Seminární práce: Digitální Fotoaparáty a kamery

Seminární práce na téma digitální fotografie a kamer pro Gymnázium Karla Čapka Dobříš z roku 2005.

Jsou zde popsány různé principy fungování digitálních fotoaparátů, kamer, CCD snímače, expozice, kvalita fotografií, světla, tisk atd.

Obsah:

1. Úvod

2. Digitální fotoaparáty

1.1. Digitální versus klasická fotografie

1.2. Jak pracuje digitální fotoaparát?

1.3. Co je snímač CCD?

1.4. Vybavení pro zpracování obrázků a jejich tisk

1.5. Rozlišení obrázku a jeho kvalita

1.6. Světla, fotoaparát, expozice

3. Digitální kamery

1.1. DVD kamery

1.1.1. Japonci opět v čele

1.1.2. I u nás se dají sehnat

1.1.3. Na každém se něco najde

4. Závěr

5. Seznam použité literatury

 

Úvod

Ve 40.letech 19.století Williem Hendry Fox Talbot zkombinoval světlo, papír, několik chemikálií, k tomu přidal dřevěnou krabici a vyrobil fotografii, čímž položil základy dnešního fotografování. Během dalších let byl Talbotem vynalezený postup zdokonalen, a tak lidé na celém světě objevili radost z fotografování.

Dnes, téměř po 160 letech od Talbotova vynálezu a po odvysílání nesčetných pokračování seriálu STAR TREK, začala nová éra fotografování. Nastala éra digitálních přístrojů, která přinesla nové a vzrušující způsoby. Příchod digitální technologie prakticky nastolil nový druh umění, který je natolik podmanivý, že významná muzea uvádějí výstavy děl digitálních fotografů.

Digitální fotoaparáty

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 jste si koupili před 3 lety digitální fotoaparát Olympus C-700 Ultra Zoom za 13000 Kč. Tento fotoaparát má 2 megapixely. Dnes by jste si mohli za stejnou cenu mohl koupit fotoaparát C-765UZ, který má 4.24 megapixelů, ale patří do stejné kategorie fotoaparátů a to „kompaktních ultrazoomů“. Není to však jen rozlišení (počet buněk 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. Digitální fotoaparáty se dokáží klasickým fotoaparátům vyrovnat v rozlišení, ale v barevné hloubce zatím ne. To je ale otázka několika příštích let.

Digitální fotoaparát, počítač a některý ze softwarů pro editování obrázků nabízí neomezené možnosti, i když nejste zrovna zkušenými počítačovými experty, můžete snadno upravit obrázek pořízený fotoaparátem tak, aby vyhovoval vašim uměleckým představám. Můžete například zkombinovat části několika různých obrázků do fotografické koláže a vytvářet speciální efekty, které nelze (nebo jen velmi obtížně) vytvořit pomocí klasického filmu. Velmi praktický je také fakt, že digitální fotografování značně spoří čas nezbytný pro úpravu obrázků. Několikerým kliknutím myši lze vyřešit problém týkající se vyváženosti barev, odstranit nežádoucí objekty na pozadí a dokonce vylepšit zaostření.

Jak pracuje digitální fotoaparát?

Digitální fotoaparát se na první pohled velmi podobá analogovému fotoaparátu, ale pracuje zcela odlišně. Podobnost obou typů fotoaparátů je dána tím, že oba jsou vybaveny objektivem (systémem čoček). Většina modelů fotoaparátů používá objektivy s pevnou ohniskovou vzdáleností, případně objektivy s pevným zaostřením.

Srdce a jádro celého digitálního fotoaparátu se skrývá za clonou. Je jím snímací prvek CCD (Charge Coupled Device – nábojově vázaný prvek). Dopadem světelného záření získávají jednotlivé snímací elementy elektrický náboj. Vzniklé elektrické náboje se pak načítají jako napěťový signál. Analogový signál, odpovídající jednotlivým obrazovým bodům (pixelům) se A/D (analogově digitálním) převodníkem mění na číselný (digitální) údaj o jasu daného bodu. Jelikož však nelze zaznamenat všechny obrazové informace, je nutné použít programové vybavení, které „dopočítá“ chybějící data. Téměř stoprocentně rekonstruovaný digitální obraz je pak uložen na paměťové médium fotoaparátu jako soubor digitálních dat. Světlocitlivý film je v digitálním fotoaparátu nahrazen kombinací snímacího prvku CCD, programového vybavení a paměťového média.

 Co je snímač CCD?

Snímací prvek CCD o velikosti asi 1 × 1 cm je „srdcem“ každého digitálního fotoaparátu. Na tak malé ploše je u nejlepších fotoaparátů soustředěn více než milión světlocitlivých snímacích elementů, uspořádaných do pravidelné struktury.

Například v každém z 1024 řádků snímače může být seřazeno 1280 snímacích elementů.

Kdyby všechny snímací elementy reagovaly na dopadající světlo stejným způsobem, byly by obrázky zachycené snímacím prvkem CCD, a tedy i digitálním fotoaparátem, pouze černobílé. K zachycení barevných snímků je nutno použít různé snímací elementy v rámci jednoho snímače CCD. Jednotlivé snímací elementy reagují na světlo rozdílných vlnových délek, podobně jako v lidském oku. Některé snímají pouze světlo zelené barvy, jiné zase světlo červené a další světlo s vlnovými délkami odpovídajícími modré barvě. Lidské oko reaguje na světlo zelené barvy citlivěji než na světlo obou zbývajících barev, a proto jsou i na všech snímačích CCD použity pro záření vlnových délek, odpovídajících zelené barvě, citlivější snímací elementy než pro světlo červené a modré barvy.

Intenzita zachyceného světla příslušné barvy je snímačem CCD převedena na jednu z 256 úrovní jasu. Kombinací úrovní jasu všech tří základních barev lze vyjádřit 256 × 256 × 256 (asi 16,7 miliónu) barevných odstínů, které umožňují barevně věrné zobrazení fotografované scény.

Pro skutečně správné zobrazení jsou nutné ještě informace o jasu fotografované scény. Snímací prvek CCD je automaticky vytváří z údajů všech snímacích elementů. Veškeré údaje se pak převádí na elektrické signály tak, aby bylo možné uložit všechny důležité obrazové informace do paměti digitálního fotoaparátu.

Zjednodušeně řečeno, existují dva rozdílné typy snímacích prvků CCD. Jeden z nich byl původně vyvinut pro videokamery a je charakteristický obdélníkovými snímacími elementy, pokrytými barevnými filtračními vrstvami CMY (C = Cyan – azurová barva, M = Magenta – purpurová barva, Y = yellow – žlutá barva). Pokud je použit pro digitální fotoaparáty, projeví se jeho nedostatek, daný konstrukcí a původním účelem použití. Televizní obraz nebo obraz z videorekordéru se totiž zobrazuje nebo snímá vždy jen po tzv. půlsnímcích. Teprve rychlým „promítáním“ rychlostí 50 půlsnímků za sekundu se obraz jeví dostatečně stabilní nebo pohyb dostatečně plynulý.

Pokud tedy bude uvedený typ snímacího prvku CCD použit pro digitální fotoaparát, bude každý exponovaný snímek tvořen dvěma půlsnímky. Při digitalizaci snímku pak fotoaparát načítá nejprve 2., 4., 6. a všechny ostatní sudé řádky a teprve potom, v druhém pracovním kroku, řádky 1, 3, 5 a další liché. Výhodou těchto snímačů, označovaných také jako Video-CCD, je jednoduchá výroba a z toho vyplývající příznivá cena. Ve většině případů lze těmito snímači CCD dosáhnout dobré kvality obrazu.

Snímací prvky Video-CCD však mají jednu podstatnou nevýhodu, která se zřetelně projevuje zejména při fotografování pohybujících se objektů, například automobilů. Může se stát, že kvůli nepatrně časově zpožděnému exponování obou půlsnímků získáte nikoliv jeden, nýbrž dva rozdílné snímky.

Pro exponování mnohem kvalitnějších digitálních snímků slouží snímač CCD speciálně vyvinutý pro digitální fotoaparáty, označovaný jako „progresívní CCD“. Tento typ snímače je schopen sejmout několik úplných snímků za sekundu. Protože je obraz digitalizován v jediném kroku, odstraní se téměř úplně případná pohybová neostrost.

Snímací elementy progresívního snímače CCD nejsou obdélníkové nýbrž čtvercové. Jsou pokryté barevnými filtračními vrstvami RGB (R = Red – červená barva, G = Green – zelená barva, B = Blue – modrá barva). Protože je každý obrazový bod tvořen jen jedním ze tří „barevných“ snímacích elementů, bude vždy vykreslen pouze jednou barvou. Chybějící barevné informace, které jsou potřebné k dosažení realistického digitálního obrazu, se určují a doplňují programově. Čím pečlivěji je program sestaven, tím kvalitnější jsou výsledky.

Doplňkové zlepšení kvality lze dosáhnout poměrně jednoduchým trikem. Pokud bude snímač CCD pracovat tak, že na jeden element červené a modré barvy připadnou vždy dva elementy zelené, bude obraz zaznamenán mnohem precizněji. Kromě už zmíněné vyšší citlivosti lidského oka ovlivňuje zelená barva dosti podstatně i vnímání jasu.

Protože progresivní snímač CCD snímá obraz v jediném pracovním kroku, je zcela zanedbatelná případná pohybová neostrost, ke které může dojít při snímání snímačem Video-CCD pracujícím se dvěma půlsnímky.

Vybavení pro zpracování obrázků a jejich tisk

Kromě samostatného přístroje budete pro digitální fotografování také potřebovat spoustu přídavného hardwaru a softwaru. Neposlední místo zaujímá výkonný počítač, který slouží pro prohlížení,ukládání,editování a tisk obrázků. To znamená stroj s výkonným procesorem, alespoň 32MB operační paměti RAM a velkokapacitním pevným diskem, na kterém je dostatek volného místa.

Rozlišení obrázku a jeho kvalita

Každý digitální obrázek sestává z určitého množství pixelů. Tak nejlevnější digitální fotoaparáty obvykle vytvářejí obrázky, které jsou 1280 pixelů široké a 1024 pixelů vysoké.

Někteří lidé používají pro vyjádření počtu pixelů v obrázku výraz „velikost v pixelech“, což je počet pixelů na šířku krát počet pixelů na výšku. Jiní používají výraz rozměry obrázku, což může být matoucí, protože tento výraz se také používá pro fyzické rozměry (např. centimetry na šířku krát centimetry na výšku) Rozlišení se vztahuje k počtu pixelů v obrázku na palec (PPI).

Světla, fotoaparát, expozice

Ať už pracujete s digitálním nebo klasickým fotoaparátem, jas nebo tmavost obrázku závisí na expozici–tedy na množství světla dopadajícího na film nebo na obrazový snímač. Čím více světla, tím je obrázek jasnější. Příliš mnoho světla zaviní přeexpozici, obrázek je příliš vybledlý. Je–li světla naopak málo, obrázek je tmavý a je podexponován.mnoho digitálních přístrojů stejně jako mnoho fotoaparátů na film neposkytuje dostatek množství pro nastavení expozice, vše se provádí automaticky. Ale některé fotoaparáty nabízejí několik automatických nastavení expozice a některé dražší fotoaparáty, Vám umožní nastavovat expozici ručně. Nezávisle na tom ,zda fotografujete automatickým modelem nebo takovým, který nabízí manuální ovládání, musíte si uvědomit, které faktory ovlivňují expozici. Jsou to zejména rychlost závěrky, clona a natavení citlivosti ISO. Snadno tak pochopíte jaké možnosti Vám může fotoaparát nabídnout.

 Digitální kamery

Od tradičních videokamer se liší způsobem zápisu na magnetickou pásku – jistě už tušíte, že digitální kamera zaznamenává jednotlivá okénka ve formě číselného záznamu.

K základním přednostem, které přinášejí digitální formáty videa, patří vedle podstatného nárůstu kvality záznamu i zcela nové možnosti, jak natočený „materiál“ zpracovat. Především jde o bezztrátové kopírování z jednoho digitálního přístroje na druhý a o technologii tzv. nelineárního střihu, kdy záznam přepíšeme na pevný disk počítače a zde ho v příslušném programu zpracujeme, výsledek pak v hotové podobě nahrajeme na archivační médium. Předpokladem pro využití těchto progresivních možností, o nichž se videoamatérům mohlo donedávna jen zdát, je přístroj, který dokáže signál digitálního videa přicházející po kabelu (ať už z jiného přístroje nebo z příslušné karty počítače) přijmout a zaznamenat – tedy přístroj vybavený digitálním vstupem. A tím může být nejen videorekordér, ale i kamera.

Ještě před několika lety byly digitální kamery pro většinu lidí příliš drahé, dnes již jejich cena spadla i pod 20 000Kč, takže si dnes můžou někteří lidé dovolit, ale stále jsou u nás více, než kamery rozšířené digitální fotoaparáty, hlavně pro jejich nižší cenu a menší nároky na ukládání fotografií.

DVD kamery

Na světě je nová generace DVD videokamer, které jsou schopen film nahrát na DVD disk o průměru 8 centimetrů.

V praxi to znamená, že je možné si natočený záznam přehrát v podstatě okamžitě. Podobně fungují i některé analogové kamery, kde natočenou kazetu lze přehrát ve videopřehrávači. K tomu se ale neobejdete bez adaptéru, který u DVD kamer nutný není. Navíc lze natočený záznam ihned upravovat přímo v přístroji.

Nové digitální kamery jsou výrazně levnější a nabízejí i za stejnou nebo dokonce nižší cenu více funkcí. Dá se předpokládat, že DVD kamery své starší digitální sestry rychle doženou i v oblasti rozhraní. Na ta jsou zatím některé dost skoupé.

Japonci opět v čele

Jedničkou mezi světovými výrobci DVD kamer je japonská společnost Hitachi. Ta už před pěti lety uvedla na trh první model a od té doby každoročně přichází s něčím novým. Její dnešní výrobky nejsou těžší než půl kilogramu a pro amatérské natáčení bohatě stačí i ten nejjednodušší model, v jehož výbavě neschází ani slušný zoom, či elektronický stabilizátor.

Uživatel má možnost zvolit ze tří stupňů kvality snímání s různým rozlišením a datovým tokem. Pokud si vybere nejkvalitnější záznam, tzv. Extra-Fine, dosáhnete sice rozlišení 705 x 576 pixelů, jenže na jednu stranu disku se pak vejde jen 18 minut nahrávky.

Pokročilí uživatelé zas ocení kameru, např. DZ-GX20 od stejného výrobce. která je vybavena CCD snímačem s rozlišením 2,12 megapixelů, velmi jasným 2,5palcovým LCD displejem, schopným zobrazit až 200 tisíc barev a desetinásobným optickým zoomem. Přístroj ovšem neslouží pouze pro natáčení videa, ale dají se s ním pořídit i statické snímky. Ty je možné ukládat na SD kartu a rychle pak přenést do počítače.

I u nás se dají sehnat

Konkurence však také nespí, takže už v loňském roce představil Panasonic (i v České republice) dva své modely DVD kamer. I ty jako záznamové médium používají DVD-RAM a DVD-R disky o průměru 8 cm a jsou vyzbrojeny osmnácti – či desetinásobným optickým zoomem. Čtvrtpalcový CCD snímač s rozlišením 1,020 ( respektive 0,8 ) megapixelů nabízí solidně ostrý obraz se skutečně realistickým podáním barev.

Oba modely jsou, stejně jako konkurenční kamery, vybaveny zásuvkou (slotem) pro paměťovou kartu SD, pro ukládání fotografií, jejichž náhledy se dají prohlížet na LCD panelu kamery nebo doma na obrazovce televizoru. Data z SD karty navíc můžete pohodlně sdílet s dalšími SD produkty, například tiskárnou.

Na každém se něco najde

DVD kamery obvykle podporují dva DVD formáty, DVD-R a DVD-RAM, z nich každý má nějakou tu mouchu, tedy své klady i zápory. Disky DVD-R jsou levnější a hojně rozšířeny. Poradí si s nimi naprostá většina přehrávačů, ať se jedná o rekordéry nebo o počítače. Jejich hlavní problém, právě ta moucha, však tkví v tom, že nejsou přepisovatelné. U disků DVD-RAM je tomu právě naopak. Jsou relativně málo rozšířeny, ale data na nich je možné je nejrůznějším způsobem přepisovat (editovat). Do natočených snímků můžete například přidávat efekty nebo je jen prostě chránit před nechtěným smazáním.

Narozdíl od běžné videokazety umožňují DVD disky jednodušší přehrávání, přičemž orientaci v nahrávce vám usnadní náhledy, zastupující každou natočenou scénu, které si podle chuti prohlídnete na LCD panelu kamery nebo na televizní obrazovce. Vybranou scénu je pak možné okamžitě přehrát a není třeba nic složitě hledat. Stejně tak je možné rychle zkontrolovat právě nahraný záznam a okamžitě pokračovat v natáčení.

 Závěr

Dospěl jsem k závěru, že v dnešním světě jsou digitální fotoaparáty a kamery velmi rozšířené a oblíbené, hlavně díky možnosti jednoduchého uchování a spravování fotografií a videa v počítačích, na různých přenosných mediích, dokonce si dnes můžete promítnout fotografie nebo video i v televizi, pokud je k tomu přizpůsobena. Společnosti zabývající se výrobou digitálních fotoaparátů a kamer neustále vynalézají nové technologie pro jejich výrobky, díky tomu dochází v posledních letech k velkému rozmachu těchto přístrojů za únosnou cenu v poměru k jejich kvalitě.

Má seminární se zabývá hlavně seznámením a vysvětlením, jak digitální fotoaparáty a kamery pracují.

Seznam použité literatury

  1. Digitální kamery a fotoaparáty [on-line]. [cit. 18.12.2005]. Maturita.cz Dostupné na internetu: <http://referaty.cz/referaty/referat.asp?id=3549>.

  2. Digitální fotografie [on-line]. [cit. 18.12.2005]. Maturita.cz. Dostupné na internetu: <http://referaty.cz/referaty/referat.asp?id=1906>.

  3. Ota Kadlec: Digitální Historie Digitálních fotoaparátů [on-line]. [cit. 18.12.2005]. FI MUNI. Dostupné na internetu: <http://www.fi.muni.cz/usr/jkucera/pv109/2004/xkadlec2.htm>.

  4. Nastává průlom ve světě videokamer? [on-line]. [cit. 18.12.2005]. 21. století. Dostupné na internetu: <http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2005092105>.

 

Jan Václavík
Jan Václavík
Vystudoval jsem ČVUT FIT a pracuji v Userte.ch jako vývojář hybridních aplikací. Kromě toho přednáším na CodeCamp.cz, baví mě cestovat do neznámých krajin, lézt po horách a občas o tom píšu na tento blog. Na Twitteru mě najdete jako @janvaclavik.

Odeslat komentář