Kosmická sonda Spirit nám dává lekci z oboru digitální fotografie: Věnujte více peněz do optiky a ne do pixelů.
Každý, kdo si lámal hlavu s otázkou, zda si pořídit 3-megapixelový nebo 4-megapixelový digitální fotoaparát, bude asi nyní překvapen. Kosmická sonda Spirit získává své ohromující detailní snímky z Marsu pomocí 1-megapixelového fotoaparátu o velikosti lidské dlaně a který by se vešel do kapsy.
Podle představitelů mise, ale sonda poskytuje snímky, které jsou kvalitou srovnatelné s projekčním systémem IMAX.
Slovo pixel je odvozeno od pojmu "obrazový element". Pixel je nejmenší informační bod, ze kterého je sestaven digitální snímek. Jeden mexapixel je milion pixelů, sesazených do pole o velikosti přibližně 1000 x 1000 pixelů.
Je zřejmé, že více pixelů dává vyšší rozlišení. Pro zobrazení na obrazovce to je obecně pravda. Jestliže ale pořizujeme a ukládáme snímky, je pixel obvykle označován pojmem sensor a jejich počet je jedním z mnoha faktorů, které ovlivňují kvalitu snímku.
Usilování o dokonalost
Technologie použitá na Panoramatické kameře (Pancam) sondy Spirit je ve svých základech stejná, jako technologie, kterou používají digitální kamery Casio nebo Pentax.
Tajemství dokonalosti je v objektivech Pancamu. Kamera má dva objektivy, což umožňuje stereoskopické vidění. Objektivy jsou velmi přesně vyrobeny, mnohem přesněji, než nejlepší z objektivů dostupných na trhu.
Naproti tomu světlocitlivá křemíková destička, známá jako nábojově vázaný prvek či CCD, byla vyrobena s ohledem pro nízké světelné toky. Podobné prvky jsou používány i v masově vyráběných komerčních kamerách.
Snad nejdůležitější je to, že senzory na Spiritu jsou větší, vysvětluje Patrick Myles, ředitel corporate communication z Dalsa Corporation, která CCD prvky pro všechny kamery roverů vyráběla (Spirit má celkem devět kamer, včetně bezpečnostních a mikroskopických).
Například CCD matice Sony DSC-F717, jejíž maloobchodní cena je $600 má 5.2 milionů pixelů osazených na chipu o rozměru 8.8x6.6 milimetrů. Pancam má pouze milion pixelů, ale ty jsou rozprostřeny na ploše 12x12 mm.
Velikost každého z nepatrných senzorů Pancamu je měřena v mikrometrech, což je téměř čtyřikrát více než má výše zmíněný chip od Sony.
Na běženém trhu (na který se společnost Dalsa ale nezaměřuje) jsou obvykle používány 5-megapixelové kamery, které mají velikost chipu stejnou jako 3-megapixely. Prostě, na stejné plošce je namačkáno více pixelů.
"Pixely se vyrábějí stále menší," říká Myles. "Tento fakt se ale odráží na kvalitě snímku." Proč? Z jednoho důvodu. Menší pixely jsou méně citlivé.
Stejně tak, množství pixelů je omezeno kvalitou objektivu. Jak se receptory světla stávají menší, jsou potřeba stále kvalitnější objektivy, protože je třeba přesněji fokusovat světlo na každý z pixelů. Takže dva různé pixely by měly zachytit různou světelnou informaci. V případě nekvalitních objektivů se ale stejná informace rozprostře přes několik pixelů.
Vidění 20-20
Pancam byla vyvinuta na Cornellově Universitě a postavena v NASA Jet Propulsion Laboratory. Obrazové díly s kvalitou projekčního systému IMAX a další špičkové zobrazovací zařízení dodala společnost Dalsa, založená ve Waterloo, Ontario, Canada. Tato společnost byla také vyzvána k dodání CCD prvků pro Pancamy na obou sonách.
"Jsou to světově špičkové chipy, co se týče světelné citlivosti a kvality," řekl Myles v telefonickém interviewu.
Oficiální představitelé NASA prohlásili, že kamera povrch Marsu zobrazuje stejně, jako lidské vidění 20-20. Ale kdokoli, kdo si přiblíží např. vzdálené kameny na barevných snímcích Spiritu, bude překvapen a usoudí, že lepší vidění může mít jedině Superman.
Odborníci řeší nekonečný spor o tom, co lidské oko může opravdu spatřit. Lze srovnávat lidské vidění s tím, co fotografuje kamera? "Je to skutečně velká spekulace," řekl Myles.
Jestliže NASA zobrazování kamery přirovnává k lidskému zraku "je to tak trochu obchodní propaganda", vysvětluje Myles. Lidem to pomáhá udělat si představu o kvalitě." Výška a šířka snímku z Pancam přibližně odpovídá hodnotám, jak to člověk vidí v periferním vidění. Pancam má také lidskou perspektivu. Je namontována na držáku roveru, ve výšce kolem 1.4m nad povrchem.
Myles dodává, že skutečné snímky svou kvalitou pravděpodobně předčí lidské schopnosti, zejména po té, co je snímek počítačově zpracován a je využito funkce zoomu.
Triky se světlem
Pancam nepořizuje rovnou barevné snímky. Kamera pracuje se světlem a stínem v různých úrovních šedi. Tak jako jiné CCD kamery používané pro nejkvalitnější astrofotografii (např. kamera umístěná na Kosmickém dalekohledu HST), používá i kamera na Spiritu soustavy filtrů. Barevné snímky jsou pak vytvářeny jako montáž několika snímků přes barevné filtry.
Základní podstata procesu získávání barevné fotografie je ta, že jsou kombinovány tři snímky stejné scény, exponované přes červený, zelený a modrý filtr. Speciální software tyto snímky sloučí dohromady a vytvoří výslednou barevnou fotografii.
V běžných digitální kamerách se používá jednovrstevný filtr, který převádí fotonovou skutečnost na elektrony a ty dále tvoří digitální informaci.
Konečně Pamcam se může otáčet o 360o v horizontální ose a o 90o vertikálně. Jednotlivé obrázky potom můžeme slepovat do jednoho velkého snímku a vytvářet celkový obraz okolí roveru. Vědci očekávají, že snímky odhalí důležité geologické detaily o horninách. Dále jsou snímky používány pro navigaci a výběr vzdálených vědeckých cílů.
Moderní vs zastaralé
Říká se, že snímky ze Spiritu jsou třikrát ostřejší než snímky, které získal v r. 1997 Mars Pathfinder mission nebo v sedmdesátých letech sondy Viking.
Sondy Viking, stejně jako Voyagery při průzkumu vnějších planet, používaly pro zobrazování technologii, podobnou zastaralým vákuovým televizním lampám. CCD technologie byla poprvé vyvinuta v r. 1969, ale během dalších deseti let byly CCD prvky natolik velké, že je nebylo možné reálně využít.
Velký díl výzkumu, který nakonec vedl k dnešním komerčním digitálním CCD kamerám udělala NASA. Základním krokem byl vývoj obrazové matice o velikosti 800x800 (menší než megapixel), kterou NASA použila na Hubbleově teleskopu.
Výsledky z Pancam jsou podle vedoucích představitelů mise úchvatné. Astronom z Cornell University James Bell, který vedl vývoj kamery označil první obrázky ze Spiritu "absolutně dokonalé."
Webcam
