Matryce małoobrazkowe

W fotografii cyfrowej funkcję materiału światłoczułego zamiast błony fotograficznej przejęła matryca. Oprócz tego, że matryce występują w różnych typach, to jeszcze różnią się rozmiarami – od miniaturowych matryc wielkości paznokcia, umieszczanych w telefonach komórkowych, do dużych pełnoklatkowych, których wymiary odpowiadają jednej klatce filmu małoobrazkowego.

Matryca, zwana inaczej przetwornikiem, stanowi element światłoczuły. Przetwarza obraz rejestrowany przez obiektyw na sygnały elektryczne. Wraz z obiektywem i pamięcią należy do podstawowych elementów każdego aparatu cyfrowego. Najważniejsze parametry matrycy to jej rozmiar oraz liczba elementów światłoczułych, czyli pikseli. Oprócz tego matryce występują w różnych typach. Zdecydowanie najpopularniejsze są przetworniki CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor) i CCD (Charged Couple Device), jednak nie tylko do nich ogranicza się wybór klienta.

Rodzaje matryc

Obecnie na rynku występują cztery główne typy matryc: CMOS, CCD, Live MOS oraz Foveon X3. Oprócz nich są dostępne przetworniki BSI CMOS i Exmor R, będące rozwinięciami CMOS, oraz Super CCD EXR, bazująca na CCD. Matryca jest zbudowana z kryształu krzemu, a znajdujące się na niej pojedyncze piksele gromadzą różną ilość ładunków elektrycznych, co jest odzwierciedleniem natężenia światła. Każdy piksel mierzy ilość światła dla jednej ze składowych RGB. Aby stworzyć zdjęcie, wartości z pikseli muszą być odczytane. Każdy typ matrycy robi to nieco inaczej.

Zasada działania matrycy CCD i jej pochodnych

Matryca CCD dokonuje sekwencyjnego odczytu pikseli. Układy elektroniczne przenoszą ładunki, zaczynając od najniższego rzędu pikseli. Ładunki z każdego piksela są zmieniane na napięcie elektryczne, które przez przetwornik analogowo- cyfrowy jest zmieniane na liczbę. Każda liczba ma przyporządkowany numer, który określa położenie piksela na matrycy. Po odczycie wszystkich pikseli użytkownik otrzymuje obraz surowy, który może być oddany do dalszej obróbki.

Matryca Super CCD EXR została opracowana przez Fuji. Podstawowa różnica między nią a CCD to inne rozłożenie barw na filtrze kolorów podstawowych, jednak przy zachowaniu tych samych proporcji pikseli zielonych do niebieskich i czerwonych. Dwa piksele o tym samym kolorze zawsze są położone obok siebie, a piksele zielone są ułożone w ukośnych rzędach naprzemiennie. Takie ułożenie pikseli pozwala na uzyskanie dużej dynamiki i niskiego szumu oraz wysokiej rozdzielczości. Przetworniki Super CCD EXR są stosowane głównie w aparatach kompaktowych, ponieważ używane w nich matryce mają małe piksele, a umieszczenie obok siebie pikseli tego samego koloru pozwala na pomiar światła z obu.

Matryca CMOS i jej rozwinięcia

W matrycy CMOS zawartość każdego piksela może być odczytana w dowolnej kolejności i ma swój przetwornik ładunku na napięcie. Z uwagi na to część matrycy, na której są umieszczone przetworniki, nie jest światłoczuła. Część padającego na matrycę światła nie jest więc zamieniana na ładunki elektryczne.

Pochodną CMOS jest opracowana przez Sony matryca Exmor R. Wykorzystuje ona system tylnego podświetlania, który zmienia warstwy w taki sposób, że przewody nie blokują receptora. Większa ilość światła sprawia, że powstaje mniej szumów, co jest istotne zwłaszcza w wypadku fotografii przy słabym oświetleniu. Innym typem CMOS jest matryca BSI (back side illuminated) CMOS. W tego typu matrycy warstwa krzemu jest umieszczona bezpośrednio pod filtrem kolorów podstawowych. Pozwoliło to na osiągnięcie wyższej czułości sensora oraz mniejszych szumów. Największe matryce BSI CMOS mają rozmiar 1 cala.

Matryca Live MOS

Ten typ matrycy został opracowany przez Olympusa i Panasonika. Zastosowanie prostszych układów elektronicznych oraz cieńszej warstwy strukturalnej sensorów typu NMOS pozwoliło na uzyskanie większej powierzchni obszaru światłoczułego. Mechanizm transferu sygnału składa się z dwóch ścieżek, jak w sensorach CCD. Niskoszumowe wzmocnienie sygnału poprawia czułość sensora. Jakość obrazu dorównuje CCD, przy czym zużycie energii jest podobne jak w matrycach CMOS.

CCD i CMOS – wady oraz zalety

Pomiędzy CCD a CMOS występują znaczące różnice. Matryce CMOS z uwagi na możliwość odczytu w dowolnej kolejności różnej liczby pikseli działają szybciej niż CCD, które odczytują zawartość całej matrycy. To, że w najlepszych matrycach CMOS każdy piksel ma swój przetwornik analogowo-cyfrowy, przyspiesza obróbkę obrazu – w matrycach CCD jest tylko jeden taki przetwornik. Kolejną z zalet CMOS jest mniejsze zużycie mocy, przez co pozwalają na wykonanie większej liczby zdjęć. Matryce CCD zużywają więcej energii. W CMOS jest mniejszy współczynnik wypełnienia matrycy z uwagi na większą liczbę obwodów przetwarzających ładunek na napięcie. Obecnie matryce CMOS zostały dopracowane do tego stopnia, że szumy nawet przy dużych czułościach są niewielkie. W aparatach pełnoklatkowych użyteczne ISO może sięgać nawet wartości powyżej 10000. Dlatego też matryce CMOS są obecnie stosowane w większości aparatów kompaktowych oraz bezlusterkowcach i lustrzankach. Bastionem CCD pozostały tanie aparaty kompaktowe oraz cyfrowy średni format, który praktycznie nie jest używany do fotografi i reporterskiej. Stąd niepotrzebna jest duża szybkość,a znacznie istotniejsza jest dynamika tonalna, która jest lepsza w średnioformatowych przetwornikach CCD.

Matryca Foveon X3

Zarówno matryce CMOS, jak i CCD w jednym punkcie rejestrują natężenie jednego koloru podstawowego. Tradycyjny film w aparacie rejestruje natężenie trzech kolorów. Podobnie działa matryca Foveon X3, która ma trzy warstwy światłoczułe, z których każda rejestruje jeden kolor – niebieski, zielony lub czerwony. Wpadające przez obiektyw światło zatrzymuje się kolejno na każdej warstwie. W rzeczywistości matryca ma więc rozdzielczość 3 x n, gdzie „n” to maksymalna rozdzielczość fotografii. Zaletą tego typu matrycy jest mniejsza liczba artefaktów, brak efektu halo oraz bardziej nasycone i realistyczne kolory. Sensory Foveon X3 są stosowane niezwykle rzadko – obecnie jedynie w aparatach marki Sigma.

Proporcje matrycy i jej rozmiar

Standardowa klatka filmu fotograficznego małoobrazkowego ma proporcje 3:2 i do takich też proporcji są przyzwyczajeni klienci, od lat wywołujący odbitki m.in. w standardowym rozmiarze 15 × 10 cm. Używając jednak aparatu cyfrowego, zazwyczaj większość fotografii wykonują w najwyższej rozdzielczości, korzystając z całej powierzchni matrycy, co ma zapewnić najlepszą jakość obrazu. Jednak większość aparatów cyfrowych, zwłaszcza tych kompaktowych, ma matryce w o proporcjach 4:3. Jeśli zdjęcie zostanie wykonane w takiej proporcji, to aby dopasować je do rozmiaru odbitki 15 x 10 cm, należy je wykadrować. W innej sytuacji zdjęcie nie będzie zajmowało całej powierzchni wydruku lub zostanie ucięte. Aby uniknąć tego problemu, klient powinien wykonywać fotografie w rozdzielczości o proporcjach 3:2. Oczywiście są jeszcze inne proporcje obrazu, chociażby 16:9, popularna w telewizorach i innych wyświetlaczach.

Rozmiar matrycy ma bardzo duży wpływ na jakość uzyskanej fotografii oraz możliwości aparatu. W najlepszych i najbardziej zaawansowanych lustrzankach są stosowane matryce pełnoklatkowe o rozmiarze 36 × 24 mm, odpowiadające tradycyjnej klatce filmu małoobrazkowego. Zaraz za nimi plasują się sensory APS-C, używane w większości lustrzanek. Wymiar APS-C to ok. 1,5x mniej od klatki filmu 35 mm. Wszystkie te trzy typy matryc mają proporcję 3:2, co wynika z tego, że początkowo były stosowane w lustrzankach przeznaczonych dla zaawansowanych fotografów, miały więc odpowiadać tradycyjnemu filmowi. Z racji tego, że matryce pełnoklatkowe są niezwykle drogie w produkcji, standard APS uznano za odpowiedni kompromis dla mniej wymagających zaawansowanych fotografów. Konkurencją dla APS-C na rynku lustrzanek był opracowany przez Kodaka i Olympusa format cztery trzecie (4/3). Matryca jest prawie dwa razy mniejsza od pełnej klatki. Jak wskazuje nazwa, proporcje tego przetwornika to właśnie 4:3. Większość mniejszych matryc również ma proporcje 4:3. Matryce APS-C oraz 4/3 są stosowane w lustrzankach cyfrowych, kompaktach systemowych oraz zaawansowanych aparatach kompaktowych. W segmencie aparatów kompaktowych rozmiary matryc są różne. Najczęściej w bardziej zawansowanych kompaktach jest to 1/1,7 cala, a w podstawowych aparatach 1/2,3 cala. Również jest to proporcja 4:3. Co daje duża matryca? Piksele mają większy rozmiar, co zwiększa ich możliwość rejestracji światła. W związku z tym większa matryca będzie dawać mniej zaszumiony obraz o większym zakresie dynamicznym, co będzie widoczne zwłaszcza przy dużych czułościach. W dużych matrycach łatwiejsze jest uzyskanie szerokich kątów widzenia oraz można lepiej operować głębią ostrości. Jednak w małych matrycach łatwiej jest uzyskać większe przybliżenie, ponieważ potrzebują mniejszej ogniskowej niż duże matryce, aby otrzymać wąski kąt widzenia. Pozwala to na zmniejszenie rozmiarów optyki oraz pozostałych elementów aparatu. Dzięki temu aparaty z mniejszymi matrycami są małe oraz tańsze w produkcji.

Czułość i czas naświetlania

Czułość w aparatach cyfrowych jest określana jako ISO. Nazwa ta pochodzi od skrótu nazwy międzynarodowej federacji zajmującej się ustalaniem standardów – International Standard Organization. Czułości filmów wyrażone definicją ISO to 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400, 12 800. Każda następna liczba w szeregu jest dwa razy większa. W aparatach cyfrowych jest możliwość regulacji czułości matrycy. Ustawienie dużej czułości matrycy pozwala na znaczne skrócenie czasu naświetlania. Duże ISO ustawiamy więc wtedy, gdy warunki oświetleniowe są słabe i nie ma możliwości użycia statywu lub obiekt jest w ruchu. Duża wartość ISO sprawia, że na fotografii pojawiają się zauważalne szumy, za których likwidację odpowiadają algorytmy oraz techniki stosowane przez producentów sprzętu. Warto zwrócić uwagę, że aparat z większą matrycą będzie zazwyczaj mniej „szumiał” od tego z mniejszym przetwornikiem. W standardowych aparatach kompaktowych możliwość regulowania ISO jest niewielka. Zazwyczaj jest to zakres od 100 do 1600, przy czym maksymalna czułość ISO rzadko jest użyteczna z uwagi na duże szumy. W kompaktach systemowych, lustrzankach oraz profesjonalnych kompaktach standardem jest czułość na poziomie 6400. Co najważniejsze, jest to zazwyczaj wartość w pełni użyteczna. W profesjonalnych lustrzankach standardowa maksymalna wartość ISO to nawet 51 200, a można ją dodatkowo rozszerzyć do 204 800. Dzięki temu przy krótkim czasie naświetlania obraz można rejestrować w prawie kompletnych ciemnościach.

Wspomniany czas naświetlania, zwany również czasem ekspozycji, jest to czas, w jakim naświetlany jest materiał światłoczuły, w tym wypadku matryca aparatu cyfrowego. Długi czas naświetlania jest przydatny w warunkach słabego oświetlenia, pozwala wtedy przy małej wartości ISO dobrze utrwalić scenę, jednak tylko wtedy, gdy jest ona statyczna. Odwzorowanie obiektów będących w ruchu podczas długiego czasu naświetlania pozwala za to na osiągnięcie ciekawych efektów artystycznych. Czasem naświetlania, podobnie jak innymi parametrami, można operować ręcznie bądź zostawić to programom automatycznym. Ustawienie zbyt krótkiego czasu naświetlania sprawi, że zdjęcie będzie niedoświetlone, z kolei zbyt długi czas naświetlania w stosunku do oświetlenia może być przyczyną prześwietlenia zdjęcia. Przy długim czasie naświetlania zaleca się stosowanie statywów oraz samowyzwalacza, ponieważ nawet najmniejsze drgnięcie sprawi, że zdjęcie będzie nieostre. Współczesne aparaty cyfrowe oferują czas ekspozycji od 1/8000 s do nawet 30 s i tryb Bulb, w którym długość czasu naświetlania jest kontrolowana przez fotografa.

Stabilizacja matrycy

System stabilizacji obrazu jest przydatny podczas wykonywania tzw. zdjęć z ręki. Redukuje on minimalne drgania wykonywane przez dłoń fotografa. Bardzo popularna, zwłaszcza w tanich kompaktach, jest stabilizacja cyfrowa, której skuteczność jest mierna i zazwyczaj obniża jakość obrazu przez zwiększenie szumów. Inne rozwiązania to stabilizacja na poziomie obiektywu, stosowana w kompaktach oraz obiektywach, a także stabilizacja matrycy, stosowana w niektórych korpusach lustrzanek i kompaktów hybrydowych. Stabilizacja matrycy pozwala na wybór znacznie tańszych obiektywów, pozbawionych stabilizacji. W porównaniu do stabilizacji cyfrowej znacznie lepiej radzi sobie też z redukcją drgań. Po prostu po wykryciu poruszenia aparatu już w chwili zapisywania zdjęcia matryca jest przesuwana. System ten może nie jest tak doskonały jak stabilizacja optyczna (o niej piszemy w rozdziale dotyczącym optyki), jednak stanowi świetny kompromis między nią a cyfrową.

Czyszczenie matrycy

Aparaty z wymiennymi obiektywami są narażone na zanieczyszczenia matrycy. Wystarczy odpiąć obiektyw oraz spojrzeć na matrycę i wyobrazić sobie, że na tak niewielkiej powierzchni zostało umieszczonych np. 20 milionów pikseli. Daje to niejakie pojęcie na temat tego, jak precyzyjnie wykonany jest ten element. Problem czyszczenia matrycy z pewnością dotknie każdego użytkownika aparatu z wymienną optyką. Dlatego klientom warto polecać modele wyposażone standardowo w funkcję czyszczenia matrycy. Pozwala to na usunięcie drobin kurzu i zabrudzeń. Niektóre aparaty są wyposażone w funkcję czyszczenia matrycy, która pozwala na usuwanie niewielkich zabrudzeń. Oczywiście, jeśli aparat nie ma takiego systemu, klient może wyczyścić matrycę sam. Jednak nie polecamy tego rozwiązania. Możliwość uszkodzenia przetwornika sprawia, że lepiej oddać urządzenie do autoryzowanego serwisu – koszt będzie na pewno wielokrotnie mniejszy niż ewentualnej naprawy.

Filtr dolnoprzepustowy

Jednym z wielu elementów aparatu jest filtr dolnoprzepustowy, znajdujący się bezpośrednio przed matrycą. Inaczej nazywany jest również filtrem antyaliasingowym. Działa on na zasadzie odcięcia informacji zawartych w wysokich częstotliwościach obrazu. Dzięki temu ogranicza występowanie przekłamań barw oraz efektu mory. Ten drugi często jest widoczny na fotografiach, na których występują powtarzalne i regularne wzory, np. na tkaninach. Warto jednak zauważyć, że tego typu wzory nie występują np. w fotografii krajobrazowej. W związku w tym producenci często oferują również wersję aparatu bez filtra dolnoprzepustowego. Skutkuje to zwiększeniem ostrości fotografowanego obrazu. Dodatkowo ciągły rozwój matryc aparatów sprawia, że sam efekt mory i przekłamania barw występują coraz rzadziej.

Procesor obrazu

Obok optyki i matrycy procesor obrazu jest trzecim elementem, który wpływa na jakość fotografii (nie licząc oczywiście elementu czwartego – fotografa). Najbardziej zauważalną wadą zastosowania słabego procesora obrazu jest długi czas przetwarzania, co spowalnia działanie aparatu. Nie dość, że bywa to irytujące, to jeszcze może oznaczać utratę świetnego ujęcia. Zastosowanie wydajnego procesora pozwala na szybkie wykonywanie zdjęć seryjnych, ponieważ szybszy procesor sprawniej radzi sobie z obróbką dużej ilości danych. Jest to istotne zwłaszcza w lustrzankach i kompaktach systemowych, które robiąc zdjęcia wysokiej rozdzielczości w formacie RAW, dostarczają ogromne ilości danych do przetworzenia. Oprócz tego pomaga on uzyskać właściwą kolorystkę zdjęcia i likwiduje szumy obrazu. Dobry procesor obrazu umie również prawidłowo rozpoznawać krawędzie, dzięki czemu na zdjęciu są odwzorowane bez nadmiernego wyostrzenia.