DIGITÁLIS meneTREND

Éppen húsz éve történt: az ezüst alapú fotográfia a fény kezelését már mesterfokra vitte, amikor a digitális technológia bekopogtatott az ajtónkon. Igaz, kezdetben még csak mint analóg elektronikus kép (StillVideo), de két év sem kellett, hogy a képjelek digitalizálódjanak.

A terület szinte követhetetlen sebességgel fejlődik, formálódik. A digitális technológia a szavakat, a hangot és a fényt (a képet) elektromos kettős számrendszerben (binárisan) leírható kódokká alakítja át, amiket biteknek nevezünk. Ezeket a biteket kívánságunk szerint formálhatjuk, vagy bárhová elküldhetjük. Ez a tény megváltoztatja azt, ahogyan a képekről gondolkoztunk. A húsz éve még szerény minőségű képeket nyújtó technológia mára vetélytársa (hacsak nem konkurrenciája) lett a hagyományos fotográfiának.

Mára a digitális fényképezőgépek nagy családja lefedi a fotográfia teljes területét. A kocafényképésztől az amatőr fotográfuson keresztül a profi fényképészig mindenki megtalálja a neki megfelelő kamerát. Néhány hónapja egy, a témával foglalkozó társasággal kísérletet tettünk a digitális kamerák csoportosítására.

Íme:

Kompaktok (zsebkamerák):

1.) boxok – fix gyújtótávolság, max. 3 MP felbontás

2.) alapok – kb. 3X zoom, 35 MP felbontás

3.) ultra – 46 x zoom, 5 MP feletti felbontás

Bridge (tükörreflexes jellegűek): 610 x zoom–48 MP felbontás

Tükörreflexesek (DSLR):

1.) hagyományos SLR váz, kis érzékelővel

2.) hagyományos SLR váz, 24x36 mmes érzékelővel

3.) négyharmados rendszer

Digitális hátfalak (a hagyományos középformátumú gépekhez)

Megállapításaink máris hamisnak bizonyultak, a kompaktok területén is egyre magasabb felbontású lapkák és nagyobb átfogású zoomok kerültek a kamerákba illetve a kamerákra. Szolidabban ugyanez igaz a nem cserélhető objektíves (bridge) „tükörreflexesekre” is. A legtöbb fejlesztés a legkreatívabb fényképezést szolgáló, cserélhető objektíves tükörreflexes kamerák területén tapasztalható – nem véletlenül.

Vessünk egy pillantást a digitális fényképezőgép felépítési sémájára .

A hagyományostól való eltérés első – talán legfontosabb – eleme a filmnyersanyag helyére került szűrőráccsal (mozaik filter) ellátott képérzékelő lapka. Ami ezután jön, már tiszta elektronika, de mint látni fogjuk, ezektől az egységektől is függ a születő kép technikai minősége.

Hogy a képérzékelő lapka fejlesztésének problémáit megértsük, néhány mondatban érdemes összefoglalni annak működési elvét. Az 1970-es években a Bell Laboratóriumokban fejlesztették ki az ún. Mos (Metal Oxid Semiconductor = FémOxid Félvezető) alapú kondenzátorokat, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására. Ezekből a kis tárolókból (nagyságuk a 9x9 és a 30x30 mikrométer között mozog) több ezer darabot lehet elhelyezni egy parányi félvezető lapocskán, s ezeket egy kiolvasó áramkörrel összekötve memóriaegységeket, optikai érzékelőket nyerünk.

Az így létrehozott lapka a CCD (Charge Coupled Device = Töltéscsatolt elem), a digitális fényképezés „nyersanyaga”. Mára kétféle, jól elkülönült típus kerül a fényképezőgépekbe: a CCD és az ún. CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) lapka. Mindkét konstrukció szilícium félvezetőre alapozott, és a fény érzékelésére fotódiódát használ. Különbözőségük a fény hatására felgyülemlett töltések kezelésében van.

Kiolvasáskor a CCD-alapú képérzékelőkben a fény hatására felgyülemlett töltéseket az elemi cellákból (a pixelekből) a következő tárolócellába továbbítják. Ez az ismétlődő folyamat addig tart, amíg a töltések a kijárati kaput elérik. Ez a folyamat elkerülhetetlen „zajt” generál, és az így születő képen is látható. Ettől eltérően a CMOS érzékelő az elemi pixelekben közvetlenül alakítja feszültséggé a töltéseket, minimumra csökkentve ezzel az elemi képzajt. A konstrukció másik előnye, hogy az elmaradó függőleges és vízszintes regiszterek miatt egy adott felületen egymáshoz közel nagyszámú érzékelő alakítható ki, létrejöhet egy ideális optikai veszteség nélküli eszköz. Persze erre még várni kell – ha nem is sokat –, mint ahogy magára az alig hároméves múltra visszatekintő CMOS-ra is várni kellett.

A pixelek alakja és mérete változó. A pixelnagyság alsó határát a gyártási technológia szabja meg, illetve az, hogy egy adott méretű elem nem képes végtelen sok elektron tárolására. Ha túl kicsire választjuk a pixeleket, azok rövid megvilágítás után telítődnek, s az elektronok átáramlanak egyikből a másikba, meghamisítva ezzel a kép eredeti fényességbeli tulajdonságait. A lapka mérete a pixelek számától és azok nagyságától függ. A mellékelt táblázatban a legelterjedtebb lapka nagyságokat foglaltuk össze (összehasonlításul a legismertebb filmméretek is a táblázatba kerültek).

(Megjegyzés: a collban megadott lapkaméret és az ebből számolt értékek különbsége abból adódik, hogy korábban az elektroncsöves képfelvevők átmérője – ami jóval nagyobb volt, mint a rajta felfogott kép átlója – volt a cső geometriai jellemzője, és ezt – kezdetben videóról volt csak szó – mint geometriai adatot a lapkák „örökölték”)

Általánosságban a lapkák jóval kisebbek, mint a 24x36-os kisfilm. Ennek több hátránya is van. Ha a hagyományos kameravázba helyezzük, akkor megszokott objektívünk más „látószögben” és másfajta perspektívában mutatja a világot. Problémát jelent az objektívek felbontóképessége is. Gondoljunk bele, hogy pl. egy 1/3”os, 3 MP-es felbontású lapka minden sorában 2000 pixel van, ami több mint 200 vonalpár/mm–es felbontásnak felel meg. A legtöbb filmnyersanyag felbontóképessége alig több ennek a felénél. Az objektíveket az ilyen filmekhez tervezték, azaz a CCD lapkákhoz magasabb felbontású optikai rendszerek kellenek. Nem véletlen, hogy az új objektívek (Canon, Nikon, Minolta stb.) szinte minden gyártónál már D jelzővel, a megkívánt minőséggel készül. Csak a nagy felbontóképességű objektívek képesek a CCD összes képpontjának kihasználására.

A szerencsés átállást – ahol a megszokott objektívekkel a megszokott képhatásokat érhetjük el – a filmkocka méretű képérzékelő lapkák jelenthetik. Alig több, mint egy évvel ezelőtt meg is jelentek az első, ilyen méretű lapkák. A Canon EOS 1Ds kamerában a lapka mérete: 23,8x35,8 mm, 11,1 millió pixellel, míg a Kodak DCS Pro 14-es kamera lapkamérete pontosan 24 x 36 mm, 13,7 millió pixellel. Ha figyelembe vesszük, hogy a ma használatos populáris objektívekkel és átlagos filmnyersanyaggal az elérhető felbontás 120 képpont milliméterenként (60 vonalpár/mm), azaz egy kisfilmes képkocka körülbelül 14,4 millió képpontból áll, akkor azt mondhatjuk, hogy a felbontás tekintetében a ma legnagyobb és legdrágább lapka már tudja azt, amit a legszerényebb film (egy jó leicakocka általában 24 MP-es).

A CCD vastagsága attól is függ, hogy milyen hullámhossztartományban szeretnénk használni az érzékelőt. A vörös fotonok ugyanis 500 mikrométert is képesek megtenni a félvezető rétegben, miközben a kék fotonok pár mikrométer után elnyelődnek. A CCD-k általában sokkal érzékenyebbek a vörös tartományban, mint az emberi szem. Nem véletlen tehát, hogy a képérzékelő lapkákat egy ún. vágószűrővel látják el, a fény vörös tartományának csökkentésére. Csak érdekességként említem meg, hogy a „sötétben is látó” videókameráknál ez a szűrő mechanikusan eltávolítható a CCD elől, infravörös sugárzás (amit a szemünk nem lát) pedig sötétben is van, különösen, ha ezt a kamerába épített infravörös LED-ek is segítik.

A lapkafejlesztések – a CMOS-lapkák képérzékelésre alkalmassá tétele mellett – talán leglátványosabb fejezetei a Fujifilm Super CCD-jének története és a Foveon X3-as lapkájának kifejlesztése.

A Fujifilm fejlesztése a nagyobb felbontás elérését tűzte ki célul. Ennek érdekében az elemi képontokat (négyzet alakú pixeleket) 45 fokkal elforgatták, s négyzetes kialakításukat nyolcszögletűre változtatták. Az új struktúrában az érzékelő elemek közelebb kerültek egymáshoz, mintegy fél képpontnyival. A nyolcszögletes kialakításnek köszönhetően az elemi képpontok nagyobbak lettek, ez érzékenységnövekedéssel járt.

A Super CCD – az 1999es megjelenése óta – már a negyedik generációnál tart. A fejlesztés menetét mutatja az alábbi időtérkép:

Első generáció (1999): a lapka felbontása 2,4 MP, ami interpolálás után 4,2 MP-es képet eredményezett, kiváló élességgel.

Második generáció: már 3,1 MP felbontással, ami interpolálás után 6,1MP-s képet eredményezett. Itt az alapérzékenység ISO 100 (az első generációé ISO 125 volt).

Harmadik generáció: a felbontás maradt 3,1 MP, de az alapérzékenység már ISO 160 lett.

Negyedik generáció (2003): kétféle lapkából áll. Az egyik a HRjelű,a másik az SR-jelű lapka. A HR (High Resulution Nagy felbontás), ami jelen esetben 6,35 MPt jelent Az SR (Super Dynamic Range Szuper Dinamika) felbontása 2x3,1 MP.

A jelenlegi CCDk egyik legnagyobb problémáját már nem a felbontás, hanem inkább az alacsony dinamika jelenti. A Super CCD SR a kép lehetséges dinamikatartományát növeli meg. A megoldást a negatív filmek szerkezete inspirálta. Az érzékelők mindegyikében két fotodióda van, egyikük a gyenge és átlagos megvilágításra (érzékenyebb, nagyobb a felülete, ez az Spixel), a másikuk az erősebb megvilágításra, a csúcsfények reprodukálására (kisebb, érzéketlenebb, ez az Rpixel).

A két érzékelő által felfogott jelet egymással kombinálva dolgozza fel az elektronika, innen a nagyobb átfogás, azaz a legsötétebb és legvilágosabb képelemek közti blendetávolság, amit jelen esetben két blendével sikerült megnövelni.

Az igazi nagy probléma a színek visszaadása. A képérzékelő lapkák pixelei „színvakok”, a fénynek csak a mennyiségét képesek érzékelni. A színes filmnél ezt a különböző (vöröszöldkék) színekre érzékenyített rétegekkel oldották meg. A 3 CCD-s videókamerákban a képet alkotó fényt prizmával három részre bontják, s három, szűrőkkel ellátott CCD-re vetítik. A fényképezőgépeket ez a módszer bonyolítaná, így csak egy CCD-lapka van bennük, amelyen az ún. mozaikfilter végzi a „színre bontást”. Meghatározott minta szerint váltakozva piros, zöld és kék szűrők fedik le a pixeleket. Ez egyben azt is jelenti, hogy ez a rendszer nem képes hűen reprodukálni egy képpont valódi színét. Minden végleges képpont a körülötte lévő kék, zöld és piros elemek alapján, valamilyen matematikai algoritmussal számítódik ki. Finomodik a színvisszaadás a Sony RGBE (4color filter) mozaikfilterrel ellátott lapkáinál. Itt az Eszűrő az Emerald=smaragdzöld színt jelenti. Igazából az történik itt, ami a Fuji négyrétegű színes negatívjainál, a színérzékenyítési görbe jobban megközelíti szemünk színérzékelését.

A színvisszaadás terén az igazi áttörést a Foveon cég X3-as CMOS-lapkája jelenti. A fejlesztést 2002 elején jelentették be, de ősszel a photokinán már ott volt az első X3-as szenzorú, tükörreflexes Sigma SD 9-es fényképezőgép, most pedig már a Sigma SD10-es is az üzletekben van. Sőt, ha a bejelentéseknek hinni lehet, a photokinán ott lesz a a legújabb F 19-es 4,5 MP-s lapkával épült Polaroid x530 névre keresztelt kompakt gép digitálisa.

A Foveon a szilícium azon fényelnyelési tulajdonságát használta ki, hogy a fehér fényből először a kék összetevő nyelődik el, majd a zöld és végül a legmélyebbre jutó vörös. Így az egymás feletti pixelek ugyanúgy működnek, mint a színes filmnyersanyag. Az X3 képélessége a duplájára nőtt, megszűnt az ún. moaré (zavaró mintázat, ami egyébként nagyon ritkán vehető észre) hatás, hogy csak a lapka legfontosabb tulajdonságait emeljük ki. Fontos még, hogy az X3-as technológia a képpontok összefűzését (VPSt, variable pixel sizet = változtatható pixelméretet) is megengedi. Ez az érzékenység növelését teszi lehetővé, kettő illetve négy fényértékkel, természetesen a felbontás csökkenésével. Jól jöhet ez a ma oly divatossá váló eszközöknél, amelyek egyszerre szeretnének videókamerák és fényképezőgépek is lenni.

Szívesen írnám le, hogy a legújabb képérzékelő lapka – a nagyságában bizonytalan vagyok – gyorsabb, mint a Nikon LBCAST szenzora, természetesen a Canon CMOS-ához áll a legközelebb, pixelei nyolcszögletűek és háromrétegű, X3típusú. Ezt nem írhatom, az eredmények nagyon biztatóak, bár a korábbi nyilatkozatokkal ellentétben még mindig a filmhez hasonlítgatják és mérik a digitális képrendszerek minőségi mutatóit, és nem fordítva.

Érdemes még néhány mondat erejéig a CMOS típusú lapkánál maradni. Mint már erről szó esett, a CCD-ben az egy pixeltől származó elektromos töltés átadódik a következő oszlopban lévő, s vödörláncként viselkedő CCD-sornak. Itt a töltések függőlegesen továbbkerülnek, és az alsó vízszintes vödörlánc végén lévő átalakítónál kiolvasódnak, a töltések feszültséggé alakulnak.

A rendszer előnye a kiforrott technológia, az alacsony képzaj és a nagy jel/zaj viszony. Hátrányként mutatkozik a viszonylag magas fogyasztás, problémás a nagy kiolvasási sebesség és a chipen belüli (onchip) áramkörök kialakítása. Ezzel szemben a CMOS szenzor mindegyik pixeléhez tartozik egy átalakító, ami feszültséggé alakítja a pixelből kiolvasott töltéseket. Ezt a feszültségsorozatot olvassák ki a lapka vezetékein keresztül. Jellemzői és egyben előnyei: az alacsony fogyasztás, a könnyen megvalósítható kiolvasási sebesség és az onchip áramkörök lehetősége. Ugyanakkor egyenetlen a pixelzaj és a véletlenszerű zaj.

Az egyenetlen pixelzajt okozhatja a lapkában jelentkező szivárgási áram vagy a különböző pixeleknél nem egyformára sikeredett konverterek.

A problémát a Canon BASIS szenzorának megjelenése (1987) óta folyamatosan javítja, a chipen belüli áramkörök korrekciós lehetőségével és a gyártási technológiák finomításával (ioninjektásással, hőkezelési eljárással, stb).

A kép minősége nem csak a pixelszámtól függ. A digitális SLR fényképezőgépek esetén a szenzor mérete is egy lényeges szempont, hogy nagyobb tónustartományt kapjunk. A nagyobb szenzornak szélesebb dinamikatartománya és magasabb érzkenysége van, ami több ISO érték választását teszi lehetővé. A kisebb teljesítményfelvétel fontos paraméter a fényképezőgép működési ideje szempontjából.

A CMOS-technológia egyszerűvé teszi a teljes méretű (24x36 mm-es) lapka gyártását. Ahhoz, hogy nagyméretű szenzort készítsünk, több darabból kell a szenzort ráexponálni a hordozó lapkára. A CCD-nél függőlegesen is és vízszintesen is töltésvezető csatornák vannak. Nagyon nehéz több darabban a szenzort úgy ráfényképezni a lapkára, hogy a töltéstovábbító csatornák jellemzői ne változzanak. A CMOS-szenzor esetében ez egyszerű, mivel itt nem töltés, hanem feszültség továbbítódik, így elektromos kontaktusokat, „drótozást” kell összekötni. Az az adottság, hogy itt az elektromos töltés minden egyes pixelnél feszültséggé alakul, és minden pixelsor külön olvasódik ki, a többszörös kiolvasási csatornák kialakítását teszi lehetővé. Ez a képjel kisebb frekvenciájú feldolgozását teszi lehetővé, ami alacsonyabb képzajjal jár.

Végezetül – bár ebben a cikkben a „digitális filmnyersanyag” fejlődési irányait szándékoztunk csak felvázolni – ide kívánkozik néhány gondolat az ún. négyharmados rendszerről. Egy nagyon lassan mozduló (épülő) kamera típusról van szó, azt gondolom, hogy ez lehetne a digitális világ leicaformátuma.

A digitális képtechnológiák rohamos és sokszínű fejlődése felveti egy olyan egységes (közös) kamera rendszer kialakítását, amely kisebb méretben, nagyobb fényerejű és

könnyebb objektívekkel, tökéletes optikai leképzéssel, a különböző márkák vázainak és objektívjeinek cserélhetőségével és lehetőleg kiemelkedő ár/teljesítmény viszonnyal bír.

Ilyen rendszerre tett javaslatot 2002 őszén (a kölni photokinán) a Kodak, az Olympus és a Fujifilm. Szakembereik úgy gondolták, hogy egy 20 mm körüli képátlójú érzékelő lapka, kb. 20 millió pixeles felbontással (mint maximummal), tökéletesen illesztett objektívekkel, közös (mind a mechanikus, mind az elektonikus kapcsolatban egységes) bajonett rendszerrel ideális új szabvány lehetne. Ez lett végül a FourThirds vagy négyharmadrendszer.

Így született meg a négyharmad oldalarányú 4/3”os lapkájú (17,8x13,4 mm képméretű) új és nyitott szabvány.

A rendszer első – a profeszszionális fotográfusoknak szánt – kameráját az Olympus készítette el, ez az Olympus E1. A kameraváz és az objektívek az Olympus fejlesztései, de a lapka a Kodak gyártmányú KAF5101 2614x1966 pixeles FullFrame CCD-je. Ebben az évben a Panasonic, a Sanyo és a Sigma csatlakozott a 4/3-os rendszerhez. A Sigma várhatóan – az SD–9 és az SD–10-es DSLR-ek tapasztalatainak birtokában – objektíveket fog gyártani.

Az együttműködések mindig kiemelkedő eredményeket hoznak. Láthatjuk ezt a Sony és a Carl Zeiss, a Panasonic és a Leitz vagy legutóbb a Leica Digilux 2 (Leitz objektív, Kodak képérzékelő és az egyik legjobb szoftvergyártó képfeldolgozó áramkörei) esetében.

A digitális hátfalak lapkái ma felbontásban – 22 millió pixel körüliek – a legjobbak. Ezt a felbontást elvileg a 4/3”-os lapkán is rövidesen elérik, és ez megnyithatja az utat a kisfilmes tükörreflexesek cserélhető hátfalainak gyártásához. Az első ilyen hátfalat a Leitz ígéri az idei photokinára. A Leica DigitalModul Rt (kb. 10 millió pixel felbontású lapkával) a Leica R–8 és R–9-es SLR vázakhoz lehet majd csatlakoztatni.

Ha a tisztelt olvasó a cikk elején bemutatott kamerasémára tekint, látja, hogy a digitális fejlesztés menetrendjéből csak a „nyersanyag” fejlesztési lehetőségeinek fontosabb (de talán ez a legfontosabb) állomásait tekintettük át, ezt is csak vázlatosan. Ugyanilyen fontos lenne az objektívek és a jelfeldolgozó szoftverek áttekintése.