Recenze  |  Aktuality  |  Články
Doporučení  |  Diskuze
Fotoškola  |  Seriály
Fotoaparáty  |  Objektivy
Fotomobily  |   Software
Příslušenství  |  Ostatní
Svět hardware  |  TV Freak
Svět mobilně

Fotomobily: technologie blesků

21.10.2009, Milan Šurkala, článek
Další povídání o fotomobilech bude o technologii jejich blesků. Podíváme se na vlastnosti LED diod i na silnější xenonové blesky. Nevynecháme ani novou technologii vysoce účinných LED blesků se superkondenzátorem, které mají šanci stát se nejlepším řešením.
Jistě jste při focení s fotomobilem, ale nejen s ním, často narazili na problém nedostatečného osvětlení. Ostatně světlo (resp. fotony) je to, co vlastně snímací čipy zachytávají a převádí na výsledné fotografie. Jak se tedy s tímto problémem vypořádat? První možnost je prodloužit expoziční čas, což povede k pohybové neostrosti, druhou navýšení ISO citlivosti, což zase vede k vysokému šumu, můžeme více otevřít clonu, ale to také ne vždy jde díky omezené světelnosti objektivu. Ostatně fotomobily zpravidla vždy fotí na plně otevřenou clonu. Když už tedy světlo nelze získat jinou expozicí, je nutné změnit "světlo". A to nás dostává k bleskům, které scénu ve vhodný okamžik přisvítí, aby se dal pořídit aspoň trochu rozumný obrázek.


Dual LED blesk na fotomobilu Nokia N86 8MP


Trocha fyziky na začátek


Na úvod by bylo dobré udělat menší úvod do fyziky, abychom mohli pochopit, proč jsou daná řešení lepší nebo horší, ačkoli to tak na první pohled nemusí vypadat. Pracovat budeme zejména s osvětlením, které má jednotku lux, což je lumen na jeden m2. Ta tedy říká, jak je zdroj světla silný, jak moc osvítí danou plochu. Na první pohled je tato jednotka pro účinek blesku fotomobilů velmi důležitá, ale v praxi to tak kupodivu nemusí být. Mnohem důležitější je ale jiná veličina, a tou je pochopitelně stará známá expozice (někdy se může označovat také jako světelná energie nebo osvit, v článku budu používat termín expozice i světelná energie).


Sony Ericsson K850i s xenonovým bleskem jako u digitálního fotoaparátu

Ta vyjadřuje, kolik světla dopadne na danou plochu za časovou jednotku. Jde tedy o prostý součin osvětlení v luxech a doby svícení v sekundách. Jednotkou je logicky "lxs" (luxsekunda). Pro správně exponovaný snímek je nutno dosáhnout zhruba 10 až 15 luxsekund, na rozumné ponětí o obraze (ale ne dostatečné osvětlení) je třeba přibližně 3 až 5 luxsekund. Úkolem blesku je tedy dodat toto množství světelné energie, aby na snímku bylo něco vidět. A jak známe fotomobily s LED blesky, většinou toho moc vidět není. Tento problém navíc výrazně roste se vzdáleností. Vracíme se tedy opět k fyzice.

Předpokládejme, že vyzařujeme světlo pod určitým úhlem třeba ve tvaru jakési pyramidy (čtyřbokého jehlanu). V nějaké vzdálenosti, např. 1 metr, bude tento reflektor svítit na plochu 1 m2, tedy 1×1 m. Řekněme, že sem dopadá 100 lumenů (jednotka světelného toku). Ve dvojnásobné vzdálenosti je úhel našeho jehlanu pořád stejný, ale osvětlená plocha díky přímé úměře vzrostla na 4 m2. Je tomu tak, protože hrana osvětlené plochy je nyní 2×2 m. Míra osvětlení tedy se vzdáleností klesá kvadraticky, v naší vzorové scéně je tedy ve vzdálenosti dvou metrů osvětlení každého metru čtverečního pouze 25 luxů (100 vyslaných lumenů dopadá na 4 m2 = 25 luxů).


LED blesk


Nyní už snadno pochopíme, proč jsou LED blesky tak slabé. Např. blesk fotomobilu Nokia N73 dává při vzdálenosti 1 m osvětlení pouhých 20 luxů. Pokud bychom chtěli mít správně exponovanou fotografii, tedy s expozicí 15 luxsekund, museli bychom tímto bleskem svítit 15 / 20 = 0,75 sekundy! To je příliš dlouhý čas, fotografie by byla silně rozmazána i přes použití blesku. Expoziční čas ale bývá v praxi mnohem kratší, např. 100 ms (1/10 s), což znamená expozice pouhé 2 luxsekundy při vzdálenosti na jeden metr. Budete-li chtít snímat např. na dva metry, LED blesk nabídne naprosto nedostatečnou polovinu luxsekundy.


LED blesk od společnosti Agilent

Z tohoto důvodu jsou některé novější fotomobily vybavovány větším počtem LED diod, které zajistí např. dvojnásobné množství světla. Jak je ale z výpočtů patrné, ani to ve většině případů nebude stačit, protože ke kýženým 10 a 15 luxsekundám se to zdaleka nepřiblíží. Je tedy nutné se smířit s podexponovanou fotkou, nebo bleskem svítit podstatně delší dobu (cca 1/3 sekundy, což zajistí na metrovou vzdálenost celkem slušných 6 luxsekund) a riskovat pohybové rozmazání, případně navyšovat ISO citlivost. Např. dvojnásobná citlivost udělá z jedné čipem nasnímané luxsekundy zesílením dvě luxsekundy (a koukatelnější obrázek).


Xenonový blesk


Xenonový blesk může znít velmi moderně, nicméně v klasických fotoaparátech se už používá dlouhou dobu. Zde krásně vynikne rozdíl mezi osvětlením a expozicí. Zatímco LED blesky nabízí zhruba desítky luxů, u xenonových blesku toto číslo překonává hodnotu 100.000! Xenonový blesk tedy vydává přibližně několiktisíckrát silnější světlo než LED blesk. Druhým rozdílem je tedy logicky doba svícení. U LED blesku to šlo do desetin sekundy, u xenonového blesku trvá záblesk jen několik desítek mikrosekund. Např. u fotomobilu Sony Ericsson K800 má záblesk 203.000 luxů, ale délku trvání pouhých cca 80 mikrosekund (0,00008 sekundy proti cca 0,1 až 0,3 sekundy LED blesku). Docela snadno tak nabízí světelnou energii 16 luxsekund, což je pro snímek dostatečné.


Fotomobil Samsung s xenonovým bleskem

Výhodou xenonových blesků je díky krátkému expozičnímu času možnost zmrazit pohyb, k pohybovému rozmazání v podstatě u běžných scén nemůže dojít (leda za předpokladu slow synchro režimu, kdy se použije dlouhý expoziční čas na prosvětlení pozadí a blesk na prosvětlení a zaostření popředí). Naopak nevýhodou je to, že je nelze použít jako pomocné světlo pro videosekvence. Zatímco LED dioda s trvalým svícením nemá nejmenší problém, xenonový blesk dokáže vydávat pouze záblesky, ale nikoli konstantní světlo. Pro natáčení videosekvencí tak musí být dovybaven LED diodou (resp. druhým "bleskem").


Velké rozměry řešení xenonového blesku

Ačkoli to vypadá, že xenonový blesk má oproti LED blesku hodně navrch (což je pravda), trpí zároveň na velkou spoustu neduhů. Jedním z velkých problémů je bezpečnost. Samotné kondenzátory jsou provozovány s napětím 330 V, a to už je dost snížené napětí pro vyšší bezpečnost. Vybíjí se asi při 100 V. Ve skutečnosti by byla potřeba ještě vyššího napětí. Pro výboj xenonu v trubici je potřeba dokonce napětí 4000 až 8000 V.

Druhým problémem jsou rozměry. Jak vidíte na obrázku výše, vedle objektivu jsou dva velké kondenzátory s rozměry 18×7×7 mm. Je tedy jasné, že fotomobily s xenonovým bleskem nemohou být velmi tenké. Mezi další nevýhody patří náchylnost k poškození (v místě spojení těžkých kondenzátorů s PCB), vyšší elektromagnetické rušení, velmi dlouhý čas nabíjení (u fotomobilů zpravidla kolem 6 až 8 sekund) a potřeba mechanické závěrky, aby byl snímek správně exponovaný. Ani LED, ani xenonový blesk se nezdají být pro fotomobily tím pravým řešením. Tak jak z toho ven?


LED blesky se superkondenzátory (LED BriteFlash)


CAP-XX přišla se zajímavou technologií superkondenzátorů pro LED blesky. Účelem je dosáhnout akceptovatelných výkonů jako u xenonových blesků, ale zachovat výhody LED blesků, mezi něž patří např. rozměry i bezpečnost. A jak uvidíme dále, výhod by mohlo být podstatně více.


Kondenzátor versus superkondenzátor (www.cap-xx.com)

Na následující dvojici obrázků si můžete povšimnout rozdílů mezi klasickým LED bleskem a novějším BriteFlash bleskem. Rozdíl v množství světla je obrovský. LED obecně trpí na nepříjemnou barevnou teplotu, proto jsou snímky zpravidla divně nazelenalé. V tomto má xenonový blesk velkou výhodu, neboť jeho světlo je tomu dennímu barevnou teplotou mnohem blíže.


klasický LED blesk (
www.cap-xx.com)

LED blesk se superkondenzátorem (
www.cap-xx.com)

Superkondenzátor má proti klasickým kondenzátorům mnoho výhod. Prvně je to mnohem nižší napětí kolem 5,5 V s vybíjecím napětím 4,5 V (xenon již zmíněných 330 V, resp. 100 V), dalším pozitivem jsou menší rozměry. Model GS106 na snímku nahoře má např. rozměry 39×17×1,85 mm, takže tyto tenké plátky lze ve fotomobilu snadněji umísťovat. Další výhodou je to, že díky své vysoké kapacitě dokáže superkondenzátor obsloužit veškeré požadavky blesku sám a nemusí nárazově zatěžovat baterii. To dále způsobuje, že dobíjení blesku trvá pouhé 2 sekundy, u xenonu je to zhruba tří až čtyřnásobek.


graf výkonu LED, xenonového a LED BriteFlash blesku (www.cap-xx.com)

LED BriteFlash blesk zvládne jednou diodou dodat zhruba necelých 200 luxů, takže je přibližně 10× výkonnější než klasické LED. Pokud jsou využity hned 4 takové diody, lze se dostat zhruba ke 700 luxům, což už na rozumné použití stačí více než bohatě (dle grafu se zhruba dvoudiodové BriteFlash řešení vyrovná nejsilnějšímu xenonovému blesku. Jak jsme říkali již na začátku, na správně exponovaný snímek je potřeba cca 15 luxů. Při 4 LED BriteFlash diodách nám tedy postačí i čas 1/50 sekundy. S menším počtem diod budou časy samozřejmě delší, nicméně toto řešení už ve většině případů nabídne dostatečné osvětlení pro statické snímky a 3ze použít i u videosekvencí, což xenonový blesk nezvládne.

Na grafu s logaritmickou časovou osou vidíte dodanou světelnou energii. Ta malinká žlutá čára dole je klasický LED blesk. Shrnutí výhod je téměř nekonečné, malé prostorové nároky, vysoká trvanlivost, nízká voltáž -> vyšší bezpečnost, není nutno používat mechanickou závěrku, nižší elektromagnetické záření, podpora videosekvencí, krátké nabíjecí časy a dostatečný výkon i pro statické snímky.


Testy


Úroveň blesků jsem pochopitelně vyzkoušel s přístroji, které jsem měl k dispozici. K testu posloužily dva fotomobily Samsung I8910 HD a Sony Ericsson C903 s jedinou LED diodou, dále Nokia N86 8MP s dual LED bleskem (bohužel je zde jen pro jeden test, byla dříve vrácena zpátky) a protože nám nebyl dodán žádný fotomobil s xenonovým bleskem, nahradil jsem jej kompaktem Sony Cyber-shot DSC-S930. Ten patří k fotoaparátům, jejichž xenonový blesk patří k nejslabším.



Samsung I8910 HD (1/8 s, F2,6, ISO 220)



Nokia N86 8MP (1/8 s, F2,4, ISO 100)

Nokia N86 8MP (1/11 s, F2,4, ISO 528)

Ve vrchním řádku vidíte téměř stejné expoziční nastavení. Expoziční čas je totožný, Nokia má sice o 17% lepší světelnost, ale na to nyní zapomeňme (Samsung zase nemá dvakrát vyšší ISO, ale 2,2krát). Podívejte se na samotné snímky a citlivost. Dvojitý blesk by měl při poloviční citlivosti dát totožný výsledek, nicméně Nokia N86 8MP má i přesto podstatně více prosvětlenou fotografii ve srovnání se Samsungem. Dual LED blesk tohoto fotomobilu je tedy očividně velmi silný.

U druhého řádku už byly použity značně jiné expoziční nastavení, takže nejprve musíme trochu počítat. Samsung měl o 37 % delší expozici, ale o 17 % horší světelnost, Nokia pak měla o 140 % vyšší ISO citlivost. Ve výsledku (ať nezatěžuji spoustou matematiky, je to 2,4×1,17/1,37=2,04) by Nokia potřebovala na stejný výsledek (jako podala) při ISO 220 a F2,6 zhruba dvojnásobný čas, tedy 1/4 sekundy. Tedy, její expoziční nastavení bylo o 1 EV vyšší. Přesto jde velmi dobře vidět, že její dvojitý LED blesk je až překvapivě účinný (rozdíl v jasech rozhodně neodpovídá jednomu EV). Nyní se ale podívejme na srovnání s xenonovým bleskem slabšího kompaktu.


Sony Ericsson C903 (LED blesk, 1/8 s, F2,8, ISO 200)

Samsung I8910 HD (LED blesk, 1/3 s, F2,6, ISO 100)

Sony Cyber-shot S930 (xenonový blesk, 1/40 s, F2,9, ISO 100)

Ve srovnání se Sony Ericsson C903 má Samsung cca o 55 % vyšší expozici (2,66× delší čas, o 16 % lepší světelnost, ale poloviční citlivost), Sony Cyber-shot S930 pak proti Ericssonu má pouze 9% expozici! (20% čas, o 7 % horší světelnost a poloviční citlivost, tj. 0,2/1,07*0,5). Přesto je vidět, že xenonový blesk na kompaktu má i při sotva desetinové expozici proti fotomobilům s LED bleskem zdaleka nejlepší osvětlení a hlavně při velmi krátkém expozičním čase.


Závěr


Tímto krátkým povídáním jsme se podívali na fotomobily z posledního pohledu důležitého pro fotografii. Už víme, jaké technologie blesků se dnes používají, jaké jsou jejich výhody i nevýhody. Také jsme se dozvěděli, co se v této oblasti chystá a připravuje. Testy byly bohužel zatíženy nemožností nastavit shodná expoziční nastavení u fotomobilů i kompaktu, a tak jsou obtěžkány přepočty expozic. Poslední článek, který se bude věnovat teorii fotomobilů, bude zaměřen trochu jinak, a to na technologii MMS.


Zdroje:


Pierre Mars (CAP-XX Ltd.) - Get enlightened about camera phone flash units
Rick Yeo - Flash module vs. LED as light source for mobile phone digital camera applications
http://www.cap-xx.com
Updated Study on Study Compares Camera Phone Flash Solutions
Which camera phone takes the best low-light pictures?
LEDs Magazine - Implementing LED flash in camera phones


Autor: Milan Šurkala
Vystudoval doktorský program v oboru informatiky a programování se zaměřením na počítačovou grafiku. Nepřehlédněte jeho seriál Fotíme s Koalou o základech fotografování.