Historie digitální fotografie

Digitální fotografie je bezpochyby hitem posledních let. Historie klasické fotografie začala o mnoho desetiletí dříve než digitální fotografie, která se začínala rozvíjet až ve druhé polovině 20. století. První digitální fotoaparát vyvinula firma Sony v roce 1981 pod označením MAVICA (MAgnetic VIdeo CAmera), ale k masivnímu rozšíření digitálních fotoaparátů došlo až ve druhé polovině 90. let. Hlavně díky tomu, že největší rozvoj informačních technologií se datuje k začátkům 90. let. Počítače začaly být dostupné široké veřejnosti z důvodů snižující se ceny a rostoucímu výkonu. Digitální fotografie bez použití počítače ztrácí část svých výhod. První fotoaparát MAVICA měl 290kpix a výstup se zobrazoval na televizi, nebo se tisknul na speciální tiskárně dodávané s tímto fotoaparátem. V poslední době jde vývoj digitálních fotoaparátů obrovskou rychlostí dopředu, stejně tak, jako informační technologie. Např.: Mooreův zákon, který říká že, každých 18 měsíců se zdvojnásobí počet transistorů na integrovaném obvodu. Podobně to vypadá i u digitálních fotoaparátů s velikostí jejich CCD (CMOS) čipů (snad ještě rychleji).



Digitální versus klasická fotografie

Nebo také: nahradí někdy digitální fotografie klasickou fotografii? Pro odpověď se musíme podívat do minulosti. Když vznikla barevná fotografie, tak si hodně lidí myslelo, že je to konec černobílé fotografie. Nakonec sice většina lidí přešla k barevnému focení, ale na určité věci, jako např. technické fotografie (černobílá je levnější) nebo umělecké fotografie, se dodnes používá černobílá fotografie. Podobná situace je u digitální fotografie, přinášející spoustu nových možností, které nejsou možné u klasické fotografie. Pro amatérské uživatele je většinou jedním z rozhodujících kritérií cena fotoaparátu. Ta však hovoří pro klasické fotopřístroje. Vývoj ceny digitálních fotoaparátů je trochu "chaotický". Cena digitálních fotoaparátů se drží na konstantní hladině a každým rokem získá uživatel za stejnou cenu stroj stejné výkonnostní kategorie, ale parametry fotoaparátu budou o hodně lepší. Např. když si můj strýc kupoval před 3 lety digitální fotoaparát, tak si vybral Olympus C-700 Ultra Zoom za 13000 Kč. Tento fotoaparát má 2Mpix. Dnes by si za stejnou cenu mohl koupit fotoaparát C-765UZ, který má 4.24 Mpix, ale patří do stejné kategorie fotoaparátů a to "kompaktnich ultrazoomů". Není to však jen rozlišení (počet buňek na čipu), které je lepší, ale i optika, elektronika, software apod. Cena samotného přístroje není jediným kritériem pro výběr. Neméně důležitou je i cena následného pořizování a zpracování fotografií. U digitálního fotoaparátu je cena pořízení fotografie prakticky nulová, jenže následné vytištění fotografie je dražší, než pořízení klasické fotografie z vyvolaného filmu. Naproti tomu u klasické fotografie jsou zase větší náklady na pořízení (film a následné vyvolání). Dalším a pravděpodobně hlavním kritériem je kvalita výsledných fotografií. Dnes se digitální fotoaparáty těm klasickým nedokáží vyrovnat. Ale myslím si, že to nebude platit vždy. "Digiťáky" se dokáží klasickým "foťákům" vyrovnat v rozlišení, ale v barevné hloubce zatím ne. To je ale otázka několika příštích let.



Vývoj snímacích čipů

Snímací čip je zařízení, které snímá obraz za objektivem. Existují základní dva typy snímacích čipů CCD a CMOS. Velikost snímacího čipu je menší než políčko u kinofilmu, tedy alespoň u většiny fotoaparátů. Výjimku tvoří pouze hi-end digital SLR (Single Lens Reflex) typu Canon EOS 1Ds MARKII (velikost CMOS čipu je 36 x 24mm), které mají velikost čipu srovnatelnou s klasickým kinofilmem. Proto bývají objektivy u kompaktrních digitálních fopoaparátů menší než u klasických. Třeba rozsah optického zoomu u digitálního fotoaparátu může být 6,3 - 63 mm, ale při přepočítání na ekvivalent kinofilmu je to 38 - 380mm a tedy 10x zoom. Navíc snímací čipy jsou dosti citlivé na světlo, takže je zapotřebí objektiv s vysokou clonou. Dnes je standardem světelnost kolem 2.8.
U snímacího čipu je nejdůležitějším parametrem jeho rozlišení, ale víc "megapixelů" nemusí vždy znamenat lepší kvalitu. Důležitá je i velikost čipu. Nejlepší kompakty mají rozlišení 6 až 8Mpix a některé SLR střední třídy mají kolem 5Mpix. Čipy digitálních SLRs bývají větší, tzn. každá buňka, do které se informace zaznamenává je větší a méně citlivá na šum (SNR - odstup signálu od šumu) a má lepší dynamický rozsah. První SONY Mavica měla rozlišení CCD čipu 570 x 490 tj. cca 290kpix. Dnešní standard pro kompaktní fotoaparáty je 3Mpix a výše.


CCD

V roce 1969 pánové George Smith a Willard Boyle z Bell labs vyvinuli první CCD čip (charge-coupled device). Avšak původní CCD nebylo určeno pro digitální fotoaparáty, ale bylo zamýšleno jako pamět. Až v roce 1975 uvedli první fotoaparát, který používal CCD čip. Kvalita byla srovnatelná s kvalitou tehdejší televize. Jak již bylo zmíněno první prototyp digitálního fotoaparátu představila firma Sony v roce 1981. Ten už převáděl výstup z CCD čipu do digitální podoby a ukládal jej na 2" magnetický pružný disk. Zajímavostí bylo, že tento prototyp používal 2 CCD čipy. Jeden pro uložení jasové složky a druhý pro uložení barevné složky. Dnešní digitální fotoaparáty používají pouze jeden CCD čip. Některé profesionální video kamery používají 3 CCD čipy, pro každou barevnou složku jeden (RGB).
Vlastní CCD čip tvoří matice fotocitlivých polovodičových buněk Před každou fotocitlivou buňkou je barevný filtr, který propouští pouze jednu barvu. Buď červenou, zelenou nebo modrou (tzv. RGB model). První digitály používaly barevný model CMY, který je dominantou barevných tiskáren (CMYK). Kvůli zjednodušení (doplnění na čtverec) se přidává ještě jedna zelená barva (GRGB). S novinkou přišla firma SONY, která místo druhé zelené přidává modro-zelenou barvu.
Výstup CCD čipu je analogový a ne digitální, proto je zapotřebí A/D převodník. Existují dva základní způsoby čtení náboje z CCD. První a jednodušší provedení je tzv. progresivní čtení, kdy jsou čteny jednotlivé řádky nebo sloupce a ty jsou po sběrnici posílány do A/D převodníku. U prokládaného čtení se informace načítá po blocích a ukládá do pomocného registru a pak teprve do A/D převodníku. Tento způsob je rychlejší a jednodušší na výrobu.


Super CCD

Čip Super CCD je konstrukčně podobný CCD čipu. Nejdůležitější odlišností je tvar fotocitlivé buňky čipu, který není čtvercový jak je tomu u CDD, ale osmiúhelníhkový. Výhodou jsou nižší ztráty při interpolaci. Se zajímavou technologií přišla firma Fujifilm, když přišla s čipem Super CDD SR (4. generace), kde každá fotocitlivá buňka toho čipu obsahuje dvě diody, jednu menší, s nižší citlivostí a druhou větší, s vyšší citlivostí.


CMOS

V digitálních fotoaparátech jsou čipy CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) novinkou několika posledních let. Technologie CMOS je starší, neboť se pomocí ní vyrábějí čipy do počítače. CMOS je sice výrobně složitejší než CCD, ale technologie výroby je perfektně zvládnutá.
První CMOS čipy se začaly objevovat v low-end zařízeních jako webové kamery apod. Jejich kvalita byla dost nízká a nesrovnatelná s čipy CCD kompaktních fotoaparátů. Zdálo se, že čipy CMOS jsou "odepsané". Jenomže "díru do světa" udělala firma Canon, když začala do svých hi-end digitálních SLR dávat CMOS čipy.
Hlavní výhodou CMOS čipů je, digitální výstup a tím odpadá potřeba použití A/D převodníku. Navíc CCD čip má větší spotřebu el. energie, což je jeden z hlavních problémů digitálních fotoaparátů. Další výhodou je výstup z CMOS čipu, kde každá buňka má svůj vlastní vývod a díky tomu je digitalizace provedena v jeden časový okamžik. To se projeví např. u sériového snímání, které se využívá hlavně u digitálních SLR. K plnému využití popsané výhody, musí mít digitální fotoaparát patřičně velkou cache pamět, pro dočasné uložení fotografií. Např. Canon EOS 1Ds MARKII, který má 16 megapixelový CMOS senzor, používá údajně 512MB cache paměti. Jen pro srovnání: u průměrných kompaktních digitální fotoaparátů se velikost cache paměti pohybuje okolo 16MB.


Foveon X3

V roce 2002 představila firma Foveon zcela novou technologii snímání obrazu. Vyšla z koncepce klasického kinofilmu. Obsahuje tři silikonové vrstvy z nichž každá pohlcuje jednu barvu, takže každá fotocitlivá buňka Foevonu X3 dokáže zachytit všechny tři barevné složky. U klasických CCD i CMOS čipů je potřeba k zachycení všech tří barevných složek pole 2x2 (GRGB - doplnění na čtverec). Díky tomu je přístroj s čipen Foevon X3 a rozlišením 4Mpix schopen konkurovat přístroji s klasickým CMOS či CCD čipem s rozlišením 16Mpix. Bohužel zatím existují pouze dva fotoaparáty s tímto čipem. Jsou to profesionální SLR Sigma SD9 a SD10. Jejich cena je kolem 50 000Kč.



Kompakt vs. SLR, EVF

Rozdíl mezi těmito typy digitálních fotoaparátů je hlavně v konstrukci hledáčku, ale liší se i parametry objektivů, velikosti snímacích čipů apod. V následujících odstavcích uvádím základní charakteristiky jednotlivých typů fotoaparátů.


Kompakt

Nejlevnější, nejmenší fotoaparáty, které jsou určené většinou pro amatérské užívání. Jsou vhodné zejména pro uživatele, kteří ocení jednoduchost ovládání (systém "jednou zmáčknu a mám fotografii"). Nejčastěji se používají CCD či Super CCD čipy. U kompaktů jsou důležité hlavně automacické funkce, či funkce nahrávání videa. Kompaktní fotoaparáty, až na výjimky, neobsahují manuální funkce jako ostření apod. Zřídka se používá manuální nastavení expozičního času nebo vyvážení bílé. Hledáček u kompaktů se nazývá průhledový, protože se uživatel dívá přes tělo fotoaparátu a ne přes objektiv. Na přední straně fotoaparátu je vidět málé okénko průhledového hledáčku. Nevýhodou tohoto systému je nepřesnost, protože hledáček nejde přesně s osou objektivu. Při větší vzdálenosti se to neprojeví, ale např. při tvorbě makrofotografie je nepřesnost dost veliká. Výhodou tohoto typu fotoaparátu je jeho jednoduchost a nízká cena.

Příkladem kompaktního digitálního fotoaparátu střední třídy může být např. Canon PowerShot A80.
Canon A80


Digitální jednooká zrcadlovka (Digital SLR)

Používají ji většinou profesionální fotografové, novináři či nadšenci. Kompaktní fotoaparáty mají pevně vestavěné objektivy, naproti tomu digitální SLR používají řadu výměných objektivů. Důležitými parametry jsou hlavně pokročilé manuální funkce např. manuální ostření, +/- EV, sériové snímání apod. Většina zrcadlovek vůbec nemá funkci video. Hledáček zobrazuje přeně to co půjde na snímač. Technologie je stejná jako u klasické SLR - použití sklopného zrcátka. Díky tomu lze efektivně použít manuální ostření, jiná technologie to úplně neumožňuje (ani EVF).

Typickým příkladem hi-end digitální SLR je Canon EOS 1Ds MARKII.
Canon EOS 1Ds MARKII


EVF zrcadlovky

Neboli elektronické zrcadlovky (EVF - Electronic ViewFinder). Od SLR se liší tím, že neobsahují žádné zrcadlo, ale obraz do hledáčku jde přes objektiv. EVF hledáček je v podstatě malý LCD display, který zobrazuje obraz zaznamenávaný snímačem. Jeho výhodou je přesnost, ale za cenu vyšší spotřeby energie. Většina ultrazoomů je řešena tímto způsobem.
Typickým příkladem EVF zrcadlovky je Olympus C-760 Ultra Zoom.
Olympus C-760 Ultra Zoom


Jak se budou vyvíjet digitální fotoaparáty dále?

Myslím si, že všechny nové technologie se budou zaměřovat nejen na zvýšení kvality fotografií, ale také na výdrž fotoaparátů. Měla by skončit doba, kdy musíme k digitálnímu fotoaparátu nosit náhradní sadu baterií (a nejlépe 1800mAh NiMH). Jedním z dalších problémů digitálních fotoaparátů je barevná hloubka. Ke zlepšení může napomoci čip Faveon X3, jedna z novinek poslední doby.
Se zvyšujícím se rozlišením roste i velikost fotografií a tím pádem nároky na paměti. V nejbližších letech by měla být 1GB, nebo větší paměťová karta standardem. Myslím tím kartu do kompaktních fotoaparátů ("určenou pro normální smrtelníky"). Digitální SLR sice používají 1GB karty Microdrive, jenomže jejich cena je někdy vyšší než cena některých kompaktních fotoaparátů. S tím souvisí i přenosové médium. Mělo by se přejít od USB 1.1 k USB 2.0 nebo IEEE1394 (firewire).



Závěr

Co říci závěrem? Každým rokem se posunují hranice digitálních fotoaparátů. S trochou nadsázky lze říci, že fotoaparát, který dnes používají profesionálové, může být za 5 let kouskem patřícím do muzea. V nejbližších letech nás čeká přelom v prodeji digitálních a klasických fotoaparátů. V dnešní době se stále více prodávají klasické fotoaparáty, avšak budoucnost naznačuje, že tomu bude pravděpodobně naopak.



Zdroje

[1] http://www.dpreview.com/learn/?/Glossary

[2] http://digi.zive.cz/h/technika/AR.asp?ARI=42

[3] http://www.azfoto.cz/_web/_informace/digital_pod_lupou.php

[4] http://www.bobbrooke.com/DigitalStudio/digitalhistory.htm

[5] http://www.canon.cz

[6] http://www.olympus.cz/produkty/digital/products/cameras/c760uz/c760uz.stm.htm



Ota Kadlec (xkadlec2@fi.muni.cz), valid HTML 4.0, CSS