Fotografie  bez  chemie

( teze )

Obsah:

1) PROČ ?        - úvaha nad tím, proč asi vznikla digitální fotografie ( DF ) , její nevýhody    
                                 a  naopak výhody ve srovnání s klasickou analogovou fotografií

2) HISTORIE   fotografie analogové a digitální

3) JAK ?           - jakým způsobem získáme z analogového obrazu digitální

4) OBRAZ        - jakými metodami a čím je zaznamenán obraz

5) BARVA        - jak dostat informaci o barvě

6) ZÁZNAM     - jak probíhá záznam obrazu

7) UCHOVÁNÍ OBRAZU    - na jakých mediích

8) ČÍM ?            - přístroje pro DF

9) PREZENTACE  digitalizovaného obrazu  

1) PROČ

Na  otázku  PROČ ? může být velice dlouhá, nebo naopak velice krátká odpověď.  Nejlepší bude uvést nevýhody a naopak výhody DF oproti klasické analogové fotografii a obrázek ať si každý udělá sám.

a)	Proti DF:
 
-    hlavně v amatérské třídě je kvalita DF zatím horší než klasické
-	digitální fotoaparáty jsou drahé
-	fotolaby v krátkém čase produkují levné snímky
-	problematika dostat snímky do hmatatelné podoby
-	digitály jsou “ línější” 
-	energetická náročnost
-	problematika rychlého vývoje, koupit či ještě počkat

b)	Pro DF:

-	rychlost získání snímku
-	okamžitá možnost zpracování do novin, časopisů, www stránky,
reklama , VĚDECKÁ FOTOGRAFIE, …
-	možnost poslat e-mailem
-	snadná úprava obrazovými editory
-	po sejmutí lze snímek ihned prohlížet
-	kopírování a ukládání beze ztráty kvality
-	ekologické hledisko
-	jednoduchá archivace
a množství dalších výhod

     

2) STRUČNÁ  HISTORIE   FOTOGRAFIE

Klasická analogová fotogtrafie:

a)  Joseph Nicéphore  NIEPCE   ( 1765 – 1833 )

     první pokusy  1802
     první snímek  1822      kopie
1826	první skutečná fotografie :  “ Pohled oknem na dvůr”
     ( cínová deska pokrytá asfaltem)

b)  Louis Jagues Mandé  DAGUERRE   ( 1787 – 1851 )

     od r. 1831 první pokusy se stříbrnou deskou a parami jódu
1835	první úspěchy
1836	ustalování v NaCl
     spojení s ARAGEM a ten již  7.1.1839 o vynálezu hovoří ve
     Francouzké akademii a 19.8.1839 na slavnostním zasedání
     AV  vynález fotografie veřejně vyhlášen
     ( postříbřená měděná deska zcitlivěná parami parami jódu, po expozici vyvolaná
         v parách rtuťi, malá odolnost proti poškození, nízká citlivost)

c)	William Henry Fox TALBOT  ( 1800 – 1877 )

kolem roku 1835 objevil skutečnou fotografii ( proces negativ-
-positiv )
oficiálně vyhlášeno  10.6.1841 – k a l o t y p i e            

d)	1861 – James  Clerk  MAXWELL – první barevná fotografie

e)  1934 -  kinofilm   ( Leica )

f)   1944  ( 1941 )   Dr. Edwin  LAND,  “ okamžitá fotografie”

Digitální fotografie:

-	První kamera na statické snímky r. 1981 – Sony  MAVICA

-	První opravdová digitální kamera DigiCam  firmy Dycam na
CeBit 1991      ( rozlišení  376 x 240  bodů )

-   Fotokina 1992 náhlý rozmach,   mnoho světových firem předvedlo     
     své výrobky

-	U nás nastal obrovský rozmach v rámci INVEXu 1996

3)  JAK  PRACUJÍ ?

Fotochemický proces zpracování analogové obrazové informace je nahrazen procesem fotoelektrickým s následnou rasterizací.

Rasterizace převede analogový obraz na digitální.

Má dvě fáze:             -   vzorkování
                                   
                                      -   kvantizaci    

Vzorkování je v podstatě  prováděno ploškovou strukturou          snímacího prvku, na jehož velikosti záleží, jak velká část analogového obrazu bude zpracována na jednu konkrétní jasovou informaci.

Kvantizace probíhá v A/D převodníku, který přiřadí napěťové úrovni konkrétního obrazového vzorku diskrétní digitální hodnotu.

4) OBRAZ

Místo filmu je v digitální kameře fotoelektrický obrazový snímač.
Tyto jsou  buď na bázi  prvků CCD, nebo CMOS.

Světlocitlivý snímač převádí dopadající světlo na elektrický náboj, ten je měřen a do digitální podoby převeden přes A/D převodník.

Tvary snímačů:     -  lineární
                              -  plošné   ( čipy )

Pixel  -  obrazový element

Rozlišovací schopnost obrazových snímačů  závisí na jejich množství a velikosti.  ( viz tabulky )
Současný běžný  rozměr obrazové buňky je asi   4,5 x 4,5 mikrometru.
Firma Sony má již snímač CCD, kde rozteč jednotlivých obrazových buněk je 2,7 mikrometru.

Citlivost snímacích prvků je omezena, zdola šumem, shora nasycením (Blooming). Maximální hodnotu náboje A/D převodníkem rozdělíme obvykle do 256 úrovní  ( 8mi bitový záznam )  kvantizací.
U kvalitnějších zařízení však lze pracovat i s 10ti, 12ti ba i 16ti bitovou hloubkou barvy na jeden barevný kanál.

Tabulka průměru Airyho disku v závislosti na clonovém čísle:

Clonové číslo:                  Průměr Airyho disku  v mikrometrech:
          1,4                                                  1,9
          2,8                                                  3,76
          5,6                                                  7,5
8	10,7
11	14,8
22	29,5

(platí pro vlnovou délku světla 550 nm)

Konstrukční provedení CCD snímacích prvků:

-	prokládané
                        zpracovávají obraz řádkově, jako v televizi po lichých
                        a sudých řádcích
                        Výhody:      jsou levné
                        Nevýhody : složitější konstrukce obrazu, je nutno jej
                                            skládat, nebo vypustit polovinu hodnot,
                                            vyžadují mechanickou závěrku

-	progresivní
                       zpracovávají obraz najednou, nevyžadují závěrku

SUPER  CCD -  firma FUJI 

                       prvky jsou osmihranné, opatřené mikročočkami
                       upořádání v diagonálách

Nově představila firma Fujifilm snímací prvky čtvrté generace a to:
Super CCD HR  (High Resolution) ,  
a konstrukční novinku  Super CCD SR  (Super Dynamic Range), který má umístěny dvě fotodiody do jedné obrazové buňky.

Snímače  CMOS
                              vyráběné stejnými postupy jako běžné procesory,
                               tedy levně, jsou ale zatím méně citlivé
    dělí se na :
                          pasívní ( PPS )
                          aktivní  ( APS )  - buňky doplněny analytickým 
                                                        obvodem, eliminujícím šum           

S úplnou novinkou přišla firma FOVEON, která představila snímací prvek CMOS  Foveon X3, ve kterém jsou tři obrazové elementy pro snímání ve třech barvách umístěny nad sebou. Využívá se vlastnosti křemíku, do něhož proniká červené světlo nejhlouběji a modré nejméně. Tento prvek má i jiné, zatím nikým nepoužité vlastnosti a jestli jsou publikované snímky pravé, mohl by to být převrat ve snímací technice.

Formáty CCD senzorů

Průměr senzoru  “        Rozměr   mm         Úhlopříčka  mm        Plocha  mm2 

          4/3                           17,8 x 13,4                      22,3                      238,5
            1                            9,6 x 12,8                        16                         122,9
          2/3                           6,6 x 8,8                          11                           58
          1/1,7                        7,5 x 5,6                          9,4                          42
          1/2                           4,8 x 6,4                            8                           30,7
          1/2,7                        3,96 x 5,28                        6,6                        20,7
          1/3                           3,6 x 4,8                             6                          17,3
          1/4                           2,4 x 3,2                             4                          7,7

Obrazové rozlišení

Formát                              Rozměr v pixelech                                  Celkový počet pixelů

QVGA                                   320 x 240                                                   76 800
VGA                                      640 x 480                                                 307 200
SVGA                                    800 x 600                                                 480 000
Mac                                       832 x 624                                                  519 168
XGA                                    1024 x 768                                                  786 432
SXGA                                  1280 x 1024                                             1 310 720   
UXGA                                 1600 x 1200                                             2 048 000
QXGA                                 2048 x 1536                                             3 145 728
Video PAL                             720 x 576                                                  414 720
Video NTSC                           768 x 484                                                  317 712

5) BARVA

Barevné modely  ( prostory ) v digitální fotografii:

RGB     “ model  monitoru” ,    aditivní
                                                                        Rred         červená
                                                                        Green       zelená
                                                                        Blue         modrá

CMY    “ model tiskárny “   ,    subtraktivní
                                                                        Cyan        azurová
                                                                        Magenta  purpurová
                                                                        Yellow    žlutá  
CMYK                                                             blacK     černá

L*a*b* “ model pro transformace, editory …”

                                          L*    jasová složka
                                          a *   přechod   od R do G
                                          b *   přechod   od Y do B   

Pro snazší práci při barevné editaci se zavádějí i jiné barevné modely jako:   HSB  ( HSV ) ,   HLS  aj.

Zobrazení barevného prostoru RGB :

 

Sečtením dvou barev modelu RGB dostaneme některou barvu
modelu CMY. Sečtením všech tří barev RGB dostaneme bílou.
Sečtením dvou barev modelu CMY dostaneme některou barvu
modelu RGB, sečtením všech tří barev CMY dostaneme černou, 
ale při tisku není kvalitní, proto je tento model v praxi doplněn o
čistou černou barvu.

Barevná hloubka

vyjadřuje, kolik barevných odstínů bylo zaznamenáno, či kolik jich lze zobrazit. Určuje, kolik bitů je použito pro záznam v jednom barevném kanále.

Barevná                Počet stupňů                  Celkový počet barev
hloubka                základní barvy               
( bitů )                                                          jeden kanál

    1                               2                               Č/B
   4                               16                              šedá
   8                              256                             šedá ( Grayscale ) 

                                                                     tři kanály

   8                              256                           16,78 . 106 (Truecolor )
  10                          1 024                             1,07 . 109
  12                          4 096                           68,7  . 109
  14                       16  384                             4,4  . 1012

Obvykle se pracuje s barvami Truecolor.
Oko  -  několik tisíc  až stovek tisíc odstínů barev     ( ? )
Tiskárny – Truecolor
Skenery někdy 12 bitů/barvu, ale transformace do Truecolor

6) ZÁZNAM

V závislosti na použitém typu snímače probíhá i vlastní záznam obrazové informace, tzn. záznam o jasu a barvě jednotlivých obrazových bodů, pixelů.

Snímač:    -   lineární      - jednořádkový
                                        - třířádkový

                 -   plošný

Záznam  Č/B nebo  Grayscale  obrazu:

Kamera typu skener  -   snímač lineární jednořádkový     
Čipová kamera
Zaznamenána je informace o jasové složce každého pixelu, následuje kvantizace a uložení do paměti.

Záznam barevného obrazu:

a)	        lineární snímač

    a1)    lineární snímač jednořádkový 
                          postup je třiprůchodový, pro každý barevný kanál
                
                         ( postupně jsou předřazována filtry R,G,B a krokovým motorkem 
                                    proskenována celá plocha obrazu, krok je roven velikostí pixelu,
                                    kažbý obrazový bod je sejmut 3x ) 
    a2)    lineární snímač třířádkový
                          postup je jednoprůchodový, společně pro 3 kanály
                     
                        ( před každým řádkem je filtr jiné základní barvy, skenování je stejné
                                  jako v předešlém případě ) 

             V obou těchto případech je možno zaznamenat pouze
             statické   scény!

b)	plošný snímač

      b1)         jednočipová kamera

           b11)  metoda tří postupných záznamů

                         ( záznam je proveden postupně pro tři základní barvy předřazením
                                    příslušných R,G,B filtrů)

                             Možno zaznamenat pouze statické scény!

          b12)   použití mozaikového filtru     - nejčastější metoda

                         ( Před každým jednotlivým pixelem je umístěn filtr základní nebo
                                    i doplňkové barvy, a uspořádání této mozaiky je takové, aby bylo        
                                    možno získat  maximum informací o barvě obrazu. Preferována 
                                    bývá zelená barva. Plyne z toho, že jasové rozlišení je větší než
                                    barevné a různé firmy řeší tento problém různými početními
                                    transformacemi tak, aby  informace o barvě byla pokud možno
                                    věrná .) 

    
      b2)            tříčipová kamera

                        ( Za objektivem kamery je svazek světla barevným děličem rozdě-
                                  len pomocí hranolů a filtrů tak, že na každý snímač dopadá světlo
                                  jiné základní barvy. V tomto případě je jasové a barevné rozlišení
                                  stejné, kvalita obrazu je maximální.
                                  Řešení je nákladné a proto se používá pouze u profesionálních
                                  kamer.)

7) UCHOVÁNÍ  OBRAZU

     Obrazovou digitalizovanou informaci je nutno nějakým způsobem po záznamu uchovat. Používají se v podstatě tří způsoby:
-	interní Flash paměť kamery         - malá kapacita
-	vyjímatelné paměťové karty
-	pevný disk počítače

V prvním případě je nevýhodou omezená kapacita těchto pamětí. Po jejím naplnění je nutno
přehrát data do počítače, což je v exteriéru značně nepraktické.
Pevný disk počítače využívají profesionální ateliérové kamery, u nichž obrazové soubory jsou tak velké, že se na žádné jiné paměťové médium nevejdou. 
Nejoptimálnější řešení exteriérových kamer jsou vyjímatelné paměťové karty.

Celosvětově nedošlo ke sjednocení, jako třeba u 3,5” disket, ale na trhu se vyskytuje několik různých typů.
Karty se mimo rozměry a způsob komunikace liší hlavně svojí kapacitou  paměti. To je snad pro uživatele nejdůležitější údaj.

Nejužívanější typy paměťových karet:

1)  PCMCIA    ( PC kard )     ( všechny typy mají společný 68pinový konektor )

            Typ I      - 85,6 x 54 x 3,3    mm
          Typ II     - 85,6 x 54 x 5       mm
          Typ III    - 85,6 x 54 x 10,5  mm  ( miniaturní rotační disk 1,8” 
                                                                                      s kapacitou až  1 GB  )

2)  Compact Flash    ( CF )

           Typ I     - 43 x 36 x  3,3   mm
           Typ II    - 43 x 36 x 5       mm
                                
               ( Kapacita až 640 MB ,  přes adaptér jsou použitelné i ve slotu pro PC kard )

        Standardu CF vyhovuje i Microdrive IBM s kapacitou  1 GB

3)  Smart Media Card      ( SSFDC )

     45 x 37 x  0,76    mm     ,   kapacita  256 MB  ( možná dnes i větší )

       Jsou pro ně adaptéry pro 3,5” diskety  !!!   ( Olympus )

4)  Memory Stick           ( Sony  )

       51 x 22 x 3   mm   ,      kapacita  až  128 MB
Malá kapacita byla na závadu a tak firma Sony přišla s novinkou, že v tělese stejných rozměrů jsou dva 128 MB čipy a mechanickým přepínačem se volí na který se bude provádět zápis.

Úplná novinka je karta  MemoryStick PRO u níž je výhledově předpokládaná kapacita 32 GB! Tato karta má i mnoho jiných novinek jako ochranu dat, vysokou rychlost zápisu a čtení apod.

5)  Firma  Sony používala v prvních přístrojích Mavica i 3,5” diskety.

     Nyní představila ve své novince  Mavica MVD-CD 1000 nové
     řešení -  do přístroje zabudovala vypalovačku CD  disků 8 cm
     s kapacitou  156 MB !!!

6) SecureCard  (SD)
     poměrně nová karta vyvinutá ze starších MMC (MultiMediaCard)         
     Má malé rozměry, pouze 32x24x2,1 mm a kapacitu až 512 MB.

7)	xD PictureCard  
     je novinka od firem Fujifilm, Olympus a Toshiba. Má malé rozměry pouze 20x25x1,7 mm a předpokládá se kapacita až 8 GB.

   

       

Snímky se ukládají do paměti v různých  formátech, komprimované, či bez komprimace.

Formáty charakterizují způsob uložení digitálních snímků.

Komprimace může být bezestrátová nebo ztrátová.

Bezstrátová komprese využívá  algoritmu LZW  ( Lempel-Ziv-Welch ) a je použita u formátů TIFF a GIF.
Ztrátová komprese používá tzv. cosinovou transformaci, komprimace probíhá po blocích pixelů. V mnoha případech je možno volit stupeň komprese, jako u formátu JPEG.

Nejčastěji  používané formáty v digitální fotografii jsou :

- JPEG     ( Joint Photographic Experts Group )
                 
                             - nejčastěji používaný  
                      - používá ztrátovou kompresi různého stupně
                      - podporuje 24 bitovou barevnou hloubku

                      - pro web je možno používat  progresívní JEPG, který umožňuje
                         zobrazit celý obrázek najednou s postupným zjemňováním struktury

-  BMP      nekomprimovaný windowsovský bitmapový formát

- TIFF       ( Tag Image File Format )

                    - bez komprese    lepší než BMP
-	                    - s bezstrátovou LZW kompresí 
-	                    - podporuje 24 bitovou barevnou               
-	                       - vhodný pro uchování obrazové informace před  dalším
-	                      zpracováním

- GIF        ( Graphics Interchange Format )

                   - webovský formát   
                   - zvládá pouze 256 barev
                   - umožňuje animace
                   - využívá LZW kompresi 

                      Dvě verze:            GIF 87a
                                                 GIF 89a  ( má jednu originální vlastnost, lze jednu  
                                                                             barvu zvolit jako průhlednou )

-  PNG     ( Portable Network Graphics )           je to novější GIF

-  RAW     kvalitnější fotoaparáty pracují i s formátem RAW, to není skutečný grafický formát, ale pouze záznam naměřených hodnot v jistém uspořádání.

Některé DF používají svůj vlastní formát, ale umožňují transport do jiných, běžně zavedených formátů.

8)	ČÍM  ?

DF můžeme rozdělit podle použité metody snímání na:

a)	skenery
b)	jednočipové kamery
c)	tříčipové kamery

nebo podle použití na :

a)	amatétské přístroje
b)	profesionální přístroje  “exteriérové”
c)	profesionální přístroje  ateliérové     ( velkoformátové )
Někdy se hovoří o poloprofesionálních přístrojích, ale tuto skupinu lze začlenit buď do skupiny a) nebo b).

V jednotlivých skupinách se přístroje liší kvalitou, ale i cenou. Cena někdy
určuje zařazení do kategorie.

Kdo přístroje vyrábí ?                          Všichni!

Které parametry sledujeme ?  Je toho hodně, viz test přístrojů !

Nejdůležitějším kritériem je rozlišovací schopnost, daná celkovým počtem pixelů.
Někdy je toto číslo zavádějící, protože firmy neudávají počet skutečných, “optických” pixelů, ale počet vypočtených, interpolovaných, vyšší než skutečný.

Mnohé přístroje umožňují mimo vlastní záznam obrazové statické informace i snímat krátké videoklipy, případně pořizovat mluvený komentář. Často je také možné sekvenční snímání.

Ateliérové velkoformátové přístroje jsou převážně konstruovány jako přídavné zadní stěny ke stávajícím přístrojům. Pracují jako skenery i čipové přístroje, ale jsou mnohem dokonalejčí. I proncipy vlastního snímání jsou jiné, zdokonalené.

9)	PREZENTACE

-	první prohlížení a selekce  - LCD displej

-	běžný televizní přijímač

-	přehrání do PC a prohlížení na monitoru

-	převedení do obrazového editoru, úprava, tisk

-	přímý tisk bez použití PC,   termosublimační tiskárny

-	prezentace na Internetu

-	vypálení na CD R, CD RW resp. DVD

10)	ZÁVĚR

Pomalu nastupuje doba, kdy přestane platit, hlavně v amatérské 
fotografii, že klasická analogová fotografie poskytuje více obrazové 
informace než fotografie digitální.