1.1. A digitális képalkotás alapelvei és eszközei

Célkitűzés:

Követelmények:

Tanulási idő: 90 perc

Bevezetés

Fontos!

A digitális jelfeldolgozás folyamata három szakaszra bontható (1.1.1. ábra): érzékelés, elektronikus jellé alakítás, digitalizálás, tárolás.

Az érzékelő feladata a beérkező fény vagy hang elektronikus jelekké alakítása. Az ADC (Analog-Digital Converter) egy analóg-digitális átalakító, amely a számítógéppel való kapcsolat érdekében az analóg elektronikus jeleket digitálisakká alakítja át.

Definíció

A digitális jelfeldolgozás (Digital Signal Processing) vagy más szóval digitalizálás az a folyamat, amikor egy fizikai mennyiséget valamilyen módon számítógéppel feldolgozhatóvá teszünk.

Fontos!

A digitalizálás alapvetően két részből áll, mintavételezésből és kvantálásból.

Ezt egészítheti ki a digitális képek, hangok vagy videók tömörítése. Végül a digitális jelfeldolgozás harmadik szakasza a digitális adatok állományként való tárolása valamilyen háttértárban.

A digitális jelfeldolgozás folyamata
A digitális jelfeldolgozás folyamata

A következő fejezetekben e három részfolyamatot, illetve a hozzájuk tartozó eszközök felépítését, működését, típusait és jellemzőit tekintjük át, attól függően, hogy digitális fényképezésről, digitális videokészítésről, szkennelésről, vagy pedig digitális hangrögzítésről van-e szó.

1.1.1. A digitális képalkotás módszerei I. A CCD felépítése és működése

Fontos!

A CCD (Charge-coupled Device, vagyis töltés-csatolt eszköz) egy analóg jelek továbbítására szolgáló chip (félvezető lapka). Egy fényérzékeny alkatrésszel, a fotodiódával kombinálva a fényt elektronikus jellé alakítja át.

Ezeket a CCD-ket széles körben használják a digitális fényképezőgépekben, a videokamerákban és a szkennerekben is.

Willard Boyle és George Smith 1969-ben ismerték fel először, hogy hogyan állíthatnak elő szilícium alapú félvezetőből fényérzékelő elektródát. Az elektróda anyagául szolgáló szilícium kristály fontos tulajdonsága, hogy vegyérték elektronjai nemcsak hőenergia, hanem megfelelő hullámhosszú fénysugárzás hatására is szabaddá válhatnak (fényelektromos hatás, fotoeffektus hatására létrejövő fotoelektronok, 1.1.2. ábra).

Definíció

A fény hatására kilépő töltések mennyisége egyenesen arányos a besugárzással, az expozícióval.

Újításuk lényege az volt, hogy a szilícium kristály vékony rétegeit úgy szennyezték, hogy a keletkező töltések egyhelyben maradjanak. A töltéscsomagok e tárolási elvét megvalósító eszközt MOS kondenzátornak (Metal-Oxide Semiconductor) nevezték.

Fontos!

A 1.1.3. ábra tanúsága szerint az expozíció hatására keletkező szabad fotoelektronok a potenciálvölgyben tárolódnak. Az itt keletkezett töltéscsomagot a kétoldali potenciál gát tartja egy helyben, melyek létrehozásához további két, ellentétes polaritású elektródára van szükség. E három MOS kondenzátor alkot egy pixelt (picture element, elemi képpont).

Fotoeffektus
Fotoeffektus

Fontos!

A MOS tárolóegységekből, kondenzátorokból és a hozzájuk kapcsolódó töltésléptető elektródákból helyezünk el több darabot mátrixszerűen egymás mellé és alá egy síkra. Ha így mozaikszerűen "kitöltünk" egy négyzet (esetleg téglalap) alakú szilíciumlapkát, és hozzákapcsolunk egy kiolvasó áramkört, akkor megkapjuk a CCD chipet.

Egy oszlopon belül a pixelek nincsenek egymástól ténylegesen elszigetelve, viszont az egyes oszlopok egymástól szilícium-dioxid réteggel igen, hiszen e nélkül lehetetlen lenne a töltésléptetés. Éppen ezért egy oszlopon belül az egymás alatti pixeleket elektromos tér segítségével választják el egymástól.

Ahhoz, hogy a CCD-k működését megértsük, még egy műveletet feltétlenül meg kell említenünk, ez pedig a töltésléptetés.

Fontos!

A töltésléptetésre azért van szükség, hogy a töltéscsomagokat a kiolvasó regisztereken keresztül a kimeneti erősítőhöz juttathassuk el.

Mint azt a 1.1.4. ábra mutatja, az egyes elektródák feszültségeinek megfelelő változtatásával el lehet érni a töltések mozgását. A feszültség változásának mintázatát a háromfázisú órajel szolgáltatja.

Fontos!

A kiolvasás után az egyes pixelekhez tartozó töltéscsomagok analóg jellé állnak össze, azaz folytonosak.

A töltésléptetés folyamata
A töltésléptetés folyamata

Fontos!

Miután a kiolvasó regiszter kiürült, jöhet a következő sorléptetés. A közben eltelt idő alatt azonban a még ki nem olvasott sorok továbbra is fényt kapnak, de már nem ugyanazon a helyen. Ennek elkerülésére érdekében a CCD chipek egy jelentős részét dupla mozaikfelülettel látják el, vagy pedig mechanikus zárszerkezetet építenek a kamerába.

Az előbbi megoldásnál az érzékelő felület egyik részét egy alumínium-maszkkal takarják el, és egy fénytől védett tárolóra léptetik a töltéscsomagokat (frame transfer). Mivel a sorokat egyszerre lehet léptetni, ezért ez viszonylag rövid időt vesz igénybe, majd ezt követően történhet a kiolvasás. Egy x sorból és y oszlopból álló CCD chip esetében, ha egy léptetés „t” időt vesz igénybe, akkor a teljes kiolvasás x*y*t ideig tart, viszont tároló alkalmazásával csak x*t ideig.

Fontos!

A kép későbbi összeállítása szempontjából fontos, hogy tudjuk, melyik töltéscsomag, melyik pixelhez tartozik. Ennek koordinálása a vezérlő elektronika feladata. A fent leírt chip neve Full-Frame Transfer (FFT) CCD.

Ilyen van beépítve a Canon 1D-be, vagy pedig az Olympus E1-be.

Gyakran a sebesség növelése érdekében több kiolvasó regisztert is alkalmaznak. Azonban az ilyen, úgynevezett Frame Transfer CCD chipeknél nincs lehetőség elektronikus zár alkalmazására.

Fontos!

Egy másik, elterjedt chip az úgynevezett interline CCD. A Full-Frame Transfer CCD nem tud addig újabb képet készíteni, amíg a kiolvasás véget nem ért, addig ennél a típusnál a folyamatos képkészítés biztosított.

Ez egy tükörreflexes, élőkép nélküli gépnél még nem jelent különösebb problémát, de mi van akkor, ha folyamatos képet szeretnénk látni, mint például egy kompakt fényképezőgépnél, nem is beszélve a videokamerákról.

Fontos!

Az interline CCD esetében szétválasztották a fény érzékelésének és a kapott töltéskép kiolvasásának folyamatát. Ezt fizikailag úgy oldották meg, hogy a pixelek közé árnyékoló maszkkal ellátott, fényre nem érzékeny regisztereket építettek be. Az exponálás végén a fényérzékeny területről e regiszterekbe kerül át az információ, így a fényérzékelő már készen is áll a következő kép elkészítésére. Amíg a következő kép készül, a regiszterekből a Full-frame Transfer CCD-nél bemutatott módon zajlik a kiolvasás.

Az eljárás hátránya, hogy a fényre nem érzékeny regiszterek a hasznos felületből vesznek el területet, így akár felére is csökkenhet a hasznos fényérzékelő felület. A pixel méretének csökkenésével kisebb felületen tudjuk rögzíteni a fotonokat, vagyis csökken az érzékenység (mikrolencsék alkalmazásával csökkenthető a fényveszteség), illetve csökken a rögzíthető fotonok száma, azaz csökken a dinamika.

Ha az érzékelők monokromatikusak lennének, akkor velük csak szürkeárnyalatos képet lehetne készíteni. A színes képek készítéséhez Bayer-féle színszűrőkre van szükség. Az elvet 1976-ban fejlesztették ki a Kodak laboratóriumaiban.

Fontos!

Minden pixel előtt van valamilyen színszűrő (CFA – Color Filter Array), viszont azt a gép egy előre megadott minta alapján dönti el, hogy melyik pixel elé milyen színű színszűrő kerül. Mivel az emberi szem a zöld színre a legérzékenyebb, ezért a színszűrők elrendezése általában zöld-piros-zöld-kék (GRGB), vagy piros-zöld-zöld-kék (RGGB). A De-Bayer-féle interpoláció (demozaik eljárás) során ezen alapszínekből kerül kiszámításra egy adott pixel tényleges színe.

A színszűrőknek más típusai is léteznek még. A Sony például kék-zöld-piros-smaragdzöld összeállítást használt bizonyos gépeinél. A Foveon cég X3 típusú érzékelője viszont teljesen eltér az előzőektől, ugyanis a három alapszín egymás alatti érzékelő-rétegeken helyezkedik el, így nincs szükség interpolációra. E felépítés jó hatással van a képélességre, különösen a monokromatikus fényben történő fotózásnál. Hátránya viszont, hogy az egymás alatt levő érzékelő-rétegekbe nem azonos intenzitású fény jut, így a mélyebben levő rétegek nagyobb erősítést igényelnek, ami viszont a képzaj növekedését eredményezi.

A Bayer-féle színszűrő működése és felépítése
A Bayer-féle színszűrő működése és felépítése

Meg kell említeni még a Fuji által létrehozott SuperCCD-t is. A 2003 elején piacra dobott HR és SR alkotói abból indult ki, hogy a CCD-n található egymás melletti fényérzékelők túl nagy távolságra helyezkednek el egymástól. Ha ezt a távolságot sikerülne csökkenteni, akkor nagyobb felbontás is elérhetővé válna.

Fontos!

A SuperCCD esetében az érzékelőket 45°-kal elforgatták és a négyzetes kialakításúakat nyolcszögletesekre cserélték fel (1.1.6. ábra). A soronként fél pixel eltolással elhelyezett érzékelők ez által közelebb kerültek egymáshoz, mint négyzetes felépítés esetén.

A SuperCCD felépítése
A SuperCCD felépítése

A SuperCCD előnye, hogy a nyolcszögletes kialakításnak köszönhetően az elemi képpontok nagyobb méretűek lesznek, melynek következtében az alapérzékenység ISO 100-ról ISO 125-re, illetve 160-ra növekszik.

A nagyobb pixelméret nagyobb lapkaméretet is eredményez, ami kisebb mélységélességet eredményez. A nagy lapkaméretnek természetesen hátrányai is vannak, a nagy fogyasztás, a melegedés és a zajosság. A fél képpontnyi eltolódás problémát okozott a vízszintes és a függőleges kontúr leképezésénél (recés kontúr), amit a későbbiek során sikerült korrigálni.

Érdekessége a Fuji-féle SuperCCD-nek, hogy dupla akkora felbontásúra interpolált képeket ad a felhasználónak, mint ahány képérzékelő valójában van a CCD-ben. Az interpoláció azonban nem visz többletinformációt a képbe, csupán a rendelékezésre álló adatokból próbálja meg „kitalálni” a hiányzó képpontok színét és fényerősségét.

1.1.2. A digitális képalkotás módszerei II. A CMOS felépítése és működése

Mint azt a CCD leírásánál láttuk, az érzékelők működése is a MOS technológiára épül. Akkor mi az azonos, és mi a különbség a két szenzor közt?

Fontos!

Mind a CCD-nél, mind pedig a CMOS-nál a fény érzékelése a fényelektromos hatáson (fotoeffektuson) alapul. A különbség pedig annyi, hogy amíg a CCD-nél a név utal a működési elvre is, addig a CMOS-nál a megnevezés csak és kizárólag a gyártástechnológiát jelöli.

A CCD kamera működési elve
A CCD kamera működési elve

A CMOS kamera működési elve
A CMOS kamera működési elve

Fontos!

A ma használatos CMOS szenzorok úgynevezett Aktív Pixel Fényérzékelő (APS – Active Pixel Sensor) felépítést használnak.

Ezt először az Olympus cég fejlesztett ki 1993-ban. Korábban is léteztek már CMOS technológiára épülő szenzorok. 1968-tól lehet velük számolni, azonban a nagy különbség az, hogy azok passzív érzékelők voltak, és a számítástechnika legkülönbözőbb területein használták őket.

Fontos!

Az APS feladata ugyan az, mint a CCD-é, vagyis a lencserendszeren keresztül a külvilágból érkező fény elektromos jelekké alakítása.

Többféle típusa is létezik ezen érzékelőknek. Ezek egyike a CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor, komplementer fém-oxid félvezető) technológiával készített, és mobil telefonokba, web-kamerákba, valamint újabban digitális fényképezőgépekbe épített úgynevezett CMOS ASP, vagy röviden csak CMOS fényérzékelő.

A CMOS általánosságban azonos módon, viszont részleteiben különbözőképpen működik, mint a CCD. A két eszköz közötti különbséget a 1.1.7. és a 1.1.8. ábra alapján értelmezhetjük (Nagy, 2009).

Fontos!

A CCD esetében a fény a Bayer-féle színszűrőn keresztül a fényérzékelő mátrixra jut. Az expozíció során minden egyes fényérzékelő elemet eltérő mértékben ugyan, de feltöltenek a becsapódó fotonok, vagyis a töltésük arányos lesz a beérkező fény mennyiségével. Ezt követően a korábban leírt kiolvasási folyamat eredményeként az egyes fényérzékelők töltésmennyiségét egy analóg-digitális átalakítás után (ADC) egy feldolgozó-áramkörbe jut, amely előállítja a digitális kép egyik színkomponensét. A folyamat tehát két egymást követő átalakításból (konverzióból) áll: fotonok → elektronok, elektronok → feszültségszint. Ez a két részfolyamat megismétlődik a másik két alapszín esetében is.

Fontos!

A CMOS esetében a Bayer-féle színszűrőn keresztül a fényérzékelő mátrixra jutó fény egy ütemben feldolgozásra kerül, és a CCD-nél említett két részfolyamat, a két konverzió párhuzamosan megvalósításra kerül.

Az analóg feszültségjelek digitális jelekké való átalakítását mind a CCD, mind pedig a CMOS esetében egy olyan áramkör végzi, amely felelős a sor-oszlop mátrix működésének összehangolásáért. Ennek vezérlését egy oszcillátor (rezgéskeltő) végzi. Ez a vezérlőáramkör a CMOS esetében valamennyi munkafázisban részt vesz.

A CCD előnye

(Például a Nikon D70-nél az 1/500-as záridő felett már nem a mechanikus, hanem az elektronikus zár működik.)

Hátránya a CCD-nek, hogy

A CMOS előnye

Hátránya

A nagyobb zajt az okozza, hogy a fényérzékelők egyedi erősítőit nem lehet pontosan kalibrálni, ezért ezek extra zajt adnak a képhez. E probléma kiküszöbölésére a Canon alkalmazott először hardver szintű megoldást a 2. generációs gépeiben. Az interferencia érzékenység oka, hogy a CMOS-ba épített nagyszámú aktív dióda sokkal érzékenyebb a környezetből érkező elektromágneses zavarokra, mint a CCD-be építettek.

1.1.3. A CCD és a CMOS jellemzői

A képérzékelőknek a geometriai paramétereken túlmenően több jellemzője is van, mely az elkészített kép minőségét alapvetően befolyásolja. Ilyen a felbontóképesség, a fényérzékenység, a képzaj és a hibás pixelek.

Nézzük először a geometriai paramétereket! Az 1.1.9. ábra egy 2,1 Megapixeles CCD chipet, az 1.1.10. ábra a jellemző fizikai méreteket, míg az 1.1.1. táblázat néhány konkrét CCD paramétert mutat.

Egy CCD chip
Egy CCD chip

A CCD fizikai paraméterei
A CCD fizikai paraméterei

A pixelek mérete 9x9 μm és 30x30 μm közötti változik. Az alsó határt a gyártási technológia, illetve az szabja meg, hogy egy adott méretű elem nem képes végtelen sok elektron tárolására. Ha túl kicsi méretűre választjuk a pixeleket, akkor azok rövid megvilágítást követően telítődnek, és az elektronok átáramlanak az egyikből egy másikba. A felső határértéket általában az elérni kívánt felbontás határozza meg.

Fontos technikai paraméter a felbontóképesség is, melyet megapixelben szokás megadni (1.1.1. táblázat).

Definíció

A felbontóképesség megadja, hogy az adott eszközben hány darab fényérzékelő elem található, vagyis milyen maximális felbontás mellett tud digitális képet alkotni.

Az 1 Megapixel felbontóképességű eszközben 1 millió darab fényérzékelő elem van, vagyis 1 millió képpontot képes képezni elméletileg. Ha például egy digitális fényképezőgép CCD chipjén 1536 sorban (x) soronként 2048 darab (y) fényérzékelő elem található, akkor a felbontása 1536*2048, azaz 3.145.728, kerekítve 3,1 Megapixel. A valós, vagy effektív pixelszám ennél azért jóval kevesebb. Nem beszélve arról, hogy optimális esetben a valós pixelszám is csak kb. 65%-a hordoz érdemi információt.

1.1.1. táblázat A CCD és a CMOS paraméterei

Kamera típus CCD vagy CMOS típus Fizikai méretek a*b*d [mm] Pixelek száma [millió db]
Canon PowerShot A200 CCD 1/3,2” 4,54*3,42*5,68 2,1
Sony DSC-F717 CCD 2/3” 8,80*6,60*11,00 5,2
Canon EOS-30D CMOS 22,5*15,0*27,0 8,2
Kodak DSC-14n CMOS 36*24*43,27 13,8

Fontos!

A magasabb felbontóképesség nem jelent automatikusan jobb képminőséget, csak nagyobb képméretet (1.1.11. ábra), ami természetesen magával hozhatja a jobb minőséget is, de ez a jellemző inkább mennyiségi, mint minőségi adat.

Az 1.1.2. táblázat az egyes felbontóképességekhez tartozó fényérzékelők számát adja meg soronként (x) és oszloponként (y). (A táblázatban a zárójelben a valós értékek szerepelnek.) Ezek mellett szokás megadni még az oldalarányt is, amely általában 4:3, előfordul, 3:2 vagy 16:9 is. Ez utóbbira példa a CMOS chipes Canon EOS-D30, ahol a felbontóképesség 2226*1460 (oszlop*sor).

A felbontóképesség és a képméret kapcsolata
A felbontóképesség és a képméret kapcsolata

1.1.2. táblázat A felbontóképesség és a pixelszám kapcsolata

Felbontás [millió db; mpx]* Pixelek száma [sor*oszlop; x*y]
1 (1,3) 960*1280
2 (1,9) 1200*1600
3 (3,1) 1536*2048
4 (3,9) 1712*2288
5 (4,9) 1920*2560
6 (5,9) 2112*2816
8 2448*3264
12 3000*4000

A digitális fényképezőgépek különleges tulajdonsága, hogy állítható a CCD fényérzékenysége.

Definíció

A fényérzékenység megadja, hogy mennyi fény szükséges az optimális expozícióhoz.

Fontos!

Ha kevés fényben fényképezünk, akkor növelni kell, ha pedig sok fényben, akkor pedig csökkenteni kell a fényérzékenységet.

Az alapérték általában ISO 100.

Ehhez képest minél nagyobb értéket adunk meg, annál érzékenyebbé válik a gépünk a fényre, tehát annál kevesebbre lesz szükség belőle a helyes expozícióhoz. Az ISO 400-as CCD négyszer, az ISO 800-as pedig nyolcszor érzékenyebb, mint az ISO 100-as.

Fontos!

Sajnos hátránya is van a „mértéktelen” érzékenység növelésnek, ugyanis magasabb értékeknél a kép „grízesebb”, vagyis zajosabb lesz. A zajosság kompakt gépeknél általában ISO 400-as, míg tükörreflexes gépeknél többnyire ISO 800-as érzékenységnél jelenik meg.

Definíció

A képzaj a szín nem megfelelő reprodukciója egy képen.

A zajosság arra utal, hogy gyengébb fényviszonyoknál és hosszabb záridőnél a képen szemcsézet jelenik meg. Ez egyértelműen az érzékenységgel és a záridővel függ össze. Általában képhiba, de vannak olyan képek is, ahol ez remek hangulatot ad a képnek. Sőt a képszerkesztőkbe is beépítettek ilyen funkciókat.

Fontos!

A pixelhibáknak három típusát különböztetjük meg: „halott” pixel, „beégett” pixel, „forró” pixel.

Az első kettő hiba valamennyi érzékelőn előfordulhat. Sőt minél nagyobb a felbontóképesség, annál nagyobb annak előfordulási valószínűsége, hogy valamelyik fényérzékelő nem működik rendesen. A „halott” pixelek minden esetben feketék, míg a „beégettek” fehérek. A „forró” pixelek a hosszú expozíciós idejű felvételeken jelentkeznek, kék, zöld vagy vörös pontok formájában. Ez a hiba hideg (kevesebb ideje működő) érzékelő esetén ritkábban, meleg (hosszabb ideje működő) érzékelő esetén sűrűbben jelentkeznek. Az ilyen érzékelők egyébként is magasabb hőmérsékletűek és hamarabb telítésbe kerülnek.

Fontos!

A témában mélyebben elmélyedni kívánóknak ajánljuk szíves figyelmébe a https://pixinfo.com –on megjelent számos kiváló írást (https://pixinfo.com/cikkek/).

Összefoglaló:

E leckében áttekintettük a digitális képalkotás két alapvető eszközének, a CCD-nek és a CMOS-nak a felépítését és működését. Megfogalmazásra kerültek a képalkotással, illetve az egyes eszközök működésével kapcsolatos alapvető fogalmak, végezetül ismertetésre kerültek ezen eszközök legfontosabb jellemzői.