SNÍMÁNÍ OBRAZU

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.1.07/1.1.10/03.0021
je spolufinancován z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu
České republiky.
1
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
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
-
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
Ukázka rozdílu mezi starší technologií Front-illumination a novější Back-illumination
Vývojová řada formátů čipů:
1"
2/3"
16
9,6
12,8
11
1/2"
6,6
8,8
8
6,4
4,8
1/3"
1/4"
6
3,6
2,7
4,8
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
3,6