Mobil v roli fotoaparátu aneb snímače CMOS vs. CCD (vědecké okénko)

V dnešní době chytrých mobilních telefonů s výpočetním výkonem, rovnajícím se menším počítačům, se vestavěný fotoaparát jeví jako samozřejmost. Víte však, na jakých principech fotoaparáty pracují a jakých technologií se využívá? Pokud ne, tak je dnešní pravidelná rubrika – vědecké okénko – přesně pro vás.

To, co bylo před pár lety řečí budoucnosti a o čem si mohli vizionáři pouze nechat zdát, je dnes naprosto běžnou záležitostí. Řeč je tentokrát o fotoaparátech, integrovaných v mobilních telefonech. Nejlepší dnešní fotomobily se kvalitou svých snímků blíží k hranici levných kompaktů, nemluvě o natáčení videozáznamu ve vysokých rozlišeních. Jaké technologie se k záznamu využívají a na jakém principu pracují? Odpověď na tyto otázky a mnoho dalšího naleznete v dnešním vědeckém okénku, věnovanému právě tomuto tématu.

Digitální fotoaparát

Začněme nejdříve principem samotného digitálního fotoaparátu. Ten stojí na světlocitlivých snímačích CMOS či CCD, na které je pomocí soustavy čoček (zvané také objektiv) přivedeno světlo snímané scény. To dopadá na čip pouze v době expozice čipu, to znamená v době, kdy je uzávěrka fotoaparátu otevřena. Podle intenzity dopadajícího světla na jednotlivé části snímače je vybuzeno odpovídající elektrické napětí. To je poté zesíleno a po jednotlivých pixelech či skupinách pixelů převáděno pomocí A/D převodníku (analog to digital) do digitální podoby, tedy do soustavy nul a jedniček. Vzniklá data jsou procesorem a příslušným softwarem převedena do grafického formátu, čili výsledné fotografie, která je uložena na paměťové medium. Kvalita výsledné fotografie samozřejmě záleží na mnoha aspektech, od typu snímané scény až po součástky fotoaparátu.

Výhod digitálních fotoaparátů je hned několik – ta největší pravděpodobně spočívá ve způsobu uchovávání fotografií. To, že máme fotografii uloženou na paměťovém médiu v digitální podobě nám dává nepřebernou škálu možností jejího využití. Prakticky neomezená možnost manipulace, úpravy, kopírování či zálohy i pro amatérské fotografy je opravdu velkým lákadlem. A právě to je jeden z hlavních důvodů, proč v dnešní době digitální přístroje tvoří drtivou většinu nabízených modelů.

Fotoaparáty v mobilních telefonech

Myšlenka implementace fotoaparátu a kamery do mobilních telefonů přišla prakticky ihned po uvedení modelů s barevným displejem. Důvod byl jednoduchý – idea zařízení, které dokáže snímat obraz, volat a člověk jej bude mít neustále u sebe, byla zkrátka velmi lákavá. Díky barevným zobrazovačům si pořízený snímek mohl uživatel okamžitě prohlédnout a zkontrolovat. Průkopníkem v tomto směru se stala společnost Kyocera se svým modelem VP-210 Visual Phone, který byl na trh uveden v roce 1999. Primárním účelem vestavěného čipu bylo natáčení videa, respektive videohovory při pouhých dvou snímcích za sekundu. Pořizování fotografií tak bylo pouze doplňkovou funkcí. Snímač měl rozlišení 0,1 Mpx (352 x 288 px) a pořízený obsah si bylo možno prohlédnout na 2″ TFT displeji.

První fotomobil historie – Kyocera VP-210 Visual Phone

Kvalita pořízených snímků byla ze začátku samozřejmě bídná, postupem času se však výrobci dopracovali k lepším a lepším výsledkům. Za zmínku rozhodně stojí švédsko-japonský Sony Ericsson K750i s 2 Mpx objektivem a jeho nástupce K800i s 3,2 Mpx objektivem Cyber-shot. Ty nechávaly konkurenci daleko za sebou a na svoji dobu se jednalo opravdu o kvalitní fotomobily, které se směle vyrovnají i některým dnešním modelům. Za nejlépe fotící současný mobilní telefon je nejčastěji považována finská Nokia N8 se svým 12 Mpx objektivem Carl Zeiss a xenonovým bleskem.

Čočka Carl Zeiss včetně blesku v podání finské Nokie

Téměř ve všech mobilních telefonech se k záznamu využívají výše zmíněné CMOS čipy, najdou se však i výjimky jako například Emgeton Flexaret Mini, který nabízí 12 Mpx fotoaparát s trojnásobným optickým zoomem a snímačem typu CCD.

Emgeton Flexaret Mini

Flexaret Mini se tak řadí mezi hrstku fotomobilů s čipem CCD, ty se totiž v mobilních zařízeních využívají jen velmi zřídka a jsou komplexně nahrazovány vhodnější CMOS technologií. Jejich vlastnostem, výhodám a nevýhodám budou věnovány následující řádky.

CCD

CCD je elektronická polovodičová součástka, využívaná k zachycení focené scény. Čipy CCD se ke snímání obrazu používají již desítky let. Za tu dobu prošly řadou změn a inovací a přináší několik zásadních výhod, ale i nevýhod. O těch však až později. Samotný čip se skládá z mnoha světlocitlivých buněk, které přímo úměrně reagují na světlo – čím více světla na buňku dopadá, tím větší emituje elektrický náboj. Jednotlivé buňky jsou čteny po řádcích, kdy nejprve údaj projde přes zesilovač, který aplikuje zesílení na celý řádek, což má za následek stejnou hodnotu šumu v celém snímku. Poté putuje přes A/D převodník, který emitovaný náboj převede do digitální formy, tedy dat, se kterými se dále pracuje.

Ukázka CCD čipu

CMOS

CMOS je zkratka, označující technologii, kterou se vyrábějí nejen čidla, ale také paměti či procesory počítačů.  Oproti CCD technologii spočívá základní rozdíl v tom, že jednotlivé buňky snímače mají každá vlastní obvody pro odvedení a měření vygenerovaného náboje. Jednotlivé buňky tak fungují v podstatě odděleně, na rozdíl od CCD, kde jsou buňky zpracovávány po řádcích. Z toho vyplývá, že každá osvícená buňka může být ve výsledku jinak zpracována, takže může mít například jinou hodnotu šumu, než ta sousední.

Ukázka CMOS čipu

CCD vs. CMOS

Rozdílné principy zpracování údajů z čipů a jiná výrobní technologie s sebou samozřejmě přináší rozdíly mezi těmito snímači, kdy každá vyniká v něčem jiném. Určitě nejdůležitějším rozdílem je spotřeba energie, kdy CMOS čipy spotřebují až desetkrát méně energie, což je u přenosných zařízení, napájených bateriemi, obrovské plus. S nízkou spotřebou jde v ruku v ruce menší zahřívání čipu, což je úzce spjato s výsledným šumem snímku. Další velikou výhodou CMOS je jednodušší, méně náročný a levnější výrobní postup, umožňující vyrábět jej po vícero kusech, s čímž je spjata samozřejmě i levnější výrobní cena. Další výhodou je doba, za kterou dovede nasnímaný obraz převést do A/D převodníku a připravit se tak na další focení. V době stále se zvyšujících počtů megapixelů, čili objemu přenášených dat, je tato vlastnost velmi důležitým faktorem. Velikost čipu je také řádově menší než u CCD technologie, snáze se také implementuje do samotného fotoaparátu.

Hlavní nedostatek CMOS je menší citlivost na dopadající světlo, respektive rozdílná citlivost jednotlivých buněk snímače, včetně různé úrovně šumu. To má za následek mnohem větší pravděpodobnost náhodného šumu, který je potřeba softwarově i hardwarově odstraňovat. Lepší světelná citlivost CCD se projevuje samozřejmě lepšími výslednými fotografiemi, včetně celkově menší hodnoty šumu, a to především při špatném osvětlení. Právě odtud pramení obecně horší snímky fotoaparátů mobilních telefonů, než od kompaktů či zrdcadlovek. Zpočátku dominovala CCD technologie také mnohem vyšším rozlišením, avšak tento nedostatek byl v posledních několika letech překonán, a tak není problém narazit na CMOS snímače o rozlišení přes 10 Mpx.

U fotoaparátů v mobilních telefonech, kde má výsledná kvalita fotografie menší prioritu než zahřívání a spotřeba energie, se CMOS čipy používají prakticky od začátku existence ve většině případů. Díky technologickému pokroku se však moderní CMOS pomalu přibližují v kvalitně fotografií konkurenčním CCD a je jen otázkou času, kdy je z trhu vyřadí.

12 Mpx CMOS snímač od firmy SHARP

Závěr

Mobilní telefony v roli fotoaparátů jsou k vidění čím dál častěji. Za dobrých podmínek je možné pomocí nich vykouzlit opravdu povedené snímky, blížící se levným kompaktním fotoaparátům. Je však jasné, že na kvalitu snímků srovnatelnou s kvalitním kompaktem či zrcadlovkou, si budeme muset ještě nějaký ten rok počkat. To je zapříčiněno nejen technologickými omezeními, ale také nesmyslnou honbou výrobců za počtem megapixelů na úkor samotné kvality snímků.