Podstawowym składnikiem dowolnego aparatu cyfrowego, bądź też kamery cyfrowej jest tzw. matryca CCD (ang. Charge-Coupled Device). Matryca ta została wynaleziona przez W.S. Boylei oraz G.G. Amelio w roku 1970. Cyfrowo zapisany obraz powoli wypiera stosowaną dotąd powszechnie fotografię klasyczną, gdzie zapis obrazów dokonywany jest na światłoczułej błonie. Zamiast typowej kliszy fotograficznej używa się tu specjalnych detektorów CCD.
Matryca CCD to odpowiednio spreparowana płytka, zrobiona z półprzewodnika, która rozpoznaje natężenie światła, które na nią pada. Światłoczułe punkty (tzw. piksele), których na matrycy jest bardzo wiele, rozmieszczone są w bardzo niewielkich odległościach od siebie. Ich zadanie polega na przekształcaniu natężenia światła w sygnał napięciowy, który jest rozpoznawany przez oprogramowanie znajdujące się w aparacie cyfrowym, a następnie zachowany w karcie pamięci. Im większa jest rozdzielczość matrycy CCD (czyli im więcej pikseli posiada dana matryca), tym bardziej szczegółowy obraz można na niej zarejestrować. Działanie matrycy polega, na zamianie padającego światła (tak zwanych fotonów) na sygnał wyjściowy. W chwili padania na matryce światła, fotony uderzające w elektrony półprzewodnika, z którego wykonana jest matryca, powodują wybicie ich ze swych "miejsc" (czyli przeniesienie ich do pasma przewodzenia z pasma walencyjnego). Dzięki zliczeniu wybitych elektronów można dowiedzieć się ile światła padło na detektor.
Poza matrycami CCD istnieją również starsze typy matryc, tzw. CMOS, które charakteryzuje jednak mniejsza czułość na światło. W matrycach istotne jest to, że są one bardzo czułe na światło. W celu uzyskania takiego samego efektu w przypadku kliszy fotograficznej, należało znacznie wydłużyć czas jej naświetlania. Następną zaletą matryc jest to, że obraz ruchomy może być rejestrowany z ekspozycją.
Zapis koloru
Klasyczne matryce CCD (oraz CMOS) rejestrują kolor w sposób dość skomplikowany. Jeden punkt na matrycy CCD może zarejestrować tylko jasność padającego na niego światła, nie posiadając pełnej informacji na temat barwy. Dane dotyczące koloru pojawią się wtedy, gdy ten punkt zostanie przysłonięty barwnym filtrem. Sprawi to jednocześnie skasowanie informacji o innych, niż obecnie wyznaczany kolorach. Zgodnie z przyjętym standardem elementy światłoczułe występują w trzech kolorach:
- R - czerwony (ang. Red)
- G - zielony (ang. Greek)
- B - niebieski (ang. Blue)
Z połączenia tych skrótów powstaje znany schemat RGB. Przy bliższym zapoznaniu się z konstrukcją matrycy zauważyć można pewne "oszustwo", jeżeli chodzi o zapis koloru. W przypadku matrycy CCD o 2 milionach pikseli, będzie kolejno:
- 500 pikseli czerwonych
- 1000 pikseli zielonych
- 500 pikseli niebieskich
Taki standard określa się często RGBG. Nietrudno zauważyć, iż w tym standardzie kolor zielony zapisywany jest gęściej, niż pozostałe kolory, a informacja na temat jasności rejestrowana jest cztery razy dokładniej w porównaniu z danymi dotyczącymi koloru (gdyż dane dotyczące jasności zawiera każdy piksel, natomiast dane dotyczące konkretnego koloru, tylko niektóre). Teoretycznie powinien więc wystąpić na zdjęciach nadmiar koloru zielonego oraz rozmyte kolory. W rzeczywistości jest inaczej gdyż opisana sytuacja nie ma silnych ujemnych efektów, jeśli chodzi o jakość zapisywanych zdjęć. Dzieje się tak, ponieważ:
- Mechanizm odbierający barwy u człowieka (związany z konstrukcją oka) jest dużo mniej wyczulony na barwy, niż na jasność. Przez to owe niedostatki w zapisie koloru są praktycznie niezauważalne.
- Aparat cyfrowy wyposażony jest w niewielki komputer, przeliczający informacje pochodzące z różnych punktów, w jaki sposób, że ostatecznie wszystkie piksele zapisywanego zdjęcia posiadają informacje dotyczące składowych koloru czerpiąc je z sąsiadujących elementów światłoczułych.
Fakt niepełnego zapisu koloru występujący w typowych matrycach spowodował pojawienie się specjalnych rodzajów matryc, w których każdy piksel posiada kompletną informację dotycząca koloru. Jednak, aparaty cyfrowe wyposażone w takie matryce są dużo droższe od tradycyjnych, a jakość zdjęć nie jest na tyle lepsza, aby powodowało to konieczność zaopatrywania się w taki sprzęt. Dodatkowo zwiększone możliwości zapisu koloru implikują obniżenie rozdzielczości (obliczanej w postaci odczytu z jednego piksela).
Jakość odwzorowania ujęć zależy od następujących parametrów matrycy CCD:
- dokładności odwzorowania kolorów oraz jasności - czyli możliwości odczytywania przez matrycę CCD głębokiej czerni, czerwieni, bądź też elementów charakteryzujących się bardzo dużą jasnością
- rozdzielczości (podawanej w megapikselach - milionach pikseli)
- poziomu szumów (widocznego na zdjęciach w postaci nieregularnych jasne oraz ciemnych plamek, pojawiających się w trakcie fotografowania powierzchni o jednolitych barwach)
Podsumowując, urządzenia cyfrowe różnią się znacznie pomiędzy sobą jakością rejestrowanych obrazów, a podstawowym, różniącym je elementem jest użyta matryca. Oczywistym jest fakt, że profesjonalny sprzęt, zapłacimy spora ilość pieniędzy, co spowodowane jest głównie wysokimi parametrami matrycy. Takie instrumenty, jak mini kamery cyfrowe wbudowane w telefon komórkowy, pomimo, że są powszechnie dostępne i niewiele kosztują, pozostawiają jednak sporo do życzenia.
