DIGITREND 13.

A szenzoron ebben a kis elmélkedésben a CCD-t, a CMOS-t és a MOS szilícium alapú „digitális filmet” értjük. Minthogy működésük alapja lényegében azonos, ez talán rendjén való. Fejlesztésük vagy ha jobban tetszik: fejlődésük a képalkotás minőségi lehetőségeiről szól.

Még ma is mondhatjuk, hogy elvárásunk a filmes minőség, állóképben, mozgóképben egyaránt. Miről is van szó? A legfontosabb technikai mutatók (a sorrendiség mindenkinek „kedve” szerint felcserélhető): az érzékenység, a színhűség, az átfogás, a felbontás (részletgazdagság) és a jel/zaj viszony. Bármelyik szenzorgyártó lapkáinak alakulását, fejlődését nézzük, egy-egy újabb típus valamelyik technikai mutatóban jeleskedik. Magyarul: lassan elmondhatjuk, hogy nemcsak elértük, meg is haladtuk az ezüstalapú filmnyersanyag képalkotói lehetőségeit. Elmondhatjuk?

Még nem vagyunk a célnál, ha ez a tényleges cél. Az biztos, hogy a fejlesztők – szinte minden esztendőben – folyamatosan javítják a szenzorok képességeit.

Ha az elmúlt tíz évet nézzük, észre kell vennünk, hogy – a felhasználók szerencséjére – a különböző gyártók egymástól is „tanulnak”, átvesznek technológiákat, olykor még a „házasság” is szóba jön. Erre a technikai időutazásra a Fujifilm szenzorai ígérkeztek mintául.

Egy hagyományos képérzékelő felületen a képpontok (pixelek) egymás mellett helyezkednek el. A lapkán lévő hálózat és a fotodióda mérete pontosan meghatározza, hogy az érzékelő képpontok (a diódák) mekkora távolságra helyezkednek el. A film ezüst-szemcséihez képest ezek nagy távolságnak számítanak. A Fujifilm SuperCCD-jének ötlete az volt, hogy ha az elemi kép pontokat (fontos: ezek négyzet alakúak) 45°-kal elforgatva, a négyzetes kialakítást nyolcszögletűre cserélve, majd soronként fél képpontnyi eltolással hozzák létre, akkor az érzékelő elemek közelebb kerültek egymáshoz (lásd az ábrát!). Ez jobb felbontást jelent. Persze ez a cikk-cakkban elhelyezett pixelstruktúra nem igazán kedvezett a függőleges és vízszintes kontúroknak. Igaz, a Fujifilm a kamerából kiolvasott kép felbontását interpolációval feljavította! Az interpolálás ugyan nem visz a képbe valódi többletinformációt, de a rendelkezésre álló adatokból „számolt” képpontok (színük és fényerejük) mégis jobb hatásúak.

A SuperCCD-t 1999-ben jelentették be, és 2000 januárjában jelentek meg az első ilyen lapkával készült fényképezőgépek (Finepix 4700Z, 4800Z, 4900Z). A lapka fizikai mérete 1/1,7” (7,6x5,7 mm), felbontása 2,4 Mp, amelyből interpolálás után 4,2 Mp-es képet lehetett letölteni. Persze az eredeti (valódi!) felbontás is elmenthető volt. A szenzor alapérzékenysége ISO 125 volt.

A mellékelt tesztfotók a Fujifilmtől származnak, még a 2000. évi photokináról hozta e sorok írója. A két fotográfia azonos felbontású (2,4 Mp-es) hagyományos és SuperCCD-lapkára készült. A kinagyított részletek (a kiwi szőröcskéken és a narancs kontúrján), ha nem is elsöprő erővel, de elég meggyőzően mutatják a lapka előnyeit.

A képfeldolgozást finomítva az úgynevezett második generációs SuperCCD felbontása az elsővel megegyező fizikai méreten már 3,1 Mp volt (interpoláció után 6,1 Mp), érzékenysége értelemszerűen ISO 100-ra csökkent. Ugyanakkor az első generációnál gyakran előforduló moaré effektus megszűnt.

Ezzel a lapkával készült a Fujifilm profeszszionális DSLR fényképező gépe, a FinePix S1Pro is, de itt a 3,1 Mp már egy APS-C mérethez közeli, 23x15,5 mm-es felületű. Ez a méretnövekedés ISO 320-as érzékenységet és kevesebb zajt jelentett.

2002 februárjában (alig két évvel az első generáció után) jelent meg a SuperCCD-k harmadik generációja. Ez a lapka már videó felvételére is alkalmas volt. Felbontásuk 3,1 Mp, interpolált felbontásuk 6 Mp volt, alapérzékenységük ISO 160. Ez a típusú lapka került a FinePix S2Pro fényképezőgépbe, 6,1 Mp-es felbontásban (az interpolált kép 12 Mp-es).

A 2003-ra elkészült negyedik generációs CCD-k kialakításánál a SuperCCD vonal látványosan ketté oszlik. Az egyik oldalon a nagy felbontású, III. generációs szenzorhoz hasonló felépítésű SuperCCD HR, azaz High Resolution, magyarul nagy felbontás. A másik oldalon az SR jelzésű Super Dinamic Range, azaz nagy dinamika terjedelmű lapka.

A dinamikatartomány az érzékelőnek az a képessége, ahogyan a különböző fényességű (megvilágítású) fényre reagál. Az érzékelőknek ez a jellemzője messze a film képessége alatt maradt. A digitális fényképezőgépek többségénél gondot okoz az olyan nagy kontrasztú képek rögzítése, amelyeken együtt szerepelnek nagyon sötét és nagyon világos felületek. Valamelyik oldalon a részletek mindenképpen elvesznek.

A SuperCCD fejlesztésénél a film tónusgazdagságának reprodukálása volt a cél. A film ezt úgy éri el, hogy az emulziós rétegekben különböző nagyságú ezüst-halogenid szemcséket alkalmaz. A nagy (felületű) szemcsék magas érzékenységűek, a kicsik alacsony érzékenységűek. Ezt az elvet valósította meg a SuperCCD SR lapka. A képen látható kialakítás, ahol az R-pixel a kis érzékenységű képpont rész, az S-pixel pedig a nagy érzékenységű. A kép „keletkezését” valahogy úgy kell elképzelni, hogy a kép napfényes (erősen megvilágított) részeit a kisebb érzékenységű R-pixel, míg az árnyékos részeket a nagyobb érzékenységű S-pixel képezi le. Egyszerűbben: két különböző expozíciójú kép születik meg ezen a lapkán, amelyeket egy bonyolult algoritmus rak öszsze. Ezzel mintegy 2 fényértékkel nő meg a lapka dinamikus átfogása.

2006-ban a Sony egy amatőr videókamerájában (Sony HDR-SR1) alkalmazta először az általa kifejlesztett, ClearVID-nek nevezet CMOS típusú szenzorát. Semmi kétségünk nem lehet afelől, hogy az inspiráló idea azonos a Fujifilm SuperCCD-vel. Mint az ábrán látható, itt is 45°-ban elforgatott pixelek vannak; igaz, ezek négyzet alakúak maradtak, de a soronkénti félpixelnyi eltolás itt is „működik”. A felbontásnövelés itt is algoritmussal (számolással) történik. Ne feledjük, 2005-ben már dübörgött a HD-televíziózás, és ezzel a módszerrel könnyen lehetett alacsonyabb natív felbontású lapkával működő kamkorderből úgynevezett Full HD-s képet (1080x1920 pixel) létrehozni.

Úgy tűnik, a szenzorok felbontása körül a kezdeti időkben kialakult pixelháború befejeződött. Ma már a legtöbb kamera felbontása 10–12 Mp, ami általános használatra bőven elegendő. A fejlesztések persze nem állnak le, mindig kell valami új, ami többet képes nyújtani a használójának. A 2008-as photokinán a Fujifilm bemutatta saját elképzelését egy új CCD-ről, mely az Extreme kifejezés után a Super CCD EXR nevet kapta. Az EXR jelölésű érzékelő felépítése lényegében a színszűrő rendszer felépítésében tér el a korábbi lapkáktól. A CCD-n található színszűrők száma megegyezik a (általánosan elterjedt) Bayer-szűrőn található szűrők számával (és színbeli arányaival: 50% zöld, 25% piros és 25% kék), elrendezésük viszont alaposan különbözik.

Az elrendezés lényege, hogy a dupla anynyi szűrővel rendelkező zöldek átlós irányban egymás mellett helyezkednek el, míg a kék és piros szűrők egymás mellé kerültek párba. Az úgynevezett Pixel Fusion (pixel összevonás) technológia így zavaró színhibák létrejötte nélkül megvalósítható. Ez az új elrendezés három működési módot tesz lehetővé:

1.) A rendszer alkalmas nagy felbontású képek készítésére, ahol a lapka összes érzékelője használatba kerül. Így a mai lapkatechnológia 10–12 Mp felbontást biztosít.

2.) Magas érzékenységű felvételekhez pedig két azonos pixel egymás mellett egyetlen pixelként funkcionál, azaz megduplázódik az érzékelő felület, nő az érzékenység, de nagyon alacsony marad a képzaj, hiszen mindkét pixel ugyanazon színszűrővel bír.

3.) A széles dinamikájú képeket a SuperCCD SR-hez hasonlatosan készíti a rendszer. Az úgynevezett Dual Capture (kettős rögzítés) technológiával a kamera két képet készít, egyet magas érzékenységgel, egyet alacsony érzékenységgel. A két kép adatait feldolgozva jön létre a megemelt dinamikájú kép. Ilyenkor a pixelek egy része alacsony, egy része pedig magas érzékenységgel dolgozik.

Ez a szenzor – a SuperCCD EXR – tulajdonképpen megvalósítja a magas érzékenységgel dolgozó, ámde alacsony képzajú, széles dinamika tartományú és kellő felbontóképességű képérzékelőt. Mintha közelítene a filmhez.

Persze a fejlesztések nem állnak meg. Közben – hogy fényképezőgéppel videózni is lehessen – mások is léptek, nem is keveset. 2007 végén megjelent a Casio Exilim Pro EX–F1 nevű fényképezőgépe a Toshiba cég fejlesztette CMOS típusú, nagy sebességű érzékelővel. Érdemes az idevonatkozó műszaki paramétereit felsorolni: képfelbontás: 6 Mp, másodpercenként 60 (!) kép teljes felbontásban. Videóban: SD-ben (512x384) 300 kép/mp, 432x192-es felbontásban 600 kép/mp vagy 336x96-os felbontásban 1200 kép/mp, valamint HD videóban 1920x1080-as felbontású, 30 kép/

mp progresszív felvételeket készíthetünk. Közben – szinte egy időben – több lapkafejlesztőnél megszülettek az úgynevezett Back-Illuminated, azaz hátsó megvilágítású szenzorok. A lényegük az, hogy a lapka nem a pixelrácsot behálózó és részben árnyékoló töltéselvezetők oldaláról kapja az exponáló fényt, hanem a másik (hátsó) oldalról, már megnövekedett érzékenységgel.

E sorok megjelenésével egy időben kerül az üzletekbe a Fujifilm FinePix HS 10-es és 20-as EXR kamerája (fotó és videó) az új BSI-CMOS (nem CCD!) lapkával. Hátsó megvilágítású, 16 Mp-es, 1920x1080 felbontásban 30 kép/mp-es, 640x480-as felbontásban 80 kép/mp-es és 320x112 pixeles felbontásban 320 kép/mp-es felvételi lehetőségekkel.

A fejlesztés- és fejlődéstörténetnek természetesen itt nincs vége, és ez a Fujihoz hasonlóan a többi fejlesztőnél is nyomon követhető.

Rák József