Technologie senzorů: co od vašeho snímače můžete očekávat v praxi

Většina současných snímačů ve fotoaparátech vychází z jednotné konstrukce. To však kromě kladů přináší i zápory, které se projevují na fotkách. Výrobci se tedy snaží přijít s lepší a funkčnější alternativou, která by tyto nedostatky omezila. Přečtěte si, jak se jednotlivá řešení liší a co od svého senzoru můžete očekávat.

Není samozřejmě nutné znát technologie do posledního detailu, ale rámcová představa vám jistě pomůže. Například při koupi nového fotoaparátu nebo pokud uvidíte na svých snímcích podivné chyby, které mají na svědomí právě senzory.

Typický senzor dneška

Drtivá většina techniky, ať už to jsou dedikované fotoaparáty nebo mobily, používá senzor typu CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), který byl vynalezený koncem šedesátých let minulého století.

Každý čip obsahuje miliony buněk/pixelů, které jsou schopné přeměnit světlo na elektrony. Po vyfocení snímku zůstane v každé buňce naakumulovaný náboj, který se přečte a tím se zjistí, kolik světla na dané místo dopadlo.

Vypadá to jednoduše, ale je v tom háček. Tento systém totiž sám o sobě nedokáže rozpoznat barvy.

Proto se používá trik nazvaný po svém vynálezci, takzvaný Bayerův filtr nebo Bayerova maska. Před každou buňkou je buď červený, zelený nebo modrý filtr, který umožní projít dál jen světlu dané barvy. Filtry dohromady vytváří pravidelnou mřížku buněk, kde je každá citlivá na jiné světelné frekvence.

Každý pixel má tedy záznam jen o jedné barvě a zbylé dvě se dopočítají později z vedlejších buněk. Ze senzoru na obrázku výše bychom tedy dostali fotografii o velikosti 8 x 8 pixelů.

Můžete si povšimnout, že zatímco červených a modrých buněk je zhruba stejný počet, tak zelených je dvakrát víc. Je to proto, že lidské oko je na zelenou zdaleka nejcitlivější, takže dává smysl o ní zachytit co nejvíce informací.

Bokem poznamenejme, že před CMOS senzorem se bil o svoje postavení na slunci CCD senzor. Ten pracuje na podobném principu, jen čte informace jinak (spíš po jednotlivých pixelech než po řádcích). Dnes se už používá jen výjimečně ve specifických přístrojích.

Problémy Bayerova filtru

Popsaný senzor má spoustu hezkých vlastností, ale je tu také pár temných stránek:

• Snížené rozlišení
• Ztráta světla
• Aliasing (falešné barvy apod.)

Snížené rozlišení

Senzor z obrázku výše by byl inzerován jako ten, který dělá snímky o 64 pixelech. Přitom ale zachytí jen zhruba třetinu informací a zbytek dopočítá.

Uváděné rozlišení je tedy zavádějící. Pokud byste měli mít 30megapixelový stroj, ve skutečnosti si interně musí vystačit s buňkami odpovídajícími zhruba 10 megapixelů (i když šikovně rozmístěných).

Ztráta světla

Malinké barevné filtříky znamenají, že světlo, které dorazí na senzor, ale trefí pixel se špatnou barvou v Bayerově masce, bude zapomenuto. Senzor se o něm vůbec nedozví.

Uvádí se, že takto dojde ke ztrátě zhruba 50 % světla. Pokud bychom nalezli způsob, jak i tyto zahozené informace zpracovat, snížil by se šum a focení ve sporém osvětlení by bylo o něco snadnější.

Aliasing

Poslední problém je nejzáludnější. Bayerova maska pracuje s barvami skvěle na jednolitých barevných plochách – pravidelně kontroluje hodnoty červené, zelené a modré a když je dopočítá (interpoluje) i do chybějících míst, vznikne krásná plocha s plynulým barevným přechodem.

Tento princip ale selhává, pokud se v realitě setká s nějakou jemnou pravidelnou strukturou, ve které se rychle mění barvy. Typický příklad je oblečení s jemnými nitěmi, ze kterého na snímku vznikají buď úplně nové vzory nebo falešné barvy. Tomuto efektu se říká moiré.

Aliasing se mnohem pravděpodobněji objeví u lidských pravidelných struktur (tkané látky, vzdálené mrakodrapy) než například při focení krajiny.

Jak výrobci řeší aliasing

Problémy popsané výše na snímcích nevidíme ve velké míře. Je to proto, že výrobci už o těchto úskalích přemýšleli a typicky používají těsně před Bayerovou maskou sklíčko, které obraz lehce rozmaže. Tím se i jemné struktury dostanou na vedlejší pixely a jsou zaznamenány v celém barevném spektru. Tomuto sklíčku se říká low-pass filter a najdete ho ve většině fotoaparátů.

Nevýhoda je jasná: snímky by bez tohoto filtru mohly být ostřejší.

S postupným zvyšováním počtu megapixelů se problém aliasingu snižuje, takže se někteří výrobci rozhodli, že u některých modelů si uživatel bude moci zvolit, zda koupí variantu s filtrem nebo bez něj (respektive s dalším filtrem, který ten rozmazávací kompenzuje). Týká se to například Nikonu D800 a D800E (36 megapixelů, druhá varianta je bez filtru) nebo Canonu 5DS a 5DS R (50 megapixelů, druhá varianta je bez filtru).

Extrémnější přístup zvolila Leica s modelem M Monochrom, který nemá ani low-pass filtr, ani Bayerovu masku a fotí čistě černobíle. Odpadá tak nejen problém s falešnými barvami, ale také další potíže s Bayerovou maskou, tj. ztráta světla a rozlišení. Platíme samozřejmě nutností fotit jen monochromaticky.

Fujifilm se drží mírnějšího řešení. Low-pass filter nepoužívá a originální Bayerovu masku nahradil svým X-Trans filtrem. Ten má lehce přeházené jednotlivé barvy nad pixely, takže vytváří méně pravidelné struktury a tím nedochází k velkým barevným chybám.

Elegantní systém má Pentax, který používá senzor s Bayerovou maskou bez low-pass filtru. Ve chvíli, kdy má uživatel za to, že by rozmazávací filtr byl vhodný, přepne v menu přepínač a fotoaparát bude během focení využívat svůj stabilizační systém na to, aby lehce třásl se senzorem. Jde o otřesy o velikostech menších než jeden pixel, což přesně stačí na eliminaci aliasingu. Když je potřeba maximální ostrost, jde efekt zase vypnout.

Stále více se také rozmáhá možnost použít systém původně určený pro stabilizaci senzoru, aby se rychle za sebou vyfotilo několik snímků posunutých o přesně 1 pixel různými směry. Snímky se okamžitě zkombinují dohromady a získají se informace o všech barvách na každém pixelu. Někdy se podobným způsobem i zvyšuje rozlišení. Toto řešení hledejte pod názvem multi-shot.

Mnoho viditelných chyb aliasingu lze také vyřešit úpravami na počítači, ale je samozřejmě nepraktické a časově náročné spravovat mnoho podobně ovlivněných snímků.

Foveon

Existují i koncepčně jiné senzory, než je CMOS s Bayerovým filtrem. Příkladem je Foveon od firmy Sigma, který v každém pixelu snímá všechny barvy. Využívá principu, že různé frekvence světla pronikají při průchodu světlocitlivým křemíkem do různé hloubky. Každý pixel se skládá ze tří nad sebou poskládaných buněk s přesně vyladěnou tloušťkou každé z nich. Světlo prochází nejen do nich, ale i skrz ně. Do nejspodnější pronikne jen červené složka, prostřední vidí červenou a zelenou a nejvyšší buňka zachycuje všechny barvy včetně modré. Jednoduchou matematikou se dopočítá konkrétní hodnota jednotlivých barevných složek.

Tento systém ale zatím není jednoznačně lepší než běžně používané senzory. Přes lepší podání barevných detailů momentálně přináší vyšší šum a drobné barevné nepřesnosti.

I zde je důležité se dívat na rozlišení, protože výrobce, aby dosáhl na marketingová čísla od ostatních používajících Bayerův filtr, používá podobnou matematiku a násobí každý pixel třikrát. Ohlášený fotoaparát s 60 megapixely tak ve skutečnosti má „jen“ 20 milionů pixelů, kde každý obsahuje pod sebou tři buňky pro různé barvy.

Lytro

Jako kuriozitu přidávám aparáty firmy Lytro se senzorem, který v každém pixelu snímá nejen množství světla, ale i z jakého směru přišlo. Dokáže tak určovat hloubku a například zaostřit na libovolné místo až po vyfocení snímku.

Pro běžné uživatele byly vyrobeny postupně dva poměrně obskurní přístroje a poté se společnost přesunula do byznysu pro filmové profesionály, ale ani to se zcela nezdařilo a firma momentálně s vývojem dále nepokračuje.

Vše se zlepšuje

Popsali jsme si hlavní principy fotografických senzorů. Výrobci se však dále snaží a kromě samotného principu vylepšují také elektroniku skrytou za pixely. Jak tu, která získává data ze scény, tak další, která informace zpracovává. Proto se dostáváme ke stále lepším snímkům a ve spojení s výpočetní fotografií a výkonem schovaným v maličkých přístrojích se ještě máme nač těšit.