Jak to działa? - Aparat cyfrowy


  1. Aparat klasyczny a cyfrowy
  2. Aparat cyfrowy
  3. Matryca CCD
  4. Elementy "cyfrowe"


Aparat klasyczny a cyfrowy.

Porównując budowę cyfrowego i klasycznego aparatu fotograficznego, łatwo zauważyć, że podstawowa idea działania jest identyczna dla obu konstrukcji. Za powstawanie obrazu w odpowiada obiektyw będący soczewką lub zestawem soczewek. Skupia on światło na światłoczułym medium, z którego informacje o fotografowanym obrazie przekazywane są do dalszej obróbki. Zupełnie inaczej przebiega jednak proces zamiany fotografowanego obrazu na jego dwuwymiarowy odpowiednik.



Na pierwszy rzut oka trudno jest stwierdzić, które z tych aparatów są aparatami cyfrowymi, a które tradycyjnymi. Dopiero po bliższym przyjrzeniu się możemy je rozpoznać. Typowym elementem dla aparatów cyfrowych jest wyświetlacz LCD, aczkolwiek aparat Canon Rebel (po prawej stronie) również posiada z tyłu taki wyświetlacz, jednak nie można na nim podglądać obrazu.


 

W klasycznym aparacie obraz skupiany jest na błonie fotograficznej, która pokryta jest emulsją zawierającą w swoim składzie między innymi srebro. Od wielkości cząsteczek wchodzących w skład światłoczułej emulsji zależy rozdzielczość uzyskiwanych zdjęć. Zmniejszenie wielkości cząsteczek, w terminologii fotograficznej określanej mianem ziarna, co prawda poprawia rozdzielczość, ale zmniejsza czułość filmu. Najbardziej czułe błony fotograficzne, wykorzystywane np. w zdjęciach nocnych, charakteryzują się niską rozdzielczością. Z kolei filmy o wysokiej rozdzielczości stosowane są najczęściej do zdjęć przy pełnym oświetleniu. Czułość filmów określana jest w jednostkach ISO.


Integralną częścią klasycznych aparatów fotograficznych są przesłona i migawka. Zmieniając wartość przesłony i czasu otwarcia migawki fotograf jest w stanie kontrolować sposób naświetlenia filmu. Ich prawidłowe ustawienie ma również znaczenie przy definiowaniu głębi ostrości oraz efektu rozmycia fotografowanych ruchomych obiektów. Wydłużenie czasu naświetlania pozwala na wykonywanie zdjęć przy słabszym oświetleniu, ale jednocześnie powoduje, że bardziej zauważalne są poruszenia zarówno aparatu, jak i fotografowanej sceny.


Wewnątrz aparatu znajduje się prowadząca film maskownica. Określa ona położenie filmu za obiektywem oraz definiuje pełną wielkość kadru. Mechanizm transportu filmu ma duże znaczenie w procesie fotografowania. Od jego poprawnego działania zależy prawidłowe rozmieszczenie poszczególnych klatek.


Naświetlony w aparacie fim należy wywołać i utrwalić oraz, na koniec, przenieść jego treść na papier fotograficzny. Wszystkie procesy fizykochemiczne są współcześnie najczęściej realizowane przez wyspecjalizowane laboratoria. Bardzo poważną wadą klasycznej fotografii jest to, że do ostatniej chwili nie do końca wiadomo, jakie będą rezultaty sesji zdjęciowej.

 

Aparat cyfrowy.

Cyfrowy aparat fotograficzny działa dokładnie w taki sam sposób, ale zamiast błony filmowej na płaszczyźnie ogniskowej umieszczony jest specjalny układ elektroniczny zwany matrycą CCD. Dodatkową różnicą jest również to, że większość cyfrowych aparatów fotograficznych nie posiada tak naprawdę mechanicznego urządzenia spustu migawki. Zamiast tego wykorzystuje się rozwiązanie elektroniczne - matryca jest uaktywniana na ściśle określony czas, co odpowiada czasowi otwarcia migawki w aparacie tradycyjnym. Kiedy robisz zdjęcie aparatem cyfrowym, matryca CCD próbkuje światło docierające przez obiektyw i przetwarza je na sygnały elektryczne. Sygnały te są następnie wzmacniane i przesyłane do konwertera analogowo-cyfrowego, który nadaje im postać cyfr. Na końcu zabudowany w aparacie komputer przetwarza zgromadzone w ten sposób dane cyfrowe, które potem są zapisywane w pamięci jako nowy obraz.


Większość aparatów cyfrowych pracuje w sposób ciągły, tzn. przetwarza obraz na bieżąco. Przyciśnięcie spustu wyzwalającego aparat powoduje tylko zamianę trybu pracy z jałowego na czynny. Urządzenie reguluje wówczas parametry ekspozycji stosownie do charakteru aktualnie filmowanej sceny, dokonuje procesu digitalizacji obrazu i rezultat - zdjęcie - zapisuje w swojej pamięci wewnętrznej. Część aparatów interpretuje lekkie przyciśnięcie spustu migawki jako polecenie ustawienia ostrości. Większość urządzeń jasność reguluje w sposób elektroniczny, zdarzyć się jednak mogą sytuacje, gdy taka procedura nie wystarczy. Między innymi właśnie dlatego przesłona jest nadal obecna w konstrukcji znacznej części aparatów cyfrowych



Matryca CCD.

Element zwany matrycą CCD (ang. Charge Coupled Device) to serce niemal każdego aparatu cyfrowego. Matryca taka składa się z milionów komórek, w których padające światło powoduje generowanie ładunków elektrycznych. Płynący dzięki temu prąd dociera do specjalnych detektorów, na wyjściu których pojawia się napięcie odpowiadające liczbie wygenerowanych ładunków. Poziom napięcia poddawany jest z kolei konwersji analogowo-cyfrowej, w wyniku czego otrzymuje się liczby reprezentujące natężenie światła padającego na określone punkty elementu CCD.



Każdy piksel matrycy jest czuły na światło o bardzo szerokim zakresie - generowanie ładunków następuje nie tylko pod wypływem całego zakresu światła widzialnego, ale nawet w wyniku oświetlenia przetwornika podczerwienią niewidzialną dla człowieka. Aby aparat cyfrowy mógł uwieczniać obrazy kolorowe, potrzebny jest więc mechanizm pozwalający rejestrować oddzielnie światło o każdej z trzech barw podstawowych: czerwonej, zielonej i niebieskiej.



Funkcję tę pełni zestaw filtrów umieszczony na drodze światła przed matrycą CCD. Dzięki jego obecności na każdą komórkę światłoczułą pada wyłącznie światło o jednej z barw podstawowych, a pozostały zakres widma jest tłumiony. W danym punkcie przetwornik obrazu czuły jest więc tylko na jeden kolor, a natężenie dwóch pozostałych barw jest obliczane na podstawie interpolacji wartości odczytanych z sąsiednich komórek. Mówiąc inaczej, matryca CCD przypomina trójkolorową szachownicę, na której 1/3 wszystkich pól jest czuła na czerwień, 1/3 na błękit i 1/3 na kolor zielony.


Ostatnim elementem przetwornika obrazu jest zespół soczewek mających za zadanie skupianie padającego światła na powierzchni komórek. Dzięki temu minimalizuje się liczbę fotonów, które mogłyby się "zmarnować", padając na obszary pomiędzy pikselami czy ścieżki odprowadzające generowane ładunki do detektorów.


Choć matryce CCD obecnie królują wśród aparatów cyfrowych, ich miejsce w przyszłości zastąpią nowocześniejsze przetworniki wykonane w technologii CMOS. Elementy tego typu są czułe w każdym punkcie na wszystkie trzy barwy podstawowe, co poprawia jakość odwzorowania kolorów, a w dodatku charakteryzują się znacznie wyższą rozdzielczością. W chwili obecnej produkowane są np. profesjonalne lustrzanki typu CMOS, zawierające matryce o rozdzielczości 12-13 milionów pikseli, czyli ponaddwukrotnie wyższej od najlepszych przetworników CCD. Choć wytwarzanie tak skomplikowanych przetworników fotoelektrycznych sprawia jeszcze dużo problemów technologicznych i jest bardzo drogie, należy oczekiwać, że za kilka lat matryce takie montowane będą nawet w najtańszych aparatach cyfrowych.



Elementy "cyfrowe".

Podstawowym elementem, który już na pierwszy rzut oka odróżnia "cyfraki" od swoich poprzedników, jest wyświetlacz LCD. Dzięki niemu wykonanie poprawnego zdjęcia nie sprawia kłopotu nowym użytkownikom. Możliwość bieżącego śledzenia planu zdjęciowego oraz całego poprzednio przygotowanego i przechowywanego w aparacie materiału to duże ułatwienie w pracy. Podstawową wadą wyświetlaczy LCD jest niemożliwość ich eksploatacji przy temperaturach ujemnych oraz stosunkowo słaby kontrast w ostrym świetle słonecznym.


Najnowsze aparaty cyfrowe udostępniają możliwość umieszczania głosowego komentarza przy każdej wykonanej fotografii. Łatwo sobie wyobrazić sytuację, gdy przy dużej liczbie wykonywanych w szybkim tempie zdjęć konieczne jest opisywanie poszczególnych fotografowanych obiektów. Można to co prawda robić np. w notesie, ale połączenie komentarza bezpośrednio z opisywanym przezeń obrazem zmniejsza ryzyko wystąpienia pomyłek.


Ciekawą cechą aparatów cyfrowych jest możliwość tworzenia tzw. zdjęć panoramicznych, które umożliwiają ukazanie pełnego otoczenia z punktu widzenia fotografującego. Aby otrzymać taką fotografię, należy zainstalować aparat na statywie i wykonać serię zdjęć terenu, obracając za każdym razem urządzenie o ściśle określony kąt. Otrzymane dane pośrednie są następnie łączone ze sobą przez dostarczone z urządzeniem oprogramowanie graficzne. Najbardziej zaawansowane programy analizują otrzymane zdjęcia i automatycznie dopasowują do siebie ich zawartości.



Podobnie jak w aparatach tradycyjnych, aparaty cyfrowe oferują automatyczne sterowanie ekspozycją, tzn. kombinacją ustawień przesłony, czasu otwarcia migawki i parametru ISO, co decyduje nie tylko o otrzymaniu jaśniejszego lub ciemniejszego zdjęcia, ale także wpływa na to, które elementy obrazu są ostre, jakie jest nasycenie kolorów i jak dużo szczegółów zdjęcia ma być widocznych. W większości wypadków ustawienia automatyczne pozwalają wykonać bardzo dobre jakościowo zdjęcia, co byłoby kłopotliwe dla amatora używającego aparatu tradycyjnego. Dawniej wszystko w aparacie trzeba było ustawiać ręcznie a za każdą automatykę płacić grube pieniądze. Obecnie aby mieć możliwość ręcznego sterowania parametrami ekspozycji musimy kupić aparat cyfrowy bardziej zaawansowany czyli droższy.


Aparaty cyfrowe przechowują zarejestrowane zdjęcia na kartach pamięci typu flash. Są to małe kostki pamięci RAM, które nie wymagają stałego zasilania. Po wykonaniu zdjęcia można wyłączyć aparat bez obawy utraty zapisanych danych. Dzięki coraz większym pojemnościom tych kart możemy przechowywać na nich nawet tysiące zdjęć (w zależności od rozdzielczości zdjęć i pojemności karty). Niebagatelne znaczenie ma również fakt, iż nie trzeba jak w klasycznych aparatach, czekać aż ukończona zostanie cała rolka filmu.