Seria artykułów: ABC Fotografii cyfrowej

cz. 1

ABC fotografii cyfrowej cz. 1 - balans bieli Dzisiaj rozpoczynamy nowy cykl poradnikowy na
stronach Fotopolis.pl. Seria artykułów ABC Fotografii cyfrowej przeznaczona będzie dla
początkujących użytkowników aparatów cyfrowych, którzy chcą poznać i efektywnie
użytkować ich najważniejsze funkcje. W pierwszej części cyklu wyjaśnimy czym jest i jak
działa funkcja balansu bieli w aparatach cyfrowych.

Balans bieli, to jedno z najtrudniejszych pojęć w fotografii cyfrowej. Człowiek, a raczej oko
ludzkie, widzi dowolny kolor, np. żółty jako żółty, niezależnie od tego czy ogląda go w świetle
słabej żarówki czy w słoneczny dzień. Aparat fotograficzny nie ma takiej zdolności adaptacji do
rodzaju oświetlenia i rejestruje kolory zależnie od natężenia i koloru światła padającego na
fotografowane obiekty. Konstruktorom aparatów zależy na tym, by odtwarzane kolory były jak
najbardziej zbliżone do tego, co widzi człowiek - by wyglądały na zdjęciu naturalnie. I tu wkracza
funkcja

Balans bieli

(zwany także równoważeniem bieli).

Aparat fotograficzny, a raczej jego oprogramowanie, musi zostać "poinformowane" o tym, jaki jest
kolor i jasność światła padającego na fotografowaną scenę. Od tego bowiem zależą kolory i
jasności uzyskane na zdjęciu. Tymczasem aparat fotograficzny cyfrowy (analogowy także) mierzy i
analizuje jedynie światło odbite od fotografowanych przedmiotów, które wpada do niego przez
obiektyw. Analiza tego światła wpadającego do aparatu musi dać informacje o tym jakie jest
natężenie światła padającego na obiekty fotografowane.

różne źródła światła dają na zdjęciu różne kolory

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

1

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Każdy aparat cyfrowy, od najprostszego po najbardziej zaawansowany ma opcję AWB, co jest
skrótem od Auto White Balans, czyli automatyczne ustawianie balansu bieli. Ustawienie balansu
bieli na AWB (auto) pozwala na robienie zdjęć w szybko zmieniających się warunkach oświetlenia.
Dla początkującego fotoamatora to powinno wystarczyć, ale jeżeli chcemy robić zdjęcia lepsze niż
przeciętne, to trzeba dobrze postudiować zagadnienie balansu bieli.

Automatyczny balans bieli
Włączamy aparat, kierujemy go w stronę obiektów, które chcemy fotografować i naciskamy spust
migawki. Każdy użytkownik aparatów cyfrowych wie, że moment wykonania zdjęcia jest
opóźniony w stosunku do momentu naciśnięcia spustu migawki. Coraz nowsze i lepsze aparaty
mają to opóźnienie coraz mniejsze. Dlatego, że posiadają coraz szybciej działające procesory
obliczające i ustawiające parametry dla wykonania zdjęcia. Jednak opóźnienie występuje i jest nie
do uniknięcia. To opóźnienie to czas potrzebny procesorowi na ustawienie, między innymi,
właściwego balansu bieli, czyli na określenie rodzaju i jasności światła oświetlającego scenę
widzianą przez aparat.

Procedura tego ustawiania balansu bieli w typowych aparatach kompaktowych jest następująca. Na
matrycy rejestrowany jest obraz, który ma być za chwilę zapisany jako zdjęcie. Odpowiedni
program (analogiczny do komputerowego) zapisany w pamięci procesora aparatu analizuje ten
obraz. Wyszukuje najjaśniejszy obszar i uznaje, że jest to odwzorowanie obiektu białego. Na tej
podstawie program wylicza kolor i intensywność światła padającego na fotografowaną scenę. Ta
informacja zostanie potem wykorzystana do odtworzenia kolorów wszystkich obiektów, które
zostaną zarejestrowane na matrycy aparatu. Niestety, w niektórych sytuacjach, ustawienie
automatycznego balansu bieli może zawieść. Dlatego producenci przewidzieli możliwość ręcznego
ustawienia balansu bieli przez fotografa.

W lustrzankach cyfrowych ustawianie automatycznego balansu bieli odbywa się na podobnej
zasadzie, jednak znacznie szybciej niż w aparatach kompaktowych - cały proces praktycznie nie
opóźnia wykonania zdjęcia. Dzieje się tak dlatego, że konstrukcja aparatu lustrzankowego pozwala
na pomiar balansu bieli za pomocą dodatkowego układu światłoczułego, innego niż zasadnicza
matryca aparatu służąca do rejestracji zdjęć.

Ustawienia własne balansu bieli
Każdy, nawet najprostszy, aparat cyfrowy daje użytkownikowi możliwość "informowania" aparatu
o kolorze i jasności światła padającego na fotografowane obiekty. W tanich kompaktach mamy do
wyboru kilka podstawowych rodzajów oświetlenia. Zależnie od producenta aparatu mogą się one
różnie nazywać ale zazwyczaj są to:

•

światło słoneczne,

•

dzień pochmurny,

•

żarówka,

•

lampa jarzeniowa,

•

lampa błyskowa.

Ustawienie w aparacie którejś z tych opcji oznacza wprowadzenie do oprogramowania aparatu
informacji, jaki rodzaj światła pada na fotografowaną scenę. Informacja ta jest wykorzystana przez
procesor aparatu w trakcie przetwarzania obrazu zarejestrowanego na matrycy w kolorowy obraz
przeznaczony do oglądania na monitorze i do zapisania na karcie pamięci.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

2

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

przycisk WB (white balance) na korpusie cyfrowej lustrzanki Nikon D200 umożliwia szybki wybór

trybu balansu bieli, jednak większość aparatów kompaktowych wymaga skorzystania w tym celu z

menu

Najważniejszym elementem tego przetwarzania jest odtwarzanie kolorów, zwane
demozaikowaniem. Dla realizacji tego etapu konieczna jest informacja o rodzaju oświetlenia w
którym wykonano zdjęcie. Złe ustawienie opcji Balans bieli/White Balance może dać w efekcie
zdjęcie o całkowicie nienaturalnych kolorach - innych niż rejestrowana scena miała w
rzeczywistości widziana ludzkim okiem.

Dla ilustracji wpływu ustawienia balansu bieli na odtwarzane kolory prezentujemy 4 zdjęcia
klocków DUPLO. Wszystkie zrobione w lekko pochmurny, listopadowy dzień, około godziny 15.
Pod każdym z nich podane jest zastosowane ustawienie balansu bieli. Na zdjęciu nie ma żadnego
obszaru białego lub szarego, stąd ustawienie auto nie zdołało zapewnić poprawnego odwzorowania
kolorów. Najpoprawniej, wg oceny autora, kolory zostały odwzorowane przy ustawieniu dzień
pochmurny, czyli zgodnie z faktycznym oświetleniem.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

3

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

auto

światło słoneczne

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

4

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

dzień pochmurny

żarówka

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

5

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Nieco bardziej zaawansowane ustawianie balansu bieli to ustawianie według wzorca.

Balans bieli według wzorca
Kompaktowe aparaty cyfrowe średniej klasy mają opcję ustawiania balansu bieli zwaną według
wzorca. W warunkach, w których ma zostać wykonane zdjęcie, podstawiamy przed obiektyw
przedmiot, którego kolor uznajemy za biały (lub neutralnie szary) i naciskamy odpowiedni przycisk
aparatu (albo przechodzimy procedurę opisaną w instrukcji obsługi aparatu.) Kolor podstawionego
przedmiotu zostanie zarejestrowany przez aparat jako biały (lub neutralny) a wszystkie inne kolory
pojawiające się przed obiektywem w trakcie fotografowania będą oceniane w stosunku do tego
uznanego, z woli fotografa, wzorca. Ta opcja balansu bieli pozwala także na uzyskiwanie różnych
efektów kolorystycznych. Możemy bowiem jako wzorzec koloru białego podsunąć kartkę
dowolnego koloru, co może dać na zdjęciu kolory zupełnie różne od rzeczywistych kolorów
fotografowanych przedmiotów. W ten sposób można uzyskiwać ciekawe efekty kolorystyczne na
zdjęciach.

Fotograficzny aparat cyfrowy ma tę zaletę, że robienie nim dziesiątek, czy setek zdjęć
doświadczalnych nic nas nie kosztuje, poza czasem i ewentualnym miejscem na dysku komputera.
Możemy więc do woli eksperymentować z wszystkimi jego parametrami.

Różnorodność oświetlenia, z jakim możemy spotkać się na co dzień, jest jednak tak duża, że
opisane dotychczas metody "cechowania" kolorów mogą nie wystarczyć zaawansowanemu
fotografowi. Dlatego cyfrowe aparaty fotograficzne wysokiej klasy mają opcję ustawiania
temperatury źródła światła, które oświetla fotografowaną scenę.

Temperatura źródła światła
Każdy może wykonać w domu bardzo proste ale pouczające doświadczenie ilustrujące pojęcie
temperatury źródła światła. Wieczorem, przy zgaszonym świetle, nad palnikiem gazowym
przytrzymujemy odpowiednio długi (aby się nie oparzyć) i dość gruby drut żelazny. Co jakiś czas
wyjmujemy go znad płomienia i oceniamy jego kolor.

Początkowo jest ciemno czerwony, po trochę dłuższym ogrzewaniu jest już jasno czerwony, a
jeżeli potrzymamy jeszcze dłużej zaczyna świecić białym kolorem. Wiemy, że im dłużej grzejemy,
tym wyższą temperaturę ma nasz drut. Oczywiście do pewnej granicy, czyli do temperatury
płomienia, w którym go ogrzewamy.

Wniosek z tego doświadczenia jest prosty. Temperatura źródła światła określa kolor emitowanego
światła. Temperaturę w tym przypadku mierzymy w skali Kelvina. Skala Kelvina to skala
temperatur, w której zero na skali Celsjusza (zamarzanie wody) odpowiada 273,15 K. Jednostką
jest kelvin (nie mówimy stopień Kelvina, tylko kelvin) i jest on równy stopniowi Celsjusza. Mamy
więc jedynie przesunięcie wszystkich wartości o te 273,15 jednostek, co nie ma specjalnego
znaczenia dla naszych rozważań.

Pomijając teoretyczne uzasadnienia, nieistotne dla fotografa, poszczególnym źródłom światła
występującym w przyrodzie przypisane są następujące temperatury.

Źródło oświetlenia

Temperatura

Świeca

1000 K do 1500 K

Światło o wschodzie/zachodzie słońca

2000 K do 3000 K

Żarówka (100 W do 200 W)

2500 K do 2900 K

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

6

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Światło w słoneczny dzień

5000 K do 6000 K

Światło słoneczne w bezchmurny dzień

6000 K do 7500 K

Światło słoneczne w bezchmurny dzień, w górach 10000 K do 12000 K

Błyskawica

15000 K do 22000 K

przykład różnych barw światła - czerwonawe zabarwienie światła świecy i niebieskie światło

dzienne w głębi

Liczby podane w tabeli są przybliżonymi wartościami. W praktyce fotograficznej ustawiamy kolor
źródła światła taki, by obraz oglądany na monitorze wyglądał jak najbardziej naturalnie, co
oczywiście jest pojęciem subiektywnym. Możliwość ustawienia temperatury koloru światła
padającego na fotografowane obiekty stwarza zaawansowanemu fotoamatorowi ogromne pole do
popisu, jeżeli chodzi o kompozycję kolorów zdjęcia.

Balans bieli dla plików RAW
Warto podkreślić, że korekta zdjęcia zależna od ustawienia balansu bieli dokonywana jest na etapie
obróbki danych zarejestrowanych bezpośrednio z matrycy. Czyli surowe pliki RAW nie mają
zapisanego balansu bieli. Niestety, większość aparatów kompaktowych nie ma możliwości zapisu
pliku RAW, a zapisuje jedynie plik po wszelkich korektach dokonanych przez oprogramowanie
aparatu w formacie JPEG. Do pliku zapisanego jako JPEG lub TIFF nie można już wprowadzić
innego balansu bieli, niż był ustawiony w aparacie.

Jeżeli jednak aparat pozwala na zapisywanie plików RAW, to umożliwia to wielokrotne
powtarzanie odtwarzania kolorów - już poza aparatem z różnymi ustawieniami balansu bieli. To tak
jak byśmy mieli możliwość wielokrotnego wywoływania filmu (z aparatu analogowego) za każdym

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

7

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

razem w innych warunkach czy innym wywoływaczem.

W przyszłym tygodniu, w drugiej części naszego cyklu opiszemy systemy stabilizacji drgań w
aparatach cyfrowych.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza. autor:

Roman Goc

źródło:

cz. 2

ABC fotografii cyfrowej cz. 2 - stabilizacja drgań aparatu Stabilizacja drgań to coraz
popularniejsza funkcja w aparatach cyfrowych. Dzięki niej można wykonywać nieporuszone
zdjęcia nawet w słabych warunkach oświetleniowych. W kolejnym odcinku cyklu ABC
fotografii cyfrowej opisujemy jak działają różne rodzaje stabilizacji drgań aparatu.

Rodzaje stabilizacji drgań aparatu

Terminy stabilizacja i kompensacja drgań używane są naprzemiennie, choć tak naprawdę
stabilizacja to mechanizm nie dopuszczający do drgań a kompensacja to minimalizowanie efektu
drgań, które występują. W literaturze dotyczącej amatorskich aparatów cyfrowych powszechnie
stosowany jest termin stabilizacja drgań i dla unikania zamętu będziemy też go używać.

Wszelkiego rodzaju drgania aparatu fotograficznego podczas wykonywania zdjęcia mogą
powodować pogorszenie ostrości zarejestrowanego obrazu. Najczęściej za te drgania
odpowiedzialni jesteśmy my sami trzymając aparat w rękach. Producenci aparatów fotograficznych
i kamer filmowych od lat opracowują i stosują różne metody stabilizacji drgań. Niektóre z takich
urządzeń są większe i cięższe od samego aparatu, czy kamery filmowej. Takie "monstra" są
głównie stosowane w samolotach dla wykonywania zdjęć z powietrza, czy w specjalnych
samochodach z których filmuje się dzikie zwierzęta w parkach narodowych.

przykład działania stabilizacji obrazu - różnica w jakości obrazu jest oczywista (źródło: Sony)

Jednak w tym artykule opiszemy zasady działania systemów stabilizacji drgań stosowanych w
cyfrowych aparatach fotograficznych, przeznaczonych dla powszechnego użytku. W aparatach tej
klasy stosuje się cztery metody stabilizacji drgań. Podstawowym elementem trzech z nich jest
urządzenie, które wykrywa i rejestruje drgania aparatu. Nie wnikając w szczegóły konstrukcyjne,
takie czujniki ruchu potrafią rejestrować drgania aparatu o częstotliwościach do 20 a nawet 40
tysięcy drgań na sekundę.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

8

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

1. Stabilizacja położenia matrycy
W aparacie zamontowany jest czujnik drgań, który wykrywa i przekazuje do procesora wielkości i
kierunki wychylania się aparatu. Matryca aparatu jest tak zamontowana, że odpowiedni mechanizm
elektromagnetyczny może ją przesuwać w pionie i w poziomie. Idea działania tego systemu jest
następująca.

Jeżeli na skutek drgnięcia ręki aparat zmienił położenie, to czujnik ruchu zarejestrował tę zmianę i
przekazał informację o niej do procesora. Program zapisany w pamięci aparatu analizuje to
przesunięcie (jego kierunek i wielkość) i przekazuje odpowiedni sygnał elektryczny do
mechanizmu poruszającego matrycę. Sygnał ten jest tak dobrany, by przesunął matrycę o taką
odległość o jaką przesunął się aparat, tylko w przeciwnym kierunku. Innymi słowy, aparat
przesuwa się w jednym kierunku a matryca w przeciwnym, tak, by obraz padający na nią przez
obiektyw był zawsze w tym samym miejscu.

schemat aparatu Pentax K100D - matryca zamontowana jest na specjalnym układzie

umożliwiającym jej ruch, a tym samym kompensację drgań aparatu

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

9

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

konstrukcja mocowania matrycy w modelu Pentax K10D

Ten typ stabilizacji drgań jest stosowany głównie w lustrzankach z wymiennymi obiektywami i
uważany jest za najdoskonalszy w klasie aparatów amatorskich. Po raz pierwszy na masową skalę
system ten zastosowała w swoich aparatach (kompaktowych i lustrzankach) firma Minolta, która
następnie została przejęta przez koncern Sony i obecnie system stabilizacji matrycy znajdziemy w
lustrzance Sony α A100. Stabilizację matrycy stosuje również firma Pentax w wybranych modelach
swoich lustrzanek cyfrowych (K100D i K10D).

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

10

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

przekrój modelu Sony A100 - w tylnej części widać skomplikowany układ przesuwający matrycę

2. Stabilizacja optyczna
Czujnik drgań wykrywa drgania aparatu. Elementem kompensującym te drgania jest dodatkowa
soczewka (lub układ soczewek) wbudowana w obiektyw. Położenie tej soczewki, sterowane
sygnałami z procesora, zmienia się zależnie od kierunku i wielkości drgań aparatu. Zmiana tego
położenia jest tak dobierana przez układ stabilizacji, że promień wpadający przez obiektyw trafia w
ten sam punkt matrycy, niezależnie od drgań aparatu. Do pewnej granicy wielkości drgań daje to
nieruchomy względem matrycy obraz, a więc zapobiega nieostrości wywoływanej małymi ruchami
aparatu. System ten jest nieco gorszy od systemu stabilizacji matrycy, gdyż ruchome soczewki w
obiektywie pogarszają nieco jakość obrazu. W przypadku lustrzanek, działa tylko w obiektywach
skonstruowanych specjalnie dla tego typu stabilizacji drgań. Spośród dużych producentów optyki
obiektywy z wbudowaną stabilizacją drgań oferuje Nikon (obiektywy oznaczone VR) i Canon
(obiektywy IS).

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

11

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

schemat stabilizacji optycznej o obiektywie modelu Sony Cyber-shot T30 (źródło: Sony

3. Stabilizacja elektroniczna I
Czujnik drgań wykrywa przesunięcia aparatu. Wielkości i kierunki drgań zapisywane są w pamięci
procesora. Po wykonaniu zdjęcia, odpowiedni program oparty na bardzo skomplikowanym
algorytmie (czyli przepisie obliczeń) dokonuje korekcji zarejestrowanego na matrycy zdjęcia.
Korekcja odbywa się w oparciu o informacje jakie ruchy wykonał aparat w trakcie naświetlania
zdjęcia. Pozwala to zmniejszyć rozmycie obrazu będące wynikiem drgań aparatu. System ten jest
znacznie tańszy od poprzednich ale też mniej doskonały.

Aby zwiększyć jego skuteczność, często do zapisu obrazu używana jest mniejsza, środkowa
powierzchnia matrycy światłoczułej. Pozostała część wykorzystywana jest do zapisu tej części
zdjęcia, która na skutek drgań aparatu normalnie znalazłaby się poza kadrem. Jednak
wykorzystanie tylko części matrycy wiąże się ze zmniejszeniem rozdzielczości zdjęcia, czyli
spadkiem jego jakości. Dlatego też, producenci matryc pracują nad specjalnymi matrycami od razu
wyposażonymi w dodatkowy obszar wykorzystywany przy kompensacji przesunięć aparatu na
skutek drgań. Więcej na temat tego systemu piszemy w rozdziale Stabilizacja drgań w trakcie
filmowania, który znajduje się dalej w tym artykule.

4. Stabilizacja elektroniczna II
Jest to system korekcji nieostrości bez zastosowania czujnika drgań. Zarejestrowany na matrycy
obraz jest analizowany bardzo skomplikowanym programem, który potrafi identyfikować rozmycia
obrazu wywołane drganiami aparatu a kolejne funkcje tego programu potrafią te rozmycia
"wyostrzać". Z punktu widzenia konstrukcji jest to system najtańszy ale i najbardziej zawodny.
Wszystko zależy od jakości zastosowanych programów a siłą rzeczy, w aparacie nie można mieć
potężnych programów zajmujących setki megabajtów. A gdyby nawet je umieścić, to korekcja
nieostrości trwała by kilka do kilkunastu sekund. Ponieważ i tak nie dało by to kompensacji drgań
tak dobrej, jak w metodach poprzednio opisanych, tę metodę stabilizacji drgań stosuje się w tanich
kompaktach. Jest to w końcu lepsze niż zupełny brak stabilizacji.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

12

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Również w tym wypadku konstruktorzy pracują nad poprawieniem systemów elektronicznych.
Jedną metod jest natychmiastowe wykonanie drugiego zdjęcia. Dzięki temu programy analizując
przesunięcie obrazu na dwóch ujęciach mają większą możliwość ustalenia właściwego wyglądu
zdjęcia. Taki system używany jest na przykład w niektórych modelach kompaktów cyfrowych
firmy Samsung.

Samsung NV10 wyposażony w nowatorski system elektronicznej redukcji drgań Advanced Shake

Reduction (ASR)

Systemy elektronicznych stabilizacji drgań określane są angielskim skrótem EIS - Elelctronic
Image Stabilization.

Stabilizacja drgań w trakcie filmowania

Drgania aparatu w trakcie filmowania nie są tak groźne dla jakości filmu, gdyż co około 1/30
sekundy powstaje nowe zdjęcie. Ale problemem może być widoczne "skakanie" obrazu. Jeżeli w
trakcie filmowania aparat drga w kierunku pionowym, to choć kolejne klatki mogą być ostre, to np.
tocząca się po boisku piłka będzie rejestrowana w coraz to innym miejscu (w kierunku pionowym)
matrycy. W trakcie wyświetlania będzie ona widoczna jako tocząca się po boisku "podskakującym"
w górę co jakiś czas.

Eliminacja takich efektów drgań realizowana jest w inny sposób, niż dla zdjęć statycznych.
Podstawą sytemu są:

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

13

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

•

czujnik drgań,

•

matryca światłoczuła o rozmiarach nieco większych niż rozmiary rejestrowanej klatki,

•

i odpowiedni program zapisany w aparacie.

W trakcie filmowania aparatem cyfrowym wykorzystuje się rozdzielczość matrycy wielokrotnie
mniejszą, niż do zdjęć statycznych, a więc automatycznie mamy "zapas" powierzchni na jej
brzegach.

W przypadku drgania aparatu podczas filmowania, każda klatka jest zapisywana w nieco innym
miejscu matrycy a równocześnie czujnik drgań przesyła do procesora informacje o tym jakie było
przesunięcie aparatu w momencie rejestrowania każdej klatki. Procesor, w oparciu o odpowiedni
program, zapisuje kolejne klatki filmu do pamięci po zrobieniu korekcji na ich położenie względem
jakiegoś ustalonego punktu, np. środka matrycy. System daje więc film "płynny", bez
nieprzyjemnych dla widza skoków obrazu po ekranie.

Zasady stosowania stabilizacji drgań

Aparat cyfrowy zaopatrzony w opcję stabilizacji obrazu ma zazwyczaj 3 tryby jej pracy:

•

I - wyłączona,

•

II - włączona na stałe,

•

III - włączana na czas otwarcia migawki, czyli robienia zdjęcia.

Najlepszą praktyką jest ustawienie stabilizacji w trybie III. Tryb II powoduje, że aparat zużywa
więcej energii elektrycznej - stabilizacja pracuje cały czas, gdy aparat jest włączony. W trybie II
następuje też szybsze zużycie elementów mechanicznych, o ile takie są, układu stabilizacji. Tryb I
stwarza zagrożenie, że któreś z robionych zdjęć będzie rozmyte w wyniku drgnięcia ręki w
momencie jego robienia.

Jeżeli ktoś chce fotografować w trybie I, to musi wiedzieć, że czas otwarcia migawki około 1/60 s
jest w zasadzie najdłuższym możliwym do stosowania przy robieniu zdjęć bez statywu. Ten czas
dotyczy obiektywu o ogniskowej normalnej, czyli około 50 mm, w przeliczeniu na format 35 mm.
Jeżeli robimy zdjęcia z teleobiektywem, to ogólnie akceptowana reguła dla zdjęć bez stabilizacji
drgań jest następująca: czas otwarcia migawki nie może być dłuższy niż odwrotność długości
ogniskowej, przeliczonej dla formatu 35 mm.

A więc dla ogniskowej F=200 mm czas otwarcia migawki może być co najwyżej 1/200 s, by
drgania nie powodowały nieostrości. Większość prostych kompaktowych aparatów cyfrowych ma
obiektywy o zmiennej ogniskowej od około 35 mm do około 100 mm. Czyli bezpieczny czas
otwarcia migawki powinien być krótszy od 1/100 s.

Stabilizacja drgań może jednak dawać efekty niepożądane np. przy robieniu zdjęć, na których
chcemy stworzyć wrażenie ruchu. Dlatego, też profesjonalne obiektywy wyposażone w stabilizację
drgań oferują od dwóch do kilku trybów działania tego systemu, które najlepiej sprawdzają się w
różnych sytuacjach zdjęciowych. Doświadczony fotografujący powinien więc korzystać ze
stabilizatora drgań w sposób przemyślany.

Stabilizacja drgań dobra na wszystko?

Stabilizacja drgań aparatu nie jest lekarstwem na wszystkie problemy z rozmazanym obrazem, o
czym często zapominają kupujący nowy aparat cyfrowy i, co gorsza, sprzedawcy tych aparatów.
Przede wszystkim nawet najbardziej zaawansowane systemy nie są w stanie zapobiec rozmazaniu

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

14

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

szybko poruszających się obiektów. Po prostu działają one tylko na ruch aparatu, a nie na ruch
innych obiektów w kadrze. Jedynym lekarstwem w tym wypadku jest skrócenie czasu otwarcia
migawki (czasu naświetlenia) poprzez wybranie większej czułości ISO, zastosowanie lampy
błyskowej lub wykonywanie zdjęć przy lepszym świetle.

Wiedząc o tym problemie niektórzy producenci (np. Sony, Panasonic) oferują tak zwany
"podwójny system stabilizacji drgań". W praktyce sprowadza się on do połączenia optycznego
(mechanicznego) układu stabilizacji z funkcją podwyższającą ekwiwalent czułości ISO w aparacie.
Należy jednak pamiętać, że samo podwyższenie czułości ISO nie jest stablizacją obrazu w sensie ?
mimo, że zapobiega rozmazaniu obrazu również na skutek drgań aparatu. To po prostu zabieg
pozwalający na skrócenie czasu otwarcia migawki. Każdy świadomy użytkownik aparatu może
osiągnąć podobny efekt samemu podwyższając ekwiwalent czułości ISO w menu aparatu. Należy
jednak pamiętać, że podwyższenie ISO wiąże się z pogorszeniem jakości oddania szczegółów na
zdjęciu poprzez zwiększenie szumów. Jest to więc rozwiązanie połowiczne i jak do tej pory tylko
"prawdziwa" stabilizacja obrazu oferuje kompensancję niepożądanych ruchów aparatu bez
pogorszenia jakości obrazu, a z wymienionych w tym artykule rodzajów jak na razie najlepiej
sprawdzają się systemy mechaniczne - stabilizacja optyczna i stabilizacja matrycy.

W przyszłym tygodniu, w trzeciej części naszego cyklu opiszemy pojęcie ekwiwalentu ogniskowej w
aparatach cyfrowych.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza. autor:

Roman Goc

źródło:

cz. 3

ABC fotografii cyfrowej cz. 3 - ekwiwalent i przelicznik ogniskowej obiektywu W trzeciej części
naszego cyklu poradnikowego dla początkujących właścicieli aparatów cyfrowych zajęliśmy
się problemem kąta widzenia obiektywu w aparatach cyfrowych. W większość aparatów
cyfrowych powierzchnia matrycy jest mniejsza niż klasycznej klatki filmu małoobrazkowego.
Wynikają z tego określone konsekwencje dla optyki, szczególnie w aparatach z wymiennymi
obiektywami.

Kąt widzenia obiektywu a rozmiar matrycy
W okresie królowania aparatów analogowych formatu 24 x 36mm (zwanego formatem 135 lub w
skrócie 35 mm)

Ogniskowa obiektywu

F jednoznacznie określała kąt widzenia tego obiektywu.

Obecnie, w erze aparatów cyfrowych o różnych rozmiarach matrycy, która zastępuje film, należy
mówić o kącie widzenia obiektywu w aparacie o podanym formacie matrycy. Kąt widzenia
obiektywu zależy bowiem od długości ogniskowej i od wielkości matrycy. Zaczniemy od definicji i
objaśnienia kąta widzenia obiektywu.

Kąt widzenia obiektywu to kąt pomiędzy najbardziej zewnętrznymi promieniami światła
wpadającymi do aparatu, które jeszcze "trafiają" w matrycę lub film rejestrujący obraz. Na rys.1
jest on oznaczony grecką literą α (alfa). Obiektywem, dla jasności rysunku, jest pojedyncza
soczewka. Aby otrzymywać ostre zdjęcia matryca w aparacie fotograficznym musi się znajdować
w odległości od obiektywu równej długości ogniskowej F i taka jest sytuacja na rys.1.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

15

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 1: kąt widzenia obiektywu o ogniskowej F w aparacie o rozmiarach matrycy a x b mm. Wzory

na rysunku pozwalają obliczyć wartość kąta widzenia obiektywu w tym aparacie

Czytelnik nie znający trygonometrii niech się nie przejmuje wzorami. Wystarczy uwierzyć, że ze
wzoru 3) wynika iż kąt widzenia maleje:

1. przy stałych rozmiarach matrycy - wraz ze wzrostem ogniskowej F
2. przy stałej ogniskowej - wraz ze zmniejszaniem rozmiarów matrycy.

Przypadek 1. to sytuacja znana w lustrzankach. Mamy w aparacie matrycę o stałych rozmiarach i
możemy zakładać do niego obiektywy o różnej długości ogniskowej. Analogiczna sytuacja jest w
kompaktach cyfrowych z obiektywem typu zoom.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

16

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

przykład kadrów możliwych do uzyskania w przypadku obiektywu zoom o nominalnym zakresie

ogniskowych 18-200 (11-krotny zoom)

Sytuacja 2. pojawiła się dopiero wraz z aparatami cyfrowymi o różnych rozmiarach matryc i jest
tematem tego artykułu. Dla dalszych objaśnień zdefiniujemy pojęcie ogniskowej normalnej i
oznaczymy ją Fn. Jest to ogniskowa o długości równej przekątnej matrycy, czy klatki filmu.
Obiektyw o ogniskowej normalnej ma kąt widzenia taki, jak oko ludzkie. Obiektyw taki
odwzorowuje fotografowaną scenę tak, jak widzi ją człowiek.

Dla formatu 24 x 36 mm Fn = 43,3 mm a kąt widzenia tego obiektywu wynosi 53°. Przyjęło się
jednak używać dla tego formatu obiektywu o ogniskowej F=50,0 mm, jako obiektywu
"normalnego", czyli standardowego. Kąt widzenia tego obiektywu wynosi około 47°. Do
przeliczania długości ogniskowych obiektywów dla formatu 35 mm, czyli do wyliczania tzw.
ogniskowej równoważnej używa się jednak Fn=43,3mm.

Należy mocno podkreślić, że parametrem decydującym o odwzorowaniu obrazu na matrycy jest kąt
widzenia obiektywu dla danej matrycy a nie ogniskowa obiektywu. Ten sam obiektyw
zamontowany aparatach o różnych rozmiarach matrycy będzie miał inny kąt widzenia w każdym z
nich.

Sytuacja taka dotyczy lustrzanek z wymiennymi obiektywami, kiedy ten sam obiektyw możemy
używać z aparatami o różnej wielkości matrycy. Schematycznie ilustruje to rys. 2. Obiektyw o tej
samej długości ogniskowej ma różne kąty widzenia, zależne od wielkości matrycy, na którą rzutuje
obraz.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

17

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys.2: kąty widzenia obiektywu o ogniskowej F dla dwóch różnych rozmiarów matryc. Dla matrycy

zaznaczonej kolorem niebieskim ten sam obiektyw ma mniejszy kąt widzenia

W kompaktach mamy stałą wielkość matrycy a możemy zmieniać długość ogniskowej. Na
obiektywie aparatu kompaktowego mamy podany przedział w którym możemy zmieniać długość
ogniskowej, np. 6 mm do 72 mm. To są wartości ogniskowej rzeczywistej ale ze względów na
wieloletnie przyzwyczajenie do aparatów formatu 35 mm, producent podaje wartości ogniskowych
równoważnych zwanych inaczej ekwiwalentem ogniskowych.

ekwiwalent ogniskowej, to ogniskowa, jaką powinien mieć obiektyw aparatu formatu 35 mm, aby
miał taki sam kąt widzenia jak obiektyw naszego aparatu cyfrowego. Inaczej, to ogniskowa w
aparacie 35 mm odpowiadająca takiemu obrazowi, jaki widzimy w aparacie cyfrowym.

Obliczymy dla przykładu ogniskową równoważną obiektywu o F = 6,0 mm w aparacie o matrycy
oznaczonej 1/2.5". Matryca taka ma przekątną o długości 7,2 mm, co można znaleźć w różnych
tablicach podających rozmiary matryc. Klatka filmu 35 mm ma przekątną 43,3 mm. A więc
przekątna formatu 35 mm jest 6 razy dłuższa (43,3/7,2=6) od przekątnej matrycy oznaczonej
symbolem 1/2.5". Ogniskowa równoważna dla naszego aparatu będzie:
6 x 6,0 mm = 36 mm

W ogólnym przypadku ogniskowa równoważna dla danej matrycy jest tyle razy dłuższa od
ogniskowej rzeczywistej, ile razy przekątna danej matrycy jest mniejsza od przekątnej matrycy
formatu 35 mm. Dla kompaktowych aparatów cyfrowych producenci podają ogniskowe
rzeczywiste i równoważne, więc nie ma potrzeby niczego przeliczać.

Natomiast w przypadku lustrzanek cyfrowych o różnych rozmiarach matryc, do których można
zakładać obiektywy o różnych długościach rzeczywistej ogniskowej, producenci podają tzw.
krotność ogniskowej czyli przelicznik ogniskowej. Jest to liczba, przez którą należy pomnożyć
nominalną (rzeczywistą) długość ogniskowej napisaną na obiektywie, aby otrzymać długość
ogniskowej równoważnej (ekwiwalent ogniskowej). Dla większości typów lustrzanek ta krotność
wynosi 1,5 lub 1,6, a lustrzanki Systemu 4/3 mają przelicznik 2,0. Wartości te można znaleźć w
publikowanych przez Fotopolis.pl specyfikacjach konkretnych modeli aparatów.

W praktyce oznacza to, że jeżeli do takiego aparatu dołączamy obiektyw o ogniskowej 50,0 mm, to
będzie on dawał kąt widzenia taki, jak obiektyw o ogniskowej 80,0 mm w aparacie o formacie 35
mm.

Z rozważań przytoczonych w tym artykule wynika, że krotność zależy od rozmiarów matrycy

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

18

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

wbudowanej do aparatu. Im ta matryca jest mniejsza, tym większy będzie przelicznik ogniskowej.
Z długością ekwiwalentu ogniskowej i normalnej wiążą się pojęcia obiektywów szerokokątnych i
teleobiektywów. To zagadnienie będzie jednak omówione osobno.

Zapraszamy za tydzień do czwartej części naszego poradnika.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

cz. 4

ABC fotografii cyfrowej cz. 4 - metody pomiaru ekspozycji Czwartą część poradnika
poświęciliśmy metodom pomiaru ekspozycji - jednej z najważniejszej czynności podczas
wykonywania zdjęcia aparatem. W tej części dowiemy się czym jest poprawna ekspozycja i
jak aparat ją oblicza. Poznamy takie pojęcia jak exposure value oraz metody pomiaru
ewaluacyjnego, centralnie ważonego i punktowego.

Pomiar ekspozycji - metody
Dla otrzymania poprawnego technicznie zdjęcia muszą być spełnione dwa warunki. Obraz musi
być ostry i poprawnie naświetlony. Ustawianiem ostrości zajmiemy się w innym artykule, ten
poświęcony jest metodom pomiaru ekspozycji.

Ekspozycja

, inaczej naświetlenie, określa ilość

światła, która pada na matrycę lub film w aparacie analogowym w trakcie robienia zdjęcia.
Ekspozycja zależy od ustawienia przysłony i od czasu otwarcia migawki. Im większy otwór
przysłony, czyli im mniejsza liczba ją określająca, tym więcej światła wpada przez obiektyw. Z
kolei, im dłuższy czas otwarcia migawki, tym dłużej światło działa na matrycę lub film, a więc
silniej je naświetli.

Ekspozycję podaje się w jednostkach zwanych EV - od angielskiego terminu exposure value, co
znaczy wartość ekspozycji. Istnieje wzór z którego można wyliczać EV dla różnych wartości
przysłon i czasów otwarcia migawki, ale on by tylko zagmatwał objaśnienia, dlatego podamy
gotową tablicę z obliczonymi już wielkościami EV.

Przysłona/Migawka 1 1/2 1/4 1/8 1/15 1/30 1/60 1/125 1/250 1/500

1

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

1.4

1 2

3

4

5

6

7

8

9

10

2.0

2 3

4

5

6

7

8

9

10

11

2.8

3 4

5

6

7

8

9

10

11

12

4.0

4 5

6

7

8

9

10

11

12

13

5.6

5 6

7

8

9

10

11

12

13

14

8.0

6 7

8

9

10

11

12

13

14

15

11

7 8

9

10 11

12

13

14

15

16

16

8 9

10 11 12

13

14

15

16

17

tabela 1: Wartości EV dla różnych przysłon i czasów otwarcia migawki, dla ISO 100.

Zmiana wartości EV o 1 zmienia DWUKROTNIE ilość światła wpadającego do aparatu. Wynika
to z liczb podanych w tabeli. Na przykład dwukrotne skrócenie czasu naświetlania oznacza, że
zmierzona wartość EV stała się większa od poprzedniej o 1 działkę. Analogiczny efekt daje zmiana
przysłony. Zwiększenie wartości ISO o jeden "skok", np. ze 100 na 200 zmniejszy wartości EV o 1.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

19

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Można też na tę tabelę patrzeć od drugiej strony - im więcej światła pada na obiekt tym większą
trzeba ustawić wartość EV aby zdjęcie nie zostało prześwietlone. Dla uzyskania prawidłowo
naświetlonego zdjęcia należy zmierzyć ilość światła wpadającą przez obiektyw lub padającą na
obiekt i w zależności od wyniku tego pomiaru ustawić przysłonę i czas migawki.

Aby nie komplikować opisu pomiaru ekspozycji, ograniczmy się do aparatów cyfrowych i do
pomiaru typu TTL. TTL to pierwsze litery słów through the lens - poprzez obiektyw, czyli metoda
TTL to pomiar światła wpadającego przez obiektyw do aparatu.

W aparatach fotograficznych wykorzystujących film, zasady pomiaru ekspozycji są analogiczne jak
w cyfrowych, tylko musi w nich być dodatkowy element światłoczuły który służy do pomiaru
natężenia światła. Natomiast w większości aparatów cyfrowych matryca, na której rejestrujemy
zdjęcie, jest równocześnie elementem pomiarowym natężenia wpadającego światła. Wyjątkiem są
tu lustrzanki cyfrowe, w których pomiar dokonywany jest przez dodatkowy czujnik - jak w
aparatach na film.

W cyfrowych aparatach kompaktowych, z których korzysta większość fotografujących matryca jest
wykorzystywana najpierw do pomiaru ekspozycji, a w następnym momencie do utrwalenia
fotografowanych obiektów. Przypomnijmy, że aparat mierzy światło odbite od fotografowanych
obiektów, na które jest skierowany. I tu pojawia się problem. Jak zmierzyć ekspozycję, jeżeli
fotografowane obiekty, czy krajobraz, zawierają elementy o bardzo różnej jasności. Aby temu
zaradzić, opracowano wiele metod pomiaru ekspozycji, które w założeniu powinny wyznaczyć taką
wartość EV, która da możliwie najbardziej prawidłowo naświetlone zdjęcie. Co znaczy
"naświetlone prawidłowo" zdjęcie?

Najłatwiej wyjaśnić to na przykładzie zdjęcia czarno-białego. Prawidłowo naświetlone zdjęcie
powinno pozwalać na rozróżnienie możliwie największej liczby odcieni szarości, od białego do
czarnego. W przypadku kolorów sprawa się komplikuje, ale idea jest ta sama. Zdjęcie ma
odtwarzać maksymalną liczbę kolorów i ich odcieni.

Podstawowe metody pomiaru ekspozycji TTL to:

•

A. matrycowa (ewaluacyjna),

•

B. centralnie ważona.

•

C. punktowa.

We wszystkich metodach elementem pomiarowym jest matryca światłoczuła. W aparatach
kompaktowych, jest to ta sama matryca, na której rejestrowane jest zdjęcie. W lustrzankach
natomiast najczęściej montowany jest osobny element światłoczuły do pomiaru ekspozycji. Zasady
pomiaru są tam takie same, ale odciążenie głównej matrycy od tych zadań pomocniczych pozwala
w lustrzance na skrócenie czasu oczekiwania na gotowość aparatu do wykonania kolejnego zdjęcia.
Nie mówiąc już o tym, że z technicznego punktu widzenia taki pomiar byłby niemożliwy (matryca
jest zasłonięta lustrem i migawką). Dla prostoty opisu zajmiemy się jedynie aparatem
kompaktowym.

W metodach A i B matryca "podzielona" jest na kilka prostokątów, od 3 w tanich, do 256 w
drogich aparatach. Procesor odczytuje natężenie światła padające na poszczególne fragmenty
matrycy. Innymi słowy - wyznacza ekspozycję dla każdego elementu i zapisuje wszystkie wartości
EV w pamięci.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

20

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys.1: Schemat matrycy światłoczułej dla pomiaru ekspozycji metodą A lub B Podział na 9

elementów jest wirtualny. Matryca tworzy jedną całość a jedynie program odczytuje osobno

wartości ekspozycji dla każdego zaznaczonego elementu. Liczby w kolejnych segmentach matrycy

to przykładowe wartości EV, które mogły zostać zmierzone dla nich.

Metoda ewaluacyjna.
Na podstawie wartości EV w poszczególnych segmentach, odpowiedni program oblicza wartość
EV, jaką należy zastosować przy robieniu zdjęcia, aby wszystkie elementy matrycy wykorzystane
do pomiaru światła zostały naświetlone w sposób najbliższy optymalnego. Niestety, jedyne co
możemy powiedzieć o tych obliczeniach, to to, że wypadkowa wartość EV nie jest prostą średnią z
wartości zmierzonych dla poszczególnych elementów matrycy, gdyż algorytmy, czyli przepisy
obliczania tej wartości wypadkowej, opracowane przez różnych producentów, są ściśle strzeżoną
tajemnicą.

W droższych modelach aparatów cyfrowych stosowane są metody matrycowe (ewaluacyjne) zwane
inteligentnymi. Canon stosuje metodę, którą nazwał Intelligent Scene Analysis based on
Photographic Space - iSAPS. Metoda polega na analizowaniu przez procesor elementów
fotografowanej sceny, porównywanie ich z informacjami zapisanymi w pamięci procesora a
pochodzącymi od setek, czy nawet tysięcy wykonanych zdjęć testowych i wybraniu z bazy danych
najlepszych, dla danej sceny, parametrów określających ekspozycję. Szczegółów metody nikt, poza
jej twórcami, nie zna. Podobny system porównywania z bazą danych stosuje Nikon obliczając
ekspozycję w swoim systemie 3D Color Matrix II.

Metoda centralnie ważona.
Program zapisany w pamięci procesora aparatu mierzy ekspozycję dla każdego z wydzielonych
elementów matrycy i oblicza tzw. średnią ważoną centralnie. Obliczana jest średnia ze
zmierzonych wartości, ale liczby bliżej środka matrycy mają większe znaczenie (nadawana jest im
większa waga). Mówiąc prościej, im bliżej środka matrycy (kadru), tym "ważniejsza" jest
zmierzona dla niej liczba EV i ona będzie dominująca w obliczonej średniej. Gdyby np. dla
matrycy "podzielonej" na 3 kawałki zmierzone ekspozycje, od lewej do prawej strony, wynosiły
14, 7 i 15, to zwykła średnia arytmetyczna byłaby :

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

21

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

(1/3)*14 + (1/3)*7 + (1/3)*15 = 12

natomiast średnia centralnie ważona mogłaby być obliczona jako:
(1/5)*14 + (3/5)*7 + (1/5)*15 = 10

Ułamki w nawiasach, to owe "wagi" dla obliczenia średniej wartości. W tym drugim obliczeniu
wartość ekspozycji dla środkowego elementu brana jest z wagą trzykrotnie większą, niż wartości
brzegowe. W przypadku większej liczby elementów dla których zmierzono ekspozycję, obliczenia
będą bardziej skomplikowane i, podobnie jak w poprzedniej metodzie, dokładny algorytm, czyli
przepis obliczania średniej, jest tajemnicą ściśle strzeżoną przez producenta.

Metoda punktowa.
W tej metodzie z matrycy wydzielony jest mały obszar, prostokąt lub koło o powierzchni 1,5% do
6% całej matrycy i pomiar dokonywany jest tylko dla obiektów odwzorowywanych w tym
obszarze. Punkt, czy raczej obszar pomiarowy, może być usytuowany na stałe na środku matrycy a
w bardziej zaawansowanych aparatach może on być ustawiony w dowolnym rejonie matrycy lub
sprzężony z punktem ustawiania ostrości.

W jakich warunkach i w jakim celu stosować którąś z opisanych tu metod pomiaru ekspozycji to
zupełnie inne, bardzo obszerne zagadnienie. Warto jedynie zauważyć, że dowolną wartość
ekspozycji można uzyskać z kilku, a nawet kilkunastu kombinacji przysłony, czasu otwarcia
migawki i ustawionej czułości ISO. Jak więc program aparatu cyfrowego decyduje, czy zdjęcie
zrobić z nastawami ISO 100, f=2.8 i 1/125 s, czy ISO 200, f=8.0 i 1/30 s. To bardzo obszerne
zagadnienie, warte omówienia w oddzielnym artykule.

Korekcja ekspozycji.
Każdy aparat cyfrowy ma możliwość korekcji ekspozycji. Typowy zakres takiej korekcji to od -2.0
EV do +2.0 EV, ze skokiem 1/3 EV. Co to znaczy i w jakim celu jest ta możliwość? Robimy np.
zdjęcia w słoneczny dzień na stoku pokrytym czystym, białym śniegiem. W tych warunkach układ
pomiarowy ekspozycji może nie być w stanie zmierzyć jej poprawnie albo ustali takie warunki
ekspozycji, że śnieg będzie na zdjęciu szary. W takiej sytuacji możemy sami ustawić korekcję
ekspozycji na pozycję np. +1/3 EV, czy +1.0 EV, co zapewni zwiększenie naświetlenia matrycy (i
w tym wypadku - rozjaśnienie śniegu). W sytuacji bardzo słabego oświetlenia może zaistnieć
konieczność korekcji "w dół", np. -1.0 EV, żeby czerń była czarna, a nie szara. Korekcja ekspozycji
może też służyć uzyskiwaniu ciekawych efektów artystycznych, ale to już zupełnie inne
zagadnienie.

Przykład zdjęć.
Pokazujemy 2 zdjęcia księżyca. Zdjęcie A zostało wykonane z ewaluacyjnym pomiarem
ekspozycji. Procesor wyznaczył jakieś średnie natężenie światła dla całego kadru, którego znaczna
część jest bardzo ciemna. Migawka została ustawiona na 1/8 s, a przysłona na F3.5. Sam księżyc
jest biały bez żadnych szczegółów na powierzchni.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

22

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

zdjęcie A

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

23

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

zdjęcie B

Zdjęcie B wykonano z pomiarem punktowym ekspozycji. Punkt, czy raczej obszar pomiarowy,
ustawiono na księżyc. Tu parametry wyznaczone to: migawka 1/160 s a przysłona F4. Te
ustawienia dają na zdjęciu szczegóły powierzchni księżyca, a reszta jest dokładnie czarna.

Warto zauważyć, że oryginalne pliki typu JPEG tych zdjęć zapisane na karcie pamięci mają
wielkość 203 kB dla A i 1441 kB dla B. Dlaczego taka różnica przy tej samej rozdzielczości -
będzie to omówione przy innej okazji.

Zapraszamy za tydzień do czwartej części naszego poradnika.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

cz. 5

ABC fotografii cyfrowej cz. 5 - Matryce światłoczułe - budowa i działanie W piątej części
naszego cyklu opiszemy rodzaje i zasady działań matryc światłoczułych wykorzystywanych w
cyfrowych aparatach fotograficznych i kamerach wideo. Matryce CMOS i CCD różnią się
szczegółami jednak podstawowe zasady ich działania są podobne.

Wstęp
W cyfrowych aparatach fotograficznych stosowane są dwa rodzaje matryc światłoczułych o
nazwach - CCD i CMOS. Nazwy te to pierwsze litery anglojęzycznych terminów.

CCD - Charge-Coupled Device, co można przetłumaczyć na język polski zwrotem "urządzenie o
sprzężeniu za pomocą ładunku", w domyśle - elektrycznego. Nazwa pochodzi od sposobu

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

24

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

przekazywania informacji (sprzężenia) pomiędzy elementami urządzenia tego typu. Odbywa się
ono poprzez przekazywanie ładunku elektrycznego i nie chodzi tu o przepływ prądu, który jest też
ruchem ładunków, tylko o przekazywanie ładunków, tak jak przekazuje się np. worki z piaskiem w
czasie ustawiania zapory przeciwpowodziowej. Jak zobaczymy dalej, to porównanie jest dość
trafne.

CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor. CMOS to pewna klasa elementów
półprzewodnikowych, diod, tranzystorów i bramek logicznych o specyficznej budowie, innej niż
tranzystorów typu pnp i npn. Elementy wykonane w technologii CMOS charakteryzują się małym
poborem mocy i dużą odpornością na zakłócenia zewnętrzne. Technologia ich produkcji
opanowana została do perfekcji, dzięki masowemu stosowaniu elementów CMOS w urządzeniach
komputerowych.

Różnice w działaniu matryc światłoczułych typu CCD i CMOS polegają głównie na sposobie
przekazywania ładunków elektrycznych zgromadzonych w nich pod wpływem padającego światła
do dalszej obróbki przez procesor aparatu. Oczywiście istnieją też wspomniane już różnice
technologiczne. Jednak sam proces gromadzenia ładunku proporcjonalnego do ilości padającego
światła jest w obu typach matryc taki sam z punktu widzenia fizyki tego zjawiska.

Jako pierwszą omówimy matrycę typu CCD, dotychczas najczęściej stosowaną w aparatach
fotograficznych. Matryca CCD (ale także typu CMOS) to układ kilku do kilkunastu milionów
identycznych elementów zdolnych do rejestrowania ilości padającego na nią światła. Przez ilość
rozumiemy tu natężenie światła pomnożone przez czas jego działania. W terminologii
fotograficznej ilość światła, padająca na całą matrycę, nazywana jest wartością ekspozycji - EV.

Konwersja światła na ładunek elektryczny
Proces ten jest faktycznie jednakowy dla obu typów matryc a więc opis zamieszczony w tym
paragrafie jest niezależny od tego czy mamy matrycę CCD, czy CMOS.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

25

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

matryca typu CCD aparatu Nikon D80 (źródło: Nikon)

matryca typu CMOS aparatu Canon EOS 5D (źródło: Canon)

Zaczniemy od objaśnienia budowy i zasady działania pojedynczego elementu matrycy zwanego
pikselem. Piksel to spolszczona wersja angielskiego terminu pixel, który powstał z połączenia słów

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

26

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

"picture" i "element", które znaczą "element obrazu". W dalszej części artykułu opiszemy, jak
odbywa się zbieranie informacji zgromadzonych w pikselach i przetwarzanie ich na zbiór liczb
reprezentujących ilość światła zarejestrowaną przez każdy z nich. Utworzenie pliku z tymi danymi
i zapisanie go w pamięci procesora cyfrowego aparatu fotograficznego to pierwszy etap tworzenia
zdjęcia. W użyciu jest kilka rodzajów matryc CCD, opiszemy tu piksel matrycy jednego z nich -
najbardziej popularnego.

Pojedynczy piksel to wydzielony na powierzchni matrycy kwadrat o boku około 2,2 mikrometra.
Przedrostek mikro oznacza 1/1 000 000 część jednostki, w tym przypadku metra. Jeden mikrometr
to jedna milionowa część metra czyli 1/1000 część milimetra. Piksel pokryty jest warstwą
substancji nieprzepuszczającej światła (jest to przeważnie aluminium), w której zrobione jest małe
okienko. Powierzchnia tego okienka, to powierzchnia czynna piksela, przez którą światło dociera w
głąb półprzewodnikowej płytki, która jest elementem wyjściowym do produkcji matrycy.

W zasłoniętej przed padającym światłem części piksela znajdują się elementy elektroniki
umożliwiające jego działanie oraz izolujące go elektrycznie od sąsiednich pikseli. Stosunek
powierzchni tego okienka, czyli czynnej części piksela, do powierzchni całego piksela nazywa się
współczynnikiem wypełnienia (po angielsku fill factor). Łatwo się domyślić, że coraz to nowsze
technologie zmierzają do zwiększenia tego współczynnika wypełnienia.

Dokładny opis zasady działania piksela oparty jest na teorii fizyki ciała stałego i jego prezentacja
przekracza możliwości tego artykułu a do tego jest on potrzebny wyłącznie konstruktorom matryc.
W naszym opisie budowy i działania piksela posłużymy się jego uproszczonym modelem
oddającym jednak dobrze wszystkie zalety i wady mające wpływ na jakość robionych zdjęć.
Znajomość budowy i działania piksela oraz całej matrycy pozwoli lepiej wykorzystać możliwości
posiadanego aparatu cyfrowego i może być wskazówką przy wyborze modelu aparatu właściwego
dla naszych celów.

Dla dalszego opisu musimy przypomnieć trochę fizyki. Atomy dowolnego pierwiastka zbudowane
są z jąder o ładunku elektrycznym dodatnim i elektronów o ładunku ujemnym. Atom jako całość
jest neutralny, gdyż ładunki jądra i elektronów wzajemnie się kompensują. Jeżeli od atomu
oderwiemy w jakiś sposób elektron to powstają dwa osobne ładunki: dodatni, czyli atom
pozbawiony jednego elektronu (nazywa się on jonem) i ujemny, czyli ów oderwany elektron, który
jest około 1000 razy mniejszy od najmniejszego jądra atomowego i dlatego ma dużą swobodę
przemieszczania się pomiędzy atomami tworzącymi (w naszym przypadku) strukturę matrycy.

Ważnym pojęciem stosowanym w fizyce, które pomoże nam objaśnić działanie piksela, jest foton.
Foton to elementarna porcja światła, traktowana jak cząstka o zerowej masie, nie posiadająca
ładunku elektrycznego i poruszająca się z prędkością światła. Duża liczba fotonów poruszających
się w tym samym kierunku tworzy wiązkę światła.

Zaczniemy od objaśnienia sposobu zamiany światła na ładunki elektryczne. Ten etap działania
piksela jest faktycznie jednakowy dla matryc typów CCD i CMOS. Rys. 1 przedstawia widok z
góry pojedynczego piksela i uproszczony schemat przekroju matrycy. W schemacie uwzględniono
tylko elementy odpowiedzialne za konwersję światła na ładunki elektryczne (pominięto na przykład
filtr dolnoprzepustowy). Zaznaczone na rys. 1 mikrosoczewka i filtr Bayera będą omówione nieco
dalej.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

27

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 1: schemat matrycy światłoczułej w części wspólnej dla typów CCD i CMOS

Głównym elementem piksela jest fotodioda, czyli element półprzewodnikowy, w którym następuje
wydzielanie się ładunków elektrycznych pod wpływem padającego światła. Szczegółowy model
tego procesu jest następujący. Strumień fotonów tworzący wiązkę światła pada na fotodiodę.
Bardzo mała część z nich jest pochłaniana przez krzem, z którego zbudowana jest matryca,
zamieniając swoją energię na ciepło. Znacznie większa część fotonów trafia w elektron atomów
fotodiody i odrywa go od tego atomu. Nazywa się to efektem fotoelektrycznym wewnętrznym.
Stosunek liczby wybitych elektronów do liczby padających fotonów określa tzw. wydajność
kwantową piksela. Dla matryc światłoczułych jest ona około 90%. Warto przytoczyć tu wydajność
kwantową filmów światłoczułych. Jest ona nieco inaczej zdefiniowana i wynosi około 2%. Nie
dziwi więc, że astronomowie jako pierwsi zaczęli stosować matryce CCD do fotografowania słabo
świecących obiektów na niebie.

Obok wydajności kwantowej piksel charakteryzowany jest czułością optyczną. Czułość optyczna
piksela to stosunek energii fotonów padających na piksel do energii elektrycznej wytworzonej
przez piksel pod wpływem tych fotonów. Ten parametr piksela nie jest równoznaczny z czułością
aparatu podawaną w jednostkach ISO, choć jest jednym ze składników tej czułości.

Oderwany od atomu elektron musi zostać gdzieś zmagazynowany. Wytwarza się więc obszar z
dodatnim potencjałem przyciągającym ujemne elektrony. Jako model takiego obszaru może
posłużyć mały pojemnik, do którego wpadają elektrony wybijane z atomów krzemu fotonami
padającymi na fotodiodę. Model ten dobrze oddaje takie własności piksela jak czułość, liniowość,
czy efekt zwany bloomingiem.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

28

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 2: modelowe przedstawienie czułości matrycy w zależności od wielkości pojedynczego piksela

Na rys. 2 pokazane są dwa takie zbiorniki elektronów o różnej wielkości, co ma odzwierciedlać
fakt, że w różnych matrycach mogą być piksele o różnej wielkości powierzchni czynnej. Szare
kulki symbolizują elektrony wybite z atomów fotonami, których liczba jest proporcjonalna do
ilości światła padającego na dany piksel. Kulki czarne to elektrony, które powstały w wyniku
innych procesów zachodzących w fotodiodzie, np. grzania się matrycy. Elektronika aparatu
cyfrowego nie rozróżnia tych dwóch rodzajów elektronów gromadzonych w pikselu i dlatego te
oznaczone czarnym kolorem zakłócają obraz rejestrowany przez matrycę. Piksel po prostu
gromadzi więcej elektronów, co dalsze elementy aparatu interpretują jako większą jasność obrazu
w tym miejscu a wiemy, że to nie większa jasność, tylko zakłócenie pracy fotodiody. Zjawisko to
nazywamy szumem. Szumy w aparacie cyfrowym to bardzo szerokie zagadnienie i będzie
omówione oddzielnie. Rys. 2 oddaje znany fakt, że im większa powierzchnia piksela, tym większa
czułość całej matrycy, gdyż więcej elektronów jest wytwarzanych przez światło padające na jeden
piksel.

Model części matrycy wystawionej na działanie światła z rys.1 i model procesu gromadzenia
ładunku elektrycznego z rys. 2 są w zasadzie identyczne dla typów CCD i CMOS. Opis
generowania elektronów fotonami padającymi na piksel, jak i opis gromadzenia tych elektronów są
również takie same dla obu typów matryc. Za tydzień w następnej części tego artykułu opiszemy te
elementy budowy i działania matryc CCD i CMOS, które są różne dla obu typów.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

cz. 6

ABC fotografii cyfrowej cz. 6 - Matryce światłoczułe CCD W szóstej części naszego cyklu
opisujemy szczegółowo zasadę działania kilku rodzajów matryc CCD charakteryzujących się
architekturą odczytu typu "frame transfer", "full frame transfer" oraz "interline transfer".
Zapraszamy!

Matryce CCD

Z punktu widzenia technologii wykonania i zasad działania istnieje jeden rodzaj matryc CCD, w

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

29

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

których ładunek wytworzony padającym światłem i zgromadzony w oddzielnym miejscu dla
każdego piksela jest następnie przemieszczany do układów elektronicznych zamieniających go na
napięcie, a dalej na liczbę proporcjonalną do wytworzonego ładunku. Oświetleniu każdego piksela
odpowiada jedna liczba. Liczby te tworzą plik, który przetwarzany jest w procesorze aparatu na
obraz. Proces konwersji oświetlenia matrycy w plik liczb to etap realizowany przez matrycę i
urządzenia bezpośrednio z nią współpracujące. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych
realizujących przemieszczanie ładunków elektrycznych zgromadzonych w pikselach do układów
elektronicznych. Należy jednak pamiętać, że te, które omówimy w dzisiejszym odcinku, dotyczą
wyłącznie matryc typu CCD.

Warto tu przytoczyć analogię do rodzajów silników benzynowych. Są silniki z gaźnikiem, z
wtryskiem jedno- lub wielopunktowym, z turbodoładowaniem. Każdy z nich może mieć kilka
odmian. Wszystkie działają w oparciu o spalanie benzyny, stąd ich nazwa - benzynowe. Drugi typ
silników spalinowych to silniki wytwarzające energię mechaniczną w wyniku spalania oleju
napędowego. Ten typ silników również ma wiele odmian i modyfikacji, ale wszystkie stanowią
jeden typ - są silnikami Diesla.

Analogicznie wygląda sprawa matryc światłoczułych w aparatach fotograficznych. Stosowane są
dwa typy - CCD i CMOS. Różnią się technologią wykonania i szczegółami przetwarzania
zgromadzonego ładunku na liczby. Oba typy matryc realizują jednak to samo zadanie - rejestrują
padający na nie obraz fotografowanych obiektów. Piszemy o tej analogi tak obszernie, ale naszym
zdaniem to bardzo istotne, gdyż ogromna większość pytań czytelników dotyczących matryc brzmi:
"Które matryce są lepsze - CCD, czy CMOS?". Jest to pytanie, na które nie można dać
jednoznacznej odpowiedzi, tak jak na pytanie: "Który silnik jest lepszy - benzynowy, czy Diesel?".

Przesyłanie ładunków z pikseli do układów elektronicznych
Jedną z cech identyfikujących różne odmiany matryc typu CCD jest wspólny dla wszystkich pikseli
układ przetwarzania ładunków na napięcia i tych napięć na liczby. Proces ten nazywany jest
odczytem matrycy. W praktyce najczęściej stosowane są trzy systemy odczytu ładunku z matryc
CCD. Wiele terminów anglojęzycznych fotografii cyfrowej nie doczekało się jeszcze oficjalnie
zatwierdzonych nazw polskich. Będziemy w takich przypadkach posługiwać się nazwami
anglojęzycznymi, aby nie wprowadzać zamętu poprzez tworzenie polskiej terminologii ad hoc.

Frame transfer, czyli przenoszenie całego zarejestrowanego obrazu. Matryca składa się z dwóch
części, każda o tej samej liczbie pikseli. Po zarejestrowaniu obrazu ładunek ze wszystkich pikseli,
czyli odwzorowanie fotografowanego obiektu, zostaje przesunięty do pikseli magazynujących,
zasłoniętych przed światłem. Schematycznie przedstawia to rys. 1.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

30

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 1: schemat matrycy CCD typu "frame transfer"

Część górna, biała, to piksele wystawione na działanie światła, rejestrujące obraz. Część dolna to
piksele zasłonięte przed wpadającym do aparatu światłem, magazynujące przesunięte do nich
ładunki elektryczne. Przesunięcie wszystkich ładunków trwa około 0,5 ms, czyli 1/2000 część
sekundy. Niestety w tym czasie matryca jest wystawiona na działanie światła i następuje lekkie
rozmycie obrazu. Zanim ładunek przemieści się przez kolejne piksele aż do "schowania" się w
dolnej części, światło wpadające przez obiektyw wygeneruje trochę dodatkowych elektronów.
Przesuwanie ładunków realizują specjalne rejestry zintegrowane z matrycą.

Czas transferu ładunków jest jednak na tyle krótki, że dla większości zastosowań powstałe
zniekształcenia obrazu można uznać za nieistotne. Można też zastosować migawkę mechaniczną,
która po naświetleniu matrycy zasłoni ją na czas przesuwania ładunku do części dolnej. Taka
konstrukcja matrycy daje prawie 100 % współczynnik wypełnienia, o którym mowa w

5. części

naszego przewodnika.

Bardzo ładną animację odczytu typu "Frame transfer" można obejrzeć na stronach laboratorium

Optical Microscopy Division of the National High Magnetic Field Laboratory.

Full frame transfer, to rodzaj matryc CCD, w których ładunki elektryczne zgromadzone w
pikselach pod wpływem światła są przenoszone do elementów przetwarzających je na obraz bez
etapu składowania ich w obszarze zasłoniętym przed światłem. Schematycznie obrazuje to rys. 2.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

31

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 2: schemat działania matrycy CCD typu "full frame transfer"

Po naświetleniu matrycy ładunki z kolejnych wierszy pikseli są przesuwane w dół do rejestru
zaznaczonego kolorem niebieskim. To przesuwanie realizuje rejestr zaznaczony kolorem zielonym.
Nazwy tych rejestrów to: rejestr przesuwu pionowego - zielony, i przesuwu poziomego - niebieski.
Rejestr przesuwu poziomego przenosi ładunki do dalszych elementów aparatu cyfrowego, które nie
stanowią integralnej części matrycy CCD i będą omówione osobno.

W tym systemie odczytanie ładunków powstałych w trakcie robienia zdjęcia trwa znacznie dłużej,
niż w opisanym powyżej systemie "frame transfer". Dlatego w aparatach o takiej konstrukcji
matrycy konieczne jest zastosowanie migawki mechanicznej, która zasłoni matrycę na czas
odczytu. Matryca ma prawie 100 % współczynnik wypełnienia, podobnie jak w systemie "frame
transfer". Zapewnia to dużą czułość, gdyż prawie cała powierzchnia matrycy jest wykorzystana do
rejestracji natężenia padającego światła.

Animację tego systemu odczytu można obejrzeć na wspomnianych już stronach laboratorium

Optical Microscopy Division of the National High Magnetic Field Laboratory.

Interlinie transfer, co można przetłumaczyć jako przesuw międzyliniowy. Na rys.1 z

5. części

przewodnika

pokazano puste miejsce obok czynnej części piksela. To właśnie miejsce jest

wykorzystane do "zmagazynowania" ładunku zaraz po jego zgromadzeniu w trakcie ekspozycji.
Patrząc z góry na schemat takiej matrycy zobaczymy, że obok każdej kolumny pikseli
rejestrujących światło znajduje się kolumna do przechowywania ładunku elektrycznego, który
następnie jest odczytywany i przekazywany w celu przetworzenia go w zdjęcie.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

32

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 3: schemat matrycy CCD o architekturze odczytu zwanej "interline transfer"

Kolumny niebieskie oznaczają piksele odsłonięte dla padającego światła. Kolumny zielone -
piksele zasłonięte przed światłem i wykorzystywane dla przechowania ładunku na czas jego
transferu do elementów aparatu przetwarzających ładunki na obraz. Na rys. 3 zaznaczono kierunki
przemieszczania ładunków. Przeniesienie ładunków z pikseli rejestrujących do pikseli
magazynujących zajmuje około 1000 razy mniej czasu, niż w matrycach o architekturze "full frame
transfer", bo wymaga ich przesunięcia tylko o szerokość jednego piksela, podczas gdy w trybie
"full frame transfer" ładunki muszą zostać przeniesione na odległość równą liczbie wierszy
matrycy pomnożonej przez wysokość pojedynczego piksela. Przy tej metodzie odczytu nie jest w
ogóle potrzebna migawka mechaniczna. Czas przesuwania ładunków to rząd 1μs i nie ma obawy,
by w tak krótkim czasie nastąpiło znaczące zaburzenie liczby zgromadzonych na pikselu ładunków.

Parametry techniczne matryc

Czytelnicy zainteresowani szczegółowymi parametrami różnych typów matryc mogą je znaleźć

na

stronie internetowej Kodaka.

Dla wygody czytelnika wyjaśniamy znaczenie poszczególnych nazw z tabelek.

Full frame CCD - wiemy już, co to znaczy.

Pixel count - to liczba pikseli w kierunku poziomym (H) i pionowym (V).

Pixel size - wymiary piksela.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

33

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Optical Fill Factor - współczynnik wypełnienia; wiemy już, co to jest.

Saturation signal - to liczba elektronów, która "zapełnia" piksel. Dalsze naświetlanie nie przekłada
się już na przyrost tej liczby, a może jedynie dawać efekty zniekształcające zdjęcie. Nowoczesne
konstrukcje matryc są zabezpieczone przed takim "przepełnieniem" piksela elektronami.
"Nadwyżka" jest odprowadzana i neutralizowana w obudowie matrycy.

Output Sensitivity - czyli czułość wyjściowa, to wielkość napięcia jaką uzyskuje się z
wygenerowanego w pikselu 1 elektronu. Ma ona wartość rzędu 10 μV/elektron. Łatwo przeliczyć,
że przy zgromadzenie w pikselu około 50 tys. elektronów (typowa maksymalna liczba elektronów
mieszcząca się w pikselu) napięcie uzyskane z tego piksela bez wzmacniania wyniesie około 0,5 V,
czyli wartość łatwą do mierzenia czy przetwarzania przez inne układy elektroniczne.

Dark Current (25 C, Accumulation Mode) - prąd wytwarzany w fotodiodzie przy braku
oświetlenia, w trybie rejestracji obrazu. Polska nazwa - prąd ciemny. 25° C oznacza temperaturę, w
której wyznaczono ten parametr. Prąd ten ma wartość rzędu kilku p/A cm

2

(przedrostek piko

oznacza 10

-12

, czyli jeden podzielone przez tysiąc miliardów!). To jest prąd, jaki generowałby

samoistnie piksel o powierzchni 1 cm

2

. Powierzchnia czynna jednego piksela to mniej niż 10

-6

cm

2

,

czyli prąd ciemny jednego piksela jest przynajmniej milion razy słabszy. Z punktu widzenia życia
codziennego to bardzo mała wartość natężenia prądu. Stuwatowa żarówka pobiera około 0,4 A,
czyli około 10

18

razy więcej. Prąd ciemny decyduje o szumach widocznych na zdjęciu.

Dark Current Doubling Rate - przyrost temperatury, który wywołuje podwojenie się prądu
ciemnego. Mieści się zakresie od 5° C do 10° C. Ten parametr wyjaśnia, dlaczego w aparatach dla
celów specjalnych, np. w astronomii, chłodzi się matryce do temperatur ciekłego azotu (-196° C).
Pozwala to na stosowanie bardzo długich czasów naświetlania bez obawy zaszumienia zdjęcia
prądem ciemnym matrycy.

Dynamic Range (Sat Sig/Dark Noise) - dynamika piksela, czyli stosunek liczby elektronów przy
nasyceniu do liczby elektronów wyzwalanych samorzutnie przez nieoświetloną fotodiodę. Ten
parametr informuje nas, jaka będzie maksymalna rozpiętość odcieni jasności, którą rozróżnimy na
zdjęciu wykonanym aparatem z taką matrycą. Dynamika podawana jest w decybelach i dla matryc
CCD wynosi około 80 dB. Nie wnikając w definicję decybeli, 80 dB oznacza, że stosunek jasności
rejestrowanych przez piksel wynosi 1:10000.

Quantum Efficiency (450, 550, 650 nm) - wydajność kwantowa dla długości fal świetlnych
podanych w nawiasach. Odpowiada to kolorom - niebieskiemu, zielonemu i czerwonemu. To
bardzo wyszukany parametr, który ma znaczenie dla zastosowań matryc w przyrządach
naukowych. Nie będziemy więc tu za dużo o nim pisać. Wydajność podawana jest w procentach.
Pojęcie to zostało objaśnione w

5. części naszego przewodnika.

Istnieje wiele modyfikacji konstrukcyjnych matryc CCD, charakteryzujących się różnym kształtem
pikseli i ich rozmieszczeniem w matrycy. Zasada ich działania i odczytu jest jednak zawsze taka
sama. W następnym rozdziale tego artykułu opiszemy matryce typu CMOS, a następnie zrobimy
ich porównanie.

Szersze omówienie przedstawionych problemów można znaleźć w monografii Image Sensors and
Signal Processing for Digital Still Camera pod redakcją Junichiego Nakamury wydanej przez
wydawnictwo Taylor & Francis (Londyn 2006).

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

34

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

cz. 7

ABC fotografii cyfrowej cz. 7 - Matryce światłoczułe CMOS W siódmej części naszego cyklu
opisujemy szczegółowo zasadę działania matryc CMOS. Omawiamy podstawowe różnice
między przetwornikami typu CMOS i CCD oraz zastanawiamy się, które rozwiązanie
zasługuje na miano lepszego. Zapraszamy!

1. Matryce CMOS

CMOS to pierwsze litery nazwy Complementary Metal Oxide Semiconductor, która oznacza pewną
technologię wykonania elementów półprzewodnikowych, charakteryzującą się niższym napięciem
zasilania, mniejszym poborem mocy i większą odpornością na zakłócenia (w porównaniu z
elementami matryc CCD). Najistotniejszą cechą matryc CMOS, odróżniającą je od sensorów CCD,
jest jednak ich architektura, a dopiero potem technologia wytwarzania zastosowanych elementów
półprzewodnikowych.

W matrycach CMOS każdy piksel jest zintegrowany z przetwornikiem ładunku elektrycznego na
napięcie i wzmacniaczem tego napięcia. Taka architektura eliminuje szumy wnoszone w matrycy
CCD w trakcie przemieszczania ładunków do wspólnego dla wszystkich pikseli układu
przetwarzania ich na napięcie.

Każdy piksel ma swój adres (x, y), określający jego położenie w matrycy CMOS. Pozwala to nie
tylko na odczytywanie pikseli w dowolnej kolejności, ale też dowolnej ich liczby. Daje to
możliwość łatwego odczytu fragmentu obrazu (ang. windowing, co można przetłumaczyć jako
"okienkowanie"). Z matrycą CMOS jest na ogół zintegrowany dodatkowy wzmacniacz napięcia i
przetwornik analogowo-cyfrowy, więc faktycznie odczytujemy z przetwornika od razu liczby
reprezentujące jasność poszczególnych pikseli. Te elementy dają matrycom CMOS przewagę nad
sensorami CCD jeżeli chodzi o szybkość działania i elastyczność odczytu. CMOS to jednak nie
same zalety.

Fotodiody wykonane w technologii CMOS mają mniejszą czułość (w przeliczeniu na jednostkę
powierzchni) i większy prąd ciemny, który przejawia się jako szum na zdjęciach z długimi czasami
ekspozycji. Mniejszą czułość fotodiod rekompensuje się stosowaniem w matrycach CMOS pikseli
o większej powierzchni, co jednak wymaga większych rozmiarów całego sensora. Dlatego CMOS-
y są stosowane głównie w lustrzankach o dużych wymiarach przetwornika. Dużych, czyli formatu
zbliżonego do małego obrazka lub wręcz pełnoklatkowych (24x36 mm).

Jeżeli większość aparatów kompaktowych ma matryce CCD o symbolu 1/1,8", co odpowiada
wymiarom około 5,3x7,2 mm, to matryce CMOS stosowane w popularnych lustrzankach mają
symbol APS, któremu odpowiadają rozmiary od około 14x21 mm do 16x24 mm. Powierzchnia
matrycy formatu APS jest więc około 8 razy większa od powierzchni matrycy 1/1,8". Niestety
część tej powierzchni zajmują układy elektroniczne zintegrowane z każdym pikselem. Dlatego też
współczynnik wypełnienia piksela jest mniejszy niż w matrycach CCD. Na wszelki wypadek
przypomnijmy - współczynnik wypełnienia to stosunek powierzchni całego piksela do powierzchni
wystawionej na działanie światła.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

35

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

schematyczne przedstawienie przekroju poprzecznego matrycy typu CMOS

Porównując powyższy rysunek z pierwszą ilustracją z

5. części naszego poradnika

widzimy

dodatkowe zielone prostokąty, które symbolizują układ elektroniczny konwersji ładunku na
napięcie i wzmacniacz tego napięcia. Zintegrowanie z fotodiodą przetwornika ładunku na napięcie i
odczytywanie tego napięcia w systemie adresowym (x, y) jest najistotniejszym wyróżnikiem
matryc CMOS w odniesieniu do sensorów CCD. Taka architektura znacząco skraca czas odczytu
całej matrycy, gdyż przetwarzanie ładunków na napięcie odbywa się równocześnie dla wszystkich
pikseli, podczas gdy w matrycy CCD ładunki z każdego piksela doprowadzane są po kolei do
jednego układu przetwarzającego.

Konstrukcja matryc CMOS ma jednak pewną wadę. Z technologicznego punktu widzenia nie da się
wytworzyć kilku czy kilkunastu milionów idealnie jednakowych układów zamieniających ładunek
na napięcie. Tak więc przy równym naświetleniu całej matrycy CMOS z każdego piksela
odczytamy nieco inne napięcie, co objawi się na zdjęciu jako szum. Ten mankament można jednak
łatwo usunąć odpowiednią funkcją programu zapisanego w aparacie. Bezpośrednio po wykonaniu
zdjęcia aparat wykonuje drugie, przy zamkniętej migawce mechanicznej. Od napięć
reprezentujących zdjęcie obiektu program w aparacie fotograficznym odejmuje napięcia
reprezentujące "zdjęcie" z zamkniętą migawką. W ten sposób eliminuje się zarówno szumy
pochodzące od nierównomiernego wzmacniania sygnału przy poszczególnych pikselach, jak i
szumy pochodzące od prądu ciemnego.

2. Migawka elektroniczna w matrycy CMOS

Możliwość sterowania resetowaniem pikseli, czyli zerowaniem zebranego na nich ładunku, oraz
procesem zbierania ładunku pod wpływem światła pozwala na stosowanie "elektronicznej
migawki". Nie wnikając w szczegóły wygląda to tak:

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

36

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

•

odpowiednimi impulsami elektrycznymi resetujemy ładunek zgromadzony w pikselach,

•

odczekujemy ustalony programem czas, np. 1/125 s,

•

dokonujemy odczytu ładunków zgromadzonych na matrycy.

Otrzymujemy w ten sposób zdjęcie z czasem ekspozycji 1/125 s. Oczywiście dla jasności przekazu
pominęliśmy w tym opisie proces ustawiania innych parametrów wymaganych dla otrzymania
zdjęcia poprawnego technicznie.

Wykorzystanie potencjału cyfrowego aparatu fotograficznego, jak choćby wspomnianej już
kompensacji szumów, wymaga jednak zastosowania migawki mechanicznej. Połączenie obu typów
migawek zwiększa możliwości aparatu cyfrowego ponad te osiągalne w aparatach analogowych.

matryca CMOS aparatu Canon EOS 5D

3. Która matryca lepsza - CCD czy CMOS?

To standardowe pytanie większości fotoamatorów, na które nie ma niestety jednoznacznej
odpowiedzi. Historycznie rzecz biorąc (czyli sięgając do początku lat 90.), matryce CCD były
zdecydowanie lepsze. Miały większą czułość i mniejsze szumy, a są to parametry decydujące o
jakości otrzymywanego zdjęcia. W chwili obecnej matryce CMOS zaczynają dominować w
aparatach wysokiej klasy. Stosowanie sensorów o większej powierzchni pikseli zapewnia dużą
czułość i dynamikę, czyli maksymalną różnicę jasności rejestrowanych przez matrycę. Większy
prąd ciemny piksela CMOS jest kompensowany brakiem szumów związanych z przesuwaniem
ładunków do elementów odczytujących w matrycach CCD. Matryce CMOS zużywają mniej mocy,
co daje wydłużenie czasu pracy całego aparatu z jednego naładowania akumulatorów.

Odczytywanie pikseli CMOS w schemacie adresowym (x, y) daje ogromne możliwości
programowej kontroli jakości obrazu. Wspomniane już okienkowanie, czyli odczytywanie
wybranego fragmentu obrazu zarejestrowanego na matrycy, pozwala na znaczne przyspieszenie
wykonania sekwencji kilku lub nawet kilkunastu zdjęć, co może być bardzo przydatne w pewnych
okolicznościach.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

37

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Metodą okienkowania możemy zarejestrować zdjęcie o mniejszej rozdzielczości, wczytując np. co
któryś piksel, ale możemy też zapisać mały fragment dużego zdjęcia. Co więcej, może to być
fragment o dowolnych wymiarach i wzięty z dowolnego kawałka oryginalnego zdjęcia.
Okienkowanie pozwala bardzo łatwo i szybko realizować ustawiane ostrości metodą
maksymalizacji kontrastu. Wczytujemy bowiem do pamięci procesora małe fragmenty obrazu (te
potrzebne do analizy kontrastu), a nie cały obraz, by następnie wybrać z niego potrzebne nam
fragmenty.

Taki system odczytywania pozwala także łatwo sumować ładunki z kilku sąsiednich pikseli.
Obniża to wprawdzie rozdzielczość, ale zwiększa czułość, co jest bardzo przydatne przy
fotografowaniu w słabym świetle. Mamy bowiem do czynienia z podwyższaniem czułości bez
zwiększania poziomu szumów. Konwencjonalne zwiększanie czułości w aparacie cyfrowym polega
na zwiększaniu wzmocnienia napięcia uzyskanego z piksela przed podaniem go na przetwornik
analogowo-cyfrowy. Wzmacnianie takie wnosi szumy, analogicznie jak przy wzmacnianiu
sygnałów akustycznych.

Przeglądając dane katalogowe fotograficznych aparatów cyfrowych zauważymy, że matryce typu
CCD są stosowane zarówno w aparatach kompaktowych, jak i w lustrzankach średniej klasy.
Zestawienie kilku modeli aparatów różnych producentów pokazuje, że w lustrzankach stosowane
są oba typy matryc. W nawiasach podano rozdzielczość matrycy i jej wymiary.

Aparaty z matrycami typu CMOS:

•

Canon EOS 400D (10,1 Mp, 22,1x14,8 mm)

•

Canon EOS 1D Mark II N (8,2 Mp, 28,7x19,1 mm)

•

Nikon D2Xs (12,2 Mp, 23,7x15,7 mm)

Aparaty z matrycami typu CCD:

•

Nikon D40 (6 Mp, 23,7x15,5 mm)

•

Nikon D80 (10 Mp, 23,6x15,8 mm)

•

Pentax K10D (10 Mp, 23,5x15,7 mm)

Matryce typu CMOS są w zasadzie stosowane jedynie w lustrzankach wyższej i najwyższej klasy.
W tych ostatnich montowane są matryce CMOS wyselekcjonowane spośród wielu
wyprodukowanych w danej serii. Dwukrotna nieraz różnica ceny między aparatami cyfrowymi o
prawie takich samych parametrach wynika z faktu, że ten droższy ma matrycę wybraną spośród X
sztuk otrzymanych w produkcji masowej. Iks z poprzedniego zdania to nie pomyłka. Producenci
nie podają takich informacji do publicznej wiadomości.

Obok drogich lustrzanek matryce CMOS są też montowane w aparatach fotograficznych
zintegrowanych z telefonami komórkowymi. Matryce te zużywają kilkakrotnie mniej energii
elektrycznej niż sensory CCD i właśnie ten czynnik decyduje montowaniu ich w komórkach.
Stosuje się w nich przetworniki o mniejszej rozdzielczości niż w "klasycznych" aparatach
cyfrowych, ale są już komórki z aparatem o rozdzielczościach powyżej 3 MP, czyli znacznie
większych niż w pierwszych cyfrówkach dostępnych w handlu.

Reasumując, oba typy matryc mają swoje za i przeciw, a wybór aparatu z taką czy inną matrycą
zależy właściwie od naszych możliwości finansowych.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

38

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

4. Matryca CMOS Foveon X3
Jest to specjalna odmiana matryc wykonanych w technologii CMOS wyróżniająca się inną metodą
otrzymywania kolorów, niż stosowanie filtru Bayera. Budowa i zasada działania matrycy Foveon
X3 jest na tyle różna od "klasycznych" matryc CMOS, że wymaga osobnego artykułu.

Szersze omówienie przedstawionych problemów można znaleźć w książce Image Sensors and
Signal Processing for Digital Still Camera pod redakcją Junichiego Nakamury wydanej przez
wydawnictwo Taylor & Francis (Londyn 2006).

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.

cz. 8

ABC fotografii cyfrowej cz. 8 - Autofocus cz. 1 W dzisiejszym odcinku naszego ABC
zajmujemy się tematem wykraczającym poza fotografię cyfrową. W pierwszej części
materiału poświęconego systemom automatycznego ustawiania ostrości omawiamy różnicę
między metodami pasywnymi i aktywnymi oraz wyjaśniamy szczegółowo zasadę działania
autofocusa opartego na detekcji kontrastu. Zapraszamy!

Autofocus, czyli automatyczne ustawianie ostrości na fotografowany obiekt, to jeden z
najtrudniejszych problemów fotografii, nie tylko cyfrowej. Równocześnie jest to bodaj
najważniejszy parametr niezbędny do uzyskania poprawnego technicznie zdjęcia. Obróbka w
komputerze pozwala na rozjaśnianie, przyciemnianie, zmianę kontrastu, zmianę nasycenia kolorów
i wykonanie wielu innych korekt, ale ze zdjęciem nieostrym nie można praktycznie nic zrobić.
Programowe "poprawianie" ostrości to nic innego jak zwiększanie kontrastu, dające jedynie
optyczne złudzenie poprawy ostrości.

Przypomnijmy warunki powstania ostrego obrazu na kliszy, filmie czy matrycy.
Dla jasności rozważań omówimy aparat z obiektywem jednosoczewkowym. W latach 20.
poprzedniego wieku taki zestaw wystarczał do zrobienia zdjęcia. Schemat takiego zestawu na
poniższej ilustracji.

rys. 1 - schemat budowy aparatu z jednosoczewkowym obiektywem

Warunkiem powstania ostrego obrazu na matrycy jest spełnienie równania 1/x + 1/y = 1/F, w
którym F jest ogniskową obiektywu. Przyjmując stałą odległość obiektywu od fotografowanego
przedmiotu (x ), ostrość ustawiamy regulując y, czyli odległość obiektywu od matrycy. Obiektyw
aparatu to kilka do kilkunastu odpowiednio pogrupowanych soczewek, ale do naszych rozważań

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

39

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

model z rys.1 jest lepszy, gdyż prostszy do zrozumienia. Dalszy opis automatycznego ustawiania
ostrości, czyli funkcji autofocusa, ograniczymy do aparatów cyfrowych, aby nie wprowadzać
zbędnych wątków rozpraszających uwagę czytelnika.

Istnieją dwa podstawowe typy autofocusa:

•

aktywny

•

pasywny

AUTOFOCUS AKTYWNY
To taki system ustawiania ostrości, w którym aparat jest źródłem sygnału mierzącego odległość od
fotografowanego obiektu. Sygnałem tym może być wiązka promieniowania podczerwonego lub
fala ultradźwiękowa. Aparat wysyła sygnał, który odbija się od fotografowanego obiektu i wraca do
aparatu. Procesor rejestruje czas mijający od wysłania do powrotu i ze wzoru na drogę w ruchu
jednostajnym (S = v * t droga równa się prędkość pomnożona przez czas trwania ruchu) oblicza x z
rys.1, które jest równe połowie drogi przebytej przez sygnał pomiarowy (od aparatu do obiektu i z
powrotem), czyli x = S / 2. Procesor aparatu znając odległość x i aktualną długość ogniskowej F,
wylicza y i ustawia obiektyw w takiej właśnie odległości od matrycy, co zapewnia ostrość obrazu.
W tym systemie aparat mierzy odległość na tej samej zasadzie co radar, ale nie wykorzystuje do
tego mikrofal (czyli fal radiowych o długości rzędu centymetra), a najczęściej ultradźwięki lub
światło podczerwone.

UWAGA. Lampka wspomagająca system automatycznego ustawiania ostrości montowana w
większości cyfrowych aparatów kompaktowych nie ma nic wspólnego z aktywnym autofocusem, o
czym napiszemy w drugiej części niniejszego artykułu.

Aparaty, w których zastosowano aktywny autofocus, należą już teraz do rzadkości, nie będziemy
więc zajmować się szczegółami rozwiązań technicznych tej metody.

AUTOFOCUS PASYWNY
Poprawniej po polsku byłoby używać nazwy "autofocus bierny", ale określenie "pasywny" jest
powszechnie przyjęte, nie będziemy więc tworzyć własnego słownictwa. Ten system ustawiania
ostrości ma dwie odmiany. Jedna polega na takim ustawieniu odległości obiektywu od matrycy (y),
by uzyskać największy kontrast obrazu. Druga odmiana pasywnego autofocusa to pomiar
odległości od aparatu do fotografowanego obiektu metodami wykorzystującymi zasady triangulacji
(o czym szczegółowo napiszemy za tydzień). Metoda maksymalizacji kontrastu jest najczęściej
stosowana w aparatach kompaktowych, czyli tych najpopularniejszych i dlatego omówimy ją na
początku.

Kontrastowe ustawianie ostrości
Zdjęcie zamieszczone poniżej doskonale demonstruje zagadnienie głębi ostrości, ale zwróćmy
uwagę na inny jego aspekt.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

40

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Elementy nieostre na powyższym zdjęciu są mało kontrastowe. Im większa ostrość, tym bardziej
kontrastowy jest obraz i ta zależność jest wykorzystywana do automatycznego ustawiania ostrości.
Schemat działania autofokusa w tym systemie najlepiej wyjaśnić poprzez opis kolejnych etapów
ustawiania ostrości.

1. Kierujemy aparat w stronę fotografowanego obiektu.
2. Procesor wczytuje wybrany fragment zdjęcia.
3. Odpowiedni program analizuje ten fragment, szukając obszarów, które możliwie mocno

różnią się jasnością lub barwą.

4. Procesor zapisuje w pamięci położenie znalezionych obszarów i różnicę ich jasności.
5. Program ustawiania ostrości zmienia nieco odległość obiektywu od matrycy, np. zwiększa

ją.

6. Procesor wczytuje ponownie wybrany fragment zdjęcia i analizuje kontrast obszarów

zapamiętanych w punkcie 4.

7. Jeżeli kontrast jest teraz większy, to program ustawiania ostrości ponownie zwiększa

odległość obiektywu od matrycy.

8. Jeżeli po zwiększeniu odległości obiektywu od matrycy kontrast wybranych do analizy

punktów zmniejszy się, program zaczyna zmniejszać tę odległość.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

41

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Taką metodą kolejnych zmian położenia obiektywu względem matrycy, wykonywanych coraz
mniejszymi krokami, program ustawia obiektyw w położeniu dającym największy kontrast, co jest
równoznaczne z najlepiej ustawioną ostrością. Omówmy kolejne etapy tego procesu nieco
dokładniej.

Punkt 2. jest w praktyce wczytywaniem nie jednego, ale nawet kilkunastu fragmentów obrazu
wytworzonego na matrycy. W lepszych aparatach możemy wybrać tryb pracy autofocusa ciągły lub
pojedynczy. W trybie ciągłym system AF cały czas pracuje, analizując fragmenty obiektów, na
które jest skierowany, i w momencie naciśnięcia spustu migawki mamy już ostrość ustawioną. W
trybie pracy pojedynczej ostrość zaczyna być ustawiana dopiero po wciśnięciu spustu do połowy.
Tryb pojedynczy charakteryzuje się więc pewnym opóźnieniem między naciśnięciem przycisku a
zrobieniem zdjęcia. Jeżeli w tym trybie naciśniemy spust migawki do końca, zdjęcie i tak zostanie
wykonane dopiero po ustawieniu ostrości, co może trwać zauważalny ułamek sekundy. Tryb ciągły
nie ma tego opóźnienia, ale powoduje szybsze zużycie akumulatorów i ruchomych części
obiektywu, które cały czas przystosowują położenie obiektywu do otrzymania najlepszej ostrości
widzianej przez aparat sceny.

W punkcie 3. analizowany jest kontrast wszystkich wczytanych fragmentów zdjęcia. Odpowiednie
programy zapisane w pamięci procesora wyznaczają wypadkowy kontrast, będący bardzo
skomplikowaną funkcją położenia poszczególnych fragmentów branych do analizy.

System pracy autofocusa oparty na ustawianiu największego kontrastu daje bardzo dokładne
ustawienie ostrości, ale działa dość wolno, szczególnie w aparatach kompaktowych z jedną matrycą
światłoczułą, służącą zarówno do rejestracji zdjęcia, jak i do ustawiania ostrości oraz pomiaru
ekspozycji. W lustrzankach montowane są dodatkowe małe matryce systemów AF
wykorzystujących metodę największego kontrastu. Zwiększa to szybkość działania, ale ma pewną
wadę. Pozycja tej dodatkowej matrycy musi być dobrana z dokładnością do tysięcznych części
milimetra, a jej minimalne przemieszczenie w stosunku do matrycy rejestrującej zdjęcia powoduje
nieprawidłowe ustawienie ostrości. Obraz będzie wtedy ostry na tej dodatkowej matrycy, a nieco
rozmyty na głównej, rejestrującej zdjęcie. Nietrudno o takie przemieszczenie matryc względem
siebie choćby w wyniku upadku aparatu na ziemię. Warto o tym pamiętać, ponieważ usterka ta
może być zauważalna dopiero na nieostrych zdjęciach.

Przypomnimy, że rys. 1 jest ogromnym uproszczeniem, a obiektyw nawet najtańszego
kompaktowego aparatu składa się z przynajmniej kilku soczewek.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

42

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

AF-S VR Zoom-Nikkor 70-300 mm f/4.5-5.6G IF-ED

schemat budowy obiektywu AF-S VR Zoom-Nikkor 70-300 mm f/4.5-5.6G IF-ED

Ustawianie ostrości nie polega na zmianie odległości całego obiektywu od matrycy, ale na
przesuwaniu pewnej grupy soczewek w obrębie jego obudowy. Za tę czynność odpowiada silniczek
elektryczny, w nowszych obiektywach jest to silnik ultradźwiękowy (np. Canon oznacza go
symbolem USM, z ang. UltraSound Motor). Jest to urządzenie wykorzystujące drgania o

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

43

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

częstotliwościach powyżej 20 kHz, czyli niesłyszalne dla człowieka. Odpowiedni mechanizm
zamienia te drgania na ruch postępowy, przesuwający soczewki.

Pasywna metoda ustawiania ostrości jest skuteczna podczas fotografowania przez szybę, np.
samochodu. Przezroczyste przedmioty na drodze obiekt fotografowany - aparat nie zakłócają pracy
takiego systemu. W metodach aktywnych, opartych na pomiarze czasu przebiegu sygnału
wysłanego z aparatu, czas ten jest zmieniany przez przeszkody, co prowadzi do wyznaczenia
błędnej odległości do obiektu.

Kontrastowe ustawianie ostrości - szczegóły
W aparatach kompaktowych do wyznaczania kontrastu wybierany jest wąski, poziomy wycinek
zdjęcia. Wycinków takich może być branych pod uwagę kilka, ale są one usytuowane poziomo i
procesor porównuje jasność kolejnych pikseli "przeglądając" je z lewa na prawo lub z prawa na
lewo. Ta informacja ma duże znaczenie praktyczne. Procesor znajduje bowiem kontrast i ustawia
ostrość na krawędzie pionowe znajdujące się w polu widzenia aparatu. Jeżeli fotografujemy obiekt
mający wyłącznie krawędzie poziome, to autofocus tego typu może nie zadziałać. Demonstrujemy
to kilkoma zdjęciami kolorowego paska papieru naklejonego na dużą białą powierzchnię.

fot. 1 - Zdjęcie czerwonego paska papieru. Ramka pokazuje fragment brany do ustawiania

kontrastu a tym samym ostrości. Brak pionowych krawędzi w obszarze tej ramki powoduje, że

autofocus nie potrafił ustawić ostrości.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

44

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

fot. 2 - Fragment fot. 1 wykorzystywany, bez sukcesu, do ustawienia ostrości.

fot. 3 - Zdjęcie czerwonego paska papieru. Ramka pokazuje fragment wykorzystywany do

ustawiania kontrastu a tym samym ostrości. Obecność pionowej krawędzi umożliwiła systemowi

AF ustawienie ostrości.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

45

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

fot. 4 - Fragment zdjęcia z fot. 3 przed i po ustawieniu ostrości przez autofocus. Ustawienie

obiektywu zostało tak dobrane, by kontrast na pionowej krawędzi czerwonego paska był

największy.

Na tym zakończymy I część artykułu, w której umieściliśmy przede wszystkim opis ustawiania
ostrości metodą maksymalizacji kontrastu. Szczegóły rozwiązań technicznych i algorytmów
(przepisów obliczeniowych) tej metody są bardzo skomplikowane, a ich znajomość potrzebna
jedynie konstruktorom aparatów. Poza tym takie informacje są bardzo pilnie strzeżoną tajemnicą
producentów, gdyż skrócenie czasu ustawiania ostrości choćby o kilka setnych części sekundy to
zwiększenie konkurencyjności danego modelu.

W drugiej części artykułu omówimy najczęściej stosowane systemy automatycznego ustawiania
ostrości oparte, w mniejszym lub większym stopniu, na metodzie triangulacji oraz metody
hybrydowe, w których do szybkiego i precyzyjnego ustawiania ostrości wykorzystuje się zarówno
maksymalizację kontrastu, jak i triangulacyjny pomiar odległości aparatu do fotografowanego
obiektu. Zapraszamy!

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.

cz. 9

ABC fotografii cyfrowej cz. 9 - Autofocus cz. 2 W dziewiątym odcinku naszej serii opisujemy
dokładnie bardziej zaawansowane metody pracy systemu automatycznego ustawiania ostrości
oraz przedstawimy ich podstawy teoretyczne.

Metody autofokusa oparte o zasadę triangulacji
Triangulacja to metoda stosowana w geodezji do mierzenia dużych powierzchni, polegająca na
pokryciu mierzonego obszaru siecią trójkątów. Nieco inna definicja mówi, że jest to metoda
wyznaczania współrzędnych punktów geodezyjnych w terenie za pomocą układów trójkątów
tworzących sieć triangulacyjną. W literaturze fachowej dotyczącej fotografii używany jest czasami
termin "metody triangulacyjne pomiaru odległości" ale nie jest to zbyt szczęśliwie dobrane
słownictwo. Triangulacja jest, we wszystkich słownikach i encyklopediach, opisywana jako metoda
stosowana w geodezji do pomiarów powierzchni.

Pojedynczym krokiem realizującym triangulację jest wyznaczanie współrzędnych punktu C, na

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

46

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

podstawie znajomości współrzędnych punktów A i B oraz odpowiednich kątów. Ten etap
triangulacji jest tym co wykorzystuje się dla ustawiania ostrości w aparacie fotograficznym.
Wyjaśnimy to na rysunku.

rys. 2: zasada pomiaru odległości metodą triangulacji

Z dwóch punktów A i B odległych o d, mierzymy kąty α (alfa) i β (beta) do punktu C. Znajomość
trygonometrii pozwala wyliczyć odległość x od punktu C do odcinka łączącego punkty obserwacji.
Oznaczyliśmy tę odległość przez x, gdyż w naszych rozważaniach jest to odległość od aparatu do
fotografowanego obiektu na rys.1 w

części 1.

tego artykułu. Wynik pomiaru jest tym

dokładniejszy, im większa jest długość odcinka d, zwanego bazą. Taka metoda pomiaru odległości
do obiektu fotografowanego stosowana jest w aparatach tzw. dalmierzowych.

Do aparatu wpadają promienie świetlne przez dwa oddalone od siebie punkty. Nie mierzymy kątów
i nie wykonujemy obliczeń, lecz obracając pierścieniem ustawiania ostrości, sprzężonym z
odpowiednio usytuowanymi zwierciadłami lub pryzmatami, "zgrywamy" położenie dwóch
kawałków obrazu widocznych w celowniku. To zgrywanie polega na poprawnym ustawieniu
przesuniętych względem siebie fragmentów obrazu.

Metoda ustawiania ostrości z bezpośrednim wykorzystaniem zasady z rys. 2 jest rzadko stosowana
w aparatach cyfrowych, nie będziemy więc opisywać jej szczegółowych rozwiązań.

W przypadku aparatów fotograficznych nie interesują nas wartości kątów α (alfa) i β (beta) a
jedynie takie ustawienie obiektywu, aby jego odległość y z rys.1. od matrycy spełniała równanie:

1/x +1/y = 1/F

zapewniając ostre odwzorowanie punktów odległych o x od aparatu. Istnieją dziesiątki o ile nie
setki rozwiązań technicznych opartych na wykorzystaniu idei pomiaru odległości x przedstawionej
na rys.2.

W przypadku lustrzanek, w których metody te są stosowane, bazę do pomiaru stanowi średnica
otworu obiektywu. Światło wpadające przez lewy i prawy skraj obiektywu rozdzielane jest

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

47

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

układem półprzeźroczystych lusterek lub pryzmatów i kierowane jest na dwie małe matryce
światłoczułe. Może to być też jedna nieco większa matryca. Idea jest taka, by osobno rejestrować
obraz wytworzony przez skrajne części obiektywu. Odległość d z rys.2 to w przybliżeniu średnica
otworu obiektywu. Wszystkie metody pomiaru odległości do fotografowanego obiektu oparte o
opisaną tu ideę rejestrowania obrazów wytworzonych przez promienie wchodzące do aparatu przez
skrajne obszary obiektywu nazywane są metodami detekcji fazy, czy dokładniej ? detekcji różnicy
fazy. Czym w takim razie jest ta faza? Wyjaśnimy to w oparciu o rys.3.

rys.3: wyjaśnienie pojęcia fazy i różnicy faz rozchodzących się fal świetlnych

Część A to schemat fali świetlnej rozchodzącej się w kierunku x. Długość fali λ (lambda)
zaznaczono czarnym odcinkiem zakończonym strzałkami. Długości fal światła widzialnego leżą w
przedziale od około 400 nm do 700 nm, co w przeliczeniu na milimetry (bardziej przemawiające do
naszej wyobraźni) wynosi od 0,0004 mm do 0,0007 mm. A więc są to bardzo krótkie, z punktu
widzenia człowieka, odcinki. Światło to fala elektromagnetyczna ale za efekty widziane przez
człowieka odpowiadają drgania pola elektrycznego. Drgania te odbywają się prostopadle do
kierunku rozchodzenia się światła, co symbolizuje zielona strzałka. Fazą fali nazywamy aktualne
wychylenie drgającego pola elektrycznego. Nie jest to precyzyjna definicja fazy ale nie jest nam
potrzebna dokładniejsza. Bardziej potrzebnym dla naszych rozważań pojęciem jest różnica faz.

Część B i C rys.3 przedstawia dwie wiązki światła, które wyszły z tego samego punktu w tym
samym czasie ale do momentu uwidocznionego na rysunku przebyły nieco różne odległości. Ta
różnica przebytych dróg wynosi tutaj 1/4 długości fali i zaznaczona jest na rys. 3 odcinkiem koloru
fioletowego. Mówimy, że fale te mają różnicę faz 1/4 λ (lambda). Odpowiednie urządzenia
optyczne pozwalają mierzyć tak maleńkie odległości, czyli różnice faz dwóch wiązek światła. I na
pomiarze takiego przesunięcia fazowego między światłem wpadającym przez skrajne części
obiektywu oparte są metody wyznaczania odległości obiektu fotografowanego od aparatu.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

48

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Autofokus oparty o detekcję różnicy faz
Spójrzmy na rys. 2. Odległość x można wyznaczyć nie tylko ze znajomości długości bazy d i kątów
α (alfa) i β (beta) ale także znając różnice długości odcinków CA i CB i jeden z kątów. Nie
wnikając w skomplikowane wzory trygonometrii, metod wyznaczania odległości d jest wiele.

Punkty A i B z rys. 3 to, w przypadku lustrzanki, skrajne części otworu obiektywu, przez które
wpadają promienie światła odbite od fotografowanego obiektu. Wyznaczenie odległości x ze
znajomości różnicy dróg przebytych przez te promienie i z położenia obrazów wytworzonych przez
skrajne części obiektywu wymaga dość zawiłych obliczeń trygonometrycznych, ale wykonanie
takowych przez program zapisany w pamięci procesora aparatu to absolutnie żaden problem.
Zwróćmy uwagę na fakt, że te różnice przebytych dróg są bardzo małe, ze względu na małą
długość "bazy" d, czyli średnicy obiektywu w stosunku do typowej odległości fotografowanych
obiektów. Różnica ta jest najczęściej mniejsza od długości fali światła i dlatego mówi się o
pomiarze różnicy faz.

Metody wyznaczania odległości i ustawiania ostrości oparte na tej zasadzie noszą ogólną nazwę
metod detekcji fazy. Szczegółowych rozwiązań, zgłoszonych jako patenty, jest kilkaset. Różnią się
one tak drobnymi szczegółami, że autor tego artykułu czytając kilkanaście, z wielu setek opisów
patentowych, nie był w stanie zauważyć czym one się różnią. Co więcej, producenci aparatów
fotograficznych raczej nie patentują swoich rozwiązań a trzymają je w ścisłej tajemnicy. To
pewniejsza metoda walki z konkurencją, niż zgłaszanie patentu i śledzenie, czy ktoś nie korzysta z
tego rozwiązania bez wnoszenia opłat. Dla najbardziej nawet zaawansowanego fotografa
profesjonalisty nie mają żadnego znaczenia takie, czy inne szczegóły rozwiązań. Podsumujemy
więc metodę autofokusa metodą detekcji fazy, jak powszechnie jest nazywana.

Odpowiedni układ optyczny rzutuje obrazy pochodzący ze skrajnych części obiektywu na dwie
specjalne matryce. Z położenia tych obrazów procesor wylicza odległość do fotografowanego
obiektu i ustawia obiektyw w takiej odległości, by zapewnić najlepszą ostrość na matrycy
rejestrującej obraz. Ta sam procedura stosowana jest w nowoczesnych aparatach analogowych.

Autofokus oparty o tę metodę działa znacznie szybciej, niż ten wykorzystujący kontrast do
ustawiania ostrości. W metodzie detekcji fazy procesor natychmiast po dokonaniu pomiaru wie, w
którą stronę i o ile przesunąć obiektyw, by otrzymać ostry obraz. Nie ma więc dochodzenia
obiektywu do właściwego położenia metodą kolejnych przybliżeń jak w metodzie maksymalizacji
kontrastu. Ta ostatnia jest natomiast uważana za dokładniejszą i dlatego w aparatach wysokiej
klasy stosuje się autofokus hybrydowy.

Metodą detekcji fazy ustawiana jest ostrość w bardzo krótkim czasie a następnie włączana jest
metoda maksymalizacji kontrastu, która uściśla już tylko położenie obiektywu, co zajmuje znacznie
mniej czasu, niż ustawianie ostrości tą metoda od początku, gdy położenie obiektywu może być
bardzo dalekie od wymaganego dla danej odległości fotografowanego obiektu.

Wielosegmentowe ustawianie ostrości
Opisane dotychczas metody dotyczą ustawienia ostrości na jednym elemencie fotografowanej
sceny. Wiemy, że aparaty fotograficzne mają wiele trybów ustawiania ostrości. Rzecz polega na
tym, że układ autofokusa wyznacza warunki otrzymania ostrego obrazu dla różnych fragmentów
zdjęcia a następnie odpowiednie programy analizując te warunki, wybierają takie położenie
obiektywu, które zapewni optymalną ostrość całego zdjęcia. Niestety, "optymalna ostrość" to
pojęcie subiektywne. Dlatego algorytmy (przepisy obliczeń) realizujące takie ustawianie najlepszej
ostrości są nadzwyczaj skomplikowane i również pilnie strzeżone przez producentów jak szczegóły
rozwiązań technicznych ustawiania ostrości.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

49

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Światło wspomagające autofokus
Wiele aparatów wyposażonych jest w specjalną lampkę pomagającą ustawić ostrość w złych
warunkach świetlnych. Nie jest to jednak element aktywnego autofokusa, opisanego w cz. 1.
artykułu. Istnieją dwa rodzaje takich lampek. Jedne to coś w rodzaju małego reflektorka,
oświetlającego fotografowany obiekt a drugie rzutują kontrastowy obraz z wyraźnymi krawędziami
niezbędnymi do ustawiania ostrości metodą maksymalizacji kontrastu. Jaką lampką dysponuje nasz
aparat łatwo stwierdzić kierując go w stronę białej ściany w ciemnym pokoju. Po naciśnięciu
przycisku migawki do połowy, na moment zapali się lampka i na ścianie zobaczymy obraz wiązki
przez nią wysyłanej.

Ręczne ustawianie ostrości
Mimo najlepszych rozwiązań technicznych i programowych, autofokus nie zawsze ustawi ostrość
tak, jak by sobie tego życzył fotograf, szczególnie, gdy mamy mało czasu na wykonanie zdjęcia.
Dlatego już trochę lepsze aparaty kompaktowe, nie mówiąc o drogich lustrzankach, mają
możliwość ręcznego ustawiania ostrości. Przykładem niekorzystnego efektu działania autofokusa
jest poniższe zdjęcie. Gałązki świerku są na nim ostre, podczas gdy ostrzy mieli być strażacy
ścinający przechylone wichurą drzewo.

Kolejne zdjęcie, zrobione w trybie ręcznego ustawiania ostrości pozwoliło uzyskać ostrość tych
fragmentów, na których zależało fotografowi.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

50

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, ostrość zdjęcia to bodaj najważniejszy parametr dla
uzyskania poprawnego technicznie zdjęcia. Dlatego też metody ustawiania ostrości, zarówno
automatycznie jak i ręcznie, są ciągle doskonalone przez producentów aparatów fotograficznych.
Metody matematycznej analizy stosowane do wyznaczania odległości fotografowanych obiektów
od aparatu są nadzwyczaj skomplikowane. Jeszcze bardziej skomplikowane są metody analizy
zdjęcia i wyznaczanie na nim elementów stanowiących "pierwszy plan", czyli to, na co powinna
być nastawiona ostrość.

Użytkownikowi aparatu nie jest potrzebna znajomość tych szczegółów ale warto o nich mieć
pojęcie, by wiedzieć, dlaczego aparaty o pozornie takich samych parametrach mogą różnić się
bardzo ceną.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

Jedno z wykorzystanych źródeł:
"Complete Digital Photography", Third Edition (Digital Photography Series) (Paperback)
by Ben Long

Paperback: 544 pages
Publisher: Charles River Media; 3 edition (October 2004)
Language: English
ISBN-10: 1584503564
ISBN-13: 978-1584503569

autor:

Roman Goc

źródło:

abc.fotopolis.pl

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

51

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

cz. 10

ABC fotografii cyfrowej cz. 10 - Szumy W dziesiątej części naszego ABC zajmujemy się
wyjaśnieniem źródeł jednego z największych problemów fotografii cyfrowej, zwłaszcza jeśli
chodzi o aparaty kompaktowe, czyli szumami. Opisujemy zjawiska wywołujące te
niepożądane wady obrazu zarówno w cyfrówkach z matrycami CCD, jak i CMOS.
Zapraszamy!

Szumy to wszelkie pasożytnicze sygnały elektryczne zakłócające zdjęcie. (Zdajemy sobie sprawę,
że to dość luźna definicja, ale precyzyjne zdefiniowanie szumów jest poza możliwościami tak
krótkiego artykułu). Najprostszy przykład - fotografujemy gładką, zieloną powierzchnię, a na
zdjęciu otrzymujemy powierzchnię pokrytą punkcikami różniącymi się kolorem i jasnością. Źródła
szumów i efekty ich występowania to szerokie zagadnienie omawiane w wielu artykułach
naukowych. Amatorowi fotografii tak zaawansowana wiedza o szumach nie jest potrzebna.
Niemniej jednak podstawowe informacje o źródłach szumów w aparacie cyfrowym pozwolą na
takie korzystanie z cyfrówki, żeby jak najbardziej zminimalizować niekorzystny wpływ szumów na
zdjęcia.

Pierwszym źródłem szumów, czyli zakłóceń fotografowanego obrazu, jest matryca. Niezależnie od
typu i rodzaju wszystkie sensory wnoszą pewne szumy. Występują trzy podstawowe źródła
szumów w matrycy, niezależnie czy mamy do czynienia z matrycą typu CCD, czy CMOS.

1. SZUMY MATRYCY

Różnica czułości pomiędzy pikselami
Najmniejsze z produkowanych obecnie matryc do aparatów cyfrowych mają przynajmniej 5
milionów pikseli, czyli 5 milionów fotodiod generujących elektrony pod wpływem padającego na
nie światła. Ograniczenia technologiczne sprawiają, że nie da się wyprodukować takiej liczby
fotodiod o idealnie równej wydajności kwantowej. A więc liczba elektronów generowana w
poszczególnych fotodiodach przez światło o tym samym natężeniu jest nieco różna, co daje w
efekcie nierównomierną jasność zdjęcia powierzchni o równej jasności. Szumy, czyli
zniekształcenia zdjęcia powstałe z tego powodu, są najlepiej widoczne na zdjęciach dużych,
jednokolorowych powierzchni.

Prąd ciemny pikseli
Fotodiody tworzące matrycę generują elektrony nawet w zupełnej ciemności. Zjawisko to nazywa
się "prądem ciemnym piksela". Te generowane samoistnie elektrony dodają się do elektronów
generowanych w trakcie naświetlania zdjęcia. Prąd ciemny jest nieco różny dla poszczególnych
pikseli, co daje dodatkowe zróżnicowanie jasności poszczególnych punktów zdjęcia.

Gorące piksele
Gorącymi pikselami nazywamy piksele o wyjątkowo dużym prądzie ciemnym, dające na zdjęciu
punkty o jasności zdecydowanie większej od sąsiednich punktów widocznych na zdjęciu. Ich
jasność zależy od temperatury - im cieplej, tym jaśniejszy będzie punkt pochodzący z gorącego
piksela. Jeżeli nasz aparat ma możliwość ręcznego ustawiania ekspozycji, bardzo łatwo
zlokalizować gorące piksele jego matrycy. Ustawiamy najdłuższy czas naświetlania, zakrywamy
dokładnie obiektyw i naciskamy spust migawki. Wyraźnie jaśniejsze punkty na zdjęciu
otrzymanym w tych warunkach to obraz gorących pikseli naszej matrycy.

Szumy spowodowane opisanymi powyżej zjawiskami zwiększają się wraz ze wzrostem

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

52

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

temperatury i wydłużaniem czasu ekspozycji. Ich źródłem jest matryca i nie mamy raczej wpływu
na ich intensywność. Trudno bowiem skracać czas naświetlania poniżej wymaganego warunkami
czy wkładać aparat do lodówki przed zrobieniem zdjęcia w gorący dzień.

Cztery poniższe ilustracje przedstawiają fragmenty zdjęć wykonanych aparatem Canon PowerShot
S2 IS - matryca CCD (5,76x4,29 mm), 5 Mp, rozdzielczość 2592x1944, ISO 400, czas naświetlania
15 s, obiektyw zakryty. Otrzymaliśmy odwzorowanie gorących pikseli.

Fragment o rozmiarach 523x195. Powiększenie 2x. Widać dwa gorące piksele. Niebieski w lewym

górnym rogu, czerwony w prawym dolnym.

Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 1360, 652. Powiększenie 40x.

Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 817, 1131. Powiększenie 40x.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

53

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Gorący piksel w punkcie zdjęcia o współrzędnych 2564, 1173. Powiększenie 40x.

2. SZUMY ODCZYTU

Ładunek elektryczny zgromadzony w pikselu pod wpływem światła musi zostać przetworzony na
napięcie, a następnie w liczbę reprezentującą jasność punktu, w którym znajduje się ów piksel.
Proces ten nazywamy odczytem i w jego trakcie wnoszone są dodatkowe zakłócenia, czyli szumy.

Odczyt matrycy typu CCD
Matryca CCD ma jeden układ elektroniczny konwersji ładunków na napięcia oraz jeden
przetwornik analogowo cyfrowy, który to napięcie zamienia na liczbę. Tak więc szumy wnoszone
w procesie odczytu są w przybliżeniu tej samej wielkości dla wszystkich pikseli. W przybliżeniu,
ponieważ każdy układ elektroniczny wnosi zakłócenia zmieniające się nieco w czasie, a ładunki z
matrycy typu CCD są odczytywane po kolei, czyli w różnym czasie. Ładunki z pikseli są
transportowane do odczytującego je układu elektronicznego i po drodze część elektronów może
zostać "zgubiona", ale też mogą do nich dołączyć elektrony wygenerowane na poszczególnych
etapach tej drogi do odczytu jako prąd ciemny.

Odczyt matrycy typu CMOS
W matrycy CMOS każdy piksel ma zintegrowany z układ odczytu ładunku. Unikamy więc szumów
wnoszonych przez transport ładunków do jednego układu poza matrycą, ale pojawia się problem
podobny do zróżnicowania czułości poszczególnych pikseli. Nie ma możliwości technologicznych
wytworzenia kilku milionów (tyle co pikseli w matrycy) układów elektronicznych konwersji
ładunku na napięcie i przetworników analogowo cyfrowych o idealnie równych parametrach.
Matryca CMOS wnosi pewien rozrzut jasności punktów spowodowany odczytem każdego piksela
przez inny układ elektroniczny.

3. SZUMY ZALEŻNE OD CZUŁOŚCI USTAWIONEJ W APARACIE

Aparat cyfrowy daje możliwość ustawienia kilku czułości wyrażonych w jednostkach ISO. Na
czym polega zmiana czułości? Pomiędzy przetwornikiem ładunku elektrycznego na napięcie a
przetwornikiem analogowo cyfrowym znajduje się wzmacniacz sygnału. Coś analogicznego do
wzmacniacza dźwięku w radiu czy odtwarzaczu płyt. Każdy wzmacniacz sygnałów elektrycznych
wnosi szumy. Najniższej czułości ISO naszego aparatu odpowiada na ogół brak wzmacniania
sygnału - -napięcie z przetwornika ładunku podawane jest bezpośrednio na przetwornik analogowo
cyfrowy.

Wyższą czułość ISO uzyskuje się poprzez ustawienie większego wzmocnienia sygnału
podawanego na przetwornik analogowo cyfrowy. Im większe wzmocnienie, tym większe będą

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

54

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

szumy na zdjęciu. Dokładnie tak samo, jak ze wzmacnianiem muzyki. Im głośniej nastawimy
wzmacniacz, tym wyraźniej słychać zakłócenia - szumy akustyczne.

Olympus E-400, ISO 100

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

55

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Olympus E-400, ISO 1600. Dwa fragmenty zdjęć tablicy Gretaga wykonanych aparatem Olympus

E-400. Matryca CCD (18x13,5 mm), 10 Mp. Widać większe szumy przy wyższej czułości.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

56

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Nikon D40, ISO 1600. Fragment zdjęcia tablicy Gretaga wykonanego aparatem Nikon D40.

Matryca CCD (23,7x15,5 mm), 6 Mp, ISO 1600. Widać wyraźnie lepszą jakość w porównaniu z

analogicznym zdjęciem wykonanym Olympusem E-400. Powierzchnia matrycy Nikona D40 jest

około 1,5x większa niż w Olympusie E-400, a liczba pikseli mniejsza, czyli pojedynczy piksel ma

powierzchnię około 2,5x większą, co tłumaczy mniejsze szumy.

4. INNE ŹRÓDŁA SZUMÓW

Istnieje jeszcze kilka innych źródeł szumów objawiających się na zdjęciach z aparatu cyfrowego
takich jak szumy statystyczne wynikające z fluktuacji strumienia fotonów wpadających do aparatu
czy tzw. pseudo szumy będące odwzorowaniem pyłków kurzu osiadłych na matrycy aparatu z
wymiennymi obiektywami. Szumy wnosi też promieniowanie kosmiczne, ale stają się one
zauważalne jedynie przy bardzo długich czasach naświetlania stosowanych np. w zdjęciach nieba
nocą.

5. KTÓRA MATRYCA LEPSZA - CCD czy CMOS?

To standardowe pytanie większości fotoamatorów, na które nie ma jednoznacznej odpowiedzi.
Matryce typu CCD produkowane obecnie maja większą czułość w przeliczeniu na powierzchnię
pojedynczego piksela i wnoszą mniejsze szumy niż matryce typu CMOS, ale w aparatach wysokiej
klasy stosuje się matryce (CCD lub CMOS) o dużej powierzchni pikseli i do tego specjalnie
wyselekcjonowane.

Przy produkcji masowej nie można przewidzieć, ile matryca będzie miała gorących pikseli, czy jaki

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

57

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

będzie rozrzut parametrów układów odczytujących ładunek w matrycach CMOS. Wyprodukowane
matryce poddaje się testom i te o najlepszych parametrach przeznacza się do montowania w
aparatach najwyższej klasy. W najdroższych aparatach cyfrowych wykorzystuje się matryce typu
CMOS, a wysoka cena wynika w dużej mierze z wysokiej ceny matrycy, która musiała zostać
wyselekcjonowana z ogromnej liczby przetworników otrzymanych w standardowym procesie
produkcji masowej.

Fragment zdjęcia tablicy Gretaga wykonanego aparatem Canon EOS 5D. Matryca CMOS (24x36

mm) 12,8 Mp, ISO 1600.

Istnieje wiele technik i metod obliczeniowych pozwalających minimalizować wpływ niektórych
rodzajów szumów na jakość zdjęć. Jest to jednak zagadnienie zupełnie oddzielne - opiszemy je w
późniejszych artykułach.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.

cz. 11

ABC fotografii cyfrowej cz. 11 - Zoom cyfrowy kontra zoom optyczny Zachwalając swoje
aparaty, producenci powołują się na rozmaite osiągi i parametry. Jednym z najważniejszych
jest zakres wbudowanego obiektywu. Często słyszymy o "łącznym zoomie", czyli kombinacji
zbliżenia optycznego z cyfrowym. Czy jednak zoom cyfrowy może mieć pozytywny wpływ na
zdjęcia? W jedenastym odcinku naszego ABC rozprawiamy się z tym gadżetem. Zapraszamy!

Zacznijmy od paru zdań o zoomie optycznym, ponieważ dopiero znajomość zasady jego działania
pozwoli poznać prawdę o zoomie cyfrowym, tak intensywnie propagowanym przez producentów.
Już teraz podkreślimy jednak bardzo stanowczo - zoom cyfrowy to gadżet marketingowy i
określenie "zoom" jest w tym przypadku dużym nadużyciem. Ale po kolei.

Termin zoom jest powszechnie przyjęty w języku polskim i określa obiektyw o zmiennej
ogniskowej. Przyjęło się określać zakres zoomu poprzez podawanie najkrótszej i najdłuższej
dostępnej wartości ogniskowej. Zazwyczaj, w celach praktycznych podaje się też wartości
odpowiadające polu widzenia danej ogniskowej w formacie 35 mm, choć na obiektyw nanoszone
są ogniskowe nominalne, czyli rzeczywiste (uwaga ta dotyczy oczywiście jedynie optyki
stosowanej z niepełnoklatkowymi lustrzankami cyfrowymi). Dla przeciętnego amatora fotografii
interesujące jest, ile razy zoom może "przybliżyć" fotografowany obiekt, jeżeli zmienimy
ogniskową od najkrótszej do najdłuższej. To przybliżanie daje podobny efekt optyczny, jak
lornetka podczas obserwacji odległych obiektów. Jeżeli nasz aparat ma zoom optyczny, to zdjęcie

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

58

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

odległego obiektu wygląda tak, jak wyglądałby ten obiekt widziany przez lornetkę. Poniżej
prezentujemy dwa zdjęcia torów kolejowych wykonane aparatem Canon PowerShot S2 IS z
ogniskową ustawioną raz na 6 mm a następnie na 72 mm, co odpowiada polu widzenia
ogniskowych 36 mm i 432 mm w małym obrazku.

fot.1 - zdjęcie wykonane aparatem Canon PowerShot S2 IS, ogniskowa 6 mm (ekw. 36 mm)

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

59

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

fot. 2 - zdjęcie wykonane aparatem Canon PowerShot S2 IS, ogniskowa 72 mm (ekw. 432 mm)

Do omówienia powyższych zdjęć wrócimy w dalszej części artykułu, przy opisie zasady działania
zoomu cyfrowego.

Zasada działania zoomu optycznego

Zacznijmy od schematycznego przedstawienia zasady działania zoomu optycznego. Dzięki
poniższej ilustracji łatwiej będzie stwierdzić, że zoom cyfrowy nie jest faktycznie zoomem w
rozumieniu mechanizmu "przybliżającego" fotografowany obiekt.

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

60

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys.1 - schemat działania zoomu optycznego. Skala odległości została zniekształcona. Obiekt

fotografowany powinien być setki razy dalej niż odległość obiektyw-matryca.

Schemat działania zoomu przedstawiamy w jednym wymiarze (liniowo). Rysunek imitujący
powierzchnię zdjęcia byłby znacznie mniej czytelny. Zoomowanie optyczne polega na wydłużeniu
ogniskowej obiektywu, co zaznaczyliśmy rysując obiektyw jako soczewkę o różnych grubościach.
Soczewka gruba - ogniskowa krótka, soczewka cienka - ogniskowa długa.

Wydłużanie ogniskowej powoduje, że obraz obiektu rzutowany na matrycę jest coraz większy.
Wynika to ze wzoru:

1/x + 1/y = 1/F

w którym x jest odległością przedmiotu a y obrazu od soczewki. Przyjmując x>>y, co jest
równoznaczne zmierzaniu x do nieskończoności (x -> ∞), z podanego tu wzoru otrzymujemy

y = F

Reasumując, w miarę wydłużania ogniskowej obraz przedmiotu rzutowany na matrycę jest coraz
większy, widać więc wiele szczegółów nierozróżnialnych na zdjęciu z krótką ogniskową. Bardzo
ładnie demonstrują to dwa zdjęcia zamieszczone na początku artykułu.

A teraz pokażemy jak działa zoom cyfrowy.

Zasada działania zoomu cyfrowego

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

61

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

rys. 2 - zasada działania zoomu cyfrowego. Tak jak na poprzednim rysunku odległość przedmiot-

aparat jest tu również przerysowana (za mała) w stosunku do rozmiarów aparatu.

Zoom cyfrowy to programowe "rozciągnięcie" obrazu zarejestrowanego na matrycy. Czarna linia
zakończona strzałką symbolizuje programowe powiększenie obrazu z równoczesnym zapełnieniem
dodatkowych pikseli kolorami zbliżonymi do otoczenia punktu zarejestrowanego. Prześledźmy
działanie zoomu cyfrowego.

1. Robimy zdjęcie z zoomem cyfrowym ustawionym np. na 4x.
2. Obraz jest rejestrowany na matrycy jak przy normalnym fotografowaniu.
3. Program aparatu "wycina" ze środka zdjęcia obraz o powierzchni odpowiadającej polu

widzenia ogniskowej 4-krotnie dłuższej niż maksymalna ogniskowa wbudowanego
obiektywu i "rozciąga" go do rozmiarów zdjęć rejestrowanych przez całą matrycę.

4. Puste piksele pomiędzy tymi "rozciągniętymi" program zapełnia, wg. zapisanych w pamięci

procesora reguł, kolorami zbliżonymi do sąsiednich punktów rozciągniętego zdjęcia.

5. Tak spreparowany obraz jest zapisywany na karcie pamięci aparatu.

Na rys. 2 ciemnioczerwone odcinki na matrycy to obraz zarejestrowany, a bladoróżowe to
uzupełnienie programowe. Nazywanie tej procedury, realizowanej software'owo, zoomem jest
bardzo mylące, zwłaszcza jeśli pamięta się, jak działa zoom optyczny.

Z praktycznego punktu widzenia zoom cyfrowy:

•

nie "przybliża" fotografowanego przedmiotu

•

nie dodaje żadnych szczegółów, których nie widać na zdjęciu bez włączonego zooma
cyfrowego

•

rozmywa kontury na zdjęciu

•

powiększając, czyni zdjęcie mało wyraźnym

Każdy, kto obrabiał zdjęcia cyfrowe w komputerze wie, że analogiczną procedurę można
przeprowadzić właśnie za pomocą odpowiedniego programu komputerowego. Co ważniejsze, w
komputerze możemy przeprowadzić cyfrowe "zoomowanie", zachowując kopię oryginalnego
zdjęcia, do której w każdej chwili jesteśmy w stanie wrócić. Dodatkowo można tę procedurę

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

62

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

przeprowadzić na wiele sposobów, za każdym razem startując od oryginału.

Wykorzystanie zoomu cyfrowego w aparacie w momencie wykonywania zdjęcia pozbawia nas
oryginału tego ujęcia. Tak naprawdę zoom cyfrowy to gadżet marketingowy, na który producenci
próbują złapać najmniej doświadczonych amatorów fotografii. Fakt umieszczenia w pamięci
procesora programu realizującego opisaną powyżej funkcję cyfrowego "zoomowania" w żadnym
stopniu nie podnosi jego wartości handlowej czy użytkowej. Warto zwrócić uwagę, że lustrzanki,
czyli aparaty wyższej klasy, kupowane przeważnie przez doświadczonych już fotoamatorów, nie
oferują zoomu cyfrowego. Zaawansowanego użytkownika, nie mówiąc o profesjonaliście, nikt na
takie sztuczki nie usiłuje nabierać.

fot. 3 - fragment fot.1 odpowiadający widokowi na fot. 2, ale uzyskany metodą "zoomowania"

cyfrowego

Fot. 3 odpowiada w przybliżeniu dwunastokrotnemu zoomowi optycznemu zastosowanemu
podczas wykonywania fot. 1. Różnica jakości między efektem wykorzystania zooma optycznego a
cyfrowego nie wymaga chyba komentarza. Producenci aparatów nie stosują aż dwunastokrotnych
zoomów cyfrowych, ale nawet zoom cyfrowy 3x w sposób ewidentny pogarsza jakość zdjęcia.

"Inteligentny" zoom cyfrowy

Od jakiegoś czasu w aparatach fotograficznych różnych firm stosowany jest zoom cyfrowy zwany
przez producentów "inteligentnym" (tzw. Smart Zoom). Działa on na tej samej zasadzie, co zwykły
zoom cyfrowy (wykorzystania centralnej części obrazu), ale nie interpoluje zdjęcia do pełnych
rozmiarów, a jedynie wycina fragment, którego minimalne wymiary mamy możliwość
zdefiniować. Ustawienie zoomu cyfrowego zmniejsza obszar matrycy, na który rzutowany jest
obraz i cały ten mniejszy obraz jest zapisywany w pamięci aparatu. Co to daje?

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

63

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg

Otóż obiektyw o ogniskowej rzeczywistej F, daje ekwiwalent pola widzenia obiektywu
małoobrazkowego o ogniskowej tym dłuższej, im mniejszą matrycę zastosowano w danej
cyfrówce. Tak więc zmniejszanie efektywnego (wykorzystywanego do rejestracji obrazu) rozmiaru
matrycy daje efekt wydłużenia ogniskowej równoważnej, czyli efekt zoomu optycznego. Należy
jednak pamiętać, że taki "inteligentny" zoom cyfrowy tworzy zdjęcie o mniejszej rozdzielczości niż
na to pozwala matryca aparatu. Zdjęcie nie jest zdegradowane rozciągnięciem wymiarów jak przy
zwykłym zoomie cyfrowym, ale i tak trudno mówić o rewelacji.

Tego typu zoom przez niektórych producentów nazywany jest "dodatkowym zoomem optycznym".
Przykładem aparatu, w wypadku którego można spotkać taką definicję zoomu cyfrowego jest

Panasonic Lumix DMC-TZ3.

Aparat ten wyposażono w matrycę 8,5 Mp z której wykorzystuje się

tylko 7,2 MP. Pozwala to na robienie zdjęć o różnej proporcji (4:3, 3:2, 16:9) z prawie stałą
maksymalną rozdzielczością i zapewnia utrzymanie szerokiego kąta (ekwiwalentu 28 mm) przy
każdej proporcji boków. Aparat pozwala też na uzyskanie "dodatkowego" zoomu optycznego
poprzez wykorzystanie tylko części powierzchni matrycy. Zmniejsza to oczywiście rozdzielczość,
ale nawet 3 Mp pozwalają na otrzymanie dobitek 10x15 cm o dobrej jakości. I tak - przy
wykorzystaniu tylko 5 Mp w formacie 3:2, efektywny zoom optyczny daje zbliżenie 12x.
Wykorzystanie zaś tylko 3 Mp w tym formacie daje odpowiednik zooma optycznego 15x.

Uwagi końcowe

Większość znanych fotografów we wszystkich swoich poradach dla amatorów radzi wyłączać
zoom cyfrowy zaraz po zakupie aparatu (o ile istnieje taka możliwość), by przypadkiem nie zepsuć
sobie w sposób nieodwracalny zdjęcia, którego nie będziemy mogli powtórzyć. Nie pozostaje nam
nic innego jak dołączyć się do tego szacownego grona i zalecić niekorzystanie z tej "magicznej"
opcji. Efekty, które pozwala osiągnąć, mogą bowiem nieprzyjemnie zaskoczyć.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu. autor:

Roman Goc

źródło:

abc.fotopolis.pl

| fotopolis.pl © | sharing >> a u d i o k s i a z k i.org |

64

a

u

d

i o

k

s

i

a

z

k i

.o

rg