SERIÁL
Nový seriál: Chip detailně a chronologicky popisuje komplexní procesy z oblasti IT technologií
Jak rychlý je digitální fotoaparát
Vy si jen musíte vybrat ten správný okamžik pro pořízení fotografie – a pak už je to všechno na fotoaparátu: jakmile stisknete spoušť, musí zvládnout spoustu úkolů. Chip vás provede cestou, kterou musí projít digitální fotografie – od stisku spouště až po uložení snímku na paměťovou kartu.
GUNNAR TROITSCH
Stačí stisknout tlačítko fotoaparátu, a snímek se uloží do nějaké "krabičky" – v podstatě je tomu tak, ale není to samozřejmě tak jednoduché a jde o poměrně složitý proces. Detailně vám nyní ukážeme, jak digitální fotoaparát funguje a co všechno po stisku spouště musí udělat. Na pomoc jsme si přizvali odborníky z vývojové laboratoře firmy Leica, výrobce fotoaparátů ze Solmsu nedaleko Wetzlaru (http://en.leica-camera.com). Pro popis činností jsme si vybrali fotoaparát Leica X1, který stojí asi 40 000 Kč. Jeho cena však není z hlediska pracovních procesů, které vám chceme chronologicky popsat, podstatná. Vysoká cena tohoto kompaktního fotoaparátu je v tomto případě dána především kvalitou použitých komponent a materiálů, kvalitou optiky a jeho zaměřením. Použité komponenty jsou totiž spíše z oblasti jednookých digitálních zrcadlovek. Navíc se tyto fotoaparáty částečně vyrábějí v Německu, takže jsou dražší než přístroje levně a masově vyráběné na Dálném východě, které běžně najdete na pultech obchodů s elektronikou. Fotoaparát Leica X1 v zásadě funguje stejným způsobem jako třeba přístroje Cyber-shot, Coolpix nebo Lumix.
Maximální kontrast znamená ostré okraje
Počáteční situace je klasická: fotograf zapne fotoaparát a prostřednictvím jeho displeje se dívá na fotografovaný objekt. Digitální fotoaparáty už většinou pracují v modu nazvaném obvykle "Live View" (živý náhled), kdy je mechanická závěrka otevřená a senzor permanentně snímá na něj dopadající světlo. V tomto režimu je clona částečně užitečná pro ovládání jasu. Vzhledem k tomu, že k živému náhledu na malém displeji stačí pouze "pár" pixelů, je jen každá třetí řádka obrazového senzoru v režimu čtení. Pak je také možné zobrazovat záběr náhledu s frekvencí 25 snímků za sekundu. Ze senzoru Leica X1, který má jinak vysoké rozlišení, se tak dostane snímek s rozlišením jen 4 megapixely – a ten je pak ještě zmenšen na velikost rozlišení displeje tohoto aparátu, které činí 230 000 bodů. Fotoaparát je nyní připraven k činnosti.
0,1 s
V prvních 100 milisekundách po stisknutí spouště se elektronika přepne z režimu "Live View" do režimu nazvaného "Window Scannig Mode", aby se snímek mohl správně zaostřit a správně se nastavil kontrast. V režimu Window Scannig Mode už je každá řádka obrazového senzoru v režimu snímání a může se tak přesně určit kontrast při automatickém zaostření. Fotoaparát může tímto způsobem kontrolovat až jedenáct zaměřovacích bodů.
Nastavené vyšší rozlišení obrazu se používá nejen proto, aby měl fotograf ze snímku lepší dojem, ale i proto, aby se správně nastavila ohnisková vzdálenost. Další odstavec vysvětluje, jak to přesně funguje
0,35 s
Měření kontrastu nyní probíhá jako na běžícím pásu. V tu samou dobu se dá také do pohybu optika. Hýbe se, dokud není dosaženo maximální naměřené hodnoty v ostřicím bodu, aby bylo dosaženo co nejvyššího kontrastu. Maximální kontrast zajistí ostré okraje. Optika se zastaví. Uváděných 350 milisekund na tuto činnost je pouze průměrná hodnota. Pokud je cesta, kterou musí optika urazit, kratší, celý proces může trvat jen 150 milisekund. Na druhou stranu Leice X1 může v případě, že toho musí optika urazit víc, zaostření trvat až 400 milisekund.
0,45 s
Je-li ohnisková vzdálenost nastavena správně, přepne se elektronika zpět do režimu Live View, aby bylo ještě možné provést měření expozice a nastavení vyvážení bílé barvy.
0,5 s
Hodnota optimálního expozičního času a automatické nastavení vyvážení bílé se určí jen z čtyřmegapixelového obrázku. Nižší rozlišení tohoto snímku zrychlí výpočet, takže celý tento proces trvá pouze 50 milisekund.
0,6 s
V následujících 100 milisekundách se současně uskuteční mnoho činností. Opět se přepne nahrávací mod z LiveView na plné rozlišení, jaké bude mít i výsledný snímek. V tu samou chvíli se také zavře mechanická závěrka. Clona se nastaví do pracovní polohy pro konkrétní snímek. Na obrazový senzor nyní nedopadá světlo (je ve tmě) a ten je připraven pořídit výsledný snímek.
0,63 s
Otevření a zavření mechanické závěrky závisí na nastaveném, případně na automaticky určeném expozičním čase. V době otevření závěrky dopadne na optický senzor světlo (které projde optickou částí fotoaparátu) a ten ho absorbuje. V ukázce předpokládejme, že nastavený expoziční čas byl 30 milisekund. To zhruba odpovídá času závěrky 1/30 sekundy, což je hodnota vhodná při fotografování za denního světla a pokud chcete trochu "živější" fotografii s mírným rozostřením. Dopadající světlo je absorbováno 12 200 832 světlocitlivými buňkami CMOS senzoru a je následně převedeno senzorem do digitální podoby.
Většina standardních CMOS a CCD obrazových snímačů, které jsou obvykle u digitálních fotoaparátů použity, používá strukturu barevných filtrů podobnou šachovnici. Používá se speciální barevná mřížka, známá pod označením Bayer Pattern (BP). V mřížce se střídají červeno-zelené a zeleno-modré barevné kombinace filtrů. Polovina filtrů v tomto modelu je zelených, neboť lidské oko je nejvíce citlivé právě na tuto barvu. Šum je pak nižší. Každý individuální senzor tedy přijímá určité hodnoty jasu pomocí tohoto barevného filtru.
Snímek je už nyní pořízen. Všechny ostatní procesy související se snímkem už probíhají bez vlivu okolního prostředí, jen uvnitř fotoaparátu. Hodnota 630 milisekund, tj. 0,63 sekundy, je pak hodnota zpoždění spouště při vybraném nastavení.
0,82 s
Přestože "čtení" je v případě CMOS senzoru rychlejší než u běžně používaných CCD optických senzorů, potřebuje fotoaparát Leica pro dokončení tohoto procesu 190 milisekund. Jak už bylo zmíněno, v tomto procesu se převede jas do digitálních hodnot, které je potřeba v dalších krocích ještě dále zpracovat, aby vznikl výsledný obraz. Některé fotoaparáty nabízí možnost vybrat si formát hotového snímku. Využívají toho především profesionální fotografové, kteří pak mohou následující dva kroky přeskočit. Také aparát Leica X1 může ukládat data v "surovém" formátu RAW namísto formátu JPG, popřípadě umí ukládat v obou najednou. Leica podporuje formát DNG (Adobe Digital Negative) – z těchto dat je možné později "vyvolat" snímek pomocí speciálních fotografických nástrojů.
0,96 s
Posuňme se dále ve standardním postupu. Zpracování obrazu, jehož výsledkem je brilantní fotografie sestavená z 12 milionů bodů, trvá pouhých 140 milisekund a skládá se z následujících kroků: filtrování šumu, vyvážení bílé, barevné interpolace a korekce barev, nastavení ostrosti, kontrastu, gama-korekce a v konečné fázi i konverze z barevného prostoru fotoaparátu (RGB) do barevného prostoru YCC. Nejdůležitější z těchto fází je barevná interpolace, kdy je každý bod obrázku kromě svých vlastních naměřených barevných komponent ovlivněn i průměrnými hodnotami barevných složek (červená, zelená nebo modrá) přilehlých bodů. Teprve potom je barevný obraz skutečně hotový. Kvalita snímku je pak ještě vylepšena zaostřením a působením filtrů. Rozhodujícím faktorem pro uložení velkého objemu dat je úprava barevného prostoru: YCC barevný prostor (jas a barevné složky jsou přenášeny samostatně) totiž následně umožňuje poměrně silnou kompresi informací o barvě. Je to praktické, protože lidské oko je méně citlivé na výkyvy v baveném podání než na změny jasu. Kompletní zpracování obrazu se provádí na celém snímku dodaném optickým senzorem. Varianta v nízkém rozlišení pro "Design-rule-for-CameraFile-Thumbnail" (JPEG náhled) pro zobrazení na displeji se spočítá z výsledného obrázku až na konci zpracování.
1,02 s
Procesor fotoaparátu Leica X1 potřebuje pro komprimaci celého snímku do formátu JPEG asi 60 milisekund. Při kompresi se kontrolují sousední body, ale také se vynechávají barevné složky, které už lidské oko není schopné rozlišit.
Komprese snímku trvá asi 60 milisekund
Obrázek je v první fázi zpracováván po blocích pomocí transformace nazvané DCT (Discrete Cosinus Transformation – diskrétní kosinové transformace), využívající při komprimaci obrázku popisu formou sinusových funkcí – oddělí se vysokoa nízkofrekvenční informace. V druhé fázi jsou pak barevné složky uloženy (jak už bylo popsáno dříve) jako hodnoty jasu s menší přesností. Ve finále je ještě na obrazová data použito Huffmanovo kódování (algoritmus využívaný pro bezeztrátovou kompresi dat, který je založen na četnosti výskytu hodnot), aby se dosáhlo zmenšení velikosti výsledného souboru. Vzhledem k tomu, že fotoaparát má velice kvalitní procesor, ztráta obrazových informací je jen mírná, ale velikost souboru se přitom zredukuje asi na jednu třetinu.
1,03 s
Leica X1 v této chvíli vytvoří skutečný soubor. Kompletní obrazová data jsou ještě doplněna jakousi hlavičkou nazvanou "EXIF data", která kromě základních informací o souboru (formát, velikost, datum vytvoření, datum změny) obsahuje i další informace. Proto musí fotoaparát rychle shromáždit ke snímku všechny potřebné hodnoty, jako je datum, čas, ohnisková vzdálenost, doba expozice, nastavení clony i ISO hodnoty. Tato dokumentace je pak společně s náhledem snímku zkopírována do EXIF bloku výsledného souboru (JPEG nebo DNG).
1,22 s
Ve finále pak elektronika přesune hotový soubor se snímkem z dočasné paměti na paměťovou flash kartu. To zabere více či méně než předpokládaných 190 milisekund – přesný čas záleží na kvalitě paměťového média. Pokud se fotograf rozhodne uložit záznam ve formátu DNG, trvá to samozřejmě déle, protože objem dat je pak více než trojnásobný (cca 18 MB, místo asi 4,5 MB). V našem případě trval celý proces až do uložení souboru 1,22 sekundy.
AUTOR@CHIP.CZ
Digitální fotografie: Moderní technologie
Těžko najdete jinou technologii, která by se tak rychle stala natolik populární (během několika let). Za začátek digitální fotografie v Evropě je možné považovat rok 1994 a výstavu Photokina, kdy se tento veletrh určený výrobcům fotoaparátů a fotografům konal pod heslem "Plně digitální". V té době však byly digitální fotoaparáty drahými zařízeními pro profesionální studia – v současné době už na film nefotografují ani amatérští fotografové. Výhody digitálních fotoaparátů jsou evidentní: ukládají snímky ekonomicky a v neomezeném počtu prostřednictvím opakovaně použitelných paměťových karet. Dokonce i běžná barevná tiskárna dnes zvládne vytisknout snímek v dostatečné kvalitě. Použití digitálních fotoaparátů, i když jsou nabité moderními technologiemi, je přitom velmi jednoduché. Inteligentní software pomáhá i nezkušeným fotografům pořídit velmi pěkné snímky. Prozkoumejte s námi vnitřek fotoaparátu a zjistěte, jak snímek vzniká.
0,63s
ZPOŽDĚNÍ ZÁVĚRKY
Digitální fotoaparát provede během doby po otevření závěrky (obrázek), jejím zavření a zhotovení fotografie šest důležitých pracovních kroků. Obraz je již pořízen a ke zhotovení konečné fotografie není daleko.
0,82s
CMOS SENZOR
Leica X1 využívá CMOS senzor. Co se týká času zpracování, je výhodnější než CCD snímač, protože konverze z analogové podoby do digitální si provede sám.
0,96s
ZPRACOVÁNÍ OBRAZU
Fotoaparát interpoluje chybějící hodnoty barev z množství hodnot jasu a vytvoří tak brilantní snímek.
1,02s
JPEG ARTEFAKTY
To není problém vysoce výkonného fotoaparátu Leica, ale nepříjemnost levných, pomalých fotoaparátů: komprese je už příliš velká a ztratí se tak množství obrazových informací, což už pozornosti neunikne.
1,22s
PAMĚŤOVÁ MÉDIA
U paměťových flash karet není většinou podstatná rychlost jejich čtení. Zejména u digitálních fotoaparátů je totiž důležitá především maximální zápisová rychlost. U moderních karet dosahuje tato rychlost více než 30 MB/s.
Výhoda "surových dat" v praxi
Jakmile je snímek jednou zachycen, jeho vlastnosti už v aparátu (až na výjimky) měnit nemůžete. Surový formát uložené fotografie ale nabízí množství možností pozdějších úprav doma na počítači – můžete následně upravit vyvážení bílé, barevnou interpolaci a jiné vlastnosti. Zde vám vysvětlíme výhody ukládání ve formátu RAW.
NA POČÍTAČI JSOU LEPŠÍ NÁSTROJE
fotoaparátu výkonné, počítač má větší výpočetní výkon, a tak může použít složitější a dokonalejší algoritmy pro úpravu obrázků. To přináší možnost vytvořit výsledný snímek s menším šumem a lepší barevnou interpolací i možnost dalších změn a odstranění chyb, jako je chromatická aberace, vinětce a zkreslení.
Své výhody má i možnost dodatečného nastavení vyvážení bílé. To ještě není u surových dat stanovené a uživatel má v tomto směru úplnou volnost a může nastavit teplotu barev podle světelných podmínek.
VÝSLEDKY PODOBNÉ HDR
JPEG soubory mají většinou barevnou hloubku 8 bitů (256 stupňů na barvu). Fotoaparáty jsou vybaveny A/D převodníkem s barevnou hloubkou 12, nebo dokonce 14 bitů a RAW na rozdíl od JPEG umožňuje zaznamenat 16×, či dokonce 64× jemnější škálu barev (4 096–16 383 stupňů). K dispozici jsou i kompletní informace o obrazovém senzoru, které se mohou při zpracování využít, a uložená fotografie má pak mnohem lepší kvalitu.
Tipy pro rychlejší pořízení snímku
I když se vám zdá, že vašemu fotoaparátu trvá příliš dlouho, než pořídí snímek, nemusíte hned kupovat jiný, rychlejší model. Nejdříve vyzkoušejte následující tipy.
SCÉNICKÉ REŽIMY
Dokonce i ty nejlevnější digitální fotoaparáty nabízí různé přednastavené scénické režimy pro fotografování standardních situací. Většinou jde o režimy jako portrét, krajina, sport, pláž, noční snímek, makro a další. Za těmito scénickými režimy stojí obvykle nastavení ohniskové vzdálenosti, expozičního času, clony anebo vyvážení bílé. Pokud některý s těchto režimů vyberete, některá nastavení jsou tak již dána a fotoaparát může jeden nebo více kroků vynechat. Rychlost pořízení snímku se tak zvyšuje a přitom dopředu vybraný program nijak nesnižuje uživatelský komfort.
MANUÁLNÍ NASTAVENÍ
Další možností, jak zvýšit rychlost přístroje, je vypnout automatiku a zvolit manuální nastavení. Zvládnete to i se základními znalostmi nastavení clony a expozičního času. Samozřejmě trocha praxe (než se pustíte do fotografování důležitých událostí) v tomto případě rozhodně neublíží. Pomohou i osvědčená pravidla, jako je například to, že za slunečného počasí je nejlepší nastavit clonu 8, a také rady a tipy na komunitních webových fórech.
PŘEDOSTŘENÍ
Pokud vám nevadí vzdát se pohodlí plně automatického režimu, můžete před vlastním pořízením stisknout spoušť jen do poloviny, předostřit si a ve správném okamžiku spoušť domáčknout. Při použití této metody ušetřila Leica 350 milisekund, takže se její zpoždění zkrátilo na polovinu.
Foto: Snímek rychleji: Výběrem scénického režimu ušetříte fotoaparátu čas pro nastavování.