Úvod do digitální fotografie

Digitální fotografie pracuje na velmi podobných, ne-li stejných principech, jako klasická chemická fotografie, kterou známe již 160 let. Základní rozdíl je ve způsobu zpracovávání zachyceného obrazu. Náš reálný svět barev a tvarů je převeden prostřednictvím digitálního čipu a optiky do světa číslicových kódů. Optika a osvětlení jsou však další důležitou složkou, která má vliv na kvalitu výsledného snímku.

Je zajímavé, jak je podobná i historie obou vynálezů - vznik klasické fotografie v první polovině minulého století a nedávný vznik digitální fotografie.

Vynález fotografie si před stošedesáti lety vzal za své východisko optický systém Camera Obscura, což v podstatě byl fotoaparát; promítnutý obraz však zde prozatím nebyl sejmut citlivou vrstvou, bylo však možné jej překreslit tužkou na matnici. Cameru Obscuru využívali malíři a výtvarníci ke skicování, např. při obrazové dokumentaci architektonických celků. První snímek pomocí citlivé vrstvy a tedy první skutečnou fotografii pořídil Francouz J. N. Niépce - a byl to pohled z okna na dvůr s holubníkem.

Vynález digitální fotografie měl podobný začátek. V době jejího vzniku bylo používání scannerů pro digitalizaci plošných předloh již rozšířeno. Odtud už byl jen krůček k nápadu - nahradit klasický film scannerem. První digitální snímek byl rovněž z okna - z okna mrakodrapu.

Řekli jsme tedy, že odlišnost mezi systémy klasické fotografie a digitální spočívá v jiné konstrukci citlivé vrstvy, principy snímání však jsou stejné - celý svět kolem nás se skládá z miliónů spektrálních barev, abychom je však mohli zachytit a reprodukovat, je třeba je převést do několika výtažků. Tento proces se provádí pomocí třech výtažků základních barev - červené, zelené a modré. Těmito barvami jsme totiž schopni vyjádřit značnou část barevného spektra, proto jim také říkáme barvy základní. Tak pracuje i klasický barevný film, který má tři vrstvy citlivé právě k těmto barvám, tak pracují televizní snímače, scannery - a také digitální fotoaparáty.

Jedna věc však je obrázek zachytit a jiná věc je uskutečnit, abychom se na snímek mohli podívat. Pokud obrázek pozorujeme na barevném monitoru nebo na televizní obrazovce, děje se tak rovněž pomocí těchto třech barevných komponent. Jakmile však je zapotřebí obrázky vytisknout nebo kopírovat na barevný fotografický papír, zpravidla využíváme tzv. subtraktivního systému barevných výtažků: jde o využití tzv. doplňkových barev - žluté, purpurové a azurové. Doplňkové barvy jim říkáme proto, že každá z těchto tří barev tvoří doplněk ke své základní barvě. Představme si tedy pro názornost kruh, jehož jedna polovina je žlutá a druhá modrá. Roztočíme-li kruh vysokou rychlostí, oba barevné odstíny se slijí v šedý - žlutá je tedy doplňkem základní barvy modré. Obdobné je to i s dvojicemi barev purpurová versus zelená a azurová versus červená. U barevných fotografií tento postup platí zcela, v tiskařském procesu si vypomáháme ještě barvou čtvrtou - černou.

A) skenovací přístroje

V úvodu o historii jsme se zmínili o první verzi digitálního fotoaparátu, o přístroji se skenovací stěnou. Jeho původce, klasický scanner byl vyvinut pro snímání a digitalizaci zejména plošných předloh. Nejrozšířenější jsou tzv. ploché třílineární scannery, kde pohybující se jezdec postupně snímá řádku po řádce společně červený, zelený a modrý výtažek. Tak také pracuje i tento typ fotoaparátu.

Dnes je tento systém v oblasti digitální fotografie poněkud na ústupu. Na závadu je zejména ta skutečnost, že snímání jednotlivých obrázků je procesem často trvajícím řadu dlouhých minut. Nelze tedy fotografovat pohybové snímky, pouze nehybné předlohy. S tím souvisí ještě jeden větší problém - jsme omezeni možnostmi při volbě druhu světel pro fotografování. Zejména je značným omezením, že nelze využívat zábleskové osvětlení, které jinak je ve fotografické praxi oblíbeno pro vysoký efektivní výkon. Jsme odkázáni proto jen na halogenové světlo nebo raději spíše na speciální světa pro tyto účely vyvinutá. Vzhledem k dlouhé expozici je nutno úzkostlivě dbát, aby během ní nekolísala intenzita světla. Každé zakolísání intenzity světla se totiž projeví na té části obrázku, která je v tu chvíli exponována. Jsme tedy odkázáni pouze na pečlivě zatemněný ateliér a na snímání poměrně malého prostoru. Fotografovat např. automobil nebo interiér s nábytkem - to už znamená i vysoké náklady na pořízení osvětlení potřebného výkonu. U snímání historických exponátů či archivních dokumentů je dále nutno vzít v úvahu i značnou expozici těchto předloh vysokou hladinou osvětlení, které těmto předlohám škodí.

Velký otazník také visí nad údaji jednoho z nejdůležitějších technických parametrů - nad údaji o rozlišovacích schopnostech, neboť řádku po řádce snímající senzorový jezdec neposkytuje jednoznačné informace o možnostech fyzického rozlišení skenovací digitální kazety. Po této stránce jsme totiž zde odkázáni často pouze na funkci analogově-digitálního převodníku, který může zasahovat do výsledného rozlišení zejména po stránce pouhé obrazové interpolace. Jinými slovy - nelze zde jednoznačně spočítat jednotlivé pixely tak, jako je tomu u následujících popsaných systémů digitální fotografie.

Mezi nejznámější výrobce digitálních stěn s těmito čipy patří skandinávská firma Phase One, ale také Kodak; z poloprofesionálních přístrojů jsou to např. Praktica, Agfa.

B) celoplošné čipy

Způsob práce s těmito digitálními citlivými vrstvami je podobný práci s klasickým filmem. Obrázek již není snímán postupně - ale naráz v celé ploše čipu. Přesto i zde jsou rozdíly vyplývající mj. i z různých způsobů tvorby jednotlivých barevných výtažků. Rozeznáváme tedy několik druhů konstrukcí těchto čipů.

Jednoprůchodové celoplošné čipy
Umí zachytit barevný snímek naráz jedinou expozicí. Tuto schopnost umožňuje uspořádání jednotlivých pixel do jakési červeno-zeleno-modré mozaiky (odtud také se jim říká „mozaikové čipy“). Tato konstrukce zároveň podporuje i zábleskového osvětlení. V naší moci tedy je fotografování všech námětů - od portrétní a figurální fotografie až po např. zátiší. Jednoprůchodový čip však má i nevýhodu. Mozaikový čip totiž provádí barevné separace pomocí komponent, které jsou umístěny v ploše jako sousední body. Jaký to má důsledek? Společné informace o červené, zelené a modré barvě některého z obrazových bodů jsou snímány vždy z poněkud odlišných úhlů a to má za důsledek nepříznivý vliv na zachycení např. jemné strukturální kresby. Systém má sklon zde vytvářet více či méně rušivá barevná moaré. Aby snímek byl zbaven těchto rušivých efektů, existují softwarové filtry, které umí snímek analyzovat a nežádoucí moaré pomocí těchto filtrů odstranit. Tyto filtry zpravidla bývají součástí dodávaného ovládacího softwaru. Ne vždy však počítač odstraní vše a někdy také odstraní příliš. V praxi se vliv těchto nežádoucích vlastností promítne do omezení velikosti výsledného obrazu. Nejrozšířenějším výrobce těchto digitálních fotoaparátů je např. firma Kodak.

Víceprůchodové celoplošné čipy
Umí zachytit barevný snímek třemi postupnými expozicemi. V podstatě tedy je čip monochromatický, sám o sobě umí snímat pouze černobíle, ale s pomocí např. skleněných separačních filtrů postupně nasnímáme snímky pod modrým, zeleným a červeným filtrem. Celý proces bývá zpravidla plně automatizován včetně výsledného složení. Vznikne tak barevný obraz, který má všechny předpoklady být dokonalý. Vyniká podrobnostmi v detailech a zejména čistotou barev. Také s výhodou podporuje i zábleskové osvětlení (záblesky jsou přirozeně tři).
Systém postupné tvorby barevných výtažků se používal již dříve, ještě před uvedením scannerů a digitálních fotoaparátů do praxe, tedy ještě v osmdesátých letech. Postupná separace na černobílé filmy byla upřednostňována při reprodukci plošných předloh - např. při vytváření faksimile starých iluminovaných rukopisů jako např. Vyšehradský kodex - a to právě vzhledem ke kvalitě barevného podání.
Víceprůchodové čipy dnes pracují zejména v ateliérech digitální fotografie, které jsou specializovány na technickou a reklamní fotografii a také v archívech a muzeích na podrobné dokumentaci sbírek. Vše s ohledem na nejpřesnější reprodukci barev. Jejich jedinou nevýhodou je skutečnost, že snímek předmětu, který je v pohybu, zachytíme pouze černobíle. Pokud fotografové pracující tímto systémem jsou postaveni před nutnost fotografovat pohyb barevně, pak tyto snímky vyfotografují buď klasickou cestou nebo digitální kazetou s čipem jednoprůchodovým. Významným výrobcem těchto systémů jsou spolupracující firmy: švýcarská firma SINAR, americká LEAF a izraelská SCITEX.

C) Univerzální čipy

Jsou nejposlednější novinkou, se kterou přišla švýcarská firma SINAR na loňské výstavě Photokina 98 v Kolíně nad Rýnem. Jejich výrobek, digitální zadní stěna Sinarback, umí fotografovat víceprůchodově v maximální kvalitě ale také jednoprůchodově - tedy i pohyb. Její princip je založen na mozaikovém čipu, ve kterém jsou instalovány piezo posuvy, které při víceprůchodovém snímání stěhují po každé expozici červenou, zelenou a modrou pixelu do příslušné pozice tak, aby k moaré nedocházelo. Pokud navolíme ovládací program na režim pohybového snímku, fotografujeme na mozaikový čip jedinou expozicí, samozřejmě pak s automatizovanou aplikací příslušných filtrů, které odstraňují moaré.

Technické parametry snímacího digitálního čipu

Nyní se zaměřme na další vlastnosti, které dále ovlivňují kvalitu zachyceného obrazu. Povrch čipu je totiž opatřen systémem základních obrazových elementů, nebo-li pixel - důležité totiž je, počet těchto pixel a také tzv. barevná hloubka. Barevná hloubka udává, kolik polotónů je schopna každá z pixel rozeznat, naproti tomu počet pixel je snadněji pochopitelný, je to počet prvků, které vytvářejí obrazovou mozaiku.

Oba tyto technické parametry mají na sebe značný vliv, neboť oba se projevují mimo jiné na výsledném rozlišení. Tuto situaci lze poměrně dobře uvést na příkladu imaginární výrobní firmy. Ta, aby mohla vyrábět, musí mít určitý počet zaměstnanců. Pokud tito zaměstnanci nejsou moc chytří a sedí na svých místech jako pecky, je jich zapotřebí poměrně velký počet. Pokud však celý tým je tvořen inteligentními jednotlivci, kteří si dokáží se vším poradit, pak jich je zapotřebí mnohem méně. Stejně je tomu i u pixel na snímací rovině čipu. Zmiňovaná barevná hloubka, to je inteligence jednotlivých pixel. Pokud je barevná hloubka malá, není dobré barevné podání pro malý počet zachytitelných polotónů. Ale nejen to! Malý počet polotónů snižuje rozlišení a to zejména u jemné strukturální kresby, kde jsou malé rozdíly mezi obrazovými detaily promítnutými na sousedících pixelech. A ještě další vliv na kvalitu snímku má barevná hloubka - je to expoziční rozsah, schopnost zachytit co největší jasové rozdíly.

Počet polotónů - neboli barevná hloubka - je udáván jako exponent čísla 2 (neboť počítač je založen na binární soustavě). To znamená, že např. osmibitová barevná hloubka je 256 odstínů, a protože červený, zelený a modrý barevný kanál jsou každý po osmi bitech, tj.2x2x2x 2x2x2x2x2 se rovná 256 odstínů, pak 256x256x256 ve třech základních barvách dá celkem 16,7 miliónů barevných kombinací. Osmibitová barevná hloubka se používá jako finální výsledek, připravujeme-li barevný tisk. Samotné digitální fotoaparáty ale mají vyšší snímací barevnou hloubku. Ty amatérské mají např. 3x10 bitů, poloprofesionální 3x12 a nejlepší profesionální přístroje mají 3x14 bitů. Nasnímaný obrázek u těchto přístrojů obsahuje množství obrazových informací, o jakých se u klasického filmu nikomu ani nesnilo a zároveň je zajímavé, že uložený obrázek není nijak obrovský - soubor zabírá na disku např. 25 MB, má-li čip např. 4,2 milióny pixel.

Při procházce různými faktory musí být zároveň jasné, že nekvalitním objektivem bychom toho mnoho nezachytili, i kdybychom měli digitální stěnu sebelepší, i kdyby byla velikost digitálního obrazového souboru několik set megabytů. V profesionální fotografii používající digitální proces se proto konstruují speciální objektivy pro danou velikost čipu se zvlášť upraveným rozlišením. Rozdíly mezi optikou určenou pro klasickou fotografii a objektivy pro fotografii digitální jsou dány skutečností, že klasické citlivé filmy jsou plošně větší oproti rozměrům čipů pro digitální fotografii. Menší plocha nejlepších profesionálních čipů zachytí více obrazových informací než větší plocha klasického filmu - tak je tomu např. u zmiňovaných víceprůchodových čipů s barevnou hloubkou 3 x 14 bitů. Aby optika nezůstala pozadu za schopnostmi digitálních stěn, bylo nutno zdvojnásobit jejich rozlišení a také schopnost reprodukce kontrastů.

Zároveň bývá celý optický systém často kombinován s optickou lavicí, která nakláněním rovin objektivů a digitální stěny vytváří předpoklady pro přesné zaostření dle předem zvolené prostorové roviny. Není jednoduché výrobně zvládnout všechny výše popsané úkoly - optikou počínaje, přes konstrukci mechanických částí až po vývoj a výrobu digitální stěny samozřejmě včetně softwaru.

Pokud je digitální fotoaparát na profesionální úrovni, dosáhneme s jeho pomocí mnohem lepších výsledků, než klasickým chemickým postupem. Je to tím, že klasický chemický barevný film, na jaký jsme doposud zvyklí, je zatížen mnoha kompromisy, které vyplývají z podstaty chemické technologie: má tudíž omezenou věrnost barevného podání a je zatížen i nebezpečím dalších závad, neboť proces zpracování je značně nestabilní.

Naproti tomu digitální přístroje s největší reprodukční věrností pracují zásadně metodou postupné separace barev, mají barevnou hloubku 3 x 14 bitů a mají další opatření: např. proti bloomingu, což je speciální konstrukce, která zabraňuje nežádoucím efektům ve světlých partiích obrazu, v odlescích apod., dále mají také aktivní chlazení. Vychlazený povrch čipu netrpí šumovými projevy, které někdy bývají zejména v tmavých a modrých částech obrazu v podobě světlejšího nebo barevného „sněžení“.

Velkou výhodou digitální fotografie je i značná rychlost a přesnost práce. Sejmutý obrázek si totiž můžeme okamžitě zkontrolovat a proměřit různými softwarovými nástroji, případně lze zvolit automatizovanou kontrolu a úpravu obrazu.

S tím vší souvisí i ekonomické možnosti digitálního postupu. Je pravda, že pořizovací investice na profesionální zařízení jsou vysoké, ale na druhou stranu pak odpadají náklady za filmy, za jejich zpracování, za skenování a další.

Digitální fotografie v dnešní době, to není jen hračka pro počítačové fandy. Zakotvila v mnoha grafických studiích, vědeckých ústavech. O těchto aplikacích digitální fotografie v různých oborech si však povíme někdy příště.

	Na obrázku je novinka švýcarské firmy SINAR. Byla představena na výstavě PHOTOKINA 98. Jde o digitální zadní stěnu, která je v mnoha ohledech univerzální a zároveň splňuje nejvyšší profesionální parametry. Umožňuje volbu mezi víceprůchodovým a jednoprůchodovým režimem, barevná hloubka je 3 x 14 bitů. Stěna má aktivní chlazení a antibloomingový systém. Jde ji připojit na různé fotoaparáty pro střední formát, využívat s objektivy různých značek. Na obrazové ukázce je digitální kazeta Sinar na optické lavici, čili s možností vysouvání a úhlového náklonu objektivu a digitální stěny.
	Digitální fotografie pracuje na stejných principech jako při klasickém postupu. Místo pozorování snímaného obrazu na matnici však využíváme videohledáčku a videolupy na obrazovce včetně mřížky, která nám usnadňuje komponování obrazu. Stejně tak prostřednictvím obrazovky počítače ovládáme např. clonu a závěrku a také zvládáme kontrolu nad expozicí.
	Víceprůchodový mozaikový čip pracuje pomocí piezoposuvů, takže dochází k postupné separaci obrazu pod červeným, zeleným a modrým filtrem. Tímto způsobem dosáhneme vynikajícího barevného podání a obrazového rozlišení. Jen pohyb nezachytíme tímto způsobem. Pak ale stačí v ovládacím programu přepnout volbou na režim 1shot a pohybový snímek v tomto režimu vyfotografujeme.

Jiří Stupka