W tym dziale  prezentujemy opisy budowy i zasadę działania matryc światłoczułych i elementów z nimi współpracujących, które w aparacie cyfrowym spełniają rolę jaką film pełni w aparacie analogowym.

MATRYCA ŚWIATŁOCZUŁA - "FILM" CYFROWY

Matryca światłoczuła, zwana też przetwornikiem (przetwarza obraz wytworzony przez obiektyw na sygnały elektryczne), jest zupełnie nowym element cyfrowego aparatu fotograficznego w porównaniu z aparatem analogowym. Matryca światłoczuła, wraz z kilkoma elementami pomocniczymi, zastępuje film stosowany w aparatach klasycznych. Na niej następuje odwzorowanie obiektu fotografowanego. Podstawowe wielkości charakteryzujące matrycę (przetwornik) to liczba światłoczułych elementów, zwanych pikselami i rozmiary geometryczne.

W prospektach handlowych najczęściej podawana jest tylko liczba pikseli w milionach sztuk - megapikselach - oznaczana MP oraz maksymalna możliwa do uzyskania rozdzielczość zdjęcia wykonanego aparatem z danym przetwornikiem. Rozmiary geometryczne matrycy to parametry dla nieco bardziej zaawansowanych użytkowników, ale na tyle ważne że będą tu również opisane i objaśnione.

W naszym poradniku omówimy tylko te elementy budowy matrycy, których poznanie i zrozumienie zasady ich działania umożliwi lepsze wykorzystanie posiadanego aparatu.

Czym jest matryca?

Zasada działania matrycy nie zależy od jej rozmiarów ani od liczby pikseli. Jednak aparaty z dużą, a tym samym drogą matrycą, mają więcej dodatkowych elementów, których nie opłaca się producentom montować w prostych aparatach z małą matrycą. Duże rozmiary matrycy dają też pewne dodatkowe możliwości o których będzie mowa w podrozdziałach

Rozmiary matryc

Oznaczenia wielkości matrycy i odpowiadające im wymiary w milimetrach to dość skomplikowana sprawa, uwarunkowana historycznie i jej znajomość NAPRAWDĘ nie jest potrzebna do robienia dobrych zdjęć. Wystarczy wiedzieć, że im większa jest wartość liczby otrzymanej z podzielania licznika przez mianownik oznaczenia wielkości (pomijamy cale, czy milimetry), tym większa jest matryca światłoczuła. Dla przykładu podajemy w tabelce kilka typowych wielkości matryc. Większość aparatów kompaktowych ma matrycę o wielkościach oznaczonych 1/2,5" lub 1/1,8". Większe matryce są montowane w droższych aparatach cyfrowych, typu lustrzanki jednoobiektywowej. Jak wynika z zamieszczonej tabeli, wszystkie matryce tam opisane są dużo mniejsze od rozmiarów klatki filmu 35mm. Wynikają z tego konsekwencje dotyczące długości ogniskowej obiektywu. Te zależności między wielkością matrycy a długością standardową ogniskowej obiektywu będą omówione osobno, gdyż są one bardzo istotne dla samego procesu odwzorowania obrazu na matrycy.

Rozdzielczość matrycy

Prostszym do zapamiętania i dla porównań różnych aparatów jest rozdzielczość podana jako liczba megapikseli i dlatego ona jest częściej używana dla scharakteryzowania aparatu. Matryce montowane obecnie w aparatach mają przynajmniej około 5 milionów pikseli. Mówimy: matryca ma 5 megapikseli (5 MP). Pamiętamy, że przedrostek mega oznacza milion.

Im więcej megapikseli zawiera matryca, tym większa jest możliwa do uzyskania zdolność rozdzielcza zdjęcia zarejestrowanego na tej matrycy i tym większe rozmiary odbitki, którą można wykonać bez pojawiania się na nich rozmycia konturów obrazu. Zależność między liczbą megapikseli a rozmiarami odbitki omówimy osobno.

Czułość matrycy

I tu mamy pierwszą właściwość aparatu cyfrowego, która daje przewagę nad aparatem analogowym. Czułość matrycy, czyli "cyfrowego filmu" może być regulowana podczas wykonywania zdjęć. W aparacie analogowym nie ma możliwości zmieniania czułości filmu. Można jedynie zmienić cały film.

Minimalne czułości matrycy, którą można ustawić to zazwyczaj 50 ISO. W najprostszych aparatach cyfrowych czułość dla danego zdjęcia ustawiana jest automatycznie przez swego rodzaju minikomputer, w który zaopatrzony jest każdy aparat cufrowy. W bardziej zaawansowanych ale jeszcze amatorskich, możemy wyłączyć automatyczne ustawianie czułości i ustawiać ją samemu.

Zależność między czułością a jakością wykonanego zdjęcia jest taka sama jak dla aparatów analogowych. Mniejsza czułość daje lepszą jakość zdjęcia ale wymaga lepszego oświetlenia.

Proporcja zdjęć

Dlatego oddając zdjęcia do zrobienia odbitek musimy wyraźnie zaznaczyć, czy zgadzamy się, czy nie, na "przeformatowania" do proporcji 3:2. Porządne laboratoria nie robią tego bez naszej zgody.

Nowsze i nieco droższe aparaty cyfrowe pozwalają na ustawienie przez fotografa żądanej proporcji zdjęć. Nie oznacza to, że możemy zmieniać rozmiary matrycy. Po prostu "wybieramy" na niej obszar, na którym będzie rejestrowane zdjęcie.

Na tym kończymy podstawowy opis matrycy ale w podpunktach tego paragrafu omówione będą wszystkie parametry i właściwości matryc, których znajomość umożliwi robienie dobrych zdjęć.

MEGAPIKSELE EFEKTYWNE

W danych o aparacie cyfrowym mamy na ogół dwie liczby określające liczbę pikseli w matrycy.

• Liczbę wszystkich pikseli, np. 6.2 MB,
• i liczbę pikseli efektywnych, np. 6.0 MP.

• Liczba wszystkich pikseli, to liczba określająca ile pikseli światłoczułych jest na matrycy tego aparatu.
• Liczba pikseli efektywnych mówi nam, ile z tych pikseli stanowi punkty robionego zdjęcia. Jest ona praktycznie równa iloczynowi podanej rozdzielczości aparatu.

Pozostałe piksele są potrzebne do otrzymania informacji o jasności i kolorze, którym naświetlone zostały piksele brzegowe (na zewnątrz tych efektywnych).
Dla przykladu, Canon PowerShot A630, ma matrycę 8.2 MP a efektywną liczbę pikseli - 8.0 MP.
Maksymalna rozdzielczość tego aparatu to 3264 x 2448 co daje 7990272 czyli 7.990272 milionów punktów. Jest to więc w przybliżeniu liczba podawana jako efektywne megapiksele.

OZNACZENIA WIELKOŚCI MATRYC

Producenci aparatów cyfrowych podają informacje o wielkości matrycy w postaci: 1/2.5'', 1/1.8'', 2/3'' itd.

• UWAGA: to są SYMBOLE oznaczające wielkość.
• Z tych liczb NIE MOŻNA w prosty sposób obliczyć prawdziwej wielkości matrycy.

• (1/3.6)cala, co zapisywano 1/3.6'', (=7,1 mm)
• (1/3.0)cala, zapisywane 1/3.0'', (=7,9 mm)
• (1/2.7)cala, zapisywane 1/2.7'', (=8,5 mm)
• (1/2.5)cala, zapisywane 1/2.5'', (10,2 mm)
• itd.

• SYMBOL a nie liczbę reprezentującą wielkość.

• Nie jest to w żadnym przypadku wynik operacji JEDEN podzielone przez 2.5 i pomnożone przez liczbę milmetrów w calu.

W tabeli jest jeszcze kolumna - ogniskowa normalna. Co oznacza ta wielkość objaśnimy w kolejnym punkcie naszej "encyklopedii".
Informacje dotyczące rozmiarów matryc są dość często podawane błednie, jako wyliczone z ułamka 1/x.y''. Warto więc zapamietać, że to "magiczne" 1/x.y'' to SYMBOL wielkości a nie liczba.

Matryce CCD kontra CMOS

Na czym polega różnica między tymi rodzajami matryc i które są lepsze? Różnice bardzo łatwo pokazać i objaśnić. Które są lepsze, to już sprawa trochę względna. W tym paragrafie omówimy różnice między matrycami typu CCD i CMOS a w następnych opiszemy budowę i zasady działania każdego z typów.

• CCD to skrót od pełnej angielskiej nazwy Charge-coupled device

• CMOS to pierwsze litery terminu znanego elektronikom: complimentary metal-oxide semiconductor

Główne różnice między matrycami CCD i CMOS

Zrobimy tu porównanie kilku istotnych właściwości obu typów matryc.

CCD	CMOS
Nie można odczytać zawartości pojedynczego piksela. Trzeba odczytać zawartość całej matrycy i potem dopiero wybrać interesujący nas piksel. To powoduje, że ich działanie jest dość wolne	Można odczytywać zawartość dowolnej liczby pikseli i w dowolnej kolejności, tak jak odczytuje się zawartość pamięci komputerowych. Z tego względu działają znacznie szybciej.
Matryca ma jeden przetwornik ładunku na napięcie i jeden przetwornik A/D (napięcie na liczbę). Zawartość wszystkich pikseli jest odczytywana po kolei przez ten układ.	Każdy piksel matrycy CMOS ma swój przetwornik ładunek na napięcie i układ odczytujący zawartość pikseli odczytuje już napięcie wytworzone padającym na ten piksel światłem. W bardzo zaawansowanych matrycach CMOS każdy piksel ma swój przetwornik A/D, co ułatwia i przyspiesza dalszą obróbkę obrazu.
Ze względu na swą budowę matryce CCD pobierają więcej mocy w czasie pracy, bardziej się więc grzeją i szybciej zużywa się bateria lub akumulator zasilający aparat z tą matrycą.	Zużywają mniej mocy elektrycznej, co pozwala wykonać więcej zdjęć z raz naładowanego akumulatora.
Większy współczynnik wypełnienia, czyli stosunek powierzchni pikseli do powierzchni całej matrycy.	Mniejszy współczynnik wypełnienia, gdyż część powierzchni matryc zajmują obwody przetwarzające ładunek na napięcie.
Mniejsze szumy.	Większe szumy.

Dla fotografa najistotniejsza jest wiedza o tym, że matryca CMOS działa szybciej, co oznacza szybsze działanie całego aparatu fotograficznego. Wiele korzyści płynie też ze sposobu odczytu - zawartość każdego piksela indywidualnie. Te korzyści mogą być wykorzystane jedynie przez projektantów aparatów i zespoły opracowujące programy sterujące działaniem aparatu, tzw. firmowe. Końcowy użytkownik zyskuje na tym ale sam nie może decydować o sposobie wykorzystania zalet matrycy CMOS.

Bardziej dociekliwi fotoamatorzy będę mogli wkrótce poczytać rozdziały dotyczące szczegółów budowy i działania obu typów matryc. Znajomość tych zagadnień nie jest konieczna dla robienia dobrych zdjęć ale na pewno umożliwia pełniejsze wykorzystanie możliwości aparatu cyfrowego.

KOLORY W APARACIE CYFROWYM

Opisujemy tu nieco trudniejsze zagadnienia ale informacje te są bardzo istotne dla pełnego wykorzystania możliwości aparatu cyfrowego. Polecamy go więc tym, którzy swoim aparatem, nawet najprostszym, chcą robić zdjęcia o pięknych, naturalnych kolorach.

Matryca światłoczuła jest czarno - biała

Tak, matryca światłoczuła w aparacie cyfrowym rejestruje jedynie intensywność padającego na nią światła i nie rozróżnia kolorów. To pewnie wielu Czytelników zdziwiło, ale tak jest. A skąd kolory na zdjęciach zrobionych aparatem cyfrowym? Kolory tworzy układ filtrów i odpowiednio zaprogramowany procesor, który jest nieodłącznym elementem aparatu cyfrowego.

Układ filtrów optycznych

Cała matryca przykryta jest "szachownicą" mikroskopijnych filtrów, jeden nad każdym elementem światłoczułym. Schemat rozmieszczenia kolorów podany jest na Rys.1.

Rys.1. Fragment filtru przykrywającego matrycę światłoczułą.

Trzy podstawowe kolory, czerwony, zielony i niebieski ułożone są tak, że jeden kolor przykrywa jeden piksel. A więc poszczególne piksele rejestrują natężenie światła tego koloru, co kolor filtra, którym są "przykryte". Dla przypomnienia - filtr (dobrej jakości) przepuszcza tylko światło "swojego" koloru.

Mieszanie kolorów przez procesor

Z optyki ( a i z życia codziennego) wiadomo, że z tych trzech kolorów można "zbudować" dowolny inny, poprzez ich "pomieszanie" w odpowiedniej proporcji. Wiedzą to również dzieci bawiące się farbkami wodnymi. W oparciu o tę zasadę procesor aparatu fotograficznego, odpowiednio zaprogramowany, "odtwarza" barwy fotografowanego obiektu.

Filtr kolorowy Bayer'a

Z Rys. 1 wynika, że liczba elementów zielonych jest 2x większa od liczby elementów czerwonych a także 2x większa od liczby elementów niebieskich. To jest konsekwencją faktu, że matryca ma "naśladować" własności oka ludzkiego a nasze oko jest bardziej czułe na kolor zielony a więc i matryca powinna być bardziej czuła na ten kolor.
Prześledzimy teraz jak powstaje kolorowy obraz dowolnego punktu odwzorowującego fotografowany obiekt.

Procesor tworzy kolory

Procesor wczytuje natężenie światła padające na 9 punktów w układzie 3 x 3 piksele i wiedząc, jaki kolor odpowiada każdemu z natężeń, "miesza" te kolory w takiej proporcji, tworząc kolor wypadkowy. Kolor ten zapisuje w pamięci aparatu wraz ze współrzędnymi punktu dla którego ten kolor został wyznaczony. W pamięci aparatu, tak jak w pamięci komputera, każdemu kolorowi może być przypisany numer a nie jego nazwa.

Te 9 pikseli, z których procesor wyznacza wypadkowy kolor, zaznaczone są na Rys.1 przerywaną linią koloru jasno niebieskiego. Obliczony kolor wypadkowy jest po prostu średnim kolorem światła padającego na powierzchnię tych 9 pikseli i przypisany jest do położenia środkowego piksela w tym kwadracie, oznaczonego nr 1.

Następnie procesor wczytuje natężenie światła kolejnych 9 pikseli, "przesuwając" ramkę o jeden piksel w prawo. Obliczony kolor wypadkowy przypisuje do położenia odpowiadającego pikselowi oznaczonemu nr 2.

Przesuwając odczytywanie kolorów o jeden piksel w prawo dochodzimy do punktu odpowiadającemu przedostatniemu pikselowi w linii (u nas to piksel nr 10). Wtedy zaczyna się odczytywanie o jedną linię niżej ( na Rys.1 dla piksela nr 11) i tak aż do końca matrycy.

Stopień wykorzystania pikseli matrycy

Łatwo zauważyć, że procesor nie określi średniego koloru dla punktów odpowiadających pikselom leżącym na brzegu matrycy. Matryca 5,0 MP ma około 10 tyś pikseli "brzegowych", ale to stanowi zaledwie 0,2% liczby wszystkich pikseli i nie ma praktycznie żadnego wpływu na ostateczną rozdzielczość wyliczoną dla 5,0MP. W tym momencie przypomnimy, że dokładne dane techniczne dla aparatów cyfrowych podają liczbę pikseli i liczbę efektywnych pikseli a więc uwzględniają opisaną tu "utratę" rozdzielczości oraz "ubytki" liczby pikseli przeznaczonych na inne, pomocnicze, cele.

Rozdzielczość kolorów odbitki

Jak pisaliśmy wyżej, procesor uśrednia kolory dla grup 9 pikseli i z każdej z nich powstaje jeden kolorowy punkt. Wywołane zdjęcie składa się z ogromnej liczby takich kolorowych punktów. Obliczymy, jak dużą powierzchnię przyszłego zdjęcia ma jeden taki punkt.
Typowa matryca 5,0 MP pozwala na uzyskanie zdjęcia o rozdzielczości 2592x1944. Rozmiary zdjęcia bardzo dobrej jakości z takiego aparatu to 15x10 cm. Tak więc, wzdłuż dłuższego brzegu zdjęcia, na jeden odwzorowywany punkt przypada 150mm/2592 = 0,0579mm. Analogiczne przeliczenie dla krótszego wymiaru zdjęcia daje 0,051mm. Czyli prostokąt o powierzchni 0,00295mm² jest tym najmniejszym elementem odbitki, w obrębie którego nie ma już zróżnicowania kolorów. Mówimy o tysięcznych częściach milimetra kwadratowego, a więc dopiero dobry mikroskop mógłby wykryć "ziarnistość" takiego zdjęcia.

Kompensacja bieli

Taki system tworzenia kolorów wymaga czegoś w rodzaju cechowania. Procesor musi "wiedzieć", który kolor fotografowanego obiektu jest "naprawdę" biały. Ten proces cechowania, który decyduje o prawdziwości odwzorowania kolorów, będzie opisany osobno w paragrafie o kompensacji bieli. Każdy użytkownik aparatu cyfrowego wie, jak łatwo otrzymać na zdjęciu absolutnie nienaturalne kolory, szczególnie przy sztucznym oświetleniu ale nawet w słoneczny dzień, np. w górach. Aby takich efektów uniknąć trzeba znać nieco "kuchni" powstawania i "cechowania" kolorów.