Megapiksele to nie wszystko

W najpopularniejszych konstrukcjach matryc jest wykorzystywany filtr Ba- yera. Przed każdą komórką światłoczułą (pikselem) matrycy znajduje się „kratka” filtru, w jednym z trzech podstawowych kolorów. Kolor danego piksela jest określany za pomocą skomplikowanego algorytmu, na podstawie danych o barwie podstawowej i jej natężeniu na sąsiednich pikselach. Im mniejsze piksele ma matryca, tym trudniej jest wyprodukować precyzyjne filtry koloru, stąd więcej szumów na zdjęciu i konieczność stosowania lepszych procesorów obrazu, które usuną te szumy. W parametrach aparatu podawana jest często całkowita i efektywna liczba pikseli. Ta druga mówi, ile pikseli ma obraz generowany przez matrycę. Nie uwzględnia ona pikseli brzegowych matrycy, dla których nie dałoby się określić poprawnej barwy.

Matryca z większą liczbą pikseli najczęściej nie spowoduje znaczącego wzrostu jakości obrazu, za to może uwypuklić wszelkie niedoskonałości optyki – nieostrości, aberracje chromatyczne . Wynika to z konstrukcji matryc i sposobu generowania obrazu.

Matryce w popularnych kompaktach cyfrowych wywodzą się w prostej linii z matryc wykorzystywanych w kamerach telewizyjnych i wideo – mają te same miniaturowe wymiary, tyle że znacznie większą liczbę komórek światłoczułych (dla uproszczenia nazywa się je pikselami, bo każda komórka odpowiada pikselowi na zdjęciu). Również oznaczenie ich wielkości pochodzi z okresu pierwszych kamer telewizyjnych. Matryca o przekątnej oznaczonej jako 1/2,5" ma rzeczywistą przekątną równą około 2/3 tego wymiaru (2/3 średnicy szklanej rurki będącej elementem konstrukcyjnym pierwszych matryc rejestrujących obraz w kamerach TV) – dokładne wartości podajemy w tabelce „Najczęściej spotykane wielkości matryc”.

Elementy światłoczułe, z których zbudowana jest klasyczna matryca, rejestrują tylko światło monochromatyczne (jasność). Pojedyncza komórka (piksel) nie przekazuje żadnej informacji o barwie światła, które na nią pada. Kolor, jaki zostanie przypisany do danego piksela, jest wyliczany przez procesor aparatu w dosyć skomplikowanym procesie, na podstawie danych pochodzących z sąsiednich pikseli. Są to dane o natężeniu podstawowej barwy światła – czerwonej, zielonej lub niebieskiej (RGB: red, green, blue) – padającego na każdy piksel. To, w jaki sposób procesor wyznacza kolor danego piksela, decyduje o efekcie końcowym, czyli o tym, czy zdjęcie będzie wiernie oddawało rzeczywiste kolory.

Matryce Foveon są skonstruowane z trzech warstw komórek światłoczułych; do każdej warstwy dociera światło tylko w jednej z trzech barw podstawowych RGB (czerwonej, zielonej, niebieskiej). Kolor piksela na zdjęciu wygenerowanym na matrycy Foveon jest wynikiem nałożenia na siebie trzech barw podstawowych właściwych dla tego jednego punktu (piksela), więc jest bardziej precyzyjny niż kolor interpolowany na podstawie danych z sąsiadujących komórek. Matryca Foveon zawiera trzy razy więcej komórek światłoczułych niż wynosi liczba pikseli uzyskanych na zdjęciu.

A skąd te kolory? Otóż najczęściej przed każdą komórką matrycy znajduje się filtr barwny w jednym z kolorów RGB. W większości konstrukcji matryc piksele są ułożone obok siebie w rzędach, a filtry tworzą tzw. siatkę Bayera. Zawiera ona dwa razy więcej elementów zielonych niż czerwonych czy niebieskich. To dlatego, że matryca ma naśladować ludzkie oko, najbardziej czułe na barwę zieloną.

Pewną innowację konstrukcyjną stanowią matryce SuperCCD firmy Fujifilm, w których piksele są poukładane jak w plastrze miodu i nie są prostokątne (patrz rysunek). Dzięki takiemu rozmieszczeniu pikseli procesor obrazu generuje więcej informacji, w efekcie czego wynikowy obraz może zawierać więcej pikseli niż wynosi liczba komórek światłoczułych matrycy.

Teoretycznie najlepszą konstrukcję mają matryce firmy Foveon. Piksele są w nich ułożone w trzech warstwach, jedna nad drugą. Do każdej warstwy dociera jedynie światło w jednej z barw podstawowych RGB. Ostateczna informacja o kolorze danego piksela jest efektem „połączenia” trzech barw podstawowych związanych z tym jednym punktem – powinna więc być dokładniejsza niż wyznaczanie koloru jako wypadkowej kolorów z sąsiednich pikseli. Taka matryca pozwala zastosować w aparacie prostsze i tańsze w produkcji procesory obrazu. Na razie jest jednak rzadko stosowana i w praktyce nie jest taka idealna – okazało się np., że do ostatniej warstwy dociera za mało światła.

Bez względu na konstrukcję matryce są wykonywane w technologii CCD lub CMOS. Dawniej lepszą jakoś zdjęcia gwarantowały matryce CCD. W najnowszych konstrukcjach króluje CMOS – tańszy w produkcji, a dzięki postępowi w rozwoju procesorów obrazu pozwala na uzyskanie podobnej lub wyższej jakości niż CCD.

SuperCCD to matryca opracowana przez Fujifilm, konstruowana z komórek światłoczułych w kształcie wielokątów, ułożonych jak w plastrze miodu. Kolor piksela na zdjęciu jest wyznaczany tak jak w matrycach z filtrem Bayera, ale ze względu na specyficzny kształt komórki rejestrowane przez nią informacje pozwalają wygenerować zawartość więcej niż jednego piksela (który ma kształt prostokąta). W efekcie zdjęcie wykonane aparatem z matrycą SuperCCD może zawierać więcej pikseli niż wynosi liczba komórek światłoczułych matrycy.

Producenci sprzętu fotograficznego jako najistotniejszą informację podają liczbę pikseli matrycy. Jeśli myślisz, że za pomocą kompaktu z matrycą 7 Mpix (7 megapikseli) wykonasz znacznie lepsze zdjęcia niż cyfrówką 3 Mpix, możesz się rozczarować.

W codziennej praktyce przeciętnemu użytkownikowi, który wykonane zdjęcia ogląda na monitorze komputera lub telewizora albo drukuje w formacie do 10x15 cm, wystarczy cyfrówka z matrycą składającą się z 2–3 milionów pikseli. Obraz najwyższej jakości o rozdzielczości 300 dpi, formatu 10x15 cm zawiera 2,1 mln pikseli. Jeżeli wykonałeś zdjęcie wysokiej jakości nawet cyfrówką 2 Mpix, możesz je w prosty sposób interpolować (potocznie – rozdmuchać) i uzyskać poprawne odbitki o wielkości 13x18 cm lub większe. Odbitki w formacie 30x40 cm wywołane w profesjonalnym laboratorium z odpowiednio przygotowanych, ostrych 4-megapikselowych plików są porównywalne z uzyskanymi z negatywów małoobrazkowych.

O co więc w wyścigu na megapiksele chodzi? Głównie o to, że postęp technologiczny umożliwia wykonywanie coraz mniejszych elementów światłoczułych (pikseli) w mniejszych matrycach (koszt produkcji matryc bardziej zależy od ich fizycznych wymiarów niż liczby pikseli). Niestety, im mniejszy piksel, tym mniej światła na niego pada, a efektem jest mniejsza czułość i większe szumy. Matryce takie wymagają lepszych procesorów obrazu, lepszych algorytmów usuwania szumów, bo bez nich obraz mógłby okazać się gorszy od uzyskiwanego ze starszych, większych matryc z mniejszą liczbą pikseli.

defragmentacja
operacja układająca pliki na dysku komputera tak, aby system miał do nich szybszy dostęp, najczęściej polega na układaniu po kolei bloków jednego pliku; zwiększa wydajność systemu; trwa od kilku minut do wielu godzin

kryptogram
rodzaj zaszyfrowanego, np. dla zachowania poufności, znaku lub pisma, którego znaczenie i treść zrozumiałe są tylko dla osób mających klucz – ciąg danych służących do zamiany tekstu jawnego w kryptogram

prążek dyfrakcyjny
obraz powstający w wyniku dyfrakcji światła, czyli zmiany kierunku rozchodzenia się fali świetlnej, na krawędziach przeszkód lub w ich pobliżu; odległość między prążkami zależy od długości fali

interferencja
zjawisko oddziaływania (nakładania) fal elektromagnetycznych prowadzące do zmiany ich amplitudy – wzmocnienia lub wygaszenia odziaływujących fal; powszechnie wykorzystywane np. w telekomunikacji

Blu-ray
format zapisu optycznego danych, konkurent HD DVD, również wykorzystuje wiązkę niebieskiego lasera do odczytu i zapisu danych, ale potrafi je gęściej upakować; płytki Blu-ray mają pojemność od 25 do 100 GB

aberracje chromatyczne
na zdjęciu objawiają się kolorowymi obwódkami na kontrastowych krawędziach, np. brzegach budynków na tle nieba, liściach na wierzchołkach drzew; wynikają z wad optycznych obiektywu.

Wzrost liczby megapikseli w matrycy nie idzie w parze z postępem w dziedzinie optyki. W produkcji obiektywów od lat niewiele się zmieniło i obecnie są one „wąskim gardłem” w procesie tworzenia obrazu w kompaktowych cyfrówkach. Co z tego, że aparat wyposaża się w matrycę np. 12 Mpix, skoro obiektyw jest prawie taki sam jak w cyfrówce sprzed kilku lat z wymiarowo większą matrycą 4 Mpix? W skrajnym przypadku aparat z matrycą 4 Mpix o wielkości 1/1,8" (przekątna 8,83 mm) może rejestrować więcej szczegółów niż cyfrówka z matrycą 12 Mpix o wielkości 1/2,5 (przekątna 7,18 mm).

12 megapikseli pasuje bardziej do matryc APS-C (z lustrzanek z wymienną optyką), których powierzchnia jest blisko 14 razy większa od matryc 1/2,5", stosowanych w popularnych kompaktach. Ale nawet w lustrzankach APS-C 12 Mpix znaczący wzrost szczegółowości obrazu w porównaniu z matrycami APS-C 6 Mpix zauważymy tylko, używając optyki najwyższej jakości. Z podstawowymi obiektywami tzw. kitowymi różnica może być trudna do uchwycenia.

Chyba najbardziej miarodajnym parametrem określającym możliwości aparatu jest lph (line per high). Jest to liczba linii, jaką można odczytać z testowego zdjęcia, odzwierciedlająca rzeczywistą rozdzielczość układu matryca–obiektyw dla pełnej wysokości kadru. Im większe lph, tym lepiej. Okazuje się, że lph nie zawsze jest lepsze dla matryc o większej liczbie megapikseli.

Jakość obrazu uzyskana z matrycy FF (Full Frame 36x24 mm) wykorzystanej w cyfrowej przystawce Phase One do aparatów średnioformatowych (już od kilku lat nieprodukowanej) jest porównywalna z jakością uzyskiwaną z najlepszych matryc APS-C 12 Mpix.

Jakość obrazu z matrycy 1/2,5" 12 Mpix jest gorsza od jakości uzyskanej z matrycy APS-C 3,7 Mpix (6 Mpix interpolowane) z małoobrazkowego Fuji S1pro (to również już muzeum fotografii cyfrowej).