R E V U EFoveon X3 – revolúcia vo svetedigitálnej fotografie?Meno spoloènosti Foveonvám pravdepodobne niènehovorí. Mono u èo<strong>sk</strong>orosa to zmení, práve tátospoloènos si toti predtromi rokmi nechalazaregistrova patent <strong>na</strong>prevratnú konštrukciusnímaèa pre digitálnefotoaparáty. Na nedávnejPhotokine mali návštevníciprvú monos vidiea vy<strong>sk</strong>úša reálne produktys týmito snímaèmi, je teda<strong>na</strong>èase predstavitechnológiu, ktorá monozmení digitálny svet.SNÍMAÈBolo to u poriadne dávno, èo sme sa v PC REVUEvenovali princípu èinnosti digitálneho fotoaparátu.Aj preto vzh¾adom <strong>na</strong> tému, ktorej sa tentoèlánok venuje, príde vhod krátke vysvetlenie toho,èo je a ako pracuje snímaè.Snímaè v digitálnom fotoaparáte (videokamere)má za úlohu previes svetelnú informáciu(intenzita, farba) <strong>na</strong> elektrický signál. S postupujúcimvývojom sa parametre snímaèov menili.Klasický snímaè (CCD, CMOS)má <strong>na</strong>d jednotlivými bunkamisnímaèa umiestnené farebnéfiltre, èím vzniká mozaikováštruktúraObr. 1Kadá bunka snímaèa je vïakafiltru citlivá iba <strong>na</strong> svetlo danejfarbyZ poh¾adu spotrebite¾a <strong>na</strong>jvidite¾nejšou zmenouje zvyšovanie poètu snímacích bodov. Ove¾a zaujímavejšíje však poh¾ad „dovnútra“ snímaèov.Pouívatelia digitálnych fotoaparátov èastonemajú ani potuchy, <strong>na</strong> akom princípe pracujúsnímaèe, ktoré sú vlastne základom kadéhodigitálu. Aby sme však pochopili tajomstvo <strong>na</strong>jnovšiehotypu snímaèa a jeho revoluènos, musímetroška <strong>na</strong>zrie do jeho „útrob“.RÉBUS MENOM FARBAAj keï sme v úvode <strong>na</strong>písali, e úlohou snímaèaje previes do digitálnej podoby informácie o intenzitea farbe svetla, situácia je o nieèo komplikovanejšia.Všetky doposia¾ pouívané typy snímaèovtoti pracujú iba s informáciou o intenzitesvetla, nezávisle od jeho farby! Namieste jeiste otázka, ako je moné, e digitálne kamerya fotoaparáty po<strong>sk</strong>ytujú farebný obraz. Riešenieje ove¾a jednoduchšie, ne by sa zdalo <strong>na</strong> prvýpoh¾ad. Rozlíšenie farieb nemá <strong>na</strong> starosti sámsnímaè, ale farebný filter!Princíp (znázornený <strong>na</strong> obrázku è. 1) je vlastnepresne opaèný ako ten, ktorý je dobre známyz vytvárania farebného obrazu <strong>na</strong> monitore èiK L A S I C K Ý S N Í M A È S F A R E B N Ý M F I L T R O MVýsledkom je „nekompletná“ obrazová informácia,aj v prípade, e by takýto snímaèsnímal plochu, <strong>na</strong> ktorej by bola jedinázákladná farba (RGB), vo výslednom obrazeby bola informácia o nej zachytená ibav 25 % (R a B), respektíve v 50 % (G) buniekPreh¾ad typov obrazovýchsnímaèov: CCD (Coupled Charge Device) – <strong>na</strong>jstar−ší, ale aj <strong>na</strong>jpouívanejší snímaè. Prvéprodukty vyuívajúce snímaèe CCD satoti <strong>na</strong> trhu objavili takmer pred tromidesiatkami rokov. Rodi<strong>na</strong> snímaèovCCD je pomerne rozvetvená. Spomedzimnohých èlenení uveïme aspoò èlene−nie pod¾a spôsobu èítania obrazovejinformácie prekladaným snímaním,progresívnym snímaním a celoplošnýmsnímaním. Super CCD – ide o variant CCD sní−maèa, pri ktorom je upravený tvara umiestnenie snímacích bodov.Jednotlivé snímacie body majú tvaršesuholníka a sú o 45° pootoèenév porov<strong>na</strong>ní s klasickými snímaèmi CCD.Túto technológiu vyvinula spoloènosFujifilm a snímaèe tohto typu nájdemetakmer výhradne pri fotoaparátoch tejtoz<strong>na</strong>èky. HAD a SuperHAD – tieto snímaèe súvybavené filtrom obsahujúcim miniatúr−ne šošovky pre kadý prvok, èo zlepšujeoptické vlastnosti. Tieto technológievyuíva Sony. CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor) – principiálne sú tietosnímaèe rov<strong>na</strong>ké ako CCD, rozdiel jev spôsobe prepojenia tranzistorov vnútrièipu a, samozrejme, vo výrobnej techno−lógii. PPS CMOS (Passive−pixel Sensors) –pokia¾ ide o konštrukciu a princíp èin−nosti, sú takmer totoné s klasickýmCCD, v porov<strong>na</strong>ní s ním sú síce lac−nejšie, po<strong>sk</strong>ytujú však aj podstatnenišiu obrazovú kvalitu. APS CMOS (Active−pixel Sensors) –z konštrukèného poh¾adu ide o ve¾mikomplexné riešenie. Kadá bunka sní−maèa je toti doplnená o a<strong>na</strong>lytickýobvod, ktorý vyhodnocuje úroveò šumua aktívne ho eliminuje. Vïaka tomutoriešeniu po<strong>sk</strong>ytujú senzory APS výstupyporov<strong>na</strong>te¾né s prvkami CCD. SeeMOS. Snímaèe tohto typu vyvíjaspoloènos Philips. Vývoj bol oficiálneoznámený v roku 2000, vychádza zosnímaèov CMOS, bohuia¾, doteraznebol prezentovaný nijaký praktickývýsledok.36 PC REVUE 12/2002
R E V U Etelevízore. Pri vytváraní obrazu je informácia o jase (prúdelektrónov pri CRT alebo fotónov pri LCD) prevedená <strong>na</strong>farebnú prostredníctvom luminofóru (pri CRT) alebo filtra(pri LCD). Pri snímaní obrazu je situácia obrátená, <strong>na</strong>j<strong>sk</strong>ôrsvetlo prejde farebným filtrom a následne je bunkou snímaèazmeraná intenzita jasu. Informácia o jase je teda kdispozícii pre kadú farebnú zloku. Pri snímaní obrazusa, samozrejme, pracuje rov<strong>na</strong>ko ako pri jeho vytváranítakzvanými základnými farbami (pod¾a normy RGB,CMYK). Vo svete digitálnej fotografie sa pouíva farebnáschéma RGB. Na èo <strong>na</strong>jjednoduchšie urèenie správnychhodnôt jasu pre jednotlivé farebné zloky sa pouívajúokrem signálov jednotlivých farieb aj prepoèty zloené zosúètov a rozdielov jednotlivých farieb (ak vás táto problematikazaujíma hlbšie, viac nájdete v literatúre opisujúcejprincíp farebnej televízie). Z tohto dôvodu majú snímaèe„predradený“ farebný filter. Svetlo prechádzajúce cezobjektív je pred dopadom <strong>na</strong> svetlocitlivú bunku snímaèaupravené filtrom. Kadý výrobca snímaèov pouíva vlastnétechnológie <strong>na</strong> vytvorenie filtrov pre snímaèe.Prístupy sa líšia pod¾a farebnej štruktúry prvkov a ichrozmiestnenia. Prakticky všetci výrobcovia snímaèovKONIEC FILTROM!Vývojové laboratóriá firiem, ktoré sa spracovaním obrazuzaoberajú dlhé roky, riešili spomí<strong>na</strong>né problémy snímaèovobrazu, vdy však šlo iba o èiastkové riešenia.Situáciu <strong>na</strong>vyše komplikovalo aj cenové h¾adi<strong>sk</strong>o. U tovyzeralo, e v oblasti snímaèov obrazu iadny prevratnýobjav nehrozí. K zlomu však <strong>na</strong>pokon predsa len došlo!Presne pred dvoma rokmi (2. 12. 2002) spoloènosFoveon vyhlásila boj proti snímaèom vyuívajúcim farebnéfiltre. Práve v spomí<strong>na</strong>ný deò toti spoloènos po prvý razverejne prezentovala svoj patent, ktorý zaevidovala <strong>na</strong>americkom patentovom úrade u v roku 1998. Predmetompatentovej prihlášky je unikátny snímací polovodièovýprvok, ktorý umoòuje zí<strong>sk</strong>a kompletnú farebnú informáciuv jedinej snímacej bunke!X3Jednoduchý názov <strong>sk</strong>rýva rov<strong>na</strong>ko prostú myšlienku,riešenie, ktoré spoloènos Foveon predstavila svetu, sanedá charakterizova výstinejšie ako spomenutými slovami.To, èo dlhé roky vyzeralo ako neriešite¾ný problém,toti vývojári tejto spoloènosti vyriešili s vtipom a istouS N Í M A È F O V E O N X 3Foveon X3 vyuíva špeciálnukonštrukciu snímaèa, kde sasnímanie jednotlivýchfarebných zloiek realizujev rámci jednej bunky prevšetky tri základné farbyJednotlivé snímacie bunky súusporiadané vrstvovito, èoumoòuje detegova v rôznej håbkesnímaèa inú farebnú zlokudopadajúceho svetlaVýsledkom je obraz obsahujúci pre kadýbod snímaèa kompletnú obrazovú informáciu,zloenú zo základných farieb (RGB)Obr. 2však pouívajú filtre so štruktúrou G-R-G-B, teda také, kdepolovica buniek snímaèa sníma zelenú zloku a druhápolovica je po štvrtine rozdelená medzi èervenú a modrúzloku. Takto zí<strong>sk</strong>aný obraz pripomí<strong>na</strong> mozaiku, aj pretosa pre snímaèe, ktoré vyuívajú filtre, vilo oz<strong>na</strong>èeniemozaikové. Štruktúra a spôsob èinnosti sú <strong>na</strong>z<strong>na</strong>èené <strong>na</strong>ilustraènom obrázku. Pre úplnos dodajme, e v minulostisa v profesionálnej fototechnike pouívali aj systémys tromi èipmi CCD, kde kadý èip spracúval jednu farebnúzloku (pri profesionálnych videokamerách sa tento spôsobešte vdy vyuíva).Implementácia filtra má, samozrejme, výz<strong>na</strong>mnývplyv <strong>na</strong> rozlíšenie snímaèa, poèet pixelov, o ktorých jek dispozícii kompletná farebná informácia, je niší ako<strong>sk</strong>utoèný poèet pixelov snímaèa. Našastie sa <strong>na</strong> vyhodnocovaniepouívajú dômyselné mechanizmy, bunkynie sú zviazané <strong>na</strong>pevno do štvoríc, ale vyhodnocujú savdy susediace bunky. Vïaka tomuto „fíg¾u“ nedochádzak drastickej redukcii poètu bodov snímaèa a<strong>na</strong> štvrtinu, ale pribline <strong>na</strong> polovicu. Aj tak ide opomerne ve¾kú stratu. Nezanedbate¾ným problémom,ktorý sprevádza komplikované zí<strong>sk</strong>avanie farebnejinformácie, je aj <strong>sk</strong>utoènos, e spracovanie obrazu jevýpoètovo nároèné, èo sa odzrkad¾uje <strong>na</strong> rýchlosti digitálnychfotoaparátov.dávkou <strong>na</strong>dh¾adu. Celý vtip snímaèa typu X3, ako novinkuFoveon pomenoval, spoèíva v tom, e <strong>na</strong> snímacíprvok dopadá svetlo priamo z objektívu, prièom v kadejbunke snímaèa je vytvorená kompletná farebná informácia.Presnejšie povedané, to, èo sa <strong>na</strong> povrchu snímaèa X3javí ako jeden snímací bod, je v <strong>sk</strong>utoènosti komplexnýsnímaè pozostávajúci z troch prvkov, ktoré sú usporiadané<strong>na</strong>d sebou.Vlastný snímací prvok (princíp je <strong>na</strong> obrázku è. 2) jeusporiadaný tak, e <strong>na</strong>jblišie k povrchu je vrstva, v ktorejsa sníma modrá farba, v strede je vrstva, ktorá snímazelenú, a <strong>na</strong>jhlbšie je vrstva snímajúca èervenú farbu.V patentovej prihláške, ktorá princíp snímaèa X3 opisuje,sa uvádza, e snímaè je zaloený <strong>na</strong> rozdielnej „prieraznosti“fotónov. Pod¾a spomí<strong>na</strong>ného materiálu majú<strong>na</strong>jnišiu prieraznos (schopnos vniknú do pevnej látky)fotóny nesúce informáciu o modrej farbe, o nieèo hlbšiesa dostanú fotóny zelenej farby a <strong>na</strong>jhlbšie preniknú fotónyèervenej. Po objavení tohto princípu a experimentálnomoverení jeho funkènosti ostávalo vývojárom jediné:vytvori takú polovodièovú štruktúru, ktorá by umoniladetekciu dopadajúcich fotónov v rôznych håbkach snímaèa.To sa podarilo a náèrt tejto štruktúry je <strong>na</strong> obrázkuè. 3. Na základnej vrstve kremíka s vodivosou typu Pje <strong>na</strong>parená vrstva typu N, v ktorej sú detegované èervenéfotóny, táto vrstva sa <strong>na</strong>chádza vo vzdialenosti 2 mikrometreod povrchu snímaèa. Nad òou je vytvorená polo-12/2002 PC REVUE 37