Digitální fotoaparát

Princip čipu v digitálním fotoaparátu

Princip digitálního fotoaparátu vychází z konstrukce klasického fotoaparátu. Jádrem přístroje je světlocitlivá plocha snímače na bázi technologie CCD nebo CMOS. Na plochu senzoru je promítán obraz přes systém optických čoček v objektivu. Světelná energie, která přichází ze snímaného prostoru (scény), je v jednotlivých pixelech (obrazových bodech) převáděna na elektrický signál a uložena v podobě vázaného náboje (u technologie CCD). Náboj vzniká postupně během expozice čipu, kdy je otevřena uzávěrka fotoaparátu a světlo může dopadat na čip. Princip vzniku elektrického náboje je založen na fotoelektrickém jevu s tím rozdílem, že náboje neodtékají okamžitě do vnějšího obvodu ale jsou izolovány v nábojových zásobnících v elektricky izolované struktuře čipu.

Po uzavření uzávěrky jsou vygenerované náboje z čipu postupně odváděny a měřeny speciálním zesilovačem pro každý jednotlivý pixel. Takto získaný signál je a dále převeden AD převodníkem na signál v binárním kódu. Vzniklý datový proud je pak pomocí mikroprocesoru různě upravován a převeden do některého grafického formátu používaného pro záznam obrazových dat, např. raw, JPEG nebo TIFF. Výsledný datový soubor je uložen zpravidla na paměťové médium v podobě paměťové karty nebo vestavěné paměti typu Flash-EEPROM tj. elektricky mazatelná paměť s trvalým záznamem, který je uchován i bez přívodu elektrického napětí. Existují i přístroje, které dokážou fotografie nebo videosekvence přímo zaznamenat na CD nebo magnetické pásky, ovšem to je běžné spíše v oblasti digitálních videokamer.

Dnes se téměř výhradně používají digitální fotoaparáty se snímači umožňujícími pořizovat fotografie barevné. To ve většině případů zajišťuje tzv. Bayerova maska, v níž jsou z každých čtyř buněk snímače dva překryty zeleným filtrem, jeden červeným a jeden modrým. Toto uspořádání je dáno návazností na spektrální citlivost lidského zraku, který je v oblasti zelené barvy nejcitlivější. Například čtyřmegapixelový snímač obsahuje dva miliony bodů citlivých na zelenou, a po milionu bodů citlivých na červenou a modrou. Zbývající barevná informace se ve výsledném snímku dopočítává.

Výjimkou jsou senzory Foveon, které jsou založeny na principu pronikání světla o různých vlnových délkách do různé hloubky. Každý pixel tedy má zaznamenány informace o všech třech barvách a interpolace tedy není třeba. Proto může mást rozlišení – je nutno jej vydělit třemi. Dalším alternativním typem senzorů je Super CCD, které mají čtvercovou síť otočenou o 45°. Posledním typem je Super CCD EXR.

Pro srovnání: lidské oko obsahuje cca 6-8 milionů buněk citlivých na barvu (čípků) a až 150 milionů buněk citlivých na jas (tyčinek). V oblasti barevného rozlišení tak digitální fotoaparáty lidské oko prakticky překonaly. V současné době (2008) ale fotoaparáty nedosahují dynamického rozsahu oka.

První digitální fotoaparáty přinesl vesmírný výzkum. Snímkovací přístroje umístěné na bezobslužných vesmírných sondách v 60. letech pořizovaly snímky zprvu tak, že snímek nafotografovaly na černobílý film, ten se v přístroji automaticky vyvolal, vyvolaný negativ byl oskenován a v číslicové podobě odvysílán na Zemi. Toto uspořádání tvořilo jakýsi hybrid filmové a digitální fotografie. Odvysílání obrazového signálu číslicově poskytovalo výhodu odolnosti vůči poruchám a snížení potřebného vysílacího výkonu, a tím i šetření omezenými energetickými zdroji sondy.

V 70. letech jsou již fotoaparáty vesmírných sond vybavovány černobílými i barevnými obrazovými snímači se snímacími elektronkami. Analogový signál přicházející ze snímače během expozice snímku je převáděn na digitální a odvysíláván na Zemi. Princip přímého elektronického sejmutí obrazu a převedení obrazového signálu do číslicové podoby je tak již stejný jako u novodobých digitálních fotoaparátů.

Vůbec první prototyp přenosného digitálního fotoaparátu vyvinul roku 1975 Steve Sasson, inženýr firmy Kodak. Fotoaparát obsahoval černobílý obrazový snímač CCD o rozlišení 0,01 megapixelu. Získaný analogový signál ze snímače byl převeden na číslicový pomocí analogově-číslicového převodníku z digitálního voltmetru a následně zaznamenán na magnetofonovou kazetu. Fotopřístroj byl napájen 16 akumulátory NiCd. Sejmutí a uložení jedné fotografie trvalo 23 sekundy. Výsledné snímky se z kazety promítaly prostřednictvím počítače na televizní obrazovku. Přístroj vážil asi 4 kg a měřil zhruba 15 × 26 × 15 cm[2].

Prvním komerčně vyráběným fotoaparátem, který zaznamenával snímky do počítačových souborů, byl v roce 1988 Fuji DS-1P, používající 16 MB interní paměti.

V roce 1991 byla uvedena první digitální zrcadlovka, Kodak DCS-100. Měla 1,3megapixelový snímač a stála 13 000 $.

Zabudovaný displej přišel s přístrojem Casio QV-10 (1995).

Prvním fotoaparátem zapisujícím na karty Compact Flash byl Kodak DC-25 o rok později.

Digitální fotoparáty cílené na běžné spotřebitele měly nejdříve poměrně nízké rozlišení. V této třídě byla hranice jednoho megapixelu prolomena až v roce 1997.

Pravděpodobně prvním přístrojem schopným nahrávat video byl Ricoh RDC-1, prodávaný od roku 1995.

V oblasti digitálních zrcadlovek byl zlomový rok 1999, kdy Nikon uvedl model D1. To byla první digitální zrcadlovka vyvinutá samostatně tradičním výrobcem, s cenou pod 6000 $. To bylo dosažitelné pro profesionální fotografy a další náročné uživatele. Zrcadlovka používala objektivy s bajonetem Nikon F, takže tehdejší zákazníci Nikonu mohli využít svou stávající výbavu.

Roku 2003 Canon představil šestimegapixelový EOS 300D, první digitální zrcadlovku s cenou pod 1000 $ určenou pro amatéry.

Maximální dosažené rozlišení fotoaparátu v roce 2007 bylo 4000 megapixelů,[3] získané skenováním negativu z velkoformátového fotoaparátu (s rozměrem filmu 24 × 36 cm).

Existuje několik kategorií fotoaparátů vyráběných s ohledem na nároky a vyspělost cílového uživatele:

• Amatérské přístroje (základní, vstupní třída, angl. entry-level). Též zákaznický segment (angl. customer segment). Jedná se o přístroje pro široké masy zákazníků-amatérů. Zde převažují kompaktní fotoaparáty, neboť zákazníci této třídy hledí na skladnost a mobilitu přístroje. V tomto segmentu typicky vládne mezi výrobci velká konkurence a cenový boj. Důraz je kladen na rychlost a snadnost použití přístroje, uplatnění tak hodně získávají automatické režimy a několik předvybraných režimů scény. Záměrně nejsou obsaženy pokročilé funkce. Očekávaným využitím jsou momentky a fotografie z cest a běžného života pro osobní potřebu.
• Pokročilé přístroje (střední třída, angl. mid-range). Tato kategorie patří většinou přístrojům dražším a pokročilejším než běžné kompaktní fotopřístroje, typicky s kvalitnějším transfokátorem, jenž však není vyměnitelný. Cílovou skupinou jsou fotografičtí nadšenci, kterým nestačí kompakty, ale nevyžadují všechny funkce, které nabízejí zrcadlovky. V tomto segmentu nevládne tak lítý konkurenční boj jako u vstupní kategorie, protože se předpokládá, že zákazníci za lepší vlastnosti přístroje (optiku, materiály, atd.) budou ochotni zaplatit. Mohou sem spadat i ty nejlevnější digitální zrcadlovky s poněkud zhoršenými parametry (v porovnání s přístroji vyšších kategorií).
• Poloprofesionální přístroje (třída high-end). V angličtině se pro tento segment vytvořila speciální složenina prosumer (z professional a consumer). Cílovou skupinou jsou fotografové, nezřídka se zkušeností s filmovými fotoaparáty a nadšením pro tvůrčí fotografii. Proto jsou produkty pro tyto zájemce většinou tvořeny kvalitními digitálními zrcadlovkami. Rozdílem oproti profesionální třídě je například velikost obrazového snímače (APS-C oproti full-frame u profesionálních přístrojů); výrobce v tomto segmentu také stále hledí na cenu.
• Profesionální přístroje. Nejdražší a nejpokročilejší skupina fotopřístrojů. Jsou určeny pro profesionály, kteří se fotografováním živí, a mohou si je finančně dovolit. Patří sem ty nejlepší zrcadlovky se snímačem velikosti full-frame. Pozornost je věnována rozhraním potřebným pro profesionální fotografii (např. připojení externích blesků a jejich ovládání, samočištění obrazového snímače, různá příslušenství, externí spouštění, časosběr, měření expozice; rozhraní pro nahrávání získaných fotografií do editačního pracoviště za chodu). Clonění a ostření pomocí kroužků na těle objektivu; použití automatických a scénických režimů se zde nepředpokládá. Využití nacházejí v profesionální fotografii a postprodukci. Tato skupina přístrojů má mnohem nižší prodejnost, zato nepoměrně vyšší kusovou cenu.

Rozdělení digitálních fotoaparátů podle konstrukce:

Kompaktní fotoaparáty

Kompaktní fotoaparáty (zkráceně kompakty) jsou navrhovány s cílem snadné obsluhy a co nejmenších rozměrů. Přístroje prodávané v roce 2006 už zcela eliminovaly hledáček ve prospěch velkých displejů^[zdroj?].

Falešné zrcadlovky (EVF)

EVF je zkratka z electronic viewfinder. Tyto fotoaparáty tedy mají v hledáčku displej ukazující obraz z obrazového snímače. Moderní přístroje EVF mají rozlišení přesahující deset megapixelů a zoomový objektiv s velkým rozsahem. Z toho důvodu se pro tyto přístroje někdy používá pojem ultrazoom. Většina těchto fotoaparátů má také optický stabilizátor obrazu^[zdroj?]. Úhlopříčka snímače je 1/2,5" až 1/1,6".

Bezzrcadlovky (též systémové kompaktní fotoaparáty)

Tato kategorie přístrojů vznikla koncem roku 2008 s cílem poskytnout obrazovou kvalitu blízkou zrcadlovkám při výrazně menších rozměrech. Jejich typickými znaky jsou výměnné objektivy, obrazový snímač s rozměry odpovídajícími zrcadlovkám (nejčastěji mikro 4/3 nebo APS-C), avšak absence zrcátka a optického hledáčku. Obraz je v těchto přístrojích pozorován na displeji či v elektronickém hledáčku, kde se zobrazují data ze snímače. Chybějící zrcátko umožňuje zmenšit vzdálenost mezi objektivem a snímačem, a tím i celkové rozměry přístroje, které odpovídají rozměrnějším kompaktním fotoaparátům. Typickými představiteli bezzrcadlovek jsou například řady Olympus PEN, Sony NEX, Nikon 1 či Canon EF-M.

Digitální zrcadlovky (DSLR)

Digitální zrcadlovka se svým vzhledem a mechanickou konstrukcí podobá běžné zrcadlovce, avšak na místě filmu má obrazový snímač CCD nebo CMOS. Z principu konstrukce vyplývá maximální věrnost zobrazení v hledáčku, možnost použití výměnných objektivů a donedávna nemožnost natáčet videosekvence nebo používat displej ke kompozici záběru. Většina současných zrcadlovek již umožňuje kompozici záběru na displeji (v režimu tzv. live view) i natáčení videosekvencí.

Digitální zrcadlovky mají obrazové snímače od velikosti 18 × 13,5 mm (systém 4/3) až po rozměry kinofilmového políčka (36 × 24 mm, tzv. full-frame). Z plnoformátových přístrojů dnes největší rozlišení poskytuje Sony Alfa A900 (24,4 Mpx) a Nikon D3x (24,5 Mpx).

Poněvadž většina digitálních zrcadlovek má menší obrazový snímač, než je políčko kinofilmu, byl zaveden tzv. ořezový faktor (angl. crop factor) umožňující přepočítat, v jaké míře dojde ke zúžení obrazového pole při nasazení standardního „kinofilmového“ objektivu na takovýto přístroj. Vynásobením reálné ohniskové vzdálenosti takového objektivu ořezovým faktorem získáme ekvivalentní ohniskovou vzdálenost.

Vlastníme-li kvalitní širokoúhlý objektiv pro kinofilmový přístroj, zúžení jeho úhlu záběru při nasazení např. na zrcadlovku se snímačem velikosti APS-C může znamenat jeho degradaci. Naopak zúžení úhlu záběru u kinofilmových teleobjektivů může naopak být přínosem.

Aby k těmto problémům nedocházelo, jsou pro digitální zrcadlovky s menším snímačem vyráběny speciální objektivy.

Ačkoli rozlišení zrcadlovek nemusí vždy přesahovat rozlišení kompaktních fotoaparátů, znamená větší obrazový snímač větší obrazové body. Takový snímač má menší šum a menší difrakci.

Digitální stěny

Ve třídě středoformátových fotoaparátů se prosadily digitální stěny. Stěny je obvykle možno nasadit místo původní kazety s filmem a jejich snímač je výrazně větší než kinofilmové políčko. Na konci roku 2008 měla největší z nich rozlišení 60 MPix.