Jak działa cyfrówka???

Czy cyfrówka to wynalazek ostatnich kilku lat? A może tylko udoskonalone wcielenie starej idei łowienia obrazu i zachowywania go w materialnej postaci na szkle, papierze czy popularniejszym obecnie nośniku elektronicznym?

     Zasada działania współczesnego elektronicznego aparatu fotograficznego jest stara jak sama fotografia. Już w pierwszej połowie dziewiętnastego wieku francuski malarz nazwiskiem Daugerre, podobnie jak i kilku innych odkrywców "szybkiej" metody utrwalania wizerunków, rozwijał dobrze znane urządzenie, zwane camera obscura.

Od dziurawej skrzynki do połowu pikseli

Tak działają protoplaści współczesnej cyfrówki. Po lewej camera obscura, a po prawej jeden z pierwszych aparatów zapisujących obraz na filmie. Ulepszenie starego wynalazku polegało głównie na wyposażeniu kamery w optykę, później także migawkę i przesłonę

To nic innego, jak skrzynka z niewielkim otworem, przez który do jej wnętrza dostaje się wiązka światła. Gdybyśmy się dostali do środka tego mało skomplikowanego instrumentarium, zaobserwowalibyśmy wyświetlanie na ściance przeciwległej do otworu mniej lub bardziej dokładnego wizerunku przedmiotów znajdujących się na zewnątrz (tuż za otworem). Zachodnioeuropejscy pionierzy fotografii wpadli na dwa genialne pomysły ulepszenia starego wynalazku. Pierwszy polegał na umieszczeniu w otworze soczewki, która pozwoliła na znacznie ostrzejsze odwzorowanie "wyświetlanego" wewnątrz obrazu, drugi posłużył do opracowania metody jego utrwalenia.

Do dziś jesteśmy świadkami rozwijania tych dwóch pomysłów, czyniących z camera obscura pierwszy aparat fotograficzny. Prostą soczewkę zastąpiono nawet kilkunastoma, tworzącymi często skomplikowane obiektywy zmiennoogniskowe. Miejsce posmarowanych światłoczułą substancją szklanych lub metalowych płytek (potem zamienionych na filmy), na które rzucany i utrwalany był obraz, zajmują teraz krzemowe panele, zawierające miliony mikroskopijnych detektorów. Idea łowienia obrazu pozostała więc niezmieniona, nowe i doskonalsze są tylko poszczególne elementy urządzenia oraz metoda utrwalania tego, co uda się złowić.

Narodziny cyfrówki

Już w drugiej połowie minionego stulecia, w dobie coraz szybciej rozwijających się technologii optoelektronicznych narodził się pomysł dokonania zmian w konstrukcji między innymi dobrze już rozpowszechnionych aparatów fotograficznych. Wcześniej pojawiły się pierwsze kamery telewizyjne - choć przetwarzały obraz analogowo, należy je uważać za przodków współczesnej cyfrówki (światło wpadające przez obiektyw nie trafiało już na powierzchnię światłoczułego filmu, lecz na jego elektroniczny zamiennik).

W latach siedemdziesiątych powstały aparaty cyfrowe. Jeden z pierwszych seryjnie produkowanych modeli to profesjonalna lustrzanka Kodaka AP NC2000e o rozdzielczości 1,3 MP (obecny odpowiednik dysponuje matrycą o przeszło dziesięć razy większej rozdzielczości). Amatorskie kompakty również nie grzeszyły wielką rozdzielczością (0,2-0,5 MP). Z dzisiejszego punktu widzenia był to sprzęt o bardzo małych możliwościach. Zapisywał obrazu w rozdzielczości 640x480 pikseli, co stanowi mniej więcej 13 procent powierzchni przeciętnego zdjęcia rejestrowanego współczesną cyfrówką (4 MP).

Słabe możliwości oraz bardzo wysoka cena to przyczyny niemal zerowej popularności wspomnianych wyżej aparatów. Cyfrową rewolucję, z którą mamy do czynienia właściwie od ubiegłego roku (większość sprzedawanych aparatów fotograficznych zaczęły stanowić urządzenia cyfrowe), wywołał wyraźny spadek cen oraz zbliżenie możliwości amatorskich cyfrówek do oferowanych przez ich tradycyjne odpowiedniki.

Budowa

Aparat fotograficzny, zarówno cyfrowy, jak i tradycyjny, ma właściwie takie samo zadanie: za pomocą optyki (zintegrowanej z przesłoną) wpuścić do wnętrza aparatu pewną dawkę światła, które przenosi niejako wizerunek fotografowanych motywów. Wprowadzanie tego obrazu musi trwać określoną chwilę - nie za krótko i nie za długo. Realizuje to mechanizm zwany migawką, dozujący światło wpadające do wnętrza urządzenia. Następnie powinno ono paść na materiał światłoczuły bądź elektroniczny element zwany matrycą CCD lub CMOS. W aparacie tradycyjnym wykonywanie zdjęcia na tym etapie w pewnym sensie się zakończy, ale w cyfrówce to dopiero część drogi. Obraz rzucony na matrycę musi zostać odczytany przez umieszczone na niej detektory. Następnie, już w postaci elektronicznej, trafia do przetwornika analogowo-cyfrowego, gdzie następuje dość skomplikowana interpretacja impulsów pochodzących z detektorów matrycy. Stąd dróg może być kilka. Jedna prowadzi na peryferia, czyli na ekran LCD lub do wyjścia A/V, przez które zarejestrowany sygnał jest wyprowadzany na zewnątrz, np. na ekran telewizora. Druga magistrala biegnie w kierunku nośnika danych, gdzie magazynowane są wykonane zdjęcia. W elektronicznym systemie nie może zabraknąć jeszcze jednego podstawowego elementu - bufora pamięci RAM, który zapewnia utrzymanie ciągłości pracy aparatu niezależnie od tego, czy poprzednia czynność (np. zapisanie zdjęcia na karcie) została już ukończona.

Matryca - cyfrowy film

W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że "cyfrowa" część aparatu fotograficznego przypomina zminiaturyzowany zestaw komputerowy wraz ze skanerem, umieszczonym w miejscu tradycyjnego materiału światłoczułego. Matrycę cyfrówki od skanera różni to, że obraz "łowiony" jest nie za pomocą ruchomej linijki z niewielką liczbą sensorów, tylko rozmieszczonych na całej powierzchni fotodetektorów.

Tradycyjny kolorowy materiał światłoczuły składa się z kilku warstw uczulonych na określone barwy światła.

Przez dobrych kilka lat rozwoju fotografii cyfrowej dopracowano się kilku rodzajów matryc. Do najpowszechniej stosowanych zalicza się detektor CCD, składający się z prostokątnych, umieszczonych obok siebie komórek. Każda z nich rejestruje natężenie padającego na nią światła, a informacje zebrane z wszystkich fotokomórek pozwalają na utworzenie monochromatycznego obrazu o rozdzielczości zbliżonej do liczby wszystkich znajdujących się na powierzchni CCD detektorów. Aby zarejestrować obraz kolorowy, użyto sprytnego sposobu, polegającego na pokryciu poszczególnych komórek filtrem o barwie czerwonej (R), zielonej (G) lub niebieskiej (B). Na podstawie badań wysnuto wniosek, że w rejestracji typowych scen największą rolę powinny odgrywać detektory z filtrem zielonym. Dlatego ten właśnie kolor dominuje na "szachownicy" CCD - zielonych detektorów jest dwa razy więcej niż czerwonych i niebieskich. W 2003 roku Sony opracowało udoskonalony model CCD, wzbogacony filtrem o barwie szmaragdowej, który umieszczono w miejscu nadwyżkowego zielonego. Powstał sensor o równomiernym rozmieszczeniu filtrów - RGBE (litera E pochodzi od słowa "emerald" - szmaragd), mogący poszerzyć zakres dobrze odwzorowywanych barw.

Warstwowa budowa matrycy X3 przypomina przekrój tradycyjnego filmu światłoczułego. Każdy przedstawiony na rysunku "kolorowy kwadracik" nie jest, jak w przypadku typowych matryc CCD - tylko filtrem, lecz detektorem sczytującym określone składowe światła.

Ostatnio - zwłaszcza w cyfrowych lustrzankach - stosuje się matryce CMOS. Różnią się od CCD między innymi technologią produkcji (wytwarzane są w podobny sposób, jak procesory czy układy pamięci), a także sposobem sczytywania danych z poszczególnych detektorów. Ich rozkład na matrycy oraz rozmieszczenie filtrów RGB są podobne, jak w wypadku typowego elementu CCD.

Wyposażenie poszczególnych detektorów w filtry RGB (lub RGBE) nie zapewnia prawidłowej rejestracji barw fotografowanego obrazu. Dane z każdej fotokomórki bezpośrednio wpływają na jasność tworzonego później piksela obrazu. Jak już powiedzieliśmy, informacja o jasności z poszczególnych komórek pozwala na utworzenie wyłącznie obrazu czarno-białego. Zastosowanie filtru R, B, G czy E umożliwia pobranie tylko części informacji o barwie tworzonego piksela i aby przybrał właściwą, trzeba "pożyczyć" informacje od sąsiadujących fotokomórek, wyposażonych w inny filtr. Dlatego podczas tworzenia barwy każdego piksela obrazu mamy do czynienia z pewną interpolacją - dane o jego kolorze opierają się na pomiarach pochodzących z czterech sąsiadujących fotodetektorów.

Informacje o obrazie, które pochodzą z poszczególnych detektorów matrycy. Trzy pierwsze obrazki przedstawiają dane pochodzące z fotokomórek wyposażonych w filtry kolejno: czerwone, zielone i niebieskie. Jeśli danych nie poddamy interpolacji, uzyskamy obraz wyglądający mniej więcej tak, jak na obrazku ostatnim.

Dzięki ciągłemu udoskonalaniu oprogramowania aparatów cyfrowych interpolacja staje się coraz lepsza. Pojawiła się także możliwość zapisywania danych o przechwyconym obrazie w surowej formie, w tzw. plikach RAW. Pozwalają uzyskać obraz doskonalszy, bo poddany bardziej zaawansowanej obróbce za pomocą specjalistycznych aplikacji graficznych w komputerze, czyli urządzeniu o znacznie większej mocy obliczeniowej.

Inne, znacznie mniej rozpowszechnione przetworniki obrazu w cyfrówkach to podzespoły dwóch firm: Fujifilm, który opracował matryce z oktagonalnymi fotokomórkami Super CCD, oraz Foveon, twórcy bardzo oryginalnej warstwowej technologii X3.

Informacje o obrazie po poddaniu interpolacji - brakujące piksele zostały uzupełnione danymi pochodzącymi z sąsiednich detektorów. Po złożeniu obrazków RGB otrzymujemy kolorowe zdjęcie.

Detektory Fujifilm dzięki swojemu kształtowi mogą być gęściej rozmieszczone na matrycy, co daje lepsze efekty podczas interpolowania kolorów. W najnowszej wersji Super CCD, z oznaczeniem SR, konstruktorzy podzielili pojedynczą komórkę na dwa fotodetektory - jeden odczytuje detale w cieniach, a drugi w najjaśniejszych partiach obrazu.

Firma Foveon opracowała element światłoczuły składający się nie z jednej, a z trzech warstw z fotokomórkami, umieszczonych jedna nad drugą. Na górze znajdują się detektory uczulone na światło niebieskie, pod nimi komórki z filtrem zielonym i na samym dole z czerwonym. Detektory z dwóch górnych warstw przepuszczają niepotrzebne im składowe światła, które trafia do położonych niżej komórek, odpowiedzialnych za odczytanie zieleni i czerwieni. Dzięki takiej budowie nie trzeba interpolować barw - każdy piksel ma pełną informację nie tylko o natężeniu światła, ale także o barwie. Niestety, na razie firma wyprodukowała dziesięciomegapikselowy czujnik tego typu, który tworzy obraz o rozdzielczości tylko nieco ponad 3 MP (trzy fotokomórki tworzą jeden piksel obrazu). Ponadto X3 ma problem z odwzorowywaniem ciemnych obszarów kadru, zwłaszcza przy dużej czułości. Najsłabiej odwzorowuje wówczas barwy czerwone (do najgłębiej umieszczonej warstwy dociera najmniej światła).


Obiektyw, czyli oko cyfrówki

Typowy przetwornik CCD na tle klatki filmu małoobrazkowego.

Obiektyw to od kilku do kilkudziesięciu umieszczonych w tubusie soczewek, które skupiają wiązki światła tak, aby "przenieść" obraz fotografowanej sceny na powierzchnię światłoczułego materiału. To w sumie dość skomplikowany element aparatu (zwłaszcza obiektyw zmiennoogniskowy), a zasady jego działania stanowią właściwie temat na oddzielny artykuł.

Pod względem konstrukcji obiektywy cyfrówek niewiele się różnią od montowanych w aparatach wykorzystujących film światłoczuły.

Potwierdza to fakt, że w cyfrowych lustrzankach można używać obiektywów przeznaczonych do tradycyjnych aparatów. Stosując odpowiednie pierścienie pośrednie, można w fotografii cyfrowej stosować nawet optykę ze starych aparatów, które od cyfrówek dzieli istna technologiczna przepaść - niektóre obiektywy sędziwego Zenita czy Pentacona.

Trochę inaczej konstruuje się optykę do cyfrowych aparatów kompaktowych. Ponieważ powierzchnia przeciętnej matrycy CCD jest mniej więcej dwudziestokrotnie mniejsza niż klatka filmu małoobrazkowego, obiektyw musi być przystosowany do "rzucania" ostrego obrazu tylko na tę powierzchnię.

Niektóre firmy wyposażają swoje konstrukcje optyczne w systemy kompensujące wstrząsy. Opracowano kilka technik pozwalających na ograniczanie efektu drgania obrazu, który występuje zwłaszcza podczas fotografowania z obiektywem długoogniskowym. Canon umieszcza system antywstrząsowy w obiektywie. Inaczej problem rozwiązują konstruktorzy Minolty, którzy opracowali ruchome zawieszenie elementu CCD.

Dusza cyfrówki, czyli firmware

Obiektyw cyfrówki widziany od strony matrycy. Z prawej strony widać taśmy, łączące płytę główną cyfrówki z silnikami krokowymi odpowiedzialnymi za przesuwanie soczewek. Dzięki silnikom możliwe jest ustawianie ostrości oraz zmiana ogniskowej.

Można powiedzieć, że na jakość cyfrowego zdjęcia mają wpływ głównie trzy elementy: jakość matrycy i obiektywu oraz wewnętrzne oprogramowanie, które nabiera coraz większego znaczenia w momencie, gdy dwa pozostałe elementy stają się coraz doskonalsze. W dużej mierze dzięki niemu aparaty różnych producentów utrzymują swój charakter. Tylko kilka firm na świecie produkuje matryce. To, w jaki sposób dane pochodzące z detektora zostaną odczytane i zinterpretowane, zależy jedynie od producenta danego aparatu. W testach wyraźnie widać różnicę jakości czy charakteru zdjęć wykonanych cyfrówkami innych firm mimo zastosowania tej samej matrycy.

Wewnętrzne oprogramowanie odpowiada właściwie za wszystkie procesy, zachodzące w aparacie. Poza zliczaniem danych z poszczególnych detektorów steruje parametrami ekspozycji, określając czas i przesłonę, może "wybierać" znajdujący się w kadrze obiekt, na który zostanie ustawiona ostrość, decyduje o użyciu lampy błyskowej oraz komunikuje się z użytkownikiem za pośrednictwem mniej lub bardziej rozbudowanego menu. Jedno z najbardziej odpowiedzialnych zadań to określenie rodzaju oświetlenia, w jakim wykonywane są zdjęcia. Niestety, mimo wielu już lat rozwoju oprogramowania cyfrówek większość z nich nadal średnio sobie z tym radzi.

Magazyn cyfrowych zdjęć

Od dawna do przechowywania zdjęć w aparatach cyfrowych służy głównie pamięć flash. Jest kilka standardów kart pamięci: najpopularniejszy CompactFlash, wychodzący już powoli z użycia Smart Media, szybki Secure Digital, xD oraz różne odmiany standardu Sony: Memory Stick. Pojawiły się również alternatywne sposoby zapisu fotografii - na dyskietce lub małym krążku CD-RW.

W ciągu ostatniego roku wyraźnie spadły ceny kart pamięci, np. nośnik CF o pojemności 1 GB kupisz już za 250 złotych. Mimo to dość przydatne w bywają zewnętrzne, przenośne banki zdjęć.

Matryca w roli światłomierza

W większości kompaktowych aparatów cyfrowych nie stosuje się osobnych elementów przeznaczonych do pomiaru światła. Ich funkcję przejęły matryce rejestrujące ciągły obraz i odpowiednio interpretujący dane firmware.

Analog kontra cyfra

Mieliśmy (i jeszcze częściowo mamy) do czynienia z pewnym paradoksem, dla którego dosyć trudno znaleźć analogię w innych dziedzinach techniki. Polegał na wprowadzaniu przez wiele lat na rynek nowej technologii, która przynajmniej na początku była wyraźnie gorsza od tej, którą miała zastąpić. Trudno doszukać się wyraźnej przewagi jednej z pierwszych cyfrówek - na przykład o rozdzielczości VGA - nad chociażby rozpowszechnionym już aparatem i systemem fotochemicznym Polaroida, który rejestruje obrazy daleko doskonalsze. Różnica była tak duża, że trudna do zrekompensowania podstawowymi zaletami, jakie ma nawet prosta cyfrówka (natychmiastowy efekt fotografowania i brak konieczności używania materiałów eksploatacyjnych - przynajmniej na etapie rejestracji zdjęcia). Stałe udoskonalanie technologii dało po latach efekt - jakość zdjęć wykonanych niektórymi aparatami cyfrowymi zbliżyła się do jakości oferowanej przez urządzenia "na film".