Základy digitálních dokumentačních technik a možnosti jejich využití
Přírodovědecká fakulta
RNDr. Václav Vávra, Ph.D., doc. RNDr. Jindřich Štelcl, CSc.

1.3 Konstrukce a základní komponenty digitálních přístrojů

Digitální i klasické přístroje mají při vnějším pohledu mnoho společného. Jedná se pouzdro přístroje, zpravidla kovové nebo z hořčíkových slitin, ke kterému je napevno nebo přes speciální zámek připevněn objektiv. Světlo dopadá na objektiv a prochází soustavou čoček. Zde však shoda mezi oběma technologiemi končí. U analogového přístroje dopadá světlo na citlivou vrstvu filmu a vytváří latentní obraz, u digitálních přístrojů začíná složitá záznamová elektronika.

1.3.1 Snímače digitálního obrazu

Snímač nebo senzor je základem každého digitálního přístroje. V digitálním přístroji jej najdeme na místě citlivé vrstvy filmu. Skládá se z několika milionů světlocitlivých buněk, které dokáží převádět světelné impulsy na elektrický signál. Velikost elektrického náboje je úměrná absorbovanému světlu. Počet světlocitlivých buněk určuje nejhrubší kategorizaci digitálních fotopřístrojů.

1.3.1.1 Snímače CCD

V současných přístrojích (zejména ve střední třídě) převládají snímače typu CCD. Snímač je složen z maticově uspořádaných buněk (obrázek 6), z nichž je vzniklý náboj v jednotlivých řadách odváděn ke zpracování na A/D převodník. Sběr dat může být různého typu, nejčastěji se používá progresivní a prokládaný sken dat.

Progresivní sken – u progresivních CCD snímačů je elektrický náboj sbírán vysokou rychlostí ze všech elementů téměř najednou nebo úplně najednou (FTD – Frame Transfer Device). Z toho plyne, že nepotřebují žádnou mechanickou závěrku a navíc může být expoziční doba velice krátká (až 1/10000 s).

Prokládaný sken – u prokládaných CCD snímačů se elektrický náboj se sbírá po částech. Jednotlivé buňky jsou v tomto případě uspořádány ve sloupcích a po expozici předají náboj do sousedního pracovního sloupce. Odtud pak náboje putují do sběrnice, zesilovače a převodníku. Výhodou prokládaných CCD snímačů je jejich snadnější výroba – jsou lacinější.

Činnost snímače

Světlo si můžeme představit jako proud mikroskopických částeček, kterým fyzikové říkají fotony. Otázkou nyní je, co se stane, když jednotlivé fotony dopadnou na CCD snímač? Jednotlivé polovodičové elementy (či buňky) tohoto prvku získají elektrický náboj. Z míst, která jsou jasnější, přichází větší proud fotonů (na obrázku znázorněno delší šipkou), než z míst tmavých (krátké šipky). Odtud plyne, že každý element získá jiný elektrický náboj – a ten jsme schopni změřit. Z uvedeného vyplývá, že samotný CCD snímač zaznamenává pouze analogové hodnoty a teprve obvody za ním provádí sčítání a digitalizaci.

Samotný senzor je současně barvoslepý – každá buňka jeho snímače je schopna zaznamenat pouze určitou úroveň jasu.

K získání informace o barvě se používá jednoduchého triku vycházejícího ze skladby světla. Je známo, že jakoukoliv barvu jsme schopni získat kombinací tří základních složek: červené, zelené a modré. Aby na CCD snímači vznikl barevný obraz, musí být před každý element vložen červený, zelený a modrý filtr (Bayerova maska).

Z praktických důvodů se elementy skládají do čtveřic (obrázek 7), takže jeden barevný filtr musí být zastoupen dvakrát – volba daná praxí padla na zelený. Světlo dopadající na CCD prvek projde filtrem umístěným před každým elementem. Modrý filtr propustí modrou část spektra a odrazí červenou a zelenou, červený a zelený si povedou analogicky. Opět tedy dojde k pohlcení fotonů a získání elektrického náboje, nyní již ale jeho velikost nezávisí jen na intenzitě dopadajícího světla, ale také na jeho barevném složení.

Skutečnou barvu daného pixelu pak dostaneme matematickou interpolací barev z jednotlivých elementů. Nejčastěji se používá barevná hloubka 24 bitů na pixel, což je i standard v současnosti nejpoužívanějšího obrazového formátu JPEG. Tento údaj znamená, že na každou ze tří barev (červená, zelená, modrá) připadá osmibitová informace – tj. 2⁸ = 256 odstínů dané barvy. Jejich složením (interpolací) pak dostáváme 256 x 256 x 256, tj. 16 777 216 barevných odstínů, což postačuje ke kvalitnímu zachycení reality.

Citlivost ISO

Každý pixel senzoru měří množství světla (fotonů), které na něj dopadá. Výstupem však není číslo ale elektrické napětí úměrné světlu. Toto napětí je poměrně malé. Aby bylo možné ho dále zpracovat, musí být nejprve zesíleno. Míra zesílení tohoto základního napěťového signálu je ovládána nastavenou citlivostí ISO. Čím vyšší je nastavené ISO, tím více se signál zesiluje a stačí tedy slabší.

Možnost nastavit citlivost ze 100 ISO na 200 ISO, 400 ISO nebo i více ISO vzniká v obrazovém procesoru při přepočítání. Procesor prostě "ví", že 1 mV odpovídá hodnotě 255, 0,5 mV odpovídá hodnotě 128 atd. Stačí proto pouze procesoru změnit parametry a nařídit mu, aby hodnotu 255 přiřadil voltáži 0,5 mV (a vyšší!) a úměrně aby postupoval u nižších voltážích, takže 0,25 mV bude odpovídat hodnotě 128.

Nastavení vyššího ISO tedy fyzicky neovlivňuje snímač – je to jen pokyn zesilovači, aby více zesílil vygenerované náboje.

Společně se signálem se ale zesiluje i šum, a tak snímky pořízené při vysokých hodnotách ISO se vyznačují vysokým šumem.

1.3.1.2 Snímače CMOS

Druhým typem snímačů jsou CMOS, které se používají v nejlevnějších nebo naopak v profesionálních přístrojích (Canon). Tyto snímače jsou výrobně jednodušší (= levnější) a mají současně výrazně nižší spotřebu elektrického proudu. Jsou konstruovány jako:

• a) Pasivní CMOS – generují elektrický náboj úměrný energii dopadajících světelných paprsků (v praxi poskytují relativně špatný obraz).
• b) Aktivní CMOS – každá světlocitlivá buňka je doplněna analytickým obvodem, který vyhodnocuje šum a aktivně jej odstraňuje.

Výhodou snímačů typu CMOS je, že náboj je z každé buňky odváděn zvlášť (odtud nižší energetická náročnost). Na druhé straně však každá buňka vyžaduje určité servisní obvody, takže fotodioda zaujímá zpravidla jen 1 celkové plochy buňky. Zpočátku docházelo navíc u těchto typů snímačů k jevu označovanému jako blooming (obrázek 8). Při silném světle (např. namíříme-li fotopřístroj na silný zdroj světla) se vygeneruje tak velký náboj, že nestačí odtéci a přelévá se v určitém směru do sousedních buněk. Na výsledné fotografii se projeví jako světelný pruh. Výrobci čelí zpravidla tomuto jevu zařazováním tzv. anti-bloomingových hradel. Jde o jakési "odvodňovací" kanálky, které zaujímají asi 30 % celkové plochy snímače a snižují jejich citlivost vůči světlu (současně však klesá rozlišovací schopnost snímače). Jiné technologie eliminují tento jev sérií krátkých expozic, které přetečení náboje zamezují.

1.3.1.3 Jiné typy snímačů

Z dalších technologií lze uvést např. systém superHAD CCD firmy Sony, kde před každou buňkou je umístěna čočka, která soustředí světlo přímo do snímací buňky a současně snižuje ztráty, které vznikají v prázdných místech mezi buňkami. Výraznou předností této technologie je její antiblooming. Z tohoto důvodu se dnes např. v lékařské nebo astronomické fotografii využívají prakticky výhradně CCD senzory typu superHAD.

Super CCD firmy Fujifilm má citlivé buňky uspořádané ve směru úhlopříčky snímače (obrázek 9), což v lidském oku budí dojem vyššího rozlišení. Struktura snímače je tak oproti tradičnímu řešení posunuta o 45 °.

Poslední novinkou je snímač americké firmy Foveon, kde citlivé buňky pro jednotlivé barvy nejsou rozptýleny po ploše senzoru, ale jsou uspořádány do vrstev (obrázek 10), od shora modrá, zelená a červená. Různé vlnové délky světla jsou tak zaznamenány v různých úrovních. V různých vrstvách je tak generováno měřitelné napětí, které po digitalizaci vytváří barevný obraz.

1.3.1.4 Kvalita snímače

Při hodnocení kvality snímače se nejčastěji zohledňují dvě kritéria

1. Počet pixelů

   Počet světlocitlivých buněk na snímači. Zde je třeba rozlišit fyzický (tedy skutečný) počet pixelů na snímači a efektivní počet pixelů – tedy počet, který je při vytváření obrazu skutečně využit. Dnešním standardem jsou přístroje se snímači, které mají efektivně 7–10 Mpix.

2. Velikost snímače

   U profesionálních přístrojů najdeme snímače o velikosti kinofilmového políčka (36 x 24 mm). U většiny přístrojů jsou ale snímače podstatně menší a většinou s poměrem stran 4:3. Větší velikost plochy snímače dává předpoklad pro lepší kresbu výsledné fotografie.

1.3.1.5 Nečistoty na snímači

Problémem digitálních zrcadlovek jsou prachové částice usazující se na snímači (obrázek 11). Zatímco u kompaktních fotoaparátů je celý prostor senzoru uzavřen, na senzorech DSLR se usazuje prach a jiné drobné nečistoty při každé výměně objektivu. Tento prach se na nich časem hromadí a stíní světlocitlivé buňky senzoru (pixely). Prachové částice se projevují na všech fotografiích jako vždy stejně umístěné tmavé skvrny. Vyskytují se zejména u snímků pořízených dlouhými ohnisky nebo při silném zaclonění objektivu (např. f/22), kdy paprsky dopadají na senzor hodně rovnoběžně a nemají tudíž šanci prach "obejít".

Ke zjištění množství prachu na senzoru stačí nasadit teleobjektiv, nastavit jeho nejdelší ohnisko a silně zaclonit (např. f/22 nebo i více). Dále je potřeba maximálně rozostřit obraz (např. manuálně zaostřit na nekonečno) a snímat blízký světlý objekt či naopak zaostřit na makro a sejmout oblohu. Na výsledném obvykle jednolitě šedém obraze budou všechny nečistoty velmi dobře patrné.

1.3.1.6 Automatické čištění senzoru (Supersonic Wave Filter)

Problémy s čištěním senzorů vedly výrobce k vývoji metod automatického čištění. Supersonic Wave Filter firmy Olympus je metoda, kdy před senzorem je tenká průhledná fólie, která při každém zapnutí fotoaparátu či při pokynu z menu provede krátké vysokofrekvenční vibrace a tím odhodí ze svého povrchu všechny nečistoty na připravenou lepící pásku. Firma Sony tento mechanismus ještě vylepšila tím, že senzor vybavila antistatickou vrstvou, která zabraňuje přilnutí prachu na senzor z důvodu statické elektřiny. Dále Sony provádí vibrační čištění senzoru při vypnutí fotoaparátu a ne při zapnutí, čímž je rychlejší jeho start. K podobnému systému čištění senzoru přistupují i další firmy, např. Canon.

1.3.2 AD převodník

Po zesílení signálu na vhodnou úroveň je třeba analogové napětí z každého pixelu převést na číslo (Digit), které také dalo digitálním fotoaparátům jméno. K převodu slouží AD převodník, který změří napětí a přiřadí mu číslo.

AD převodník převede analogový signál na číslo podobně jako stupnice teploměru. Celkový rozsah možných čísel odpovídá dynamickému rozsahu, nejmenší možný krok určí přesnost převodu.

• 8bitové převodníky mají k dispozici 256 úrovní,
• 10bitové převodníky mají k dispozici 1 024 úrovní,
• 12bitové převodníky mají k dispozici 4 096 úrovní.

Tato data jsou uložena na záznamové médium ve formátu RAW, nebo jsou dále upravena procesorem podle nastavených funkcí a uložena na záznamové médium ve formátu TIFF nebo JPEG. Většina DSLR je vybavena 12bitovými převodníky, 12bitovou přesnost jsou však schopné zachovat jen v RAW režimu. JPEG 12bitovou přesnost není schopen zaznamenat, protože umožňuje pouze 8 bitů na každý kanál.

1.3.3 Obrazový procesor (Image Procesor)

Čísla z AD převodníku se předávají pro každý pixel již jako řada čísel k dalšímu zpracování do obrazového procesoru.

Obrazový procesor určuje

• kvalitu zpracování snímku,
• rychlost zpracování snímku.

Nastavení obrazového procesoru ovlivňuje

• barevné podání,
• práci s tonální křivkou a saturací barev,
• potlačování šumu a SW doostřování,
• korekce chyb optiky,
• některé speciální funkce.

Vzhledem k vysokému počtu zpracovávaných dat bývají obrazové procesory navrženy pro co nejrychlejší, ale pouze jednoúčelové operace. Další procesory fotoaparátu se pak obvykle starají o takové funkce, jako je prohlížení obrázků, komunikaci s uživatelem (menu, funkce, displeje) a komunikaci přístroje s vnějším světem (USB, bajonet objektivu, připojení blesku).

Podobně jako počítač PC má své programy uloženy na harddisku, tak i obrazový procesor je řízen svým vlastním programem. Tento program se označuje jako firmware. Ve fotoaparátu není obvykle vypálen napevno, ale bývá nahrán ve vnitřní paměti typu Flash podobné paměťovým kartám. To umožňuje kdykoliv firmware aktualizovat.

1.3.4 Optika digitálních přístrojů

Společně s kvalitou snímače ovlivňuje snímky pořízené digitálním fotoaparátem kvalita jeho optických zařízení. Vzhledem k tomu, že dnešní technologie výroby snímačů je velmi pokročilá, je optika to hlavní, co určuje kvalitu digitálního přístroje.

Optikou fotografického přístroje (digitálního i klasického) rozumíme především objektiv (obrázek 12). Objektiv představuje prvotní zařízení, přes které musí obraz reality projít, než je snímač zaznamená. Pokud přes objektiv neprojde obraz (světlo) ve vynikající kvalitě, nemůže ani sebelepší snímač zaznamenat kvalitní snímek.

Každý objektiv je tvořen určitým počtem optických členů. Počet optických členů v objektivu je dán počtem čoček, ze kterých je objektiv sestaven. Jako objektiv může sloužit prakticky jediná čočka, avšak projevily by se na ní všechny chyby a vady související s nedokonalostí materiálu, jeho zpracováním a různou lomivostí pro různé vlnové délky světla. Proto se používá celá soustava čoček, které jsou vyladěny způsobem, který eliminuje v maximální míře všechny vady a nedokonalosti. Čočky se sdružují v objektivu do skupin, kde jsou vůči sobě nepohyblivé. Většina čoček má kulovitý povrch (sférický), používají se i speciální čočky s asférickým povrchem. Jejich zařazení se zpravidla projeví na vysoké kvalitě objektivu.

Podle konstrukce dělíme objektivy na řadu typů, z nichž nejběžnější jsou následující

• Objektivy s pevným ohniskem mají pevnou (neměnnou) ohniskovou vzdálenost. Používají se buď v nejlevnějších přístrojích, nebo se naopak jedná o vysoce kvalitní objektivy pro speciální účely.
• Objektivy s proměnlivou ohniskovou vzdáleností, tzv. "zoomy" nebo objektivy s transfokátorem. Tyto objektivy dokáží měnit ohniskovou vzdálenost při stálém zaostření obrazu. Toho je dosaženo vzájemným pohybem optických skupin uvnitř objektivu. Čím bližší je objekt, tím více je třeba objektiv nebo některé jeho členy posunout dopředu. Dnes jsou objektivy se "zoomem" u digitálních přístrojů běžným standardem. Jejich ohnisková vzdálenost pohybuje obvykle 35–105 mm (přepočet na ekvivalent), fyzicky to může být v závislosti na velikosti snímače např. 7,8–23,4 mm. Častěji se setkáme s označením trojnásobný optický zoom.

Zoomy najdeme jak v kompaktních přístrojích, tak i v pravých zrcadlovkách. U miniaturních kompaktů činí jejich rozsah 1:2, v běžných kompaktech 1:3. Vyšší třídy kompaktů využívají zoomové objektivy o rozsahu 1:4. Digitální zrcadlovky mají obvykle vyšší rozsah zoomu, a to od 1:5 až po 1:12 (ekvivalent 35–420 mm).

Každý objektiv má několik základních charakteristik, podle kterých můžeme rozlišovat jeho vlastnosti, použitelnost a případně i kvalitu. Mezi nejdůležitější charakteristiky patří ohnisková vzdálenost a světelnost objekivu.

1.3.4.1 Ohnisková vzdálenost objektivu

Důležitou charakteristikou objektivu je jeho ohnisková vzdálenost (značí se f). Ohnisková vzdálenost udává vzdálenost posledního optického členu objektivu od roviny snímače (nebo filmu), ve které se zobrazovaný bod v nekonečnu zobrazí ostře jako bod. Je nutné rozlišit ohniskové vzdálenosti pro klasickou fotografii na kinofilmové políčko 36 x 24 mm a ohniskové vzdálenosti v digitálních přístrojích. Zde jsou velikosti snímače podstatně menší a tím je i fyzická ohnisková vzdálenost kratší. Vzhledem k tomu, že údaj o ohniskové vzdálenost nás má poučit o zobrazovacím úhlu, používá se pro zjednodušení tzv. ekvivalent 35 mm. Skutečná ohnisková vzdálenost se přepočte na hodnotu, která by odpovídala snímači o velikosti kinofilmového políčka (tj. na ohnisko, které by pro daný úhel záběru měl objektiv kinofilmového aparátu).

Zorný úhel objektivu a jeho ohnisková vzdálenost jsou vázány jednoduchým pravidlem (obrázek 13): čím delší ohnisko objektivu, tím menší je zorný úhel.

Z hlediska ohniskové vzdálenosti lze rozdělit objektivy na (obrázek 14)

• Rybí oka (8 mm) – extrémně širokoúhlé objektivy s úmyslnou deformací perspektivy,
• Širokoúhlé (10–30 mm) – interiéry, architektura, krajina, reportáž,
• Střední (základní) ohniska (30–100 mm) – základní objektivy, přirozené zobrazení, portrét,
• Normální objektiv (50 mm) – odpovídá zornému úhlu lidského oka,
• Teleobjektivy (100–300 mm) – portrét, reportáž, krajina,
• Silné teleobjektivy (>300 mm) – příroda, sport,
• Makroobjektivy – měřítko 1:1, liší se minimální zaostřovací vzdáleností,
• Tilt-Shift – architektura (korekce sbíhání linií),
• Mirror – silné teleobjektivy (600 mm) konstruované na principu hvězdářského dalekohledu.

Asi 70 % běžných fotografií je pořízeno ohnisky mezi 28 a 120 mm. Proto objektivů s podobnými rozsahy je na trhu obrovské množství a jsou mezi fotografy velmi oblíbené. Rozsah cca 28 až 120 mm je též vyváženě kolem ohniska 50 mm, které má ve fotografii zvláštní význam. Objektiv s ohniskem 50 mm je tzv. základní objektiv, který má podobný zorný úhel jako lidské oko, a tak jeho podání je pro lidského pozorovatele nejpřirozenější.

Koeficient přepočtu ohniskové vzdálenosti (Crop faktor)

Crop faktor není de facto vlastnost objektivu, ale důsledek jeho nasazení na DSLR používající senzor o velikosti úhlopříčky cca 1,5x (Nikon, Fuji, Pentax), 1,7x (Sigma) nebo 2x (Olympus) menší než klasický 35mm kinofilm. Co se děje s objektivem konstruovaným na klasický kinofilm ale nasazeným na DSLR?

35mm film vidí z obrazového pole objektivu obdélníkovou scénu, kde je zajištěna "přijatelná" kresba – uvnitř tzv. obrazového pole objektivu. Vinětace a rozostření kresby je logicky v rozích nejhorší, protože rohy jsou nejblíže okraji obrazového pole. Menší senzor na typické DSLR zaznamená menší obdélník zcela ekvivalentní tomu, jako bychom film ostřihli na rozměr senzoru nůžkami. Vinětace a rozostření kresby objektivu se zde projeví méně, protože obdélník leží dále od okraje obrazového pole (obrázek 15). Obraz se tak jeví cca 1,5x a více zvětšený (více přiblížený, více "tele").

Obraz z DSLR tedy vypadá jako kdybychom na filmovou zrcadlovku nasadili objektiv s cca 1,5x delší ohniskovou vzdáleností. Koeficient přepočtu ohniskové vzdálenosti (Crop Factor, Magnification Factor, Focal Length Multiplier atd.) má stejnou hodnotu, jako poměr úhlopříčky filmu k úhlopříčce senzoru DSLR.

1.3.4.2 Světelnost objektivu

Dalším důležitým parametrem je světelnost objektivu. Světelnost udává kolik světla je objektiv schopen přijímat. Absolutně vyjádřeno jde o podíl délky ohniska (f) a průměru vstupní čočky (průměru maximálně otevřené clony objektivu D, obrázek 16). Zde platí – čím menší hodnota, tím více světla objektivem projde. Světelnost F2,0 je vynikající, světelnost F3,5 je průměrná.

Proč je světelnost klíčový parametr objektivu shrnují tyto důvody

• Fotografování za špatných světelných podmínek – prodlužovat expoziční čas často nejde (hrozí rozhýbání snímku) a zvyšování ISO citlivosti dramaticky zhoršuje kvalitu snímku. Světelný objektiv umožní dopravit na senzor více světla a tím zkrátit expoziční čas či udržet rozumnou ISO citlivost.
• Světelný objektiv umožňuje pořizovat snímky s malou hloubkou ostrosti.
• Všechny DSLR používají standardně tzv. pasivní ostřící systém, kdy ostří na základě toho, co zobrazí objektiv, a tudíž "vidí" ostřící senzor. Každá DSLR tak bude se světelným objektivem ostřit za špatného světla mnohem lépe než s objektivem s nízkou světelností.
• Kvalita a jasnost obrazu v hledáčku je další parametr, který světelnost objektivu ovlivní. Obraz v hledáčku bude se světleným objektivem mnohem jasnější než s objektivem s nízkou světelností.

Objektivy s pevnými ohnisky dosahují světelnosti f/1,8 až f/1,2. Levné zoom objektivy mají světelnost f/4,5-5,6. Kvalitní zoom objektivy dosahují světelnosti i f/2,8.

Světelnost je nejhůře konstrukčně dosahována u silných teleobjektivů. Aby 300mm teleobjektiv měl světelnost f/2.8, musí být průměr jeho clony 10,7 cm! Světelné teleobjektivy tak vycházejí velké, těžké a extrémně drahé. Zpravidla vyžadují nějaký druh podpěry (stativ, monopol).

1.3.4.3 Digitální zoom

Digitální zoom funguje na principu zpracování dat vygenerovaných snímačem. Je to fakticky výřez zvětšený na rozměr původního obrázku. Tak např. dvoumegový přístroj má rozlišení 1600 x 1200 bodů. Digitální zoom vybere ze středové oblasti snímku obdélník 400 x 300 bodů. Výsledný obrázek se pak metodou interpolace zvětší na původních 1600 x 1200 a vytvoří tak obrázek s aplikací čtyřnásobného digitálního zoomu. Takto zpracované snímky se zpravidla nevyznačují zvláštní kvalitou, neboť na políčko o velikosti 400 x 300 pixelů se vejde jen velmi málo detailů a nepomůže ani následné zvětšení obrázku.

Význam digitálního zoomu vzrůstá v poslední době s rostoucím rozlišením moderních digitálních přístrojů (pět a více megapixelů). Sedmimegový přístroj disponuje rozlišením 3 072 x 2 304 pixelů. Při použití čtyřnásobného digitálního zoomu tak dostaneme výřez o velikosti 768 x 576 pixelů, což je již více než rozlišení VGA (640 x 480). Takto získaný obrázek má již přijatelnou kvalitu i při tisku ve formátu 10 x 15 cm.

Platí: čím větší je kapacita snímače, tím menší je riziko použití digitálního zoomu.

1.3.4.4 Zaostřovací systémy

Většina objektivů je vybavena automatickým zaostřovacím systémem označovaným jako autofokus (AF). Základem tohoto systému jsou miniaturní elektrické motorky, které na základě impulsů přicházejících z procesoru pohybují optickými skupinami. Impulsy těmto motorkům dáváme i v případě ručního ostření. V praxi jsou nejčastěji využívány dva systémy označované jako aktivní a pasivní autofokus.

• Aktivní autofokus

  První digitální modely vysílaly ultrazvukový signál a přístroj zpětně vyhodnocoval dobu odrazu zvuku. Dnes je aktivní autofokus nejčastěji konstruován na základě infračerveného světla. V tomto případě přístroj vyhodnocuje buď úhel paprsků dopadajících na určitý objekt nebo množství světla odraženého od objektu. Aktivní autofokus má dosah kolem 6 m (nad touto vzdáleností již pozbývá ostření vzhledem k velké hloubce ostrosti smysl) a umožňuje fotografovat i v naprosté tmě.

• Pasivní autofokus

  Systém vychází z předpokladu, že ostrý obraz vykazuje méně odstínů jasu než obraz neostrý. Při ostření si tak objektiv prochází celou škálu zaostření a průběžně měří kontrast. Konečné zaostření pak provádí podle místa, kde naměřil kontrast největší. Potíže nastávají u tohoto systému v šeru, a proto se u lepších přístrojů využívá doostřovacích lampiček.

• Kontinuální autofokus

  Režim je určen pro pohybující se objekty. Při namáčknutí spouště fotoaparát snímaný objekt trvale doostřuje. Vylepšeným kontinuálním AF je prediktivní AF. Při fotografování objektu, který významně mění směr a rychlost, dojde vlivem prodlevy mezi stiskem spouště a expozicí k přemístění fotografovaného objektu mimo rovinu zaostření. Fotoaparát dovede během této prodlevy zaostřovací vzdálenost odhadnout. Jednotlivé zaostřovací body si objekt "předávají".

1.3.4.5 Clona a její konstrukce

Clona je v podstatě stínítko s proměnným kruhovým otvorem regulující množství světla procházejícího objektivem (obrázek 17). Ideální clona by měla přísně kruhový tvar a nulovou tloušťku aby nedocházelo k rozptylu (difrakci) světla. Reálná clona je zkonstruována z tenkých kovových lamel, které vytvoří jen přibližně kruhový tvar. Počet lamel clony a její celková konstrukce se tak může projevit v ostrosti obrazu, ve způsobu rozostření objektů mimo hloubku ostrosti (tzv. bokeh) a v odlescích při snímání v protisvětle.

Běžné objektivy dosahují maximálních clonových čísel kolem f/22 až f/32, makroobjektivy často i f/45. U takto vysokých clonových čísel je ale nutné počítat s viditelnou difrakcí obrazu, která se projeví jeho lehkým rozmazáním. Optimální kresby se proto dosahuje jen v určitém rozsahu středních clon (v praxi to bývá někde kolem f/8). U hodně otevřených clon (směrem ke světelnosti) bude kvalita kresby klesat vlivem optických vad použitých skel, kdežto směrem k maximálně uzavřené cloně (vysoká clonová čísla) bude kvalita klesat vlivem difrakce světla.

1.3.4.6 Vady objektivů

Ideální objektiv neexistuje. Přes veškeré úsilí konstruktérů je každá čočka poznamenána nějakou optickou vadou. V praxi se můžeme nejčastěji setkat s těmito vadami:

• Chromatická aberace (barevná vada)

  Je způsobena nestejným lomem paprsků s různou vlnovou délkou na čočce objektivu. Čočka se tak jeví pro různé barvy jinak silná, a tudíž má pro různé barvy světla různou ohniskovou vzdálenost. Do určité míry může být tato vada vyvolána i chováním světelných paprsků v okrajových částech snímače, kdy se světelné paprsky odchylují od ideální kolmice dopadu na jeho plochu (obrázek 18). Barevná vada je zodpovědná za rozostření barev (ideální bílý světelný bod se nezobrazí na senzoru jako ostrý bílý bod) a zejména na okrajích snímku se projeví výraznou fialovou či zelenou konturou na přechodech mezi vysokým jasem a stínem (obrázek 19). Barevná vada se v podstatě nedá v PC účinně kompenzovat, v grafickém editoru se dá jen potlačit její rušivý účinek.

• Barevná vada

  Roste s prodlužováním ohniskové vzdálenosti (na delší dráze se chyby více projeví), a je tak významným problémem zejména u teleobjektivů.

• Jak ověřit barevnou vadu objektivu

  Nastavte nejnižší clonové číslo a v krajních polohách zoomu (na delších ohniscích bývá vada větší) vyfoťte silně kontrastní hranu s bílým světlem na pozadí (listy či větve proti obloze, rám okna proti obloze atp.). Barevná vada se projeví zejména na okrajích snímku.

• Sférické zkreslení (soudkovitost nebo poduškovitost)

  Se objevuje především při krátkých ohniskových vzdálenostech (širokoúhlé objektivy), u objektivů s ohnisky delšími než cca 30 mm se vyskytuje jen vzácně. Projevuje se větším nebo menším vydutím linií, které by za normálních podmínek měly být rovnoběžné (obrázek 20). Časté je např. u fotografií architektury nebo interiérů. Sférické zkreslení roste směrem k okrajům snímku. Odstranit je lze relativně snadno některými grafickými editory.

• Reflexe v protisvětle

  Při každém vstupu světla do objektivu nebo při výstupu světla ven se asi 5 % světla odrazí zpět. To snižuje jednak množství světla dopraveného na senzor, ale vyvolává současně opakované odrazy buď uvnitř těla objektivu nebo mezi jeho zadní čočkou a senzorem. Tyto reflexe bývají vyvolány plošným protisvětlem nebo ostrým bodovým zdrojem (např. Sluncem). Způsobují buď zmatnění obrazu a naprostou ztrátu jeho kontrastu nebo mohou v obraze vyvolat odlesky (obrázek 21). Na reflexe má navíc vliv i nastavená hodnota clony. Aby se odrazům světla maximálně zabránilo, jsou vnitřky objektivů i celá šachta DSLR potaženy černým antireflexním materiálem. Podobně jsou na povrchu skel objektivů napařeny různé antireflexní vrstvy. Přes veškerou snahu se ale 100% odolnosti proti odrazům nedá dosáhnout a jejich vliv se zpravidla obtížně koriguje i v PC. Z tohoto důvodu je nutné proti nim bojovat přímo na scéně, a to zejména používáním sluneční clony nebo jinými stínítky.

• Vinětace

  Objektivy jsou konstruovány jako válce, a tak světlo přicházející z okraje obrazového pole (hodně ze stran) může být částečně blokováno tělem objektivu. Méně světla z okraje obrazového pole se projeví mírným ztmavením rohů výsledného obrazu (obrázek 22). Vinětace postihuje zejména ultraširokoúhlé objektivy, u ohnisek nad 30 mm je opět vzácností. Na běžných snímcích vinětace příliš neruší a v PC se poměrně snadno koriguje zesvětlením rohů.

• Moaré

  Je vada vznikající při snímání jemných, pravidelných linií. Tyto pak interferují s liniemi na snímači (buňkami sestavenými ve vodorovných a svislých řadách) a na snímcích vznikají nepravidelné, někdy i barevné "mapy" (obrázek 23).

1.3.5 Hledáčky digitálních fotoaparátů

Hledáček je zařízení, které nám umožňuje zaměřit přístroj na cíl a komponovat záběr. Některé hledáčky poskytují mnohem širší možnosti, a to v závislosti na jejich konstrukci.

Podle technického řešení rozdělujeme hledáčky na tyto typy

• průhledový hledáček,
• elektronický hledáček (EVF – Electronic View Finder),
• průhledový TTL systém,
• LCD zobrazovač.

1.3.5.1 Průhledové hledáčky

Průhledové hledáčky jsou relativně jednoduchým a levným řešením. Z tohoto důvodu je najdeme především na levných kompaktech. Konstrukčně se jedná o optické zařízení, které určitým způsobem přibližuje komponovanou scénu. Jeho hlavní nevýhodou je tzv. paralaktická vada – neleží totiž v jedné ose s objektivem (obrázek 24), a proto dochází k odchylce obrazu zkomponovaného v hledáčku oproti obrazu výslednému. Pro vzdálené předměty tento efekt prakticky neexistuje, ale čím bližší objekty uživatel fotografuje, tím se projevuje více. Obraz v průhledovém hledáčku nikdy nepokrývá 100 % plochy, která bude na výsledném snímku zachycena. Na všech stranách hledáčku dochází k úbytku asi 5–10 % plochy, takže přístroj zachytí o toto množství více a s tímto zkreslením je třeba počítat. Některé hledáčky mají dioptrickou korekci. V hledáčku bývají zabudované barevné kontrolky, které upozorní na zaostření, činnost blesku nebo probíhající zápis snímku na paměťovou kartu.

V případě, že fotoaparát je vybaven objektivem typu zoom, musí i hledáček měnit průběžně úhel záběru shodně s objektivem. Z tohoto důvodu se průhledových hledáčků využívá u kompaktů do rozsahu zoomu 1:4, zatímco přístroje s širokorozsahovým zoomem mají zpravidla hledáček elektronický.

1.3.5.2 Elektronický hledáček

Elektronický hledáček je zařízení, které se zvenku podobá průhledovému hledáčku, ale uvnitř není optika, nýbrž miniaturní displej. Kvalita zobrazení v hledáčku závisí na rozlišení tohoto displeje. Na displeji je vidět přesně to, co vidí senzor. Elektronický hledáček je typický pro tzv. elektronické zrcadlovky nebo též EVF zrcadlovky. Další nespornou výhodou je možnost zobrazení informací o nastavení přístroje. Jedná se zejména o zobrazení času, clony, citlivosti, režimů, funkcí blesku nebo histogramu.

Nevýhodou EVF hledáčků je především obrazová kvalita. Třebaže došlo postupně ke značnému zlepšení, obraz je nekvalitní a nelze "ostřit na matnici". Hledáček také nepodává dostatečnou informaci o kontrastu fotografovaného objektu. Další nevýhoda se někdy projevuje při ostření, kdy obraz jakoby zamrzl při namáčknutí spouště – a zase se "rozejde", jakmile je zaostřeno. To je velmi nepříjemné při fotografování rychlého pohybu. Nejde sice o obecnou vlastnost všech EVF systémů, ale v ojedinělých případech se vyskytuje. K výpadkům obrazu nebo dokonce k jeho zmizení někdy dochází i při sériovém fotografování při velmi rychlém snímání.

1.3.5.3 LCD displej

LCD displej je umístěn na každém digitálním přístroji, ať je vybaven jakýmkoliv hledáčkem (obrázek 25). Současným trendem u některých kompaktů je vynechání průhledového hledáčku a využití LCD panelu. LCD panel představuje zařízení, které primárně slouží k nastavení různých funkcí fotoaparátu, k prohlížení, editaci nebo mazání fotografií. V současné době mívá úhlopříčku 1,5 až 3 palce zhruba se 120 000–240 000 zobrazovacích bodů. U některých modelů se dá LCD displej vyklápět, a proto lze s jeho pomocí v mnoha případech fotografovat mnohem pohodlněji (např.v makrofotografii).

Hlavní nevýhoda LCD displeje spočívá v jeho kontrastu. Na přímém slunci většinou není na displeji nic vidět. Dalším nedostatkem je křehkost tohoto zařízení a jeho zvýšená náchylnost na mechanické poškození. Jako ochrana se nejčastěji používají různé speciální samolepicí fólie.

1.3.5.4 Průhledový TTL systém

Průhledový TTL systém je systém jednookých zrcadlovek SLR. Zkratka TTL (Trough The Lens) znamená, že obraz prochází objektivem a přes zrcadlo nebo hranol je převeden na matnici v hledáčkové šachtě. Obraz je velice ostrý a vhodný pro manuální ostření.

V klidovém stavu, kdy se neexponuje a díváme do hledáčku, prochází světlo objektivem, v jehož optickém středu je umístěna clona (obrázek 26). Ta je v tomto klidovém stavu otevřená vždy na maximum, aby obraz v hledáčku byl co nejjasnější a aby všechny senzory v těle zrcadlovky měly dostatek světla pro svojí práci. Světlo dopadá na zrcátko, které je skloněné v úhlu 45 ° a tím odráží světlo vzhůru do hledáčku.

Světlo odražené od zrcátka dopadá na matnici (Focusing Screen), což je v principu průhledné skleněné či plastové plátno na kterém se obraz promítne a tak je možné ho sledovat hledáčkem. To co vidíme v hledáčku tedy velmi věrně odpovídá tomu, co budeme fotografovat – jedna z hlavních výhod zrcadlovek. Některé zrcadlovky nejvyšší třídy mají matnice výměnné, a tak je možné volit z různých obrazců a mřížek, které se společně s obrazem zobrazují.

Obraz vytvořený objektivem je převrácený vzhůru nohama a v hledáčku je třeba jej opět otočit zpět. K tomu slouží hranol (Pentaprism) umístěný v hledáčku. Čím kvalitnější je hranol, tím jasnější a ostřejší je obraz v hledáčku. Snaha o kvalitní obraz v hledáčku vede některé výrobce dokonce k tomu, že zcela obětují interní blesk a díky ušetřenému místu zvětší hranol a tím zjasní obraz v hledáčku.

V hledáčku se ještě nachází expoziční senzor, který je zodpovědný za měření množství světla v obraze a tím za nastavování expozičních hodnot. Expoziční senzor měří množství světla a určuje expoziční hodnoty pouze na základě toho, co je vidět v hledáčku.

Hlavní trik moderní zrcadlovky schopné automatického ostření (Auto Focus, AF) spočívá v tom, že zrcátko je polopropustné, takže do hledáčku se odrazí jen část světla (cca 70 %) a zbytek světla projde. Za hlavním zrcátkem však narazí na druhé menší zrcátko také skloněné v úhlu 45 ° ale odrážející světlo dolů. Tam jsou umístěny senzory zodpovědné za automatické ostření a vyhodnocující stupeň ostrosti obrazu (AF sensor). Po celou dobu, kdy je možné sledovat obraz v hledáčku a kdy pracují expoziční i zaostřovací senzory je hlavní obrazový senzor zakryt jednak zrcátky, ale hlavně zavřenou závěrkou a je tedy zcela slepý. To je i příčina, proč digitální zrcadlovky vyjma několika modelů firem Olympus a Panasonic neumožňují fotografovat přes zadní displej.

V okamžiku stisknutí spouště se obě zrcátka sklopí vzhůru, takže přestanou clonit senzor a současně zakryjí hledáček (obrázek 27). Clona v objektivu se uzavře na změřenou a nastavenou hodnotu (po celou dobu byla totiž otevřena na maximum) a otevře se závěrka. Světlo tak může nerušené dopadat na senzor a vytvářet snímek. Po nastavené době expozice se závěrka uzavře a expozice snímku skončí. Clona se opět otevře na maximum aby zajistila co nejjasnější obraz v hledáčku, obě zrcátka se opět sklopí dolů a obraz se opět objeví v hledáčku.