SNÍMÁNÍ OBRAZU. KAMEROVÉ SYSTÉMY pro 3. ročníky tříletých učebních oborů ELEKTRIKÁŘ. Petr Schmid listopad 2011

Transkript

1 KAMEROVÉ SYSTÉMY pro 3. ročníky tříletých učebních oborů ELEKTRIKÁŘ SNÍMÁNÍ OBRAZU Petr Schmid listopad 2011 Projekt Využití e-learningu k rozvoji klíčových kompetencí reg. č.: CZ.1.07/1.1.10/ je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky. 1

2 Snímání obrazu Základem kamery je senzor, který je jeden z určujících prvků výsledné kvality obrazu. Může být vyroben technologií CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) nebo CCD (Charge-coupled device) Oba typy senzorů jsou založeny na dvourozměrném poli pixelů, kde každý z nich obsahuje světlocitlivý prvek - fotodiodu která je schopna přeměňovat část optického záření na elektrický signál (pro zjednodušení si jej můžete představit jako malý solární panel). Odlišnost není v konstrukci vlastního světlocitlivého pixelu, ale jen v následném zpracování signálu. CCD senzor používá sekvenční (postupné) vyčítání obsahu senzoru a potřebuje více elektroniky kolem vlastního senzoru. Naopak CMOS senzor má většinu elektroniky integrovánu přímo v sobě a tak jsou tyto senzory levnější a méně náročné na energii. CMOS senzorům se proto často říká Active-pixel sensor (APS). CMOS senzory však v minulosti trpěly nižší citlivostí na světlo a tím nižší kvalitou obrazu, v dnešní době je již tento handicap setřen novými technologiemi, např. BSI (viz. níže) Senzory mají analogový výstup, proto následuje A/D převodník, který toto analogové napětí převede do digitální formy pro další zpracování v obrazovém procesoru, který je dalším prvkem určujícím kvalitu obrazu. Příklad CCD čipu: Příklad CMOS čipu: Princip CCD senzoru - Na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo. Dopadající fotony excitují (uvedou do vyšší energetické hladiny) v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo. Po uzavření závěrky se začne na elektrody 1, 2 a 3 přivádět trojfázový hodinový signál (existují i CCD se čtyřfázovým nebo naopak dvoufázovým čtením). To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2. Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý proud 2

3 odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu. Expozice obrazu Snímání obrazu Výhody CCD kamery - vysoká životnost a spolehlivost - nízké provozní náklady - vysoká stálost optických a elektrických parametrů - vyloučení rizika vypálení nebo poškození při přesvětlení - snímání pohyblivých předmětů bez závoje bez geometrického zkreslení - odolnost proti magnetickému a elektrickému poli, vibracím a rázům 3

4 - dobrá citlivost v oblasti blízkého infraspektra CCD kameru volíme především podle rozlišovací schopnosti a citlivosti (odpovídající kvalitu musí mít i ostatní prvky daného videořetězce) CMOS senzor - Elektronika je integrována přímo v buňce senzoru, má svůj vlastní zesilovač a je přímo adresována a čtena (na rozdíl CCD, který je čten postupně). Protože elektronika zabírá část plochy buňky a snižuje tak citlivou část buňky, používají výrobci tzv. mikroobjektivy, které soustřeďují na tuto část více světla. Tím kompenzují obrazový šum, vznikající nutným vyšším zesílením, potřebným vzhledem k menší citlivé ploše buňky. Nová technologie BSI (Back Side Illumination) dokáže čipu dodat až o 60-90% více světla. U čipu s BSI je použita jiná technologie výroby, kdy jsou vodivé spoje a tranzistory umístěny až pod světlocitlivou vrstvou křemíkové plochy, u standardních CMOS snímačů jsou umístěny na této světlocitlivé ploše. Společnost Sony údajně optimalizovala fotodiodu a objektiv kvůli redukci šumu. Rovněž tak odstranila riziko vadných pixelů a zajistila redukci barevného spektra speciálním barevným filtrem. Díky unikátní struktuře této technologie tak společnost Sony vyvinula senzor CMOS. Rozteč pixelů by měla být 1,75µm a optický formát kolem 1/3,2 palců. 4

5 Ukázka rozdílu mezi starší technologií Front-illumination a novější Back-illumination Vývojová řada formátů čipů: 1" 16 9,6 11 2/3" 6,6 1/2" 1/3" 1/4" 8 4,8 6 3,6 2,7 12,8 8,8 6,4 4,8 3,6 Kontrolní otázky: 1) Vysvětli základní rozdíl mezi CCD a CMOS senzorem. 2) Popiš princip snímání obrazu CCD senzorem. 3) Jakou novou technologií se podstatně zlepšily vlastnosti CMOS senzoru? 5