Ilmaisinkenno - MikroPC

mikropc.net

Ilmaisinkenno - MikroPC

KAMERATEKNIIKKA

Näin

DIGIKAMERA

toimii

Ilmaisinkenno

muodostaa kuvan

Filmikamerassa sulkimen takana on aukko, josta filmi pääsee valottumaan.

Digitaalikamerassa aukon paikalla on sähköinen kuvailmaisinkenno.

Kaikissa digikameroissa ei edes ole mekaanista suljinta.

Digitaalinen kamera on mullistanut

valokuvauksen käyttäjän kannalta.

Miten tuo nykyään melkein

joka kodista löytyvä laite toimii?

Näin digikamera toimii -juttusarjan

ensimmäisessä osassa perehdymme

kuvan muodostumiseen.

TEKSTI JA KUVAT: JARI TOMMINEN

Kuvaajan kannalta

digitaalikamera

ei poikkea paljonkaan

filmiä käyttävästä

kamerasta. Kuvat

vain tallennetaan

filmin asemesta muistikortille ja kuvaa

voi heti ottamisen jälkeen tarkastella

kameran näyttöruudulla.

Sisikunnaltaan digikamera kuitenkin

poikkeaa analogisesta kamerasta

merkittävästi. Oleellisin ero on

siinä, miten kamera muodostaa kuvan.

Digitaalikamerassa filmin paikalla

on sähköinen, valonherkkä

kenno, joka rekisteröi kuvan eri osien

valoisuustasot. Kenno itsessään

on ”mustavalkoinen” eli se mittaa

pelkästään valon määrää.

Kahta perustekniikkaa

Ilmaisinkennoja on olemassa kahta

päätyyppiä. Ccd-kennossa (charge

coupled device) data luetaan kuvapisterivi

kerrallaan. Signaalien

muunnos sähkövarauksesta analogiseksi

jännitteeksi, vahvistus ja

muunnos edelleen digitaalimuotoon

tapahtuu erillisissä piireissä

varsinaisen ilmaisinelektroniikan

ulkopuolella. Ccd on nykyään kaikkein

yleisin ilmaisintyyppi.

40 MikroPC 10 / 2006

WWW.MIKROPC.NET


Digivalokuvauksen

tekniikkaa

JUTTUSARJAN MYÖHEM-

MISSÄ osissa tutustumme

digikameroiden toistoalueeseen,

valotuksen ja

valonmittauksen apuvälineisiin,

tarkennuksen

toimintaan, erityyppisiin

kameroihin ja niiden rakenteeseen,

varusteisiin,

muistivälineisiin ja lisätarvikkeisiin

sekä laitteiden

toimintaan käyttäjän näkökulmasta.


Aps-kennoissa (active pixel

sensor) signaalivahvistimet

ja a/d-muuntimet ovat kunkin

yksittäisen kuvapisteen yhteydessä.

Tämä tekee niistä nopeampia

ja häiriöherkkien

siirtoteiden lyhyyden ansiosta

myös kohinatasoltaan hallittavampia.

Aktiivi-ilmaisimet

perustuvat tällä hetkellä kahteen

päätekniikkaan: cmos-

(complementary metal oxide

semiconductor) ja Nikonin

käyttämiin jfet-transistoreihin

(junction field effect transistor).

Aktiivi-ilmaisimet ovat

myös helpompia ja edullisempia

valmistaa, sillä ne voidaan

tehdä tavallisella puolijohdepiirien

valmistuslinjalla. Ccdkenno

vaatii oman valmistustekniikkansa.

Kuva muodostuu

pisteistä

Kuvan erottelukyky, resoluutio,

riippuu kennossa olevien

valonherkkien pisteiden määrästä.

Karkeasti yksinkertaistaen

voi sanoa, että mitä enemmän

pisteitä (pikseleitä), sitä

tarkempi ja isompi kuva.

Värit syntyvät kennon

eteen sijoitetun värisuodinmatriisin

avulla. Kennon jokaisen

pikselin edessä on pienen

pieni värisuodatin, jonka

avulla kyseinen pikseli mittaa

ainoastaan valon suodatinta

vastaavan värikomponentin

määrää. Suodattimia on matriisissa

kolmen värisiä: punaisia,

vihreitä ja sinisiä. Valmista

kuvaa kutsutaankin tämän

vuoksi rgb-kuvaksi (red, green,

blue).

Värisuotimet ja kennon

pikselit on ryhmitelty neljän

pisteen ryppäiksi. Kussakin

ryppäässä on yksi punainen,

yksi sininen ja kaksi vihreää

pikseliä. Vihreiden pikseleiden

suurempi määrä johtuu ihmissilmän

suuremmasta herkkyydestä

valon kellanvihreille

aallonpituuksille. Näin kenno

tavallaan matkii ihmissilmän

toimintaa ja kuvasta saadaan

luonnollisemman näköinen.

Tällaisesta värikuviosta

käytetään nimitystä Bayermosaiikki.

Menetelmä on käytössä

suurimmassa osassa digitaalikameroita.

Foveon-niminen yritys on

kehittänyt cmos-tekniikkaan

perustuvan ilmaisinkennon,

jossa osaväripikselit sijaitsevat

päällekkäin. Kennossa ei ole

lainkaan värisuotimia, vaan

värit erotellaan itse kennopiirin

materiaalissa. Kennon piikerrokset

suodattavat luonnostaan

valosta halutut aallonpituudet,

mitä syvemmälle

niiden läpi valo kulkee.

Menetelmällä saadaan käytännössä

kierrettyä Bayerkennojen

vitsauksena oleva

moiré-ilmiö, jossa kuvan tiheäkuvioisiin

kohtiin muodostuu

helposti raidallista tai

ruudullista värivirhettä.

Ammattilaisten

erikoistyökalut

Joissakin järeissä ammattilaitteissa

käytetään kuvailmaisimia,

joissa kuvan muodostus

perustuu kolmeen peräkkäiseen,

erilliseen valotukseen;

kukin oman värisuotimensa

läpi. Koska kaikkien osavärien

mittaamiseen käytetään samoja

kuvapisteitä, myös tällöin

vältytään moiré-ongelmalta.

Lisäksi on olemassa ilmaisinjärjestelmiä,

jotka toimivat

skannerin tavoin. Näissä niin

sanotuissa skanneriperissä on

kolme ilmaisinriviä suotimineen,

yksi kullekin osavärille,

jotka on kiinnitetty tarkalla

askelmoottorilla liikuteltavaan

siltaan. Kuvaa otettaessa silta

pyyhkäisee koko kuva-alan yli

ja ilmaisimet taltioivat kuvainformaation.

Nämä kaksi viimeksi mai-

nittua tekniikkaa eivät sovellu

ihmisten eivätkä liikkuvien

kohteiden ikuistamiseen kuvan

ottamiseen kuluvan pitkähkön

ajan vuoksi.

Ohjelma yhdistää pisteet

Kuvan ottamisen jälkeen kameran

ohjelmisto analysoi

kennolta saadun mittaustiedon

ja yhdistää mutkikkaiden

laskenta-algoritmien avulla

erivärisistä pikseleistä saadun

datan luonnollisen näköiseksi

täysvärikuvaksi.

Laskentamenetelmät eivät

pelkästään yhdistä neljän pikselin

ryppäitä niin, että niiden

Tavanomaisessa Bayer-kennossa (ylempi kuva) jokaisen pikselin päällä on värisuodin

ja kuva muodostuu rgb-mosaiikista. Foveon-kennossa (alempi kuva) osaväripikselit ovat

päällekkäin, jolloin ei synny mosaiikista aiheutuvia värivirheitä.

>

WWW.MIKROPC.NET

MikroPC 10/2006

41


KAMERATEKNIIKKA

vahvistaa sähköisesti enemmän,

mutta samalla vahvistetaan

myös signaalihäiriöitä eli

kohinaa.

Tästä seuraa, että pienet

kamerat pienine kennoineen

ovat sitä kohinaisempia mitä

enemmän niissä on megaosaväreistä

saadaan muodostettua

haluttu jatkuvan spektrin

värisävy. Tällainen raaka

yhdistäminen pudottaisi kuvan

resoluution vain neljäsosaan

kennon tarkkuudesta.

Ohjelmisto tutkii myös osaväripikseleiden

muodostaman

ryppään sisältämät valoisuuserot

ja kontrastit.

Saatua dataa verrataan

ryppään ympäristöön ja tämän

pohjalta ohjelmisto yrittää

päätellä ryppään alueella

olevat yksityiskohdat ja mahdolliset

värialueiden vaihdokset.

Päättelyn lopputuloksen

ohjelmisto sisällyttää kuvanmuodostusprosessiin

mosaiikista

saadun värisävytiedon lisäksi.

Tuloksena on kooltaan

kennon resoluutiota vastaava

kuvatiedosto, jonka todellinen

erottelukyky kuitenkin – väistämättä

– on jonkin verran nimellistarkkuutta

alhaisempi.

Kennolta tuleva raakadata

on kameramallista riippuen

10- tai 12-bittistä. Joka tapauksessa

värisyvyydeltään

selvästi laajempaa kuin tavallisen

täys’värikuvan kahdeksan

bittiä värikanavaa kohden.

Kameran suorittaman

prosessoinnin jälkeen kortille

tallentuva kuva on tyypillisesti

kahdeksanbittisistä osaväreistä

rakentuva, pakattu jpeg-tiedosto.

Edistyneemmissä kameroissa

kuvadata voidaan tallentaa

myös alkuperäisessä

raakamuodossa. Tällöin kuvan

muokkaus valmiiksi tapahtuu

tietokoneen kuvankäsittelyohjelmalla.

Ohjelman

on luonnollisesti tunnistettava

kyseisen kameran käyttämä

raakatiedostomuoto. Raakaformaatit

vaihtelevat valmistajittain

ja jonkin verran

jopa kameramalleittain.

Pieni ei aina ole kaunista

Kennon pikseleiden määrän

lisäksi kuvan kokoon ja tarkkuuteen

vaikuttaa myös yksittäisten

kuvapisteiden koko.

Sähköiset ilmaisinkennot

tuottavat lähes poikkeuksetta

myös häiriösignaaleja, kohinaa.

Nämä signaalit näkyvät

valmiissa kuvassa filmin rakeisuutta

etäisesti muistuttavana

epätasaisuutena. Toisin

sanoen esimerkiksi tasaisessa

sävypinnassa on kuvapisteitä,

joiden väri tai kirkkaus poikkeaa

ympäristöstään.

Missä määrin ja miten selvästi

nämä häiriöt erottuvat

kuvasta, riippuu varsinaisen

kuvasignaalin ja kohinan voimakkuussuhteesta.

Kennon tuottama kohina

on pääsääntöisesti voimakkuudeltaan

melko tasaista

– tietyt tekijät, kuten lämpö,

voivat silti lisätä sitä. Signaali-kohinasuhde

riippuukin

Ammattiluokan kameroissa on selvästi taskukameroita

isompi kuvakenno. Kameran tyypistä riippuen kennon koko voi

vaihdella yleisimmästä järjestelmäkameroiden APS-C-koosta

(nimetty kyseisen filmikoon mukaan, 15 x 22 mm / 16 x 24

mm) täyden kinokoon (24 x 36 mm) kautta aina noin 7 x 9

senttimetrin suuruiseen palkkikameran digiperän kennoon.

Pikkukameroiden kennot saattavat olla lävistäjältään vain

reilun sentin kokoisia.

suurimmaksi osaksi kuvasignaalin

voimakkuudesta. Mitä

enemmän valoa kenno saa, sitä

voimakkaamman signaalin

se tuottaa.

Kennon, lähinnä sen pikseleiden,

saama valomäärä on

puolestaan suorassa suhteessa

pikseleiden kokoon. Mitä pienempi

kenno ja mitä enemmän

pikseleitä, sitä vähemmän

valoa osuu yksittäisiin

kuvapisteisiin ja sitä heikomman

signaalin kenno tuottaa.

Tilannetta voisi verrata ämpäriin

ja säilykepurkkiin, jotka

laitetaan sateeseen. Yksittäiset

sadepisarat edustavat valon

fotoneja. Poikkileikkauspintaalaltaan

isompi ämpäri ehtii

samassa ajassa kerätä paljon

enemmän pisaroita kuin säilykepurkki.

Heikkoa signaalia pitää

Digitaalikameroiden kennokokoja

Kokomerkintä Mitat (noin) Kuvasuhde

Taskukamerat

1/3,6” 3 x 4 mm 4:3

1/3,2” 3,4 x 4,5 mm 4:3

1/3” 3,6 x 4,8 mm 4:3

1/2,7” 4 x 5,4 mm 4:3

1/2,5” 4,3 x 5,8 mm 4:3

Kompaktit

1/2” 4,8 x 6,4 mm 4:3

1/1,8” 5,3 x 7,2 mm 4:3

1/1,7” 5,7 x 7,6 mm 4:3

2/3” 6,6 x 8,8 mm 4:3

1” 9,6 x 12,8 mm 4:3

Järjestelmäkamerat

4/3” 13,5 x 18 mm 4:3

APS-C 15 x 22 mm 3:2

DX 16 x 24 mm 3:2

APS-H 19 x 29 mm 3:2

Kinokoko 24 x 36 mm 3:2

Digiperät

Full frame 24 x 36 mm 3:2

Full frame 32 x 43 mm 4:3

Full frame 36 x 36 mm 1:1

Full frame 37 x 49 mm 4:3

3 x 4” 72 x 96 mm 4:3

42 MikroPC 10 / 2006

WWW.MIKROPC.NET


Bayer-kennon muodostama kuva koostuu punaisista, vihreistä ja sinisistä pikseleistä. Mutkikkaan laskennan tuloksena osaväripikseleistä

saatu tieto yhdistetään valmiiksi täys’värikuvaksi. Oheiset kuvat havainnollistavat prosessia karkealla tasolla.

pikseleitä. Myyntimiehen mainosvaltti

puree ostajaa ikävästi

nilkkaan.

Kohina jo itsessään heikentää

kuvan erottelukykyä.

Useimmissa kameroissa kohinaa

yritetään saada kuriin ohjelmallisesti

kameran kuvankäsittelyjärjestelmässä.

Kohina

yleensä vaimenee, mutta

samalla kuitenkin kuvasta sutataan

entistä enemmän yksityiskohtia.

Joissakin tapauksissa käytetty

kohinanvaimennusmenetelmä

voi tehdä kuvasta värillistä

kaurapuuroa muistuttavaa

pöperöä, jossa yksityiskohdista

ei ole enää tietoakaan.

Oikea valomäärä

on tärkeä

Jotta kohteen värit ja valoisuuserot

toistuisivat kuvassa

mahdollisimman oikein – tai

tarkoituksenmukaisimmalla

tavalla – kameran on tiedettävä,

paljonko valoa kennolle on

päästettävä. Tässä pätevät pitkälti

samat säännöt kuin filminkin

kanssa.

Tieto oikeasta valotuksesta

saadaan mittaamalla.

Valonmittaustapoja on kahta

päätyyppiä: kohdistuvan valon

ja heijastuvan valon mittaus.

Nimensä mukaisesti ensimmäisessä

mitataan kohteeseen

osuvan valon määrää ja

jälkimmäisessä kohteesta kameran

suuntaan heijastuvan

valon määrää. Näistä kohdistuvan

valon mittausta pidetään

yleisesti ottaen tarkempana,

mutta se vaatii erillisen

mittarin.

Kamerat mittaavat aina

heijastuvaa valoa. Filmikameroissa

on erillinen mittauskenno

valotuksen määrittämistä

varten. Digitaalikameroissa

valonmittaus voidaan usein

hoitaa samalla kennolla, joka

muodostaa lopullisen kuvankin.

Poikkeuksena ovat peilietsimellä

varustetut järjestelmäkamerat,

joissa kuvailmaisinkenno

”näkee” kuvan vasta

laukaisuhetkellä, sulkimen

avautuessa ja tähtäyspeilin

noustessa pois edestä. Niissä

valonmittaus hoidetaan erillisellä,

matalaresoluutioisemmalla

ilmaisinkennolla, joka

on sijoitettu etsinjärjestelmän

yhteyteen.

Sama ilmaisinkenno huolehtii

usein myös automaattitarkennuksen

ohjaamisesta.

Varsinkin edistyneemmissä

kameramalleissa on valittavissa

useampia mittausmenetelmiä.

Pistemittauksessa valotus

määritellään hyvin pieneltä

täplältä joko kuva-alan keskeltä

tai tarkennuspisteestä.

Keskustapainotteisessa mittauksessa

suurin merkitys valotukselle

on noin 1/4–1/3 kuvaalan

kokoisella alueella kuvan

keskellä, vaikka mittaus ulottuukin

koko kuva-alalle.

Nykyaikaiset kamerat määrittelevät

valotuksen yleensä

matriisi- tai monilohkomittauksen

avulla. Siinä kuva-ala

jaetaan useisiin pienempiin

osiin, joista jokaisesta mitataan

valotus yksilöllisesti. Mittauksen

jälkeen kameran tietokone

vertaa tuloksia toisiinsa

ja muistissaan oleviin

kohdemalleihin. Vertailun perusteella

se yrittää löytää kyseiseen

kuvaustilanteeseen ja

kohteeseen parhaiten sopivan

valotuksen.

Kuvaaja voi vaikuttaa tietokoneen

käyttämään malliin ja

päättelyyn valitsemalla mielestään

tilanteeseen sopivimman

kuvausohjelman, jos kamerassa

on sellaisia tarjolla.

Ohjelmia on esimerkiksi urheilu-,

yö-, maisema- ja henkilökuvausta

varten.

Kamera pyrkii

harmaaseen

Käytetystä mittaustavasta riippumatta

kamera pyrkii aina

sovittamaan kuvan valotuksen

mahdollisimman tarkasti niin

sanottuun keskiharmaaseen.

Kun tämä standardoitu, tummuudeltaan

18 prosentin harmaata

vastaava pinta toistuu

kuvassa oikein, saavutetaan

laajin ja tasaisin sävyala.

Kyseisen ”keskiharmaan”

nimitys juontaa juurensa siitä,

että 18 prosentin harmaa

pinta heijastaa siihen osuvasta

valosta melko tarkasti puolet

takaisin.

Sovituksesta johtuu, että

tavanomaisista poikkeavien

kohteiden, kuten hyvin vaaleiden

lumi- tai rantamaisemien

tai valtaosin tummien metsä-

tai yökuvien valotus menee

helposti pieleen. Vaaleista

kohteista syntyy tummia kuvia

ja vastaavasti tummista liian

valoisia kuvia.

Kameran valotusmittari

kun kuvittelee aina katselevansa

keskimäärin keskiharmaata

kohdetta.

Tämän vuoksi useimmissa

kameroissa on valotuksenkorjailutoiminto,

jolla valotusta

voi ohjailla tyypillisesti kahden

aukkovälin alivalotuksesta

kahden aukon ylivalotukseen.

Joskus ”ihannevalotuksesta”

joudutaan poikkeamaan,

kun kohteesta halutaan nostaa

tietty asia esiin tai osa halutaan

häivyttää kuvasta ylitai

alivalottamalla.

On hyvä muistaa, että kaikki

isommat poikkeamat vaikuttavat

myös muuten kuvan

laatuun. Alivalotus voi lisätä

kuvan kohinatasoa ja varsinkin

ccd-kennoilla voimakas

ylivalotus voi aiheuttaa niin

sanotun ylivuotoilmiön, jossa

ylivalottuneeseen kohtaan ja

sen ympärille muodostuu valkoisia

raitoja tai jopa värillisiä

”tahroja”. ■

WWW.MIKROPC.NET MikroPC 10/2006 43

More magazines by this user
Similar magazines