Ψηφιακή φωτογραφική μηχανή

Η ψηφιακή φωτογραφική μηχανή είναι συσκευή η οποία καταγράφει εικόνες με ηλεκτρονικό τρόπο, σε αντίθεση με την συμβατική φωτογραφική μηχανή, η οποία καταγράφει εικόνες με χημικές και μηχανικές διαδικασίες.

Οι περισσότερες ψηφιακές μηχανές μικρού μεγέθους (κόμπακτ) μπορούν, εκτός των φωτογραφιών, να καταγράψουν ήχο και  βίντεο. Στο Δυτικό κόσμο, οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές έχουν ήδη ξεπεράσει σε πωλήσεις τις μηχανές με φιλμ, αναγκάζοντας τους περισσότερους κατασκευαστές να εγκαταλείψουν την παραγωγή των δεύτερων.

Οπτικό σύστημα 
Η ψηφιακή και η συμβατική φωτογραφική μηχανή στηρίζονται εξ ίσου στις οπτικές ιδιότητες του φακού, με τον οποίο είναι εφοδιασμένες. Στην ψηφιακή μηχανή, ο φακός χρησιμοποιείται για να συγκεντρώνει το φως στον αισθητήρα της μηχανής, ο οποίος το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα. Ο φακός είναι από τα πλέον καθοριστικά στοιχεία τόσο για την ευκρίνεια της τελικής εικόνας όσο και για τις φωτογραφικές δυνατότητες κάθε συσκευής. Ο συνδυασμός του διαφράγματος και του κλείστρου ελέγχει το ποσό φωτός που θα δεχτεί ο αισθητήρας (ρύθμιση έκθεσης), όπως και στις μηχανές με φιλμ.

Αισθητήρας 
Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής του προσπίπτοντος φωτός σε ηλεκτρικό σήμα, οι αισθητήρες κατατάσσονται σε δύο τύπους: Αισθητήρες CMOS και αισθητήρες CCD.

Ανάλογα με τον τρόπο ανάπτυξης της χρωματικής πληροφορίας, οι αισθητήρες των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών διακρίνονται σε:
Αισθητήρες με φίλτρο Bayer, τύπου RGB. Χρησιμοποιείται στις περισσότερες ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές. Χαρακτηριστικό του είναι ότι μπροστά από κάθε υπο-αισθητήρα υπάρχει ένα κόκκινο ή πράσινο ή μπλε (στα αγγλικά, Red, Green, Blue) φίλτρο. Τα φίλτρα είναι έτσι διατεταγμένα, ώστε η πρώτη σειρά να σχηματίζει πλέγμα υποαισθητήρων RGRGRGRG, η επόμενη GBGBGBGB κ.ο.κ. Ο λόγος που τοποθετούνται περισσότεροι ανιχνευτές για το πράσινο χρώμα σε σχέση με το κόκκινο και το μπλε είναι η καλύτερη προσέγγιση της ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού. Οι τελικές τιμές RGB για κάθε εικονοστοιχείο (pixel) στο αρχείο εικόνας παράγονται από μαθηματικό υπολογισμό (παρεμβολή), ο οποίος χρησιμοποιεί την πληροφορία του αντίστοιχου υπο-αισθητήρα αλλά και των γειτονικών του. Έτσι, κάθε εικονοστοιχείο της παραγόμενης εικόνας περιέχει πλήρη χρωματική πληροφορία, παρόλο που το οπτικό φίλτρο που βρίσκεται εμπρός από τον αντίστοιχο υπο-αισθητήρα είναι μονοχρωματικό. Οι αισθητήρες Bayer χρησιμοποιούν πάντοτε και οπτικό φίλτρο αντι-αλίασης (anti-aliasing filter), το οποίο μειώνει ελαφρά την ανάλυση.
Άλλες ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, προσπαθώντας να δημιουργήσουν καλύτερο χρωματικό αποτέλεσμα, χρησιμοποιούν διαφορετική συστοιχία από φίλτρα Bayer, ώστε να μην επαναλαμβάνεται τόσο συχνά το πράσινο. Ένα τέτοιο φίλτρο είναι το RGBE όπου, πέρα από τα βασικά χρώματα, χρησιμοποιείται και το κυανό ή σμαραγδί.
Αισθητήρες με 3 CCD. Προκειμένου να έχουν καλύτερα αποτελέσματα, ορισμένες φωτογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν 3 "μονόδρομους" CCD αισθητήρες. Αφού το φως της εισερχόμενης στην μηχανή εικόνας διαθλαστεί με την χρήση κάποιου πρίσματος, μετράται ξεχωριστά η ένταση κάθε βασικού χρώματος από τον καθορισμένο για αυτό το χρώμα αισθητήρα CCD.
Αισθητήρας Foveon X3. Πρόκειται για μια ακόμη εναλλακτική μορφή αισθητήρα, ο οποίος χρησιμοποιεί έναν υπο-αισθητήρα τριών επιπέδων για το κάθε εικονοστοιχείο (pixel). Το κάθε επίπεδο παράγει ένα από τα τρία βασικά χρώματα RGB. Έτσι, ο υπο-αισθητήρας περιέχει ήδη την πλήρη χρωματική πληροφορία και δεν χρειάζεται η μαθηματική παρεμβολή που εφαρμόζεται στην έξοδο των αισθητήρων Bayer αλλά ούτε και το φίλτρο αντι-αλίασης.

Σε όλες τις ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές που δεν προορίζονται για αστρονομική χρήση, ο αισθητήρας διαθέτει και ισχυρό φίλτρο υπερύθρων ακτίνων.

Από τα βασικότερα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός αισθητήρα είναι ο αριθμός των υπο-αισθητήρων (και, επομένως, των εικονοστοιχείων), που καλύπτουν την επιφάνειά του. Έτσι υπάρχουν, για παράδειγμα, CCD των 3 Mpixel και CCD των 7 Mpixel. Όμως, πρέπει να τονιστεί ότι ο αριθμός των εικονοστοιχείων δεν είναι ποτέ, από μόνος του, ενδεικτικός της ανάλυσης (resolution) της παραγόμενης εικόνας, η οποία επηρεάζεται από το φακό, τον οπτικό θόρυβο (κόκκο) του αισθητήρα και την ποιότητα της επεξεργασίας που υφίσταται η εικόνα πριν την τελική αποθήκευσή της στην κάρτα μνήμης.

Οθόνη και σύστημα χειρισμού 
Ενώ τα βασικότερα υποσυστήματα της ψηφιακής μηχανής είναι το οπτικό σύστημα και ο αισθητήρας της, δεν νοείται η έλλειψη οθόνης για την προεπισκόπηση (αγγλικά, preview) των φωτογραφιών και ενός δυνατού και εύχρηστου συστήματος χειρισμού της. Επίσης είναι απαραίτητες οι λειτουργίες επεξεργασίας της εικόνας και αυτόματης διόρθωσης προβλημάτων όπως ο οπτικός θόρυβος, καθώς και η δυνατότητα αποθήκευσης σε διάφορα φορμά εικόνας.

Η καρδιά όλων των παραπάνω λειτουργιών είναι ο μικροελεγκτής της μηχανής, ο οποίος περιέχει ισχυρό λογισμικό και δρα σε συνεργασία με κάποιο εξειδικευμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) επεξεργασίας εικόνας. Οι εικόνες γράφονται προσωρινά σε πολύ γρήγορη μνήμη RAM, πριν τελικά αποθηκευτούν στην αφαιρούμενη κάρτα μνήμης, η οποία είναι σημαντικά πιο αργή. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται με σκοπό την αύξηση της ταχύτητας λήψης, η οποία φτάνει, στα επαγγελματικά μοντέλα DSLR, τις 5 φωτογραφίες ανά δευτερόλεπτο.
 
Οι οθόνες των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών βελτιώνονται συνεχώς, με αύξηση του μεγέθους και της ανάλυσής τους, ενώ στα φτηνά μοντέλα έχουν υποκαταστήσει τελείως το οπτικό σύστημα σκόπευσης.

Τελικό αποτέλεσμα 
Όταν η εικόνα καταγραφεί στην ψηφιακή μηχανή, είτε μεταφέρεται σε ηλεκτρονικό μέσο αποθήκευσης (προκειμένου να ελευθερωθεί ο χώρος αποθήκευσης της συσκευής) είτε εκτυπώνεται, με χρήση εκτυπωτή ή άλλης ανάλογης συσκευής, όπως ακριβώς και η παλαιότερη φωτογραφία. Το μεγάλο πλεονέκτημα της ψηφιακής εικόνας είναι ότι επιδέχεται επεξεργασία πολύ πιο εύκολα από την κοινή, κάτι που επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικού λογισμικού.

Πλεονεκτήματα 
Τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής είναι:
Χωρίς αλλαγή εξαρτημάτων, η ψηφιακή μηχανή μπορεί να έχει διαφορετική ευαισθησία στο φως, ανάλογα με τη στάθμη ευαισθησίας (κλίμακα ISO)  που επιλέγουμε. Στις μηχανές με φιλμ, αλλαγή στην ευαισθησία μπορεί να επιτευχθεί μόνο με αλλαγή του φιλμ.
Χωρίς αλλαγή εξαρτημάτων, η ψηφιακή μηχανή μπορεί να έχει διαφορετική χρωματική απόκριση (επιλογή white balance), ανάλογα με τη διαθέσιμη φωτεινή πηγή, ώστε το παραγόμενο αποτέλεσμα να είναι χρωματικά ουδέτερο ή να έχει την απόχρωση που επιθυμούμε. Στις μηχανές με φιλμ δεν είναι δυνατή η τροποποίηση της χρωματικής απόκρισης παρά μόνο με ειδικά φιλμ, ή -εν μέρει- μέσω πρόσθετων (και δύσχρηστων) οπτικών φίλτρων.
Η κάρτα μνήμης μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί πάρα πολλές φορές και δεν χρειάζεται ειδικές συνθήκες αποθήκευσης. Οι αποθηκευμένες εικόνες δεν επηρεάζονται από τα μηχανήματα ακτίνων X στα αεροδρόμια.
Η χωρητικότητα των καρτών μνήμης, όπου αποθηκεύονται οι εικόνες, είναι πάρα πολύ μεγάλη. Έτσι, μια ψηφιακή μηχανή εφοδιασμένη με κάρτα υψηλής χωρητικότητας μπορεί να χωρά πολύ περισσότερες φωτογραφίες από ένα φιλμ 35mm. Επιπλέον, οποιαδήποτε αποθηκευμένη εικόνα μπορεί να διαγραφεί εκ των υστέρων, κάτι που στην κοινή φωτογραφική μηχανή είναι αδύνατο.
Στις μηχανές με μεγάλο ψηφιακό αισθητήρα (όπως οι ψηφιακές ρεφλέξ ή αλλιώς DSLR, ακόμη και τα προσιτά μοντέλα), η ευκρίνεια της παραγόμενης εικόνας πλησιάζει πολύ ή ξεπερνά αυτή του έγχρωμου φιλμ 35mm. Ενδεικτικά, έχει υποστηριχθεί ότι μηχανή DSLR (κατασκευής 2004) των 6 megapixel δίνει εικόνες με ανάλυση που φτάνει το 75%-100% του φιλμ. Η ανάλυση που δίνουν οι ψηφιακές μηχανές αυτού του είδους υπερβαίνει σημαντικά αυτήν του φιλμ, όταν χρησιμοποιείται μεγάλη ευαισθησία στο φως (υψηλή ευαισθησία ISO). Έτσι, στις μεγάλες τιμές ISO, το έγχρωμο φιλμ δεν μπορεί να συναγωνιστεί τις DSLR σε οπτικό θόρυβο (κόκκο). Ενδεικτικά, σε τεστ που διεξάχθηκε το 2003, εικόνα από άριστης ποιότητας έγχρωμο φιλμ ευαισθησίας ISO 100 παρουσίαζε τον ίδιο κόκκο με αυτόν που έδωσε κορυφαία (εκείνη την εποχή) DSLR, ρυθμισμένη σε ευαισθησία ISO 800.  
Η ψηφιακή φύση της εικόνας δίνει τεράστιες δυνατότητες μετάδοσης και μετέπειτα επεξεργασίας στον υπολογιστή, χωρίς την ανάγκη δύσχρηστων χημικών και σκοτεινού θαλάμου. Ειδικά στη διόρθωση της χρωματικής ισορροπίας, της αντίθεσης (κοντράστ) και των σφαλμάτων φακών και προοπτικής, καθώς και στην αφαίρεση ενοχλητικών λεπτομερειών, οι δυνατότητες είναι σχεδόν απεριόριστες. Επίσης, είναι δυνατή η επεξεργασία του βάθους πεδίου, η προσθήκη κόκκου, θολώματος, οξύτητας κ.α. Γι αυτό το λόγο, οι απαιτητικοί χρήστες αρνητικού και θετικού φιλμ (σλάιντ) ψηφιοποιούν τις φωτογραφίες τους με εξειδικευμένους σαρωτές (σκάνερ) υψηλής ποιότητας, προκειμένου να έχουν τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής επεξεργασίας και εκτύπωσης.
Υπάρχουν αρκετοί σύγχρονοι οικιακοί εκτυπωτές οι οποίοι μπορούν να δώσουν από ικανοποιητική έως πολύ υψηλή ποιότητα τυπωμένης ψηφιακής φωτογραφίας. Αυτό είναι αδύνατο να γίνει με ερασιτεχνικό εξοπλισμό, για το έγχρωμο φιλμ τουλάχιστον.
Η ψηφιακή φύση της εικόνας διευκολύνει σε τεράστιο βαθμό την παραγωγή φτηνών πανομοιότυπων αντιγράφων, σε μεγάλη ποικιλία μέσων αποθήκευσης (CD, DVD, σκληρούς δίσκους, κάρτες μνήμης, διαδικτυακές βάσεις δεδομένων κ.α.). Αντίθετα, το αρνητικό φιλμ ναι μεν διατηρείται, αν φυλάσσεται σωστά, για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά η ποιότητα υποβαθμίζεται σε κάθε παραγωγή αντιγράφου. Επίσης, θα πρέπει να εξασφαλιστεί η διαθεσιμότητα χημικών και μηχανημάτων για την εμφάνισή του στο μέλλον, κάτι που είναι αβέβαιο.
Η ενσωματωμένη οθόνη δίνει δυνατότητα στιγμιαίας προθέασης του αποτελέσματος. Αν ο φωτογράφος δεν είναι ικανοποιημένος, μπορεί να επαναλάβει τη φωτογράφιση, π.χ. με άλλες ρυθμίσεις έκθεσης, χρωματικής ισορροπίας, φλας κλπ. Αντίθετα στο φιλμ πρέπει να περιμένουμε την εμφάνισή του (εξαιρείται το φιλμ πολαρόιντ, το οποίο όμως δεν παρήγαγε υψηλής ποιότητας φωτογραφίες και το κόστος του ήταν υψηλό).
Ο ψηφιακός αισθητήρας εικόνας μπορεί, με ανάλογη υποβάθμιση της ποιότητας της παραγόμενης εικόνας, να έχει πολύ μικρές διαστάσεις, διευκολύνοντας την ενσωμάτωση σε άλλες συσκευές, όπως, π.χ. κινητά τηλέφωνα.
Εφόσον δεν υπάρχει φιλμ, δεν επηρεάζεται από την τυχαία είσοδο φωτός ή άλλης ακτινοβολίας στο εσωτερικό της.
Μπορεί να δημιουργήσει, ηλεκτρονικά, μεγέθυνση (zoom) χωρίς να διαθέτει ανάλογο φακό. Αυτή η δυνατότητα υποβαθμίζει σημαντικά την ποιότητα εικόνας και πρέπει να αποφεύγεται εν γένει (το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί εκ των υστέρων, κατά την επεξεργασία της εικόνας σε υπολογιστή).
Ο ίδιος αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη λήψη ταινίας βίντεο.

Μειονεκτήματα 
Τα μειονεκτήματα της ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής είναι:
Ο αισθητήρας κορέννυται πολύ γρήγορα σε υψηλές στάθμες φωτεινότητας, δίνοντας άχρηστη ("καμμένη") εικόνα (δεν πρόκειται για βλάβη, απλά απώλεια δεδομένων για τη συγκεκριμένη φωτογραφία). Έτσι, η συμπεριφορά του μοιάζει με αυτή του θετικού φιλμ (slide). Αυτό σημαίνει πως ο φωτογράφος πρέπει είναι πολύ προσεκτικός ώστε να αποφεύγει την υπερέκθεση τμημάτων τις φωτογραφίας του. Ευτυχώς, οι σύγχρονες μηχανές δίνουν πολλά βοηθήματα για να αποφευχθεί η υπερέκθεση κατά τη φωτογράφιση, όμως απαιτείται σημαντική εξοικείωση με τη μηχανή και τις βασικές φωτογραφικές έννοιες, προκειμένου να αξιοποιηθούν. Αντίθετα, το αρνητικό φιλμ έχει -ακόμη κι όταν υπερεκτεθεί- σημαντικά περιθώρια αποτύπωσης πληροφορίας.
Πολλά από τα πλεονεκτήματα του ψηφιακού μέσου (όπως η επεξεργασία και η εύκολη παραγωγή αντιγράφων) δεν μπορούν να αξιοποιηθούν από όσους δεν έχουν εξοικείωση με τη χρήση προσωπικού υπολογιστή (PC).
Στις μηχανές με μικρούς αισθητήρες (κατηγορίες κόμπακτ, σούπερ-κόμπακτ, καθώς και τα κινητά τηλέφωνα), η ποιότητα εικόνας (κόκκος, ευκρίνεια) είναι σημαντικά κατώτερη, και η δυνατότητα περαιτέρω επεξεργασίας περιορίζεται αισθητά λόγω της απουσίας της δυνατότητας καταγραφής της εικόνας σε αρχείο πρωτογενούς (raw) μορφής.
Η οικιακή εκτύπωση είναι πάντοτε αρκετά ακριβή, αν συνυπολογιστεί το κόστος των μελανιών και του ειδικού χαρτιού, η δε διάρκεια ζωής της εκτυπωμένης φωτογραφίας δεν είναι μεγάλη, αν δεν ληφθούν μέτρα προφύλαξης, όπως η τοποθέτηση σε άλμπουμ. Η διάρκεια ζωής είναι σημαντικά μεγαλύτερη όταν ο εκτυπωτής είναι θερμικός ή χρησιμοποιεί μη υδατοδιαλυτές μελάνες (pigment-based). Αυτά τα προβλήματα δεν υπάρχουν στην εκτύπωση από επαγγελματικά μηχανήματα, τα οποία συχνά χρησιμοποιούνται και για την εκτύπωση από φιλμ.
Στις ψηφιακές μηχανές με εναλλάξιμους φακούς (όπως οι DSLR), συχνά επικάθεται σκόνη πάνω στον αισθητήρα, με ορατό αποτέλεσμα, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται μικρά διαφράγματα. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται εν μέρει με προσεκτικό χειρισμό κατά την αλλαγή φακού και περιστασιακό καθάρισμα του αισθητήρα (όποτε αυτό είναι αναγκαίο). Σε πολλά καινούρια μοντέλα, υπάρχει ενσωματωμένος μηχανισμός αυτόματου καθαρισμού του αισθητήρα.

Μεγάλοι κατασκευαστές 
Ο κατάλογος αυτός δεν περιλαμβάνει όλους τους κατασκευαστές
Canon
Fuji
Nikon
Sony
Samsung
Panasonic
Pentax
Olympus
Hewlett-Packard (HP)
Kodak

Υποσημειώσεις

Δείτε επίσης 
Φωτογραφική μηχανή (συμβατική)
Φακός
Φωτογραφία
Χρωματικά μοντέλα

Ψηφιακή τεχνολογία
Φωτογραφική μηχανή