Vědecké okénko: OIS, PDAF, expozice, teleobjektiv – znáte pojmy z mobilního focení?
V dnešním díle si vysvětlíme pár pojmů a popíšeme, k čemu slouží různé vychytávky v mobilních snímačích. Analogicky ale vše popsané tady můžete přenést na jakékoliv další zařízení vybavené fotoaparátem nebo kompakty a zrcadlovky samotné.
Nebudu tu rozebírat rozdíly CCD a CMOS technologie, o tom již vyšel článek v roce 2012, který vám na úvod můžu doporučit. Na fyzikální teorii snímačů revoluce nepřišla. Platí, že zatímco tehdy byly ještě CCD moduly celkem populární, v roce 2020 jsou již téměř vytlačeny CMOS, které jde zhotovit na jediném čipu stejně jako ostatní součástky na desce a jsou tedy pro mobily vhodnější.
CMOS není jen typem fotoaparátu, ale celým přístupem k tvorbě součástek. Název bych vyložil jako „vzájemně doplněné polovodiče izolované oxidy kovů“. Základní polovodiče jsou tedy spojené do hradel a navzájem izolované nevodivou zoxidovanou vrstvou. Jejich fungování se řídí zvolenou logikou, podle které kombinace dvou vstupů poskytuje daný výstup.
Zato se objevily nové pojmy, které ještě před pár lety nebyly známé ani u profíků. Například jsou zákazníky kladeny protichůdné požadavky: širokoúhlé fotky, ale zároveň zvětšení snímku… To jde u fotoaparátu vyrobit proměnnou ohniskovou vzdáleností (pohybem čoček v objektivu vůči sobě), na to ale není v mobilu prostor.
Řešením je tedy využít více specializovaných snímačů, kdy každý umí aspoň něco a telefon poskládá výsledek pomocí algoritmů. S tím se pojí plejáda termínů. PR se pochopitelně všechny takové vychytávky snaží prodat. Vyznáte se ve všech pojmech, které na vás mohou při nákupu mobilu zaútočit?
Velikost snímače
Tradičně fotografové používali plnoformátový film, který měl 36 × 24 mm. Pochopitelně, tak velký snímač v telefonu nenajdete. Smartphonové fotoaparáty jsou násobně menší a jejich velikost je udaná krkolomně ve zlomcích palce, typicky najdete hodnoty 1/2 až 1/3ʺ. Pro představu, to je méně než plocha lidského nehtu a rozměry jsou v našich jednotkách typicky kolem 6 × 4 mm.
Proč je to důležité? Jednak množství zachyceného světla je úměrné ploše, na kterou dopadá, ale pak je tu ještě jedna věc. Snímače mají běžně rozlišení v megapixelech. Tyto pixely se ještě dělí typicky podle Bayerovy masky na subpixely, tato mřížka využívá uspořádání RGBG (podobně jako tzv. PenTile displeje).
Při velikosti buněk kolem 1 mikrometru (což už jsou mikroskopické rozměry) se začíná projevovat vlnová charakteristika světla. Velikost světlocitlivých buněk je právě na tom rozhraní, kde dochází k ohybu vln.
Platí, že tyto jevy jsou podstatné, pokud je velikost průchodu překážkou srovnatelná s vlnovou délkou. Kdyby byla větší, světlo projde nezměněné, naopak při menší by neprošlo vůbec. Jelikož vlnová délka viditelného světla je přibližně od 0,4 do 0,8 µm, dochází ve snímači k rozptylu vln (tzv. difrakci), což vede k dopadu vln na sousední pixely a snížení ostrosti obrazu
Tento fyzikální jev tak spolu s dalšími v praxi omezuje výsledné rozlišení obrazu, a tak větší počet pixelů ještě neznamená ostřejší snímky. Větší snímač je jednoznačnou volbou pro focení v plném rozlišení a náročnějších podmínkách.
Expoziční čas
V tradičním pojetí se jedná o čas, za který přejde mechanická clona přes plochu objektivu. U telefonů pochopitelně žádná klapka necvaká, místo toho software po daný čas načítá (sčítá) signály z osvícených pixelů a po uplynutí daného času snímek vyhodnotí. Krátký čas umožňuje stabilní fotografie, ovšem množství nachytaného signálu je menší a snímek může být tmavý.
Běžně se rozsahy pohybují ve zlomcích sekundy od 1/1000 s do ½ s, u smartphonů probíhá až na výjimky nastavení automaticky. Delší časy nad 1 s se používají zejména k časosběrným uměleckým fotografiím. Při focení v noci dochází k prodloužení času, což ale vyžaduje kvalitní stabilizaci a pevnou ruku, aby snímek nebyl rozmazaný.
Světelnost, clonové číslo
Také označované jako N nebo f-číslo získáme jako poměr ohniskové vzdálenosti a průměru objektivu. Platí:
N = f/D, kde f je ohnisková vzdálenost, D je průměr objektivu.
Je to bezrozměrné číslo, většinou se udává jako převrácená hodnota, tedy f/(zjištěné číslo N). Clonové číslo v klasických objektivech většinou odpovídá x-násobku odmocniny dvojky (1-1,4-2-2,8-4-5,6-8… atd.). Jeden krok nahoru znamená dvakrát méně světla.
Fotoaparáty ve smartphonech nemají pohyblivou clonu a mají pevně dané f/ mimo tuto škálu. Většinou se setkáme s pohledem, že čím menší číslo ve zlomku f/, tím lépe. Není to ale absolutní. Větší otevření snímače sice umožňuje propustit více světla, avšak snižuje hloubku ostrosti (možnost zaostřit současně různě vzdálené objekty), tvoří se tzv. bokeh efekt s typicky rozmazaným pozadím, což není vždy žádoucí.
Expoziční stupeň
Koncept pochází z myšlenky sjednotit clonové číslo a expoziční čas do jediné veličiny EV (také Ev). Je to logaritmická veličina, spočítá se takto:
Ev = log2 (N2/t), N je clonové číslo, t je čas expozice
Z definice platí EV = 0 pro clonové číslo f/1 a expozici 1 sekundy. Prakticky se tedy setkáme s vyšším číslem. Musíme pamatovat na to, že nižší číslo znamená světlejší snímek, což nemusí být intuitivní. Expoziční stupeň byl vymyšlen jako alternativa pro objektivní srovnání fotoaparátů s různými f/čísly a expozičními časy.
Dnes se již používá méně. Setkat se můžeme s kompenzací EV, kdy upravíme manuálně osvětlenost snímku. Kompenzace + 1 EV opět trochu proti intuici znamená snížení hodnoty o 1 stupeň dolů. Z toho se jednomu zamotá hlava.
Měření expozice
Tajemné nastavení související s ostřením najdete v mnoha aplikacích fotoaparátu a je škoda, že není podrobněji vysvětleno. Nejčastěji se setkáte s nastavením Matice, Střed a Bod. Může být použit jiný termín, ale toto jsou základní režimy. Používají se pro regulaci osvětlenosti fotek. Pokud fotíte v protisvětle, bude část světlejší a můžou vznikat nepěkné přepaly. Proto můžete chtít dát různým částem fotky různou prioritu při vyhodnocení expozice automatikou.
Matice je nejobvyklejší, fotoaparát vezme celou fotografii a zprůměruje hodnoty tak, aby fotka byla tak nějak přiměřeně osvětlená, o nic se už nemusíte starat. V extrémnějších podmínkách však využijete zbylé režimy.
Střed se má používat při focení portrétů, pokud je focená osoba ve středu snímku a je na ni největší důraz. Poslední Bod vezme polohu, kam je snímek zaostřen a podle něj upraví zbytek fotografie. Použijete ho, pokud je prioritní dobré zobrazení jediné oblasti fotky a zbytek může mít nesmyslnou hodnotu jasu.
Ohnisková vzdálenost
Zde pozor, u objektivů obvykle rozlišujeme dvě různé hodnoty: efektivní a ekvivalentní ohniskovou vzdálenost. Může se udávat ještě předmětová a obrazová ohnisková vzdálenost, ale to není pro fotoaparáty zase tak podstatné.
Efektivní ohnisková vzdálenost je definovaná jako vzdálenost optického středu čočky a ohniska F (bodu, v němž čočka objektivu zobrazí obraz). Poměr velikosti snímače a efektivní ohniskové vzdálenosti je zorným úhlem objektivu. Zde však máme problém při srovnávání různě velkých snímačů, toto bychom museli do výpočtu zahrnout.
Proto byla vymyšlena ekvivalentní ohnisková vzdálenost. Ekvivalentní hodnota umožňuje porovnání úplně odlišných fotoaparátů díky tomu, že udává efektivní vzdálenost, kterou by měl standardní 35mm objektiv pro daný zorný úhel. Je to právě ta hodnota, kterou má smysl porovnávat mezi telefony.
Čím menší je tato hodnota, tím je snímač více širokoúhlý, protože je obraz z čočky menší a zabere větší část focené scény. Větší hodnoty mají uplatnění pro funkci zoomu. V praxi se setkáme s označením „wide“ pro <30 mm, standard se udává jako 50 mm, naopak „tele“ objektiv potřebuje i >100 mm.
Poměr ekvivalentní a efektivní ohniskové vzdálenosti je tzv. crop factor (poměr ořezu) a udává, kolikrát je fotka zdánlivě zmenšena. Nejlépe to vystihne následující obrázek:
Optický zoom
Tradičně je zoom poměr největší a nejmenší ohniskové vzdálenosti v objektivu s pohyblivými čočkami. To je ten otočný kruh. Posouváním čoček v objektivu je možné plynule zvětšit obraz až do maxima.
Mobily tuto možnost nemají, v režimu zoomu používají druhý objektiv – teleobjektiv, který má proti základnímu x-násobné a pevně dané zvětšení. Optický zoom je optický proto, že je dán charakteristikou optiky a ne softwaru. Může tedy ovlivnit např. jas fotografie, ale zachovává rozlišení dané optikou teleobjektivu.
Digitální zoom
Používá se tradičně u mobilů, které mají nepohyblivé čočky a nemají teleobjektiv. Zvětšení fotky probíhá jen softwarově. Vyřízne se část původní fotky a ta se doplní na původní rozlišení tak, že algoritmus (bikubická, Lanczos a další metody) vymyslí chybějící pixely na základě sousedních. Mluvíme o interpolaci.
Z podstaty dochází ke snížení množství detailů, ostrosti a horší kvalitě snímků. Vyrobit něco z ničeho je zásadní problém digitálního zoomu, který nejde doporučit k používání, i když ho reklamština ráda prodává.
Hybridní zoom
Marketingový pojem, který se snaží zaujmout velkým číslem zoomu a těžko se pod tím něco představí. Dosahuje se ho kombinací obou výše zmíněných technik.
Zorný úhel
V poslední době se setkáváme se smartphony, které se chlubí ultraširokými fotografiemi s úhly kolem 120 stupňů horizontálně (pro zajímavost, jedno lidské oko vidí kolem 140 stupňů, periferním viděním oběma očima vnímáme až 200 stupňů!). Velkých úhlů je dosaženo velmi nízkou ohniskovou vzdáleností objektivu.
Jelikož čočka zmenší obraz, na snímač dopadne daleko větší výřez reality a na fotku se toho více vejde. Na druhou stranu je míra detailů nižší a pokud není optika přizpůsobena, dochází na okrajích k deformacím obrazu, někdy až efektu „rybího oka“. Používané zorné úhly jsou tedy kompromisem dvou protichůdných požadavků na širokost záběru a ostrost snímku v celé ploše.
HDR
High dynamic range, Vysoký dynamický rozsah zvyšuje rozsah expozice, což v praxi umožňuje fotit záběr na světlá i tmavá místa najednou. Dělá to tak, že nafotí několik fotek málo a několik hodně exponovaných (jasných).
Software potom poskládá výsledek tak, že zesvětlí tmavá místa a zatmaví ta světlá. Dochází ke snížení kontrastu, ale zvýšení detailů a vysokému barevnému rozsahu. Někdy dochází až k pocitu surreálních fotek.
ISO
Samotný název odkazuje na mezinárodní organizaci pro normalizaci, která sjednotila dříve používané německé a americké standardy do jednoho. Číslo původně sloužilo jako přibližná orientace v rychlosti, jakou probíhala reakce fotografických filmů na světlo.
Americká verze ASA používala aritmetickou stupnici, německá DIN logaritmickou, takže srovnání začalo být komplikované. Proto byl vymyšlen sjednocený systém. Logaritmická stupnice se označuje znakem stupně °. Výraz ISO 100 i ISO 21° znamená úplně to samé, jen časem převládlo americké značení ve dvojkových násobcích ISO 100.
Dnes se používá k vyjádření ekvivalentu citlivosti digitálního snímače na světlo (kolik signálu zaznamená při daném osvětlení). Nižší číslo znamená menší citlivost, tmavší obraz a méně artefaktů, vyšší naopak jasný obraz, ale vzhledem k nedokonalostem čipu i tvorbu šumu, který se musí dodatečně odstraňovat a hrozí ztráta detailů.
Výpočet je složitý a potřebujeme znát optické parametry objektivu a čipu. Běžné hodnoty se pohybují mezi ISO 100 a ISO 1600, hodnoty v desítkách tisíc si mohou dovolit až špičkové zrcadlovky.
BSI
Back-side illumination, zpětné osvětlení, doslova osvětlení ze zadní strany, bylo vyvinuto jako vylepšení konvenčních fotoaparátů, které odrážely až 40 % světla zpět do okolí. BSI využívá podobného principu, jak vidí „chobotnice“: vrstva citlivá na světlo je umístěna před vrstvu citlivou na signály. Jelikož u fotoaparátu jsou spoje nanášené na podklad s jinou odrazivostí, každá elektronika kolem snímače snižuje dostupnost světla.
Rozměrná kovová sběrnice je z principu lesklá a barevná, takže odráží světlo kolmo ven z fotoaparátu. Když se podařilo ji implementovat do zadní části čipu, pomáhá odrazem nasvítit samotné citlivé fotodiody. BSI tedy pomáhá řešit nedostatek světla při focení, což je u malých snímačů věčný boj. Postupným vývojem začínají nad klasickými FSI snímači převažovat i v jiných aplikacích.
OIS
Optická stabilizace obrazu je oproti obvyklejší elektronické dokonalejší, ale mnohem dražší a také energeticky náročnější. Vyžaduje totiž velmi přesný gyroskop, který přes servomotor vyrovnává optiku fotoaparátu, aby obraz dopadal na snímač stále stejně.
V objektivu je vložený optický člen, který je v objektivu plovoucí a pohybuje se proti směru okolního pohybu. Díky tomu je možné prodloužit čas expozice snímače, fotka je jasnější i ostřejší. Podle seřízení a rozsahu dokáže stabilizovat i velmi rozklepané záběry při chůzi apod.
EIS
Elektronická stabilizace obrazu většinou pracuje s faktem, že focený snímek je menší, než jaký dokáže snímač zachytit. Funguje tedy na principu posouvání ořezu záběru proti směru jeho pohybu. Účinnost při focení a natáčení videí je typicky nižší než u optické varianty.
Snímač a procesor také musí pracovat s nějakou rezervou, proto často telefony stabilizaci při vysokém rozlišení vypínají. Výsledek hodně záleží na vyladění softwaru, dlouhý expoziční čas ale u tohoto typu stabilizaci není dobrý nápad a focení v noci nedopadá podle představ.
PDAF
Phase-detection autofocus, ostření metodou fázové detekce je podobná metoda, jako zaostřují obraz naše oči. Při pohledu oběma očima dochází k porovnání obrazu a posunu čočky do vhodného místa. Patří mezi pasivní metody ostření, nepotřebuje vyzařovat žádné světlo. Stejně to dělá objektiv. Ten je jenom jeden, takže použije speciálně upravené pixely z okrajových oblastí snímku a porovná jejich ostrost.
Oproti jednodušším metodám založeným na hledání nejvyššího kontrastu (v podstatě metodou pokus-omyl) je tato rychlejší, což platí zejména při dobrém osvětlení, v horším už takovou výhodu nepředstavuje a pokud má rychle fungovat v šeru, výrobci ji doplňují o aktivní metody, např. laserové pomocné ostření.
Znali jste všechny pojmy? Nebo vás napadly ještě další, které by stály za vysvětlení? Napište nám do komentářů!
