Proč malým foťákem velkou fotku neuděláš

Šum, je jedním z kritérií, kterému by se měla při výběru digitálního fotoaparátu věnovat pozornost.

Znáte to asi každý, jednoho dne zjistíte, že vám mobil dosloužil, nebo hůře, že model našeho mobilu přestal být cool a in, prostě vyšel z módy. Vzhledem k tomu, že mě už dávno neživí rodiče ani práce nikoho jiného, ale má vlastní, mohu si dovolit měnit mobil pouze v prvním případě.

Jedním z posuzovaných kritérií při výběru nového mobilu pro mne určitě bude kvalitní fotoaparát, protože lidé dnes fotí úplně všechno. Jak ale vybrat ten správný typ, když záludný prodavač mi jistě vnutí ten, který chce prodat a ne ten, který si chci koupit já? Rozhodl jsem se nejprve poradit s kamarády fyziky, protože v mobilu probíhá doslova úžasné divadlo fyziky (ÚDiF), a oni jsou ve fyzice fakt dobří.

Záhy jsem byl poučen, že dobrý foťák poznám podle toho, jakou má velikost čipu, průměr a ohniskovou vzdálenost objektivu a jaký má software, který nakonec ze všech těch nul a jedniček vykouzlí na displeji fotku. To je ovšem suchá teorie, ale jaká je praxe?

Druhý den bylo vše připraveno. Na stole leželo několik exemplářů mobilů (pozn. red.: ÚDiF srdečně děkuje všem mecenášům fyziky za jejich zapůjčení) a nářadí pro jemnou hodinářskou práci: křížový šroubovák, pinzeta, lupa a kladivo. Posledně jmenovaný nástroj pro případ, kdyby předchozí nástroje selhaly. Rozebrat těch pět kousků netrvalo dlouho. Šroubovák, pinzetu a lupu jsme rovnou přeskočili.

Tabulka 1

Šum, je jedním z kritérií, kterému bys měl při výběru digitálního fotoaparátu věnovat pozornost, upozornili mě fotografující údifáci, kteří si vzali za své mi s výběrem pomoct. S vysvětlením začali od píky tedy od pixelu. Tak především, co je to pixel? Je to základní jednotka světlocitlivého čipu a pro jednoduchost předpokládejme, že má tvar čtverce.

V podstatě jde o polovodičovou součástku, kterou nazýváme fotodioda. Ta nedělá nic jiného, že světlo, které na ni dopadne, v ní uvolní elektron, který měříme jako vzniklé napětí. Elektrony jsou ale z fotodiody uvolňovány i samovolně, bez dopadajícího světla. Jde o jev způsobený tepelným pohybem uvnitř fotodiody, kterého se ve foťácích téměř nedá zbavit a projevuje se různobarevným zrněním.

Obecně platí, že šum je tím větší, čím větší má čip rozlišení a zároveň čím menší má rozměry. Je tedy hned jasné, že se nepoženu tam, kam mě reklama žene, a to za vysokým rozlišením. Ostatně na pěknou fotku formátu A4, jak jsem byl upozorněn, mi stačí rozlišení již kolem 5 MPx.

Průměr vstupního objektivu a velikost čipu hrají další významnou roli v hodnocení kvality fotoaparátů. Důvod je ten, že světlo se při průchodu aperturou tedy otvorem objektivu ohýbá a hned mi tento jev demonstrovali pomocí laserového ukazovátka a dírkou od špendlíku ve čtvrtce.

Ohyb světla neboli difrakce na kruhovém otvoru způsobuje, že existuje určitá hranice, kdy od sebe lze ještě rozlišit dva bodové zdroje světla, a za touto hranicí tyto dva body splynou v jeden. Nejde ovšem o technickou závadu, ale o fyzikální jev, kterému se nelze vyhnout. Mezi průměrem vstupní apertury a rozlišovací schopností platí závislost: čím je průměr vstupního otvoru (objektivu) větší, tím větší je rozlišovací schopnost daného přístroje.

Ohyb světla způsobí, že v určitém okamžiku splynou dva body v jeden. Foto: Údif

Průchodem světla kruhovou aperturou vznikne difrakční obrazec se světlým centrálním kruhem, kolem něhož jsou světlé soustředné kružnice. Kruh uprostřed nese jméno po britském astronomovi, matematikovi a fyzikovi G. B. Airym: Airyho disk.

Airyho disk. Foto: Údif

Průměr disku vypočítáme pomocí vzorce d = (2 ⋅ f ⋅ 1,22 ⋅ λ)/D, kde d je průměr vstupní apertury, f ohnisková vzdálenost objektivu (což je vzdálenost čočky od čipu uváděná v návodu) a λ je vlnová délka, kterou jsme pro nálsedující výpočet stanovili na 550 nm.

Hned jsem si svou tabulku doplnil o další parametry: velikost jednoho pixelu, průměr Airyho skvrny a počet pixelů na Airyho skvrnu, které mi pomohou při výběru mobilu. Odhad velikosti jednoho pixelu dostaneme následující úvahou: obsah čipu je S = ab; na takto velké ploše je umístěno n pixelů (hodnotu n udává rozlišení, např. 4 Mpx znamená, že jde o čip s 4 000 000 pixely). Podíl obsahu plochy čipu a rozlišení v pixelech nám udá přibližnou velikost jednoho pixelu.

Tabulka 2

Dostačující tedy bude, když průměr Airyho disku bude zhruba odpovídat velikosti 4 pixelů. Proč zrovna čtyřem pixelům, zněla přirozeně má nechápavá otázka. Pro zaznamenávání barvy, dostalo se mi vzápětí odpovědi, se na čip položí maska s barevnými filtry. Filtry jsou většinou čtyři: červený (Red), modrý (Blue) a dva zelené (Green). Tyto čtyři pixely slouží k zaznamenání barvy a tím se skutečný počet pixelů sníží 4krát.

Pixel. Ilustrace.

Podívejme se tedy na data: nejstarší model z tabulky bude mít asi menší šum než ostatní fotoaparáty, ale fotografie nebudou moc kvalitní, rozlišení je opravdu malé. Nové modely mají sice na první pohled možná zbytečně velké rozlišení, ale v rukávu mají trumf v podobě modernějšího softwaru, který obraz zachycený na čipu zpracovává a pomocí matematických nástrojů výsledný obraz různě vylepšuje. S přihlédnutím k ceně a dalšímu vybavení je asi nejrozumnější volit zlatou střední cestu.

Takže si to shrňme. Lidé dnes fotí úplně všechno. Koncert si vychutnají teprve z načerno pořízeného záznamu na svém mobilním telefonu, na Monu Lisu se podívají skrz obrazovku svého iPadu a jídlo neochutnají dříve, než jeho fotografii nesdílí na facebook s komentářem: „baštím“. A tak není divu, že vybrat si mobilní zařízení s kvalitním foťákem je celkem důležité. Ve výběru mobilního fotoaparátu hraje důležitou roli především velikost čipu, jeho rozlišení a průměr objektivu. První dva parametry kvůli velikosti šumu a ten třetí kvůli difrakci.

Na popsané jevy se také můžete podívat díky videosérii Badatelna, kterou připravuje Masarykova univerzita ve spolupráci s ÚDIF, a to v dílech Malým foťákem velkou fotku neuděláš a Jak funguje ohyb světla.