Puszki i słoiki. O pikselach. Podstawy.

Ponieważ od kilku miesięcy znowu zacząłem robić zdjęcia czymś lepszym niż aparat kompaktowy, powróciłem w swoim życiu do tematu fotografii. Ostatnio, kiedy fotografią się poważnie interesowałem, były to czasy puszek analogowych, a piękna przyszłość fotografii cyfrowej była jeszcze w powijakach. Rozpocząłem więc naukę tego tematu od podstaw. Jako, że dużo teraz eksperymentuję z moim nowym aparatem, dużo też czytam różnych informacji, porad i tym podobnych rzeczy z zakresu fotografii cyfrowej, pomyślałem, że od czasu do czasu coś w tym temacie skrobnę na blogasku. I tak narodził się ten pierwszy wpis, który ma za zadanie w jak najprostszy sposób wyjaśnić rolę matrycy i pikseli we współczesnych cyfrowych aparatach fotograficznych. Mają też one do spełnienia jeszcze jedną rolę. Usystematyzować moją własną wiedzę o fotografii cyfrowej, ponieważ mnogość informacji jakie na ten temat można znaleźć w internecie niejednokrotnie może takiego poszukiwacza jak ja, zagubić. Od razu też ostrzegam, wpisy te będą dość długie.

Czytając najróżniejsze fora fotograficzne niejednokrotnie natykam się na dyskusje o wyższości optyki nad aparatem, czyli słoika nad puszką. Oczywiście (prawie)wszyscy wymądrzają się jaka to optyka ważna, bo przecież sam aparat to tylko światłoszczelne pudełko, które nic w zasadzie nie robi oprócz kosmetyki i rejestrowania tego, co obiektyw przekaże na film lub matrycę. Tak więc bez dobrego obiektywu nie da rady, Paaanie. Trudno się tu nie zgodzić z takim tokiem myślenia, ponieważ faktycznie zmiana obiektywu na lepszy poprawi znacząco jakość naszych zdjęć i to jest truizm jakich pełno w sieci. Jednakże wcale nie jest tak, że od aparatu, czyli puszki nic nie zależy. Gdyby tak było zawodowcy nie byliby skłonni wydać często nawet kilkunastu tysięcy PLN na nowe body. Co znaczy lepszy obiektyw, łatwo można sobie wyobrazić. Ostrzejszy obraz, lepsze odwzorowanie kolorów, mniejsza dystorsja, winietowanie, brak aberracji chromatycznej itp. Głownie jednak każdy zaraz pomyśli o bardziej ostrym obrazie i lepszej rozdzielczości.

Co natomiast oznacza leszy aparat fotograficzny? Wiadomo, więcej megapiksli. To najważniejsze jest. Im więcej tym lepiej. I na tym często się kończy nasze pojęcie o lepszości danego aparatu nad innym. Nooo, dobra. Niektórzy jeszcze nieśmiało powiedzą coś o wykonaniu samego body, czyli że jest na przykład aluminiowe lub ze stopów magnezu albo też z jakiś innych stopów, co czyni je odporniejszym na wstrząsy itd. Może być też uszczelnione, więc odporne na drobny deszcz czy kurz. Najczęściej jednak każdy mówi o ilości elementów światłoczułych na matrycy.

I znowu, prawie wszystko to prawda. Dlaczego prawie? Otóż, i owszem ilość pikseli na matrycy liczy się bardzo… długo i to wszystko, gdyż tak naprawdę nie są one żadną miarą najważniejsze w dobrym aparacie. Ludzkie oko widzi w rozdzielczości około 3 – 4 milionów pikseli. Większej rozdzielczości zwyczajnie nie zauważy. Tak więc megapikselowy wyścig tak naprawdę nie służy poprawie jakości zdjęć. To zwyczajny marketingowy bełkot, dopóki nie dostaniemy informacji o wielkości matrycy na której te piksele się mieszczą. W telefonach komórkowych i tak zwanych „małpkach” taka matryca jest wielkości paznokcia albo i mniejsza, w związku z czym same piksele są wielkości… no, są naprawdę malutkie :)
Z tego też powodu jakość obrazu, który będzie na nich odwzorowywany, nie może zachwycać. Owszem, do codziennych zastosowań się nadają. Dobrze się też spiszą, kiedy światło będzie dobre. (Są ludzie, którzy ajfonami robią zdjęcia w studio. Da się, oczywiście. Nie oszukujmy się jednak, że aparat fotograficzny umieszczony w telefonie to narzędzie dla profesjonalisty do codziennej pracy.) Prawda jest taka, że sam aparat to zawsze tylko narzędzie i prawdziwy mistrz sztuki, i z kiepskim narzędziem poradzi sobie wielokrotnie lepiej niż amator z profesjonalnym body w łapkach.

Wróćmy jednak do matrycy i jej milionów komórek światłoczułych. Dzisiaj będą podstawowe informacje, w następnym wpisie o tej tematyce będzie już bardziej technicznie i z rysunkami.

Tak więc dlaczego tak ważna jest wielkość matrycy na której owe piksele się znajdują? Tutaj wypada dodać jedną uwagę. Piksele światłoczułe na matrycy to nie są te abstrakcyjne piksele, z których się składa obraz cyfrowy i które można zobaczyć bardzo powiększając jakieś zdjęcie cyfrowe na monitorze. Tak więc nie chodzi o to aby w aparacie mieć jak najwięcej jak najmniejszych pikseli. Warto o tym pamiętać.
Wyobraźmy więc sobie, że na prostokącie 5×6 mm umieszczamy 10 mln punkcików światłoczułych. Każdy z takich punkcików musi mieć też własną mini soczewkę skupiającą światło. Duże te piksele nie będą, no nie? Natomiast gdy taką samą ilość pikseli umieścimy na matrycy 160×240 mm (APS-C) lub 240×360 mm (klatka filmu 35mm, czyli tzw. full frame) to będą one znacznie większe i tym samym będą mogły „pochwycić’ znacznie więcej informacji. Także jakość takiej informacji będzie nieporównywalnie lepsza niż z tych mini-(mega)pikseli z matrycy wielkości paznokcia. Należy jeszcze pamiętać, że matryca to element elektryczny, przez który musi przepłynąć prąd aby zadziała się magia. Prąd to ciepło. Im mniejszy element przez, który ów prąd przepływa, tym łatwiej się taki element nagrzewa. Ciepło powoduje, że te super malutkie elementy światłoczułe tracą swoje właściwości optyczne i elektryczne czego efektem jest utrata jakości obrazu. Powstają szumy, czyli niepożądane elementy na zdjęciu, których normalnie nie widzieliśmy wyzwalając migawkę w aparacie.
Aparaty kompaktowe i te wbudowane w telefony komórkowe, od momentu ich włączenia cały czas trzymają matrycę pod napięciem. Wpływa to bardzo negatywnie na zdjęcia, które można takim aparatem pstryknąć. Dlaczego cały czas taka matryca jest „włączona” w tych aparacikach? Chociażby dlatego, że inaczej fotografujący, nie zobaczyłyby co fotografuje. Światło zebrane przez obiektyw, lub plastikową soczewkę w telefonie, trafia na matrycę. Z matrycy obraz jest przekazywany na ekran z tyłu aparatu. Rozgrzewająca się matryca musi pracować cały czas a nie tylko wtedy kiedy powstaje nasze wspaniałe zdjęcie. Inaczej dzieje się w lustrzankach, które „podają” prąd na matrycę dopiero wtedy, kiedy fotograf naciska przycisk podnoszący lustro i wyzwalający migawkę.

Kolejnym minusem małej matrycy jest to, że często nie posiada ona wielu dodatkowych elementów, które są montowane w dużych, profesjonalnych lub półprofesjonalnych matrycach. Zwyczajnie się tego nie opłaca robić, gdyż koszt miniaturyzacji tych dodatków byłby zbyt duży.

Matryce światłoczułe można podzielić na kilka różnych typów. Dwoma najpowszechniejszymi są CCD (Charge-coupled device) i CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor), które w kilku punktach opiszę poniżej. Oczywiście nie są to jedyne rodzaje matryc. Są one jednak najpopularniejsze i na nich się skupię w tym odcinku wpisów o matrycach.

CMOS:

Znacznie powszechniejsza od swojej rywalki CCD, ze względu na prostotę budowy i fakt, że elementy tej matrycy mogą być wykorzystywane w wielu różnych produktach, także przemysłowych i wytwarzane mogą być przez maszyny wytwarzające także inne elementy w technologii CMOS. Poniżej kilka cech matrycy CMOS w punktach.

• Niski koszt wytwarzania. Pozwoliło to na znaczne rozpowszechnienie się tego rodzaju matrycy na rynku producentów aparatów.
• Trudniejsza do zaprojektowania, ze względu na ilość „składników”, które towarzyszą poszczególnym komórkom światłoczułym.
• Niski pobór energii, co jak wiadomo, zawsze będzie dużym plusem, gdyż wydłuża pracę na bateriach aparatu, a także obniża nagrzewanie się elementu podczas pracy.
• Możliwość odczytywania danych z dowolnego piksela w dowolnej kolejności, tak jak odczytuje się dane z pamięci komputera. Przyspiesza to jej działanie.
• Jeszcze większe przyspieszenie obróbki zdjęcia, ponieważ każdy piksel ma swój przetwornik analogowo-cyfrowy…
• … co dodatkowo sprawia, że nie każdy piksel działa tak samo dobrze. Trudniej jest utrzymać jakość milionów drobnych części na tym samym poziomie.
• Mniejsza światłoczułość niż matryc CCD. Dzieje się tak dlatego, że spora część matrycy nie jest światłoczuła z uwagi na powielenie dla każdego piksela przetwornika itp. Cóż, wszystko ma swoje plusy i minusy.
• Przy długich czasach naświetlania tendencja do tworzenia zakłóceń związanych z przepływem prądu przez poszczególne części matrycy.
• Za to ma małe zakłócenia w przesyłaniu danych.
• Niższa dynamika w przekazywaniu kolorów.

A teraz kilka słów o rywalce.

CCD

Głównie stosowane w astrofotografii i fotografii naukowej, ze względu na lepszą reprodukcję czerni oraz mniejsze szumy własne przy długich czasach naświetlania. Dodatkowo w kilku punktach jej inne cechy:

• Brak możliwości odczytania danych z pojedynczego piksela. Można odczytać dane tylko z całej matrycy na raz. Z tego powodu jest ona „wolniejsza” niż matryca CMOS.
• Wyższa światłoczułość, ponieważ między elementami światłoczułymi nie ma tylu dodatkowych kondensatorów i innych części.
• Tak więc można na tej samej powierzchni upakować więcej pikseli, więc matryce CCD mogą ich posiadać więcej bez utraty na jakości obrazu.
• Pobiera więcej mocy, szybciej się więc nagrzewa i rozładowuje akumulatory aparatu.
• Lepsza rozpiętość tonalna i dynamika.

Pamiętać warto o jeszcze jednej rzeczy. Nie ma sensu dosłownie brać tych wszystkich punktów, ponieważ „gorsza” światłoczułość matryc CMOS, wcale nie oznacza, że tak jest na rynku fotograficznym. Wystarczy zobaczyć jaką światłoczułością może pochwalić się na przykład Nikon d3s. Te punkty pokazują pewną akademicką dyskusję, natomiast rzeczywistość i przemysł fotografii cyfrowej postawił na matryce CMOS. Z tego też względu produkt ten rozwija się od kilku lat bardzo prężnie i wiele problemów, które miał w latach swojej młodości, nie przeszło do wieku późniejszego. Tak więc, wiele zalet dojrzałej technologii CCD przeszło już i zadomowiło się całkiem dobrze w matrycach CMOS.

Matryca jest więc elementem aparatu, który wychwytuje fotony światła, zamienia je na elektrony, które następnie przechowuje a już po ekspozycji światłem, liczy i zamienia na zdjęcie. Proste, prawda?

W następnym odcinku skupię się już bardziej na tym jak to się dzieje, że w końcowej fazie dostajemy jakiś obrazek. Będzie bardziej technicznie i mam nadzieję bardziej precyzyjnie. Oczywiście znajomość tego, jak działa nasz aparat nie jest wcale potrzebna, żeby zrobić dobre zdjęcie.