Senzori u digitalnim fotoaparatima

Verujemo da vam je uglavnom poznato kako funkcionišu digitalni fotoaparati, ali usredsredićemo se na detalje, na senzore ili čipove koji su zamenili filmske rolne

Mnogi od nas koji su nekada koristili klasične fotoaparate koji su radili „na film” praktično su i zaboravili na njih, a da ne govorimo o dolazećim generacijama koje, kako stvari stoje, možda nikada neće ni videti „filmaše”, jer u svoj prvi fotoaparat stavljaju memorijske kartice a umesto foto-radnje koriste foto-kioske po tržnim centrima i računare u svojim domovima ne bi li pregledali i divili se svojim uspomenama.

Naravno, nema apsolutno ničeg lošeg u tome i svi smo mi raširenih ruku prihvatiti razvoj i ove, nekima nove tehnologije ali, bilo da oni koriste film ili „tamo neke” senzore, u suštini rade na istom principu i lepo je i korisno znati neke od principa na kojima rade digitalni fotoaparati. Konkretno, fokusiraćemo se na senzore ili čipove koji su zamenili filmske rolne.

Optički senzori

Daleke 1969. godine, Džordž Smit (George Smith) i Vilard Bojl (Willard Boyle) izumeli su CCD (Charge Coupled Device), senzor koji predstavlja integralno kolo sa gusto koncentrisanim fotodiodama koje svetlosnu energiju pretvaraju u analogni elektronski signal odnosno napon. Prvenstveno, CCD je razvijan za memorijske module za računare, a kasnijim studijama ustanovljeno je da ovaj čip, imajući u vidu njegove mogućnosti, može naći širu primenu u procesiranju signala i projektovanju slike. Danas veliku primenu ima u digitalnoj fotografiji i astronomiji. Što se tiče drugog po zastupljenosti senzora u proizvodnji digitalnih fotoaparata, CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), takođe je razvijen oko 1970. godine, ali zbog svojih loših performansi nije privlačio mnogo pažnje tek do početka devedesetih godina. Ovi senzori imaju veliku primenu u digitalnoj fotografiji kao i u drugim industrijama poput računarske i telekomunikacione, ali i u medicini i proizvodnji igračaka. Inače, naziv CMOS odnosi se na način proizvodnje ovog senzora a ne na tehnologiju za dobijanje, u našem slučaju, fotografija. Oba senzora, CCD i CMOS stvaraju sliku na istom principu, koji ćemo dalje u tekstu detaljnije opisati.

Senzori u digitalnim fotoaparatima koji su danas najzastupljeniji svakako su CCD i CMOS senzori. Veliki broj kompaktnih digitalnih fotoaparata zasnovan je upravo na CCD senzorima, dok su CMOS čipovi, bar zasad, rezervisani u velikoj meri samo za digitalne SLR fotoaparate. Među vodećim proizvođačima foto-opreme svakako je Canon, koji već godinama ugrađuje isključivo CMOS senzore u svoje ozbiljnije fotoaparate. Pored njega, tu je i Olympus, koji „gura” sisteme Live MOS i Four Thirds, takođe zasnovane na CMOS tehnologiji koja će u budućnosti verovatno „izgurati” iz upotrebe CCD senzore, kako zbog svojih performansi, tako i zbog najbitnije stavke – cene proizvodnje.

Bajerova mreža

Kako u stvari senzori funkcionišu? Senzori imaju zadatak da svetlost pretvore u elektronski signal, a nakon toga, kasnijom obradom, u sliku odnosno fotografiju. Određena količina svetlosti prolazi kroz objektiv fotoaparata i pada na površinu senzora, koja se sastoji od miliona svetlosno osetljivih fotodioda (piksela) i na kojoj se stvara električni napon. Takav napon u stvari je analogni signal koji se pomoću analogno-digitalnog konvertora digitalizuje i zatim šalje glavnom procesoru za slike (recimo, DIGIC II ili III procesor kod Canon aparata), u kojem nastaje konačan proizvod – digitalna fotografija. Ugrađeni čipovi su crno-beli senzori i kao takvi nisu u stanju da registruju boje, nego samo jačinu svetlosti koja pada na njih. Da bi senzor bio u stanju da „vidi” boje, na površinu svakog od njih postavlja se određeni optički RGB (Red, Green, Blue) filter odnosno Bajerova mreža ili mozaik (Bayer pattern), koja ima funkciju da rastavlja svetlost koja pada na čip na tri osnovne komponente (boje) – crvenu, zelenu i plavu – i zbog toga svaki pojedinačni piksel „vidi” samo jednu boju, dok se ostale (dve) komponente određuju softverski na osnovu jedne poznate koristeći određeni algoritam za rekonstrukciju (demozaik algoritam). Najjednostavniji i najrasprostranjeniji način za rekonstrukciju svakako je interpolacija, koja na osnovu srednje vrednosti susednih piksela određuje boju koja nedostaje. Tehnika dobijanja fotografija sa CCD i CMOS senzorima u velikoj meri se razlikuje od one tehnike koju susrećemo kod konvencionalnih 35 mm filmova. Stari dobri film za dobijanje fotografije u boji koristi, umesto, grubo rečeno Bajerove mreže, tri sloja emulzije, po jedan za svaku osnovnu boju (crvena, zelena, plava).

Foveon X3 višeslojni filter

Senzor Foveon X3 za digitalnu fotografiju koristi princip rada koji više nalikuje tradicionalnoj fotografiji. Naime, ovde su tri senzora, sa tri filtera osnovnih boja, postavljeni jedan preko drugog, a različite su debljine zato što silicijum različito upija svetlosti određenih talasnih dužina. Kod ove tehnologije svaki piksel je na svakom mestu osetljiv na jednu od tih boja, i tako se ne samo svetlost, već i boja direktno prihvata na pojedinačnom senzoru. To isključuje potrebu za interpolacijom, koja je neizbežna za CCD i CMOS senzore.

Naravno, postoje i drugačiji filteri za „razbijanje” svetlosti na komponente poput CYGM (Cyan, Yellow, Green, Magenta) i RGBW (Red, Green, Blue, White) ali se oni koriste retko, samo za specifične potrebe.

Milioni piksela

CCD senzor

Veličina fotografije, naravno, zavisi od broja piksela i meri se u milionima piksela, tj. u megapikselima. Svaki senzor ima veći broj piksela od onog dobijenog na konačnoj fotografiji. Na primer, Nikonov model D50 ima 6,3 megapiksela (fotodioda) na senzoru, a veličina slike koju proizvodi je 3000 x 2000 piksela, što je tačno 6 megapiksela. „Višak” piksela, generalno, služi za potrebe interpolacije tj. za demozaik algoritam.

U zavisnosti od primene i klase digitalnog fotoaparata zavisi i kakav će senzor biti ugrađen u njega, odnosno koja će biti njegova veličina. Za veliki broj amaterskih, kompaktnih digitalnih fotoaparata, rezervisani su CCD senzori manjih dimenzija. Veličina senzora iskazuje se u inčima, čudnim razlomkom (1/2,5 inča, 1/1,7 inča, 4/3 inča itd.). Ovaj broj ne govori ni o dijagonali senzora niti o odnosu stranica, već zapravo predstavlja prečnik zamišljenog kruga oko senzora, ali tolikog da površina senzora predstavlja dve trećine tog kruga. Jednostavno, zar ne? Način označavanja ostao je iz nekih starih vremena kada su se tako definisale karakteristike pojedinih televizijskih kamera. Da se vratimo na CCD čipove: konkretno, za čip koji je ugrađen u trenutno najpopularnije modele Canona A560 i A570 IS obeležava se da je veličine 1/2,5 inča (što je 25,4 mm / 2,5 = 10,16 mm), a fizičke dimenzije su mu 5,76 x 4,29 mm. Odnos stranica fotografije takođe zavisi od veličine senzora. Amaterski digitalni fotoaparati uglavnom imaju odnos stranica 4:3, pa se prilikom izrade fotografija na fotopapiru (koji nema taj odnos stranica) dešava da se odseče gornji i donji deo fotografije za oko tri milimetra ili da sa leve i desne strane ostanu vertikalne bele linije. Kod standardnih DSLR aparata odnos je 3:2 (osim Olympusovog modela koji smo opisali u ovom broju, a koji ima odnos 4:3) i, što se tiče razvijanja slika, nema problema sa odsecanjem.

Manji ili veći senzor?

Zamišljena kružnica koja opisuje veličinu senzora

Digitalni SLR aparati imaju mnogo veće senzore u poređenju sa malim amaterskim fotoaparatima. Od Olympusa, koji ima 4/3 inča CMOS (17,3 x 13 mm) preko Canona 40D APS-C (22,2 x 14,8 mm CMOS), pa do Nikona D3 ili Canona 1Ds čija je veličina čipa jednaka okviru 35 mm filma (35 x 24 mm) – to su takozvani Full frame senzori. Primetićemo da jedan mali kompakt, recimo Canon A650 IS, ima 12 megapiksela, što je jednako kao i profesionalni Nikonov DSLR model D3, ali sa potpuno različitim senzorima i njihovim veličinama, što se direktno odražava na kvalitet slike. Manji senzori, logično, imaju znatnno manje piksele (fotodiode) od većih, što najviše utiče na kvalitet snimljenih fotografija, a pri tom mislimo na ključne stvari kao što su pojava, vrsta i količina šuma (manji senzor je i manje osetljiv na svetlost) ili dinamički opseg fotografije. Šum je nepoželjan i u velikom broju slučajeva to je neizbežan efekat koji se javlja usled pojačavanja osetljivosti fotodioda na senzoru digitalnog fotoaparata i fluktuacije piksela.

CCD senzor na APS-C CMOS senzoru

Naime, ukoliko postavimo ISO osetljivost na viši nivo, ISO 800 na primer, zapravo izlažemo pojedinačni piksel tj. fotodiodu istoj količini svetlosti nekoliko puta. U tom momentu javljaju se varijacije koje zapravo nazivamo šumom na fotografiji. Šum se javlja u vidu tačkica na slici, koje mogu biti monohromatske ili u boji, a pojavljuje se, kao što smo rekli, pri većoj ISO osetljivosti, kao i pri dužoj ekspoziciji, odnosno dužem izlaganju senzora svetlosti. Naravno, što je ISO vrednost veća, senzoru i fotodiodama potrebno je manje svetlosti, ali tada postoji veći rizik od pojave pomenutog neželjenog efekta, kao i od gubitka detalja i nepravilnog prikaza boja. Na primer, kao kada se sluša neka radio-stanica sa lošijim prijemom; ukoliko pojačamo radio, glasnije ćemo čuti glas, ali isto tako i neprijatno šuštanje. Kod fotografije, slikani objekat biće svetliji (osvetljeniji), ali sa većom količinom šuma. Neka, da kažemo, normalna i standardna vrednost jeste ISO 100, i pri toj osetljivosti fotografije na manjim senzorima uglavnom nemaju primetan šum ukoliko se fotografija ne gleda u njenoj pravoj veličini ili se posmatraju njeni tamniji delovi, dok se kod digitalnih SLR fotoaparata i pri 100% uvećanju šum nimalo ne primećuje.

Koji će prevladati?

Pojava šuma kod modela sa CCD-om, u odnosu na modele sa većim CCD-om ili CMOS senzorom. Isti kadar snimljen je fotoaparatom (sleva nadesno): Canon PowerShot A560, Canon PowerShot A650, Canon EOS 5D, Nikon D50

Prednosti CMOS senzora uključuju manju pojavu šuma, smanjenu potrošnju energije, brže vreme odziva i – što je najvažnija stavka – nižu cenu proizvodnje u odnosu na fotoaparate zasnovane na CCD senzoru. CCD senzori su trenutno, što se tiče performansi, generalno isti kao „konkurenti”. Jedini i najbitniji problem svakako je skuplja proizvodnja, jer fabrika koja ih proizvodi mora da bude specijalizovana samo za tu vrstu proizvodnje, dok proizvodni pogon za CMOS senzore može da se koristi i za druge čipove poput memorijskih modula ili računarskih procesora. Trenutno, CMOS senzore već dugi niz godina ugrađuju Canon i Olympus, ali se i drugi proizvođači orijentišu upravo na ovaj čip, bar kada su u pitanju napredniji i digitalni SLR modeli fotoaparata. Tu je Nikon, koji je već razvio svoj full frame CMOS i ubacio u model D3, a pored njega su Pentax, Samsung i Sony, koji razvijaju brze CMOS čipove manjih dimenzija za kompaktne aparate. Canon je, takođe, letos objavio da će investirati u nove fabrike koje će proizvoditi CMOS čip, kako za DSLR tako i za kompaktne modele digitalnih fotoaparata. CCD čip našao je veliku primenu i u video industriji, pa gotovo sve digitalne kamere za kućnu upotrebu koriste ovu tehnologiju; kombinuju se i tri CCD čipa, gde je svaki od njih rezervisan za po jednu osnovnu boju, a svetlost se pomoću prizme „razbija” na osnovne boje od kojih svaka pada na jedan od tri senzora. Inače, Sony zasad pokriva potrebe CCD senzora drugih proizvođača, bar kada su u pitanju amaterski „digitalci”.

Petar VEINOVIĆ