Gemma Frisius první známé vyobrazení camery obscury.

3] Scheufler, P.: autorova webová stránka - http://www.scheufler.cz/ 

4] Podle jiného zdroje zhotovil Niépce první fotografický snímek (”Pohled z okna v Le Gras”) až v roce 1927. A navíc je tímto zdrojem uváděno, že fotografoval na cínovou desku, pokrytou asfaltovou vrstvou, která v osvětlených částech tvrdla. Neosvětlený asfalt následně smyl roztokem levandulového oleje a terpentýnu, čímž se ve stínech odkryla tmavá cínová deska.

5] V roce 1881 založili vynálezce Georgie Eastman a obchodník Henry Strong firmu Eastman Dry Plate Company. Kodak byl původně název výrobku této firmy - fotoaparátu na svitkový film. Protože byl tento produkt velice úspěšný, stal se později součástí názvu firmy. Značka Kodak byla registrována 4. září 1884, firma pod názvem Eastman Kodak Company byla oficiálně založena v roce 1892 – viz http://cs.wikipedia.org/wiki/Kodak

6] Podle Scheufler, P.: autorova webová stránka - http://www.scheufler.cz/

7] To „zadržování“ je velmi důležité při srovnání s čipem CMOS – viz dále

8] Podle Wikipedia - http://cs.wikipedia.org/wiki/CCD

9] tamtéž

10] Podle DALSA Corporation, USA – viz http://www.dalsa.com/corp/markets/CCD_vs_CMOS.aspx

11] tamtéž

12] Blíže viz např. Pihan, R.: Obrazové problémy digitální fotografie I. - Senzor