Wstęp

W tej pracy kursu rozważę ogólne informacje o urządzeniach CCD, parametrach, historii powstania, charakterystyce współczesnych kamer CCD w zakresie średniej podczerwieni.

W wyniku egzekucji Praca semestralna studiował literaturę o stworzeniu, zasadach działania, charakterystyka techniczna oraz zastosowanie kamer CCD średniej podczerwieni.

CCD. Fizyczna zasada CCD. CCD

Urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) to seria prostych struktur MIS (metal - dielektryk - półprzewodnik) utworzonych na wspólnym podłożu półprzewodnikowym w taki sposób, że paski metalowych elektrod tworzą liniowy lub regularny układ matrycowy, w którym odległość między sąsiednimi elektrody są wystarczająco małe (ryc. 1). Ta okoliczność decyduje o tym, że wzajemny wpływ sąsiednich struktur MIS jest decydujący w działaniu urządzenia.

Rysunek 1 - Struktura CCD

Głównym celem funkcjonalnym światłoczułych CCD jest przekształcanie obrazów optycznych w sekwencję impulsów elektrycznych (tworzących sygnał wideo), a także przechowywanie i przetwarzanie informacji cyfrowych i analogowych.

CCD produkowane są na bazie krzemu monokrystalicznego. W tym celu cienka (0,1-0,15 μm) warstwa dielektryczna dwutlenku krzemu jest tworzona na powierzchni płytki krzemowej poprzez utlenianie termiczne. Proces ten realizowany jest w taki sposób, aby zapewnić doskonałość styku półprzewodnik – izolator oraz zminimalizować koncentrację centrów rekombinacji na styku. Elektrody poszczególnych elementów MIS wykonane są z aluminium, ich długość wynosi 3-7 mikronów, szczelina między elektrodami wynosi 0,2-3 mikronów. Typowa liczba elementów MIS 500-2000 w liniowej i macierzowej matrycy CCD; powierzchnia płyty Pod skrajnymi elektrodami każdego rzędu wykonane są złącza p-n, przeznaczone do wprowadzania-wyjścia części ładunków (pakietów ładowania) elektrycznych. metoda (wtrysk przez p-n-złącze). Z fotowoltaiką wejście pakietów ładujących, CCD jest oświetlony z przodu lub z tyłu. W oświetleniu czołowym, aby uniknąć efektu zacienienia elektrod, aluminium jest zwykle zastępowane filmami silnie domieszkowanego krzemu polikrystalicznego (polikrzemu), przezroczystego w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni.

Jak działa CCD

Ogólna zasada działania CCD jest następująca. Jeśli do dowolnej metalowej elektrody CCD zostanie przyłożone napięcie ujemne, to pod działaniem powstającego pola elektrycznego elektrony, które są głównymi nośnikami w podłożu, opuszczają powierzchnię głęboko w półprzewodniku. Na powierzchni tworzy się obszar zubożenia, który na wykresie energetycznym reprezentuje studnię potencjału dla nośników mniejszościowych - dziury. Otwory wpadające w ten obszar w jakikolwiek sposób są przyciągane do interfejsu izolator – półprzewodnik i są zlokalizowane w wąskiej warstwie podpowierzchniowej.

Jeżeli teraz do sąsiedniej elektrody zostanie przyłożone napięcie ujemne o większej amplitudzie, wówczas powstaje głębsza studnia potencjału i przechodzą do niej otwory. Stosując niezbędne napięcia sterujące do różnych elektrod CCD, można zapewnić zarówno przechowywanie ładunków w określonych obszarach przypowierzchniowych, jak i ukierunkowany ruch ładunków wzdłuż powierzchni (od struktury do struktury). Wprowadzenie pakietu ładunków (nagranie) może odbywać się albo przez złącze pn znajdujące się na przykład w pobliżu skrajnego elementu CCD, albo przez generowanie światła. Usunięcie ładunku z układu (odczyt) również najłatwiej przeprowadzić za pomocą złącza pn. Zatem CCD to urządzenie, w którym informacje zewnętrzne(sygnały elektryczne lub świetlne) są przekształcane w pakiety ładunków nośników ruchomych, znajdujących się w określony sposób w obszarach przypowierzchniowych, a przetwarzanie informacji odbywa się poprzez kontrolowany ruch tych pakietów po powierzchni. Oczywistym jest, że w oparciu o przetworniki CCD można budować systemy cyfrowe i analogowe. W przypadku układów cyfrowych ważny jest tylko fakt obecności lub braku ładunku dziur w danym elemencie CCD, w przetwarzaniu analogowym zajmują się one wartościami poruszających się ładunków.

Jeśli strumień światła niosący obraz zostanie skierowany na wieloelementową lub matrycową matrycę CCD, wówczas fotogeneracja par elektron-dziura rozpocznie się w objętości półprzewodnika. W obszarze zubożenia CCD nośniki są rozdzielane i dziury gromadzą się w studniach potencjału (co więcej, wartość nagromadzonego ładunku jest proporcjonalna do lokalnego oświetlenia). Po pewnym czasie (rzędu kilku milisekund), wystarczającym do percepcji obrazu, obraz pakietów ładunku odpowiadający rozkładowi oświetlenia zostanie zapisany w matrycy CCD. Gdy zegar jest włączony, pakiety ładowania zostaną przeniesione do czytnika wyjściowego, który zamienia je na sygnały elektryczne. W rezultacie wyjściem będzie sekwencja impulsów o różnych amplitudach, których obwiednię daje sygnał wideo.

Zasadę działania przetwornika CCD na przykładzie fragmentu linii FCD, sterowanego układem trójfazowym (trójfazowym), ilustruje rysunek 2. W cyklu I (odbiór, akumulacja i przechowywanie obrazu informacji), tzw napięcie magazynowania Uxp, wypychające główne nośniki - dziury w przypadku krzemu typu p - głęboko w półprzewodnik i tworzące zubożone warstwy o głębokości 0,5-2 mikronów - studnie potencjału dla elektronów. Oświetlenie powierzchni PCCD generuje nadmiar par elektron-dziura w objętości krzemu, podczas gdy elektrony są wciągane do studni potencjału, zlokalizowanej w cienkiej (0,01 μm) warstwie przypowierzchniowej pod elektrodami 1, 4,7, tworząc pakiety ładunku sygnału.

kamera z łączem ładującym na podczerwień

Rysunek 2 - Schemat działania urządzenia trójfazowego ze sprzężonym ładunkiem - rejestr przesuwny

Ilość ładunku w każdym pakiecie jest proporcjonalna do ekspozycji powierzchni w pobliżu danej elektrody. W dobrze uformowanych strukturach MIS generowane ładunki w pobliżu elektrod mogą utrzymywać się przez stosunkowo długi czas, ale stopniowo, z powodu generowania nośników ładunków przez centra zanieczyszczeń, defekty w masie lub na styku, ładunki te będą się akumulować w potencjalne studnie, aż przekroczą ładunki sygnałowe, a nawet całkowicie wypełnią studnie.

Podczas cyklu II (przenoszenie ładunku) do elektrod 2, 5, 8 i tak dalej przykładane jest odczytane napięcie wyższe niż napięcie przechowywania. Dlatego pod elektrodami 2, 5 i 8 powstają głębsze potencjały. studni niż pod elektronami 1, 4 i 7, a ze względu na bliskość elektrod 1 i 2, 4 i 5,7 i 8 bariery między nimi znikają i elektrony przepływają do sąsiednich, głębszych studni potencjału.

Podczas cyklu III napięcie na elektrodach 2, 5, 8 spada do a, jest usuwane z elektrod 1, 4, 7.

To. wszystkie pakiety ładunków są przesyłane wzdłuż linii CCD w prawo o jeden krok równy odległości między sąsiednimi elektrodami.

Podczas całej operacji na elektrodach, które nie są bezpośrednio połączone z potencjałami, utrzymywane jest niewielkie napięcie polaryzacji (1-3 V), co zapewnia wyczerpywanie się nośników ładunku na całej powierzchni półprzewodnika i osłabienie na niej efektów rekombinacji.

Powtarzając wielokrotnie proces przełączania napięć, wszystkie pakiety ładunków, wzbudzane na przykład przez światło w linii, są kolejno wyprowadzane przez skrajne złącze r-h. W takim przypadku w obwodzie wyjściowym pojawiają się impulsy napięciowe proporcjonalne do ilości ładunku danego pakietu. Wzorzec oświetlenia zostaje przekształcony w ładunek powierzchniowy, który po przemieszczeniu się wzdłuż całej linii zamieniany jest na sekwencję impulsów elektrycznych. Im większa liczba elementów w rzędzie lub matrycy (liczba 1 - odbiorniki IR; 2 - elementy buforowe; 3 - CCD to niepełne przeniesienie pakietu ładunku z jednej elektrody na sąsiednią i wynikające z tego zniekształcenie informacji jest wzmacniane w czasie transferu światła, na krysztale FPCD powstają przestrzennie odseparowane obszary percepcji - akumulacji i przechowywania - odczytu, przy czym w pierwszym zapewniają one maksymalną światłoczułość, a w drugim przeciwnie, zasłaniają go przed światłem. jednego cyklu, są przesyłane do rejestru 2 (z elementów parzystych) i do rejestru 3 (z elementów nieparzystych).Podczas gdy informacje są przekazywane przez te rejestry przez wyjście 4 do układu scalającego sygnał 5, nowa klatka wideo jest gromadzona w linii 1. FPSS z transferem ramek (rysunek 3), informacja odebrana przez macierz akumulacji 7 jest szybko „zrzucana” do macierzy pamięci 2, z której kolejne ale jest odczytywany przez rejestr CCD 3; jednocześnie macierz 1 gromadzi nową ramkę.

Rysunek 3 - akumulacja i odczyt informacji w liniowym (a), macierzowym (b) urządzeniu światłoczułym ze sprzężonym ładunkiem oraz w urządzeniu z wtryskiem ładunku.

Oprócz przetworników CCD o najprostszej budowie (rys. 1) rozpowszechniły się także inne ich typy, w szczególności urządzenia z nakładającymi się elektrodami polikrzemowymi (rys. 4), które zapewniają aktywny efekt fotoelektryczny na całej powierzchni półprzewodnika i niewielką przerwę między nimi. elektrody i urządzenia o asymetrii właściwości przypowierzchniowych (np. z warstwą dielektryczną o zmiennej grubości - rys. 4), pracujące w trybie dwusuwowym. Struktura CCD z kanałem objętościowym (rysunek 4) utworzonym przez dyfuzję zanieczyszczeń jest zasadniczo odmienna. Akumulacja, przechowywanie i przenoszenie ładunku zachodzą w masie półprzewodnika, gdzie rekombinacja centrów jest mniejsza niż na powierzchni, a mobilność nośników jest wyższa. Konsekwencją tego jest wzrost i spadek rzędu wielkości w porównaniu ze wszystkimi typami CCD z kanałem powierzchniowym.

Rysunek 4 - Odmiany urządzeń CCD z kanałami powierzchniowymi i objętościowymi.

Do odbioru obrazów kolorowych stosuje się jedną z dwóch metod: dzielenie strumienia optycznego za pomocą pryzmatu na czerwony, zielony, niebieski, postrzeganie każdego z nich przez specjalny FPCD - kryształ, mieszający impulsy ze wszystkich trzech kryształów w jeden sygnał wideo; stworzenie na powierzchni FPZS linii foliowej lub mozaikowej filtru kodującego, który tworzy raster wielobarwnych triad.

Sprzedawcy oferują teraz ogromny wybór kamer CCTV. Modele różnią się nie tylko parametrami wspólnymi dla wszystkich aparatów – ogniskową, kątem widzenia, światłoczułością itp. – ale także różnymi autorskimi „chipami”, w które każdy producent stara się wyposażyć swoje urządzenia.

Dlatego często krótki opis Charakterystyka kamery CCTV to zniechęcająca lista niezrozumiałych terminów, na przykład: 1/2.8" 2.4MP CMOS, 25/30fps, menu OSD, DWDR, ICR, AWB, AGC, BLC, 3DNR, Smart IR, IP67, 0,05 luksa I to nie wszystko.

W poprzednim artykule skupiliśmy się na standardach wideo i klasyfikacji kamer w zależności od nich. Dzisiaj przeanalizujemy główne cechy kamer do nadzoru wideo i odszyfrowania oznaczeń specjalnych technologii stosowanych w celu poprawy jakości sygnału wideo:

1. Ogniskowa i kąt widzenia
2. Przysłona (liczba F) lub przysłona obiektywu
3. Regulacja przysłony (automatyczna przysłona)
4. Migawka elektroniczna (AES, czas otwarcia migawki, czas otwarcia migawki)
5. Czułość (czułość na światło, minimalne oświetlenie)
6. Klasy ochrony IK (Wandaloodporność, wandaloodporność) i IP (wilgoć i kurz)

Typ czujnika (CCD CCD, CMOS CMOS)

Istnieją 2 rodzaje matryc kamer CCTV: CCD (po rosyjsku - CCD) i CMOS (po rosyjsku - CMOS). Różnią się zarówno urządzeniem, jak i zasadą działania.

Przez długi czas uważano, że CCD zapewnia znacznie lepszy obraz niż CMOS. Jednak nowoczesne matryce CMOS często w niczym nie ustępują matrycom CCD, zwłaszcza jeśli nie ma zbyt wysokich wymagań dla systemu nadzoru wideo.

Rozmiar matrycy

Wskazuje rozmiar matrycy po przekątnej w calach i jest zapisywany jako ułamek: 1/3", 1/2", 1/4" itd.

Powszechnie uważa się, że im większa matryca, tym lepiej: mniej szumów, wyraźniejszy obraz, większy kąt widzenia. Jednak tak naprawdę najlepszą jakość obrazu zapewnia nie wielkość matrycy, ale wielkość jej pojedynczej komórki lub piksela – im jest większy, tym lepiej. Dlatego wybierając kamerę do monitoringu wideo, należy wziąć pod uwagę wielkość matrycy wraz z liczbą pikseli.

Jeśli macierze o rozmiarach 1/3” i 1/4” mają taką samą liczbę pikseli, to w takim przypadku matryca 1/3” w naturalny sposób da lepszy obraz. Oblicz przybliżony rozmiar piksela.

Na przykład z poniższych obliczeń rozmiaru komórki matrycy widać, że w wielu przypadkach rozmiar piksela na matrycy 1/4" okazuje się większy niż na matrycy 1/3", co oznacza, że ​​obraz wideo z 1/4”, chociaż jest mniejszy, będzie lepszy.

Ogniskowa i kąt widzenia

Parametry te mają ogromne znaczenie przy wyborze kamery do monitoringu wideo i są ze sobą ściśle powiązane. W rzeczywistości ogniskowa obiektywu (często nazywana f) to odległość między obiektywem a matrycą.

W praktyce ogniskowa określa kąt i zasięg aparatu:

• im krótsza ogniskowa, tym szerszy kąt widzenia i mniej szczegółów na oddalonych obiektach;
• im dłuższa ogniskowa, tym węższy kąt widzenia kamery i bardziej szczegółowy obraz odległych obiektów.

Jeśli potrzebujesz ogólnego widoku określonego obszaru i chcesz używać jak najmniejszej liczby kamer, kup aparat o krótkiej ogniskowej i odpowiednio szerokim kącie widzenia.

Ale w tych obszarach, gdzie wymagana jest szczegółowa obserwacja stosunkowo niewielkiego obszaru, lepiej umieścić kamerę o zwiększonej ogniskowej, kierując ją na obiekt obserwacji. Jest to często używane przy kasach supermarketów i banków, gdzie trzeba zobaczyć nominały rachunków i inne szczegóły obliczeń, a także przy wjeździe na parkingi i inne obszary, w których konieczne jest odróżnienie tablicy rejestracyjnej na duża odległość.

Najpopularniejsza ogniskowa to 3,6 mm. Z grubsza odpowiada kątowi widzenia ludzkiego oka. Kamery o tej ogniskowej służą do nadzoru wideo w małych pomieszczeniach.

Poniższa tabela zawiera informacje i zależności dotyczące ogniskowej, kąta widzenia, odległości rozpoznawania itp. dla najczęściej używanych ognisk. Podane liczby są orientacyjne, ponieważ zależą nie tylko od ogniskowej, ale także od innych parametrów optyki aparatu.

W zależności od szerokości kąta widzenia kamery nadzoru wideo zwyczajowo dzieli się na:

• zwykły (kąt widzenia 30 ° -70 °);
• szerokokątny (kąt widzenia od około 70 °);
• długa ostrość (kąt widzenia mniejszy niż 30°).

Litera F, zwykle pisana wielkimi literami, również oznacza aperturę obiektywu - dlatego czytając charakterystykę zwróć uwagę na kontekst, w jakim parametr jest używany.

Typ soczewki

Obiektyw stały (jednoogniskowy)- najprostszy i najtańszy. Ogniskowa jest stała i nie można jej zmienić.

V soczewki zmiennoogniskowe (zmiennoogniskowe) możesz zmienić ogniskową. Jej ustawienie odbywa się ręcznie, zwykle raz, gdy kamera jest zamontowana w miejscu fotografowania, a później – w miarę potrzeb.

Obiektywy Transfactor lub zoom zapewniają również możliwość zmiany ogniskowej, ale zdalnie, w dowolnym momencie. Zmiana ogniskowej odbywa się elektrycznie, dlatego nazywane są również obiektywami zmotoryzowanymi.

Rybie oko lub obiektyw panoramiczny pozwala zainstalować tylko jedną kamerę i jednocześnie uzyskać widok 360°.

Oczywiście w efekcie uzyskany obraz ma efekt „bańki” – linie proste są zakrzywione, ale w większości przypadków aparaty z takimi obiektywami pozwalają podzielić jeden wspólny obraz panoramiczny na kilka oddzielnych, dostosowanych do zwykłego postrzegania ludzkie oko.

Soczewki otworkowe pozwalają na ukryty nadzór wideo ze względu na ich miniaturowe rozmiary. W rzeczywistości kamera otworkowa nie ma obiektywu, tylko malutki otwór. Na Ukrainie stosowanie tajnego monitoringu wideo jest poważnie ograniczone, podobnie jak sprzedaż urządzeń do niego.

To są najczęstsze rodzaje soczewek. Ale jeśli wejdziesz głębiej, soczewki są również podzielone według innych parametrów:

Przysłona (liczba F) lub przysłona obiektywu

Określa zdolność aparatu do rejestrowania wysokiej jakości obrazów w warunkach słabego oświetlenia. Im wyższa liczba F, tym mniej otwartej przysłony i tym więcej oświetlenia wymaga aparat. Im mniejsza apertura, tym bardziej otwarta apertura, a kamera może generować wyraźny obraz nawet przy słabym oświetleniu.

Litera f (zazwyczaj mała) oznacza również ogniskową, więc czytając charakterystykę zwróć uwagę na kontekst, w jakim parametr jest używany. Na przykład na powyższym obrazku przysłona jest oznaczona małą f.

Mocowanie obiektywu

Istnieją 3 rodzaje mocowań do mocowania obiektywu do kamery: C, CS, M12.

• Mount C jest obecnie rzadko używany. Obiektywy C można przymocować do aparatu z mocowaniem CS za pomocą specjalnego pierścienia.
• Najpopularniejszym typem jest mocowanie CS. Obiektywy CS nie są kompatybilne z aparatami C.
• Mocowanie M12 jest używane do małych obiektywów.

Regulacja przysłony (automatyczna przysłona), ARD, ARD

Przesłona odpowiada za dopływ światła do matrycy: przy zwiększonym strumieniu światła zwęża się, zapobiegając tym samym zacienianiu obrazu, a przy niedostatecznym oświetleniu wręcz przeciwnie otwiera się tak, że wpada więcej światła macierz.

Istnieją dwie duże grupy kamer: stała przysłona(może to również dotyczyć aparatów bez tego w ogóle) i z regulowanym.

Regulację przysłony w różnych modelach kamer CCTV można przeprowadzić:

• Ręcznie.
• Automatycznie kamera za pomocą prąd stały, w oparciu o ilość światła padającą na czujnik. Ta automatyczna kontrola przysłony (ARA) jest określana jako DD (napęd bezpośredni) lub DD / DC.
• Automatycznie specjalny moduł wbudowany w obiektyw i monitorujący strumień światła przechodzący przez otwór względny. Ta metoda DGS jest określana w specyfikacjach kamer wideo jako VD (napęd wideo)... Jest skuteczny nawet wtedy, gdy w obiektyw pada bezpośrednie światło słoneczne, ale kamery monitorujące są z nim droższe.

Migawka elektroniczna (AES, czas otwarcia migawki, czas otwarcia migawki, migawka)

Różni producenci mogą określać ten parametr jako automatyczną migawkę elektroniczną, czas otwarcia migawki lub czas otwarcia migawki, ale w rzeczywistości oznacza to to samo – czas, w którym światło jest wystawione na działanie matrycy. Jest zwykle wyrażany jako 1/50-1/100000s.

Działanie elektronicznej przesłony jest nieco podobne do automatycznego sterowania przysłoną - dostosowuje światłoczułość matrycy, aby dostosować ją do poziomu oświetlenia pomieszczenia. Na poniższym rysunku widać jakość obrazu w warunkach słabego oświetlenia przy różnych czasach otwarcia migawki (na rysunku regulacja ręczna, podczas gdy AES robi to automatycznie).

W przeciwieństwie do DGS regulacja odbywa się nie poprzez regulację strumienia świetlnego wchodzącego do matrycy, ale poprzez regulację czasu otwarcia migawki, czasu akumulacji ładunku elektrycznego na matrycy.

ale możliwości migawki elektronicznej są znacznie słabsze niż automatyczne sterowanie przysłoną, dlatego na otwartych przestrzeniach, gdzie poziom światła waha się od zmierzchu do jasnego światła słonecznego, lepiej jest używać kamer z DGS. Kamery z elektroniczną migawką są optymalne do pomieszczeń, w których poziom oświetlenia zmienia się nieznacznie w czasie.

Charakterystyka elektronicznej migawki nie różni się zbytnio od różnych modeli. Przydatną funkcją jest możliwość ręcznej regulacji czasu otwarcia migawki (ekspozycji), ponieważ w warunkach słabego oświetlenia niskie wartości są ustawiane automatycznie, co prowadzi do rozmycia obrazów poruszających się obiektów.

Sens-UP (lub DSS)

Jest to funkcja kumulowania ładunku matrycy w zależności od poziomu oświetlenia, czyli zwiększania jej czułości kosztem szybkości. Jest niezbędny do wykonywania wysokiej jakości obrazu w warunkach słabego oświetlenia, gdy śledzenie szybkich zdarzeń nie jest krytyczne (na obserwowanym obiekcie nie ma szybko poruszających się obiektów).

Jest to ściśle związane z opisanym powyżej czasem otwarcia migawki (naświetleniem). Ale jeśli czas otwarcia migawki jest wyrażony w jednostkach czasu, wtedy Sens-UP - we współczynniku wzrostu ekspozycji (xN): czas akumulacji ładunku (ekspozycja) jest zwiększany N razy.

Pozwolenie

W ostatnim artykule poruszyliśmy temat rozdzielczości kamer CCTV. Rozdzielczość kamery to w rzeczywistości rozmiar wynikowego obrazu. Jest mierzony w TVL (linie telewizyjne) lub w pikselach. Im wyższa rozdzielczość, tym więcej szczegółów można zobaczyć na filmie.

Rozdzielczość kamery wideo w TVL to liczba pionowych linii (przejść jasności) umieszczonych poziomo na obrazie. Jest uważany za dokładniejszy, ponieważ daje wyobrażenie o rozmiarze obrazu wyjściowego. O ile rozdzielczość w megapikselach wskazana w dokumentacji producenta może wprowadzać nabywcę w błąd – często odnosi się nie do rozmiaru finalnego obrazu, ale do ilości pikseli na matrycy. W takim przypadku należy zwrócić uwagę na taki parametr jak „Efektywna liczba pikseli”

Rozdzielczość pikseli to rozmiar obrazu w poziomie iw pionie (jeśli jest oznaczony jako 1280 × 960) lub całkowita liczba pikseli na zdjęciu (jeśli jest oznaczony jako 1 MP (megapiksel), 2 MP itd.). W rzeczywistości rozdzielczość w megapikselach jest bardzo prosta do uzyskania: trzeba pomnożyć liczbę pikseli w poziomie (1280) przez liczbę w pionie (960) i podzielić przez 1 000 000. Razem 1280 × 960 = 1,23 MP.

Jak przekonwertować TVL na piksele i odwrotnie? Nie ma dokładnej formuły konwersji. Aby określić rozdzielczość wideo w TVL, musisz użyć specjalnych tabel testowych dla kamer wideo. W celu przybliżonego przedstawienia stosunku możesz skorzystać z tabeli:

Efektywne piksele

Jak powiedzieliśmy powyżej, często rozmiar w megapikselach wskazany w charakterystyce kamer wideo nie daje dokładnego wyobrażenia o rozdzielczości wynikowego obrazu. Producent podaje ilość pikseli na matrycy (czujniku) aparatu, ale nie wszystkie z nich biorą udział w tworzeniu obrazu.

Dlatego wprowadzono parametr „Liczba (liczba) efektywnych pikseli”, który pokazuje tylko, ile pikseli tworzy ostateczny obraz. Najczęściej odpowiada rzeczywistej rozdzielczości wynikowego obrazu, choć zdarzają się wyjątki.

Oświetlenie IR (podczerwień), IR

Umożliwia fotografowanie w nocy. Możliwości matrycy (czujnika) kamery do monitoringu wideo są znacznie wyższe niż możliwości ludzkiego oka – np. kamera „widzi” w promieniowaniu podczerwonym. Ta właściwość zaczęła być wykorzystywana do filmowania w nocy oraz w nieoświetlonych / słabo oświetlonych pomieszczeniach. Po osiągnięciu określonego minimalnego oświetlenia kamera przełącza się w tryb filmowania w zakresie podczerwieni i włącza oświetlenie IR (IR).

Diody IR są wbudowane w kamerę, dzięki czemu światło z nich nie wpada do obiektywu kamery, ale oświetla kąt widzenia.

Obraz uchwycony w warunkach słabego oświetlenia przy użyciu oświetlenia w podczerwieni jest zawsze czarno-biały. Kolorowe kamery obsługujące fotografowanie w nocy również przełączają się na tryb czarno-biały.

Wartości dla oświetlenia IR w kamerach są zwykle podawane w metrach - czyli ile metrów od kamery oświetlenie pozwala uzyskać wyraźny obraz. Oświetlacz IR dalekiego zasięgu nazywany jest oświetlaczem IR.

Co to jest Smart IR, Smart IR?

Inteligentne oświetlenie IR (Smart IR) pozwala na zwiększenie lub zmniejszenie mocy promieniowania podczerwonego w zależności od odległości od obiektu. Dzieje się tak, aby obiekty znajdujące się blisko kamery nie były prześwietlone w filmie.

Filtr IR odcinający (ICR), tryb dzień/noc

Zastosowanie oświetlenia podczerwonego do fotografowania w nocy ma jedną cechę: matryca takich kamer jest produkowana ze zwiększoną czułością na zakres podczerwieni. Stwarza to problem przy fotografowaniu w dzień, ponieważ matryca rejestruje w ciągu dnia widmo podczerwieni, które zaburza normalną kolorystykę powstałego obrazu.

Dlatego takie kamery działają w dwóch trybach – dziennym i nocnym. W ciągu dnia matrycę pokrywa mechaniczny filtr podczerwieni (ICR), który odcina promieniowanie podczerwone. W nocy filtr jest przesuwany, dzięki czemu promienie widma podczerwieni bez przeszkód docierają do czujnika.

Czasami przełączanie trybu dzień/noc jest realizowane programowo, ale takie rozwiązanie daje obrazy o niższej jakości.

Filtr ICR może być również montowany w kamerach bez oświetlenia podczerwonego - w celu odcięcia widma podczerwieni w ciągu dnia i poprawienia odwzorowania kolorów wideo.

Jeśli kamera nie posiada filtra IGR, ponieważ nie została oryginalnie zaprojektowana do fotografowania w nocy, nie można dodać do niej funkcji nocnego fotografowania po prostu kupując osobny moduł z oświetleniem IR. W takim przypadku kolor wideo w ciągu dnia będzie znacznie zniekształcony.

Czułość (czułość na światło, minimalne oświetlenie)

W przeciwieństwie do kamer, w których światłoczułość wyrażana jest parametrem ISO, światłoczułość kamer CCTV jest najczęściej wyrażona w apartamentach (Lux) i oznacza minimalne oświetlenie, przy którym kamera jest w stanie wytworzyć obraz wideo dobra jakość- czysto i bez hałasu. Im niższa wartość tego parametru, tym wyższa czułość.

Kamery do monitoringu wideo dobierane są zgodnie z warunkami, w jakich planuje się ich użytkowanie: np. jeśli minimalna czułość kamery wynosi 1 luks, to nie będzie możliwe uzyskanie wyraźnego obrazu w nocy bez dodatkowej podczerwieni oświetlenie z niego.

Stosunek sygnału do szumu (S/N) określa jakość sygnału wideo. Szum wideo pojawia się w wyniku słabego oświetlenia i wygląda jak kolorowy lub czarno-biały śnieg lub ziarnistość.

Parametr mierzony jest w decybelach. Poniższy obrazek pokazuje dość dobrą jakość obrazu już przy 30 dB, ale przy nowoczesne aparaty aby uzyskać wysokiej jakości wideo S/N musi wynosić co najmniej 40 dB.

Redukcja szumów DNR (3D-DNR, 2D-DNR)

Oczywiście problem obecności szumu w filmie nie pozostał niezauważony przez producentów. Obecnie istnieją dwie technologie służące do tłumienia szumów na obrazie i odpowiadającego im ulepszania obrazu:

• 2-DNR. Starsza i mniej zaawansowana technologia. Zasadniczo usuwany jest tylko szum bliskiego pola, dodatkowo czasami obraz jest lekko rozmyty z powodu czyszczenia.
• 3-DNR. Najnowsza technologia, która działa według złożonego algorytmu i usuwa nie tylko szum w pobliżu, ale także śnieg i ziarno z odległego tła.

Szybkość klatek, fps (szybkość transmisji)

Szybkość klatek wpływa na płynność obrazu wideo – im wyższa, tym lepiej. Aby uzyskać płynny obraz, wymagana jest częstotliwość co najmniej 16-17 klatek na sekundę. Standardy PAL i SECAM obsługują szybkości klatek 25 fps, podczas gdy standard NTSC obsługuje 30 fps. W przypadku profesjonalnych aparatów liczba klatek na sekundę może wzrosnąć do 120 kl./s i więcej.

Należy jednak pamiętać, że im wyższa liczba klatek na sekundę, tym więcej miejsca będzie potrzebne do przechowywania wideo i tym bardziej obciążony zostanie kanał transmisyjny.

Kompensacja podświetlenia (HLC, BLC, WDR, DWDR)

Typowe problemy z CCTV to:

• oddzielić jasne obiekty wpadające w kadr (reflektory, lampy, latarnie), które doświetlają część obrazu, przez co nie widać ważnych szczegółów;
• zbyt jasne oświetlenie w tle (słoneczna ulica za drzwiami pokoju lub za oknem itp.), na tle którego pobliskie obiekty wydają się zbyt ciemne.

Aby je rozwiązać, istnieje kilka funkcji (technologii) stosowanych w kamerach monitorujących.

HLC - Kompensacja silnego światła. Porównywać:

BLC - Kompensacja tylnego światła. Realizuje się to poprzez zwiększenie naświetlenia całego obrazu, w wyniku czego obiekty na pierwszym planie stają się jaśniejsze, ale tło jest zbyt jasne, nie da się w nim dostrzec szczegółów.

WDR (czasami nazywany także HDR) to skrót od Wide Dynamic Range. Stosowany również do kompensacji podświetlenia, ale bardziej wydajnie niż BLC. Podczas korzystania z WDR wszystkie obiekty w filmie mają w przybliżeniu taką samą jasność i wyrazistość, co pozwala zobaczyć szczegółowo nie tylko pierwszy plan, ale także tło. Osiąga się to dzięki temu, że aparat wykonuje zdjęcia z różnymi ekspozycjami, a następnie łączy je w celu uzyskania kadru o optymalnej jasności wszystkich obiektów.

D-WDR - implementacja oprogramowania o szerokim zakresie dynamicznym, który jest nieco gorszy niż pełnoprawny WDR.

Klasy ochrony IK (Wandaloodporność, wandaloodporność) i IP (wilgoć i kurz)

Parametr ten ma znaczenie, jeśli wybierzesz kamerę do monitoringu zewnętrznego lub w pomieszczeniu o dużej wilgotności, zapyleniu itp.

Klasy IP- jest to ochrona przed wnikaniem ciał obcych o różnych średnicach, w tym drobinek kurzu, a także ochrona przed wilgocią. KlasyIK- jest to ochrona antywandalowa, czyli przed uderzeniami mechanicznymi.

Najpopularniejsze zewnętrzne kamery bezpieczeństwa to IP66, IP67 i IK10.

• Stopień ochrony IP66: Kamera jest całkowicie pyłoszczelna i chroniona przed silnymi strumieniami wody (lub falami morskimi). Woda dostaje się do środka w niewielkich ilościach i nie zakłóca pracy kamery.
• Stopień ochrony IP67: Kamera jest całkowicie pyłoszczelna i może wytrzymać krótkotrwałe pełne zanurzenie pod wodą lub długotrwałą ekspozycję na śnieg.
• Klasa ochrony wandaloodporna IK10: korpus aparatu wytrzyma uderzenie 5 kg obciążenia z wysokości 40 cm (energia uderzenia 20 J).

Ukryte strefy (maska ​​prywatności)

Czasami konieczne staje się ukrycie przed obserwacją i utrwalenie niektórych obszarów, które wpadają w pole widzenia kamery. Najczęściej wynika to z ochrony prywatności. Niektóre modele kamer umożliwiają dostosowanie parametrów kilku takich stref, obejmując określoną część lub fragmenty obrazu.

Na przykład na poniższym obrazku w obrazie z kamery ukryte są okna sąsiedniego domu.

Inne funkcje kamer CCTV (DIS, AGC, AWB itp.)

Menu OSD- możliwość ręcznej regulacji wielu parametrów aparatu: ekspozycja, jasność, ogniskowa (jeśli jest taka opcja) itp.

- fotografowanie w warunkach słabego oświetlenia bez oświetlenia podczerwonego.

DIS- funkcja stabilizacji obrazu z aparatu podczas fotografowania w warunkach wibracji lub ruchu

Technologia EXIR- Technologia oświetlenia podczerwonego opracowana przez Hikvision. Dzięki temu uzyskuje się większą wydajność podświetlenia: większy zasięg przy mniejszym poborze mocy, rozproszeniu itp.

AWB- automatyczna regulacja balansu bieli w obrazie, tak aby odwzorowanie kolorów było jak najbardziej zbliżone do naturalnego, widocznego dla ludzkiego oka. Szczególnie istotne w pomieszczeniach ze sztucznym oświetleniem i różnymi źródłami światła.

AGC (AGC)- automatyczna kontrola wzmocnienia. Służy do zapewnienia, że ​​wyjściowy strumień wideo z kamer jest zawsze stabilny, niezależnie od siły wejściowego strumienia wideo. Najczęściej wzmocnienie sygnału wideo jest wymagane w warunkach słabego oświetlenia, a redukcja - przeciwnie, gdy światło jest zbyt mocne.

Czujnik ruchu- dzięki tej funkcji kamera może się włączyć i nagrywać tylko wtedy, gdy w obiekcie obserwowanym wystąpi ruch, a także nadawać sygnał alarmowy w przypadku zadziałania czujki. Pozwala to zaoszczędzić miejsce na przechowywanie wideo w rejestratorze, odciążyć kanał transmisji strumienia wideo i zorganizować powiadamianie personelu o zaistniałym naruszeniu.

Wejście alarmowe kamery- jest to możliwość włączenia kamery, rozpoczęcia nagrywania wideo w przypadku wystąpienia zdarzenia: wyzwolenia podłączonego czujnika ruchu lub innego podłączonego do niego czujnika.

Wyjście alarmowe umożliwia wyzwolenie reakcji na zarejestrowane przez kamerę zdarzenie alarmowe, np. włączenie syreny, wysłanie alertu e-mailem lub SMS-em itp.

Nie znalazłeś cechy, której szukałeś?

Staraliśmy się zebrać wszystkie często spotykane cechy kamer CCTV. Jeśli nie znalazłeś tutaj wyjaśnienia jakiegoś parametru, którego nie rozumiesz, napisz w komentarzach, postaramy się dodać tę informację do artykułu.

Pojedynczy element jest czuły w całym widzialnym zakresie spektralnym, dlatego nad fotodiodami kolorowych matryc CCD stosuje się filtr światła, który dopuszcza tylko jedną z trzy kolory: Czerwony, Zielony, Niebieski lub Żółty, Magenta, Cyjan. A z kolei takich filtrów w czarno-białym CCD nie ma.

Piksel składa się z p-podłoża pokrytego przezroczystym dielektrykiem, na który nakładana jest elektroda przepuszczająca światło, która tworzy studnię potencjału.

Nad pikselem może znajdować się filtr światła (używany w matrycach kolorów) i soczewka skupiająca (używana w matrycach, w których czułe elementy nie zajmują całkowicie powierzchni).

Do przepuszczającej światło elektrody znajdującej się na powierzchni kryształu przykładany jest dodatni potencjał. Światło padające na piksel wnika głęboko w strukturę półprzewodnika, tworząc parę elektron-dziura. Powstały elektron i dziura są rozrywane przez pole elektryczne: elektron przemieszcza się do obszaru magazynowania nośnika (studni potencjału), a dziury wpływają do podłoża.

Piksel ma następujące cechy:

• Pojemność studni potencjału to liczba elektronów, które studnia potencjału może pomieścić.
• Widmowa czułość pikseli - zależność czułości (stosunek fotoprądu do strumienia świetlnego) od długości fali promieniowania.
• Wydajność kwantowa (mierzona w procentach) jest wielkością fizyczną równą stosunkowi liczby fotonów, których pochłonięcie spowodowało powstanie quasicząstek, do całkowitej liczby pochłoniętych fotonów. W nowoczesnych matrycach CCD liczba ta sięga 95%. Dla porównania, ludzkie oko ma sprawność kwantową rzędu 1%.
• Zakres dynamiczny to stosunek napięcia lub prądu nasycenia do wartości skutecznej napięcia lub prądu ciemnego szumu. Mierzone w dB.

CCD jest podzielony na rzędy, a z kolei każdy rząd podzielony jest na piksele. Linie są oddzielone warstwami zatrzymującymi (p+), które nie pozwalają na przelewanie się ładunków między nimi. Aby przenieść pakiet danych, używane są rejestry przesuwne równoległe, pionowe (VCCD) i sekwencyjne, poziome (HCCD).

Najprostszy cykl działania trójfazowego rejestru przesuwnego zaczyna się od przyłożenia dodatniego potencjału do pierwszej bramki, w wyniku czego powstaje studnia wypełniona uformowanymi elektronami. Następnie do drugiej bramki przykładamy potencjał, który jest wyższy od pierwszej, w wyniku czego pod drugą bramką tworzy się głębsza studnia potencjału, do której będą przepływać elektrony spod pierwszej bramki. Aby kontynuować ruch szarży, należy zmniejszyć wartość potencjału przy drugiej bramce, a przyłożyć większy potencjał do trzeciej. Elektrony przepływają pod trzecią bramą. Ten cykl jest kontynuowany od punktu akumulacji do bezpośrednio odczytywanego rezystora poziomego. Wszystkie elektrody rejestrów przesuwu poziomego i pionowego tworzą fazy (faza 1, faza 2 i faza 3).

Klasyfikacja kolorów CCD:

• Czarny i biały
• Kolorowy

Klasyfikacja architektury CCD:

Światłoczułe komórki są pokazane na zielono, nieprzezroczyste obszary na szaro.

CCD ma następujące cechy:

• Wydajność przenoszenia ładunku to stosunek liczby elektronów w ładunku na końcu ścieżki wzdłuż rejestru przesuwnego do liczby na początku.
• Współczynnik wypełnienia to stosunek obszaru wypełnionego elementami światłoczułymi do całkowitego obszaru światłoczułej powierzchni matrycy CCD.
• Prąd ciemny - Elektryczność, który przepływa przez element światłoczuły, przy braku padających fotonów.
• Szum odczytu to szum, który występuje w obwodach konwersji i wzmocnienia sygnału wyjściowego.

Macierze transferu ramek. (Transfer ramek w języku angielskim).

Zalety: Możliwość zajmowania 100% powierzchni elementami światłoczułymi; Czas odczytu jest krótszy niż w przypadku pełnoklatkowego czujnika transferu; Smużenie mniejsze niż CCD z transferem pełnoklatkowym; Ma przewagę cyklu pracy nad architekturą pełnoklatkową: CCD z transferem klatek cały czas zbiera fotony. Wady: Podczas odczytu danych zakryj źródło światła przesłoną, aby uniknąć rozmycia; Zwiększono tor ruchu ładunku, co negatywnie wpływa na efektywność przenoszenia ładunku; Produkcja i produkcja tych matryc jest droższa od urządzeń z transferem pełnoklatkowym.

Macierze z transferem międzyliniowym lub macierz z buforowaniem kolumn (angielski transfer międzyliniowy).
	Zalety: Nie ma potrzeby używania migawki; Brak smarowania. Wady: Możliwość wypełnienia powierzchni wrażliwymi elementami nie więcej niż 50%. Prędkość odczytu jest ograniczona przez prędkość rejestru przesuwnego; Rozdzielczość jest niższa niż w przypadku CCD z transferem klatek i pełnej klatki.

Macierz z transferem ramek liniowych lub macierz z buforowaniem kolumnowym (interlinia angielska).

Zalety: Procesy akumulacji i przenoszenia ładunku są przestrzennie rozdzielone; Ładunek z elementów magazynujących jest przenoszony do rejestrów transferowych, które są zamknięte przed światłem matrycy CCD; Przeniesienie ładunku całego obrazu odbywa się w 1 cyklu zegara; Brak smarowania; Odstęp między ekspozycjami jest minimalny i nadaje się do nagrywania wideo. Wady: Możliwość wypełnienia powierzchni wrażliwymi elementami nie więcej niż 50%; Rozdzielczość jest niższa niż w przypadku CCD z transferem klatek i pełnej klatki; Zwiększono tor ruchu ładunku, co negatywnie wpływa na efektywność przenoszenia ładunku.

	APLIKACJA NAUKOWA do spektroskopii; do mikroskopii; do krystalografii; do fluoroskopii; dla nauk przyrodniczych; dla nauk biologicznych.
	APLIKACJE KOSMICZNE w teleskopach; w czujnikach gwiazdowych; w śledzeniu satelitów; podczas sondowania planet; wyposażenie pokładowe i ręczne dla załogi.
	ZASTOSOWANIA PRZEMYSŁOWE sprawdzić jakość spawanych szwów; kontrolować jednolitość malowanych powierzchni; badanie odporności na zużycie produktów mechanicznych; do czytania kodów kreskowych; do kontroli jakości pakowania produktów.
	WNIOSEK O OCHRONĘ OBIEKTÓW w mieszkaniach mieszkalnych; na lotniskach; na placach budowy; w miejscach pracy; w „inteligentnych” kamerach, które rozpoznają twarz osoby.
	ZASTOSOWANIE W FOTOGRAFII w profesjonalnych kamerach; w aparatach amatorskich; w telefonach komórkowych.
	ZASTOSOWANIE MEDYCZNE w fluoroskopii; w kardiologii; w mammografii; w stomatologii; w mikrochirurgii; w onkologii.
	APLIKACJA AUTO DROGOWA do automatycznego rozpoznawania tablic rejestracyjnych; do kontroli prędkości; do zarządzania ruchem; o wjazd na parking; w policyjnych systemach nadzoru.

Jak powstają zniekształcenia podczas fotografowania poruszających się obiektów za pomocą liniowego czujnika migawki:

Co to jest CCD?

Trochę historii

Wcześniej jako odbiornik światła wykorzystywano materiały fotograficzne: klisze fotograficzne, kliszę fotograficzną, papier fotograficzny. Później pojawiły się kamery telewizyjne i fotopowielacze (fotopowielacze).
Pod koniec lat 60. - na początku lat 70. zaczęto opracowywać tak zwane „urządzenia sprzęgające ładowarkę”, które są w skrócie CCD. W języku angielskim wygląda to jak „urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym” lub w skrócie CCD. Zasadniczo matryce CCD opierały się na fakcie, że krzem jest w stanie reagować na widzialne światło... I ten fakt doprowadził do pomysłu, że tę zasadę można wykorzystać do uzyskania obrazów świecących obiektów.

Astronomowie byli jednymi z pierwszych, którzy rozpoznali niezwykłą zdolność CCD do przechwytywania obrazów. W 1972 r. grupa badaczy z JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA) założyła program rozwoju CCD dla astronomii i eksploracja kosmosu... Trzy lata później, we współpracy z naukowcami z University of Arizona, zespół uzyskał pierwsze astronomiczne zdjęcie CCD. Na obrazie Urana wykonanym w bliskiej podczerwieni, wykonanym za pomocą półtorametrowego teleskopu, w pobliżu południowego bieguna planety znaleziono ciemne plamy, co wskazuje na obecność tam metanu...

Wykorzystanie matryc CCD znalazło dziś szerokie zastosowanie: aparaty cyfrowe, kamery wideo; Możliwe stało się osadzenie matrycy CCD jako aparatu nawet w telefonach komórkowych.

Urządzenie CCD

Typowe urządzenie CCD (ryc. 1): na powierzchni półprzewodnika znajduje się cienka (0,1-0,15 μm) warstwa dielektryka (zwykle tlenku), na której znajdują się paski elektrod przewodzących (wykonanych z metalu lub krzemu polikrystalicznego). Elektrody te tworzą układ liniowy lub matrycowy regularny, a odległości między elektrodami są tak małe, że efekty wzajemnego oddziaływania sąsiednich elektrod są znaczne. Zasada działania CCD opiera się na wytwarzaniu, przechowywaniu i kierunkowym przenoszeniu pakietów ładunków w studniach potencjału utworzonych w przypowierzchniowej warstwie półprzewodnika, gdy do elektrod przyłożone są zewnętrzne napięcia elektryczne.

Ryż. 1. Podstawowa struktura macierzy CCD.

Na ryc. 1, symbole C1, C2 i C3 oznaczają kondensatory MOS (półprzewodnik z tlenkiem metalu).

Jeżeli do którejkolwiek elektrody zostanie przyłożone napięcie dodatnie U, to w strukturze MIS powstaje pole elektryczne, pod działaniem którego większość nośników (otworów) bardzo szybko (w ciągu kilku pikosekund) opuszcza powierzchnię półprzewodnika. W rezultacie na powierzchni tworzy się warstwa zubożona, której grubość to ułamki lub jednostki mikrometra. Nośniki mniejszościowe (elektrony) wytworzone w zubożonej warstwie pod wpływem dowolnych procesów (na przykład termicznych) lub które dostały się tam z neutralnych obszarów półprzewodnika pod działaniem dyfuzji przesuną się (pod działaniem pola) do półprzewodnik-izolator i zlokalizować w wąskiej warstwie odwrotnej. W ten sposób na powierzchni powstaje studnia potencjału dla elektronów, do której toczą się one z warstwy zubożonej pod działaniem pola. Większość nośników (dziur) generowanych w warstwie zubożonej jest wyrzucana do neutralnej części półprzewodnika pod działaniem pola.
W określonym przedziale czasu każdy piksel jest stopniowo wypełniany elektronami proporcjonalnie do ilości światła, które do niego wpadło. Pod koniec tego czasu ładunki elektryczne gromadzone przez każdy piksel są kolejno przesyłane na „wyjście” urządzenia i mierzone.

Rozmiar światłoczułego piksela matrycy wynosi od jednego do dwóch do kilkudziesięciu mikronów. Wielkość kryształów halogenku srebra w warstwie światłoczułej kliszy fotograficznej waha się od 0,1 (emulsje dodatnie) do 1 mikrona (negatywy o wysokiej czułości).

Jednym z głównych parametrów matrycy jest tzw. wydajność kwantowa. Nazwa ta odzwierciedla wydajność konwersji pochłoniętych fotonów (kwantów) w fotoelektrony i jest podobna do fotograficznej koncepcji światłoczułości. Ponieważ energia kwantów światła zależy od ich barwy (długości fali), nie można jednoznacznie określić, ile elektronów urodzi się w pikselu matrycowym, gdy pochłonie on np. strumień stu niepodobnych do siebie fotonów. Dlatego efektywność kwantowa jest zwykle podawana w paszporcie dla matrycy w funkcji długości fali, aw niektórych częściach widma może sięgać 80%. To znacznie więcej niż emulsja fotograficzna czy oko (około 1%).

Jakie są typy CCD?

Jeśli piksele są ustawione w jednym rzędzie, wtedy odbiornik nazywamy linijką CCD, jeśli powierzchnia jest wypełniona rzędami parzystymi, wtedy odbiornik nazywa się matrycą CCD.

Linijka CCD miała szerokie zastosowanie w latach 80. i 90. do obserwacji astronomicznych. Wystarczyło trzymać obraz wzdłuż linii CCD i pojawił się na monitorze komputera. Procesowi temu towarzyszyło jednak wiele trudności, dlatego obecnie macierze CCD są coraz częściej zastępowane przez matryce CCD.

Niepożądane efekty

Jednym z niepożądanych efektów ubocznych przenoszenia ładunku na CCD, które mogą zakłócać obserwacje, są jasne pionowe paski (słupki) w miejsce jasnych obszarów niewielkiego obszaru obrazu. Ponadto możliwe niepożądane efekty matryc CCD to: wysoki poziom szumu ciemnego, obecność „ślepych” lub „gorących” pikseli, nierówna czułość w całym polu matrycy. Aby zredukować ciemny szum, stosuje się autonomiczne chłodzenie matryc CCD do temperatur -20 ° C i niższych. Lub wykonywana jest ciemna klatka (na przykład z zamkniętym obiektywem) o tym samym czasie trwania (ekspozycji) i temperaturze, z jaką wykonano poprzednią klatkę. Następnie program specjalny komputer odejmuje ciemną ramkę od obrazu.

Wielką zaletą kamer telewizyjnych CCD jest to, że mogą rejestrować obrazy z prędkością do 25 klatek na sekundę w rozdzielczości 752 x 582 pikseli. Jednak nieprzydatność niektórych kamer tego typu do obserwacji astronomicznych polega na tym, że producent implementuje w nich wewnętrzne przetwarzanie obrazu (odczyt – zniekształcenie) w celu lepszego postrzegania odbieranych kadrów przez wizję. Jest to AGC (automatyczna regulacja sterowania) oraz tzw. efekt „ostrych granic” i innych.

Postęp…

Generalnie korzystanie z odbiorników CCD jest znacznie wygodniejsze niż korzystanie z niecyfrowych odbiorników światła, ponieważ uzyskane dane od razu pojawiają się w postaci nadającej się do obróbki na komputerze, a dodatkowo szybkość uzyskiwania poszczególnych klatek jest bardzo wysoka (od kilku klatek na sekundę do minut).

V w tej chwili Produkcja CCD szybko się rozwija i poprawia. Zwiększa się liczba „megapikseli” matryc – liczba pojedynczych pikseli na jednostkę powierzchni matrycy. Poprawia się jakość obrazów uzyskiwanych przy użyciu CCD itp.

Wykorzystane źródła:
1. 1. Wiktor Biełow. Dokładny do dziesiątych części mikrona.
2. 2. S.E. Guryanov. Poznaj - CCD.

Sensor jest głównym elementem aparatu cyfrowego

Sercem każdej cyfrowej kamery wideo lub aparatu fotograficznego (obecnie granice między tego typu urządzeniami stopniowo się zacierają) jest czujnik światłoczuły. Zamienia światło widzialne na sygnały elektryczne do dalszego przetwarzania za pomocą obwodów elektronicznych. Ze szkolnego kursu fizyki wiadomo, że światło można postrzegać jako strumień cząstek elementarnych – fotonów. Opadające na powierzchnię niektórych materiałów półprzewodnikowych fotony mogą prowadzić do powstania elektronów i dziur (przypomnijmy, że dziurę w półprzewodnikach nazywa się zwykle wolnym miejscem dla elektronu, która powstaje w wyniku zerwania wiązań kowalencyjnych między atomy substancji półprzewodnikowej). Proces generowania par elektron-dziura pod wpływem światła jest możliwy tylko wtedy, gdy energia fotonu jest wystarczająca do „oderwania” elektronu od „natywnego” jądra i przeniesienia go do pasma przewodnictwa. Energia fotonu jest bezpośrednio związana z długością fali padającego światła, czyli zależy od tzw. barwy promieniowania. W zakresie widzialnym (czyli odbieranym przez ludzkie oko) energia fotonów wystarcza do wygenerowania par elektron-dziura w materiałach półprzewodnikowych, takich jak krzem.

Ponieważ liczba generowanych fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do natężenia strumienia świetlnego, staje się możliwe matematyczne powiązanie ilości padającego światła z ilością generowanego przez nie ładunku. Na tym prostym zjawisku fizycznym opiera się zasada działania czujników światłoczułych. Czujnik wykonuje pięć podstawowych operacji: pochłania fotony, zamienia je na ładunek, przechowuje je, przesyła i zamienia na napięcie. W zależności od technologii produkcji, różne czujniki w różny sposób wykonują zadania przechowywania i gromadzenia fotoelektronów. Ponadto można użyć różnych metod do konwersji nagromadzonych elektronów na napięcie elektryczne(sygnał analogowy), który z kolei zamieniany jest na sygnał cyfrowy.

Czujniki CCD

Historycznie jako pierwsze zastosowano tak zwane CCD jako elementy światłoczułe do kamer wideo, których masowa produkcja rozpoczęła się w 1973 roku. Skrót CCD oznacza urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym; w literaturze angielskiej używany jest termin CCD (Charge-Coupled Device). Najprostszym czujnikiem CCD jest kondensator zdolny do gromadzenia ładunku elektrycznego pod wpływem światła. Konwencjonalny kondensator składający się z dwóch metalowych płytek oddzielonych warstwą dielektryczną nie sprawdzi się tutaj, dlatego zastosowano tak zwane kondensatory MOS. Według jego Struktura wewnętrzna takie kondensatory są kanapką z metalu, tlenku i półprzewodnika (otrzymały swoją nazwę od pierwszych liter użytych komponentów). Jako półprzewodnik stosuje się domieszkowany krzem typu p, czyli półprzewodnik, w którym powstają nadmiarowe dziury w wyniku dodania atomów zanieczyszczeń (domieszkowanie). Nad półprzewodnikiem znajduje się cienka warstwa dielektryka (tlenku krzemu), a na wierzchu warstwa metalu, która zgodnie z terminologią działa jak bramka tranzystory polowe(rys. 1).

Jak już wspomniano, pary elektron-dziura powstają w półprzewodniku pod wpływem światła. Jednak wraz z procesem generowania zachodzi również proces odwrotny - rekombinacja dziur i elektronów. Dlatego należy podjąć kroki, aby oddzielić powstałe elektrony i dziury i zachować je przez wymagany czas. W końcu to liczba utworzonych fotoelektronów niesie informację o natężeniu pochłanianego światła. Do tego służą bramka i izolacyjna warstwa dielektryczna. Załóżmy, że do bramki przyłożony jest dodatni potencjał. W tym przypadku pod wpływem wytworzonego pola elektrycznego przenikającego przez dielektryk do półprzewodnika, otwory będące głównymi nośnikami ładunku zaczną się odsuwać od dielektryka, czyli w głąb półprzewodnika. Na styku półprzewodnik-izolator powstaje obszar zubożony w większość nośników, czyli dziury, a wielkość tego obszaru zależy od wartości przyłożonego potencjału. To właśnie ten zubożony region jest „magazynem” fotoelektronów. Rzeczywiście, jeśli półprzewodnik zostanie wystawiony na działanie światła, powstałe elektrony i dziury będą poruszać się w przeciwnych kierunkach - dziury w głąb półprzewodnika, a elektrony do warstwy zubożonej. Ponieważ w tej warstwie nie ma dziur, elektrony będą tam przechowywane bez procesu rekombinacji przez wymagany czas. Oczywiście proces gromadzenia elektronów nie może przebiegać w nieskończoność. Wraz ze wzrostem liczby elektronów między nimi a dodatnio naładowanymi dziurami powstaje indukowane pole elektryczne, skierowane przeciwnie do pola wytwarzanego przez bramkę. W efekcie pole wewnątrz półprzewodnika spada do zera, po czym proces przestrzennej separacji dziur i elektronów staje się niemożliwy. W konsekwencji powstawaniu pary elektron-dziura towarzyszy jej rekombinacja, czyli liczba elektronów „informacyjnych” w warstwie zubożonej przestaje wzrastać. W tym przypadku możemy mówić o przepełnieniu pojemności czujnika.

Rozważany przez nas czujnik jest w stanie wykonywać dwa ważne zadania - przekształcać fotony w elektrony i przechowywać je. Pozostaje rozwiązać problem przenoszenia tych elektronów informacyjnych do odpowiednich jednostek konwersji, czyli problem odzyskiwania informacji.

Wyobraź sobie nie jedną, ale kilka blisko siebie rozmieszczonych bramek na powierzchni tego samego dielektryka (ryc. 2). Niech elektrony gromadzą się pod jedną z bramek w wyniku fotogeneracji. Jeśli do sąsiedniej bramki zostanie przyłożony wyższy potencjał dodatni, wówczas elektrony zaczną płynąć w rejon silniejszego pola, czyli przemieszczać się z jednej bramki do drugiej. Teraz powinno być jasne, że jeśli mamy łańcuch bramek, to przykładając do nich odpowiednie napięcia sterujące, możemy przemieszczać zlokalizowany pakiet ładunków wzdłuż takiej struktury. To jest na tym prosta zasada i urządzenia CCD są oparte.

Niezwykłą właściwością przetwornika CCD jest to, że wystarczą tylko trzy rodzaje bramek, aby przemieścić nagromadzony ładunek - jedna nadająca, jedna odbiorcza i jedna izolująca, oddzielające od siebie pary odbiorcze i nadawcze oraz bramki o tej samej nazwie takich trojaczków można połączyć ze sobą w jednym zegarze magistralę, która wymaga tylko jednego zacisku zewnętrznego (rys. 3). Jest to najprostszy rejestr przesuwny trójfazowy na przetworniku CCD.

Do tej pory rozpatrywaliśmy czujnik CCD tylko w jednej płaszczyźnie - wzdłuż bocznego cięcia. Poza naszym polem widzenia znajduje się mechanizm uwięzienia elektronów w kierunku poprzecznym, w którym migawka jest jak długi pasek. Biorąc pod uwagę, że oświetlenie półprzewodnika w takim pasku jest nierównomierne, szybkość tworzenia elektronów pod wpływem światła będzie zmieniać się na całej długości bramki. Jeśli nie zostaną podjęte żadne działania w celu zlokalizowania elektronów w pobliżu obszaru ich powstawania, to w wyniku dyfuzji koncentracja elektronów wyrówna się, a informacja o zmianie natężenia światła w kierunku podłużnym zostanie utracona. Oczywiście byłoby możliwe, aby rozmiar żaluzji był taki sam zarówno w kierunku wzdłużnym, jak i poprzecznym, ale wymagałoby to wyprodukowania zbyt wielu żaluzji CCD. Dlatego do lokalizacji generowanych elektronów w kierunku podłużnym wykorzystuje się tzw. kanały stopu (rys. 4), które są wąskim paskiem półprzewodnikowym o zwiększonej zawartości domieszek. Im wyższe stężenie zanieczyszczeń, tym więcej dziur w takim przewodniku (każdy atom zanieczyszczeń prowadzi do powstania dziury). Ale koncentracja dziur określa, przy jakim konkretnym napięciu na bramce powstaje pod nią obszar zubożenia. Intuicyjnie widać, że im wyższe zagęszczenie dziur w półprzewodniku, tym trudniej je wypchnąć w głąb.

Rozważana przez nas struktura matrycy CCD nazywana jest CCD z powierzchniowym kanałem transmisyjnym, ponieważ kanał, przez który przenoszony jest nagromadzony ładunek, znajduje się na powierzchni półprzewodnika. Metoda transmisji powierzchniowej ma szereg istotnych wad związanych z właściwościami granicy półprzewodników. Faktem jest, że ograniczenie półprzewodnika w przestrzeni narusza idealną symetrię jego sieci krystalicznej ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami. Nie wchodząc w zawiłości fizyki ciała stałego zauważamy, że takie ograniczenie prowadzi do powstawania pułapek energetycznych na elektrony. W rezultacie elektrony nagromadzone pod wpływem światła mogą być wychwytywane przez te pułapki, zamiast przenosić się z jednej bramki do drugiej. Między innymi takie pułapki potrafią w sposób nieprzewidywalny uwalniać elektrony i to nie zawsze wtedy, gdy jest to naprawdę potrzebne. Okazuje się, że półprzewodnik zaczyna „szumować” – innymi słowy, liczba elektronów zgromadzonych pod bramką nie będzie dokładnie odpowiadać natężeniu pochłoniętego promieniowania. Można uniknąć takich zjawisk, ale w tym celu sam kanał transferowy musi zostać przesunięty w głąb przewodnika. To rozwiązanie zostało wdrożone przez specjalistów Philipsa w 1972 roku. Pomysł polegał na tym, aby w obszarze powierzchni półprzewodnika typu p powstała cienka warstwa półprzewodnika typu n, czyli półprzewodnika, w którym głównymi nośnikami ładunku są elektrony (rys. 5).

Powszechnie wiadomo, że styk dwóch półprzewodników z różne rodzaje przewodnictwo prowadzi do powstania warstwy zubożonej na złączu. Dzieje się tak na skutek dyfuzji dziur i elektronów we wzajemnie przeciwnych kierunkach oraz ich rekombinacji. Przyłożenie dodatniego potencjału do bramki zwiększa rozmiar obszaru zubożenia. Charakterystyczne jest, że obecnie sam obszar zubożenia lub pojemność dla fotoelektronów nie znajduje się na powierzchni, a zatem nie ma pułapek powierzchniowych na elektrony. Taki kanał transferowy nazywa się ukrytym, a wszystkie nowoczesne przetworniki CCD są produkowane z ukrytym kanałem transferowym.

Rozważane przez nas podstawowe zasady działania czujnika CCD wykorzystywane są do konstruowania matryc CCD o różnej architekturze. Strukturalnie można wyróżnić dwa główne schematy macierzy: z transferem ramek iz transferem międzyliniowym.

W macierzy transferu klatka po klatce istnieją dwie równoważne sekcje o tej samej liczbie wierszy: akumulacja i przechowywanie. Każdy rząd w tych sekcjach tworzą trzy bramki (nadawanie, odbiór i izolacja). Ponadto, jak zauważono powyżej, wszystkie rzędy są oddzielone wieloma kanałami zatrzymującymi, które tworzą komórki akumulacyjne w kierunku poziomym. W ten sposób najmniejszy element strukturalny matrycy CCD (piksel) powstaje z trzech bramek poziomych i dwóch pionowych kanałów stopu (rys. 6).

Podczas naświetlania w części akumulacyjnej generowane są fotoelektrony. Następnie impulsy zegarowe przyłożone do bramek przenoszą nagromadzone ładunki z sekcji akumulacji do zacienionej sekcji przechowywania, czyli w rzeczywistości przesyłana jest cała rama. Dlatego ta architektura jest nazywana CCD transferu ramka po ramce. Po przeniesieniu sekcja akumulacji jest czyszczona i może ponownie gromadzić ładunki, podczas gdy ładunki z sekcji pamięci trafiają do poziomego rejestru odczytu. Struktura rejestru poziomego jest podobna do budowy czujnika CCD - te same trzy bramki do przenoszenia ładunku. Każdy element rejestru poziomego ma połączenie ładowania z odpowiednią kolumną sekcji pamięci, a dla każdego impulsu zegarowego z sekcji akumulacji cały rząd wchodzi do rejestru odczytu, który jest następnie przekazywany do wzmacniacza wyjściowego w celu dalszego przetwarzania.

Rozważany schemat matrycy CCD ma jedną niewątpliwą zaletę - wysoki współczynnik wypełnienia. Termin ten jest zwykle nazywany stosunkiem powierzchni światłoczułej matrycy do jej całkowitej powierzchni. W przypadku macierzy z transferem klatek współczynnik wypełnienia sięga prawie 100%. Ta cecha umożliwia tworzenie na ich podstawie bardzo czułych urządzeń.

Oprócz rozważanych zalet, macierze z transferem klatka po klatce mają również szereg wad. Przede wszystkim zwracamy uwagę, że sam proces transferu nie może zostać przeprowadzony natychmiast. To właśnie ta okoliczność prowadzi do wielu negatywnych zjawisk. W procesie przenoszenia ładunku z sekcji akumulacyjnej do sekcji akumulacyjnej, pierwsza pozostaje oświetlona iw niej trwa proces akumulacji fotoelektronów. Prowadzi to do tego, że jasne obszary obrazu mają czas na udział w pakiecie ładunku obcego nawet w krótkim czasie, w którym przez nie przechodzi. W efekcie w kadrze pojawiają się charakterystyczne zniekształcenia w postaci pionowych pasów rozciągających się na całej klatce z jasnych obszarów obrazu. Oczywiście do zwalczania takich zjawisk można zastosować różne sztuczki, ale najbardziej radykalnym sposobem jest oddzielenie sekcji akumulacyjnej i sekcji transferowej tak, aby transfer odbywał się w zacienionym obszarze. Macierze tej architektury nazywane są CCD z łącznikami między wierszami (ryc. 7).

W przeciwieństwie do poprzednio opisanej macierzy transferu klatka po klatce, fotodiody działają tutaj jako elementy magazynujące ładunek (fotodiody zostaną omówione bardziej szczegółowo później). Ładunki zgromadzone przez fotodiody są przenoszone do zacienionych ogniw CCD, które dokonują dalszego transferu ładunku. Należy zauważyć, że transfer całej klatki z fotodiod do pionowych rejestrów transferowych CCD następuje w jednym cyklu zegarowym. Powstaje naturalne pytanie: dlaczego tej architekturze nazwano dzielenie z przeplotem (jest też określenie „dzielenie z przeplotem”)? Aby zrozumieć pochodzenie nazwy interline, a także transferu klatka po klatce, przypomnijmy podstawową zasadę wyświetlania obrazu na ekranie formowania sygnału wideo. Sygnał ramki składa się z sygnałów linii oddzielonych odstępami między liniami, to znaczy czasem wymaganym do przejścia wiązki elektronów przez ekran od końca jednej linii do początku następnej. Występują również przerwy międzyramkowe - czas potrzebny na przesunięcie wiązki od końca ostatniej linii do początku pierwszej linii (przejście do nowej klatki).

Jeśli przypomnimy sobie architekturę matrycy CCD z transferem międzyramkowym, staje się jasne, że transfer ramki z sekcji akumulacji do sekcji pamięci występuje podczas przerwy międzyramkowej sygnału wideo. Jest to zrozumiałe, ponieważ przesłanie całej klatki zajmie dużo czasu. W architekturze z transferem międzyliniowym ramka jest przesyłana w jednym cyklu zegara, a do tego wystarczy krótki odstęp czasu. Następnie obraz wchodzi do rejestru przesuwnego w poziomie, a transmisja odbywa się linia po linii podczas odstępu między liniami sygnału wideo.

Oprócz dwóch rozważanych typów CCD istnieją inne schematy. Na przykład schemat łączący mechanizm międzyramkowy i międzywierszowy (przesyłanie między ramkami) uzyskuje się przez dodanie sekcji przechowywania do macierzy CCD. W tym przypadku przeniesienie ramki z elementów światłoczułych następuje w jednym cyklu podczas okresu międzyramkowego, a podczas okresu międzyramkowego ramka jest przesyłana do sekcji przechowywania (przesyłanie międzyramkowe); z sekcji przechowywania ramka jest przenoszona do rejestru przesuwnego w poziomie podczas odstępów między wierszami (przesyłanie międzyramkowe).

Ostatnio rozpowszechniły się tak zwane super-CCD (Super CCD), wykorzystujące oryginalną architekturę plastra miodu, którą tworzą ośmiokątne piksele. Zwiększa to powierzchnię roboczą krzemu i zwiększa gęstość pikseli (liczbę pikseli CCD). Dodatkowo ośmiokątny kształt pikseli zwiększa obszar powierzchni światłoczułej.

Czujniki CMOS

Zasadniczo innym typem czujnika jest tak zwany czujnik CMOS (CMOS - komplementarny półprzewodnik tlenku metalu; w terminologii angielskiej - CMOS).

Wewnętrzna architektura czujników CMOS może się różnić. Tak więc fotodiody, fototranzystory lub fotozawory mogą działać jako element światłoczuły. Niezależnie od rodzaju elementu światłoczułego zasada separacji dziur i elektronów uzyskanych w procesie fotogeneracji pozostaje niezmieniona. Rozważmy najprostszy rodzaj fotodiody, na przykładzie którego łatwo zrozumieć zasadę działania wszystkich fotokomórek.

Najprostsza fotodioda to styk półprzewodników typu n i p. Na granicy styku tych półprzewodników powstaje obszar zubożenia, czyli warstwa bez dziur i elektronów. Taki obszar powstaje w wyniku dyfuzji większości nośników ładunku we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Dziury przemieszczają się z p-półprzewodnika (czyli z obszaru, w którym są w nadmiarze) do n-półprzewodnika (czyli do obszaru, w którym ich stężenie jest niskie), a elektrony poruszają się w przeciwnym kierunku, czyli jest, od n-półprzewodnika do p-półprzewodnika. W wyniku tej rekombinacji dziury i elektrony znikają i powstaje obszar zubożenia. Ponadto jony zanieczyszczeń są odsłonięte na granicach obszaru zubożenia, aw obszarze n jony zanieczyszczeń mają ładunek dodatni, aw obszarze p są ujemne. Ładunki te, rozłożone wzdłuż granicy obszaru zubożenia, tworzą pole elektryczne podobne do pola wytwarzanego w płaskim kondensatorze składającym się z dwóch płytek. To właśnie to pole pełni funkcję przestrzennej separacji dziur i elektronów powstających w procesie fotogeneracji. Obecność takiego lokalnego pola (nazywanego też barierą potencjału) jest podstawowym punktem w każdym czujniku światłoczułym (nie tylko w fotodiodzie).

Załóżmy, że fotodioda jest oświetlona światłem, a światło pada na n-półprzewodnik, a złącze pn jest prostopadłe do wiązek światła (ryc. 8). Fotoelektrony i fotodziury dyfundują do wnętrza kryształu, a niektóre z nich, które nie zdążyły się zrekombinować, dotrą do powierzchni złącza pn. Jednak dla elektronów istniejące pole elektryczne jest przeszkodą nie do pokonania – barierą potencjału, więc elektrony nie będą w stanie pokonać złącza pn. Z drugiej strony dziury są przyspieszane przez pole elektryczne i wnikają w obszar p. W wyniku przestrzennej separacji dziur i elektronów obszar n jest naładowany ujemnie (nadmiar fotoelektronów), a obszar p jest naładowany dodatnio (nadmiar fotodziur).

Główna różnica między czujnikami CMOS a czujnikami CCD nie polega na akumulacji ładunku, ale na sposobie jego dalszego przenoszenia. Technologia CMOS, w przeciwieństwie do CCD, pozwala na wykonanie większej ilości operacji bezpośrednio na krysztale, na którym znajduje się matryca światłoczuła. Oprócz uwalniania elektronów i ich przesyłania, czujniki CMOS mogą również przetwarzać obrazy, poprawiać kontury obrazu, redukować szum i przeprowadzać konwersję analogowo-cyfrową. Co więcej, możliwe jest tworzenie programowalnych czujników CMOS, dzięki czemu można uzyskać bardzo elastyczne urządzenie wielofunkcyjne.

Tak szeroki zakres funkcji wykonywanych przez pojedynczy mikroukład to główna przewaga technologii CMOS nad CCD. Zmniejsza to liczbę wymaganych komponentów zewnętrznych. Zastosowanie czujnika CMOS w aparacie cyfrowym pozwala na zainstalowanie na zwolnionej przestrzeni innych chipów - na przykład procesorów sygnału cyfrowego (DSP) i przetworników analogowo-cyfrowych.

Szybki rozwój technologii CMOS rozpoczął się w 1993 roku, kiedy powstały aktywne czujniki pikselowe. Dzięki tej technologii każdy piksel ma swój własny odczyt wzmacniacz tranzystorowy, który umożliwia konwersję ładunku na napięcie bezpośrednio na pikselu. Ponadto stało się możliwe losowy dostęp do każdego piksela czujnika (podobnie jak w Baran losowy dostęp). Równolegle odczytywany jest ładunek z aktywnych pikseli czujnika CMOS (rys. 9), co umożliwia odczytanie sygnału z każdego piksela lub bezpośrednio z kolumny pikseli. Dostęp losowy umożliwia czujnikowi CMOS odczytanie nie tylko całej matrycy, ale również obszarów próbkowanych (metoda okienkowa).

Pomimo pozornej przewagi matryc CMOS nad CCD (z których główną jest więcej) niska cena), mają również szereg wad. Obecność dodatkowych obwodów na chipie CMOS prowadzi do pojawienia się szeregu zakłóceń, takich jak rozpraszanie tranzystorów i diod, a także efekt ładunku resztkowego, czyli matryce CMOS są dziś bardziej „zaszumione”. Dlatego w niedalekiej przyszłości wysokiej jakości przetworniki CCD znajdą zastosowanie w profesjonalnych aparatach cyfrowych, a matryce CMOS podbijają rynek tańszych urządzeń, do których w szczególności należą kamery internetowe.

Jak uzyskuje się kolor

Omówione powyżej czujniki światłoczułe są w stanie reagować tylko na intensywność pochłanianego światła – im wyższa intensywność, tym więcej kumuluje się ładunek. Powstaje logiczne pytanie: w jaki sposób uzyskuje się obraz kolorowy?

Aby umożliwić kamerze rozróżnianie kolorów, tablica filtrów kolorów (CFA, tablice filtrów kolorów) jest stosowana bezpośrednio do aktywnego piksela. Zasada działania filtra barwnego jest bardzo prosta: przepuszcza tylko światło o określonej barwie (czyli tylko światło o określonej długości fali). Ale ile z tych filtrów jest wymaganych, jeśli liczba różnych odcieni kolorów jest praktycznie nieograniczona? Okazuje się, że dowolny odcień koloru można uzyskać poprzez zmieszanie kilku podstawowych (podstawowych) kolorów w określonych proporcjach. Najpopularniejszy dodatek model RGB (Red, Green, Blue) ma trzy takie kolory: czerwony, zielony i niebieski. Oznacza to, że potrzebne są tylko trzy filtry kolorów. Zauważ, że RGB nie jest jedynym modelem kolorów, ale jest używany przez zdecydowaną większość cyfrowych kamer internetowych.

Najbardziej popularne są tablice filtrów wzorców Bayera. W tym systemie filtry czerwony, zielony i niebieski są rozłożone, a liczba filtrów zielonych jest dwa razy większa niż czerwonych lub niebieskich. Kolejność jest taka, że ​​filtry czerwony i niebieski znajdują się między zielonymi (rys. 10).

Ten stosunek filtrów zielonego, czerwonego i niebieskiego tłumaczy się osobliwościami ludzkiej percepcji wzrokowej: nasze oczy są bardziej wrażliwe na kolor zielony.

W kamerach CCD trzy kanały kolorów są wyrównywane w urządzeniu obrazującym po konwersji sygnału z analogowego na cyfrowy. W czujnikach CMOS to wyrównanie może również nastąpić bezpośrednio w chipie. W każdym razie kolory podstawowe każdego filtra są interpolowane matematycznie z uwzględnieniem koloru sąsiednich filtrów. Dlatego, aby uzyskać prawdziwy kolor piksela obrazu, konieczna jest znajomość nie tylko natężenia światła przepuszczonego przez filtr tego piksela, ale także wartości natężeń światła, które przeszło przez filtr tego piksela. filtry otaczających pikseli.

Jak już wspomniano, model kolorów RGB wykorzystuje trzy kolory podstawowe, za pomocą których można uzyskać dowolny odcień widma widzialnego. ile odcieni potrafią rozróżnić aparaty cyfrowe? Maksymalna ilość różne odcienie kolorów są określane przez głębię koloru, która z kolei jest określana przez liczbę bitów użytych do zakodowania koloru. V popularny model RGB 24 z 24-bitową głębią kolorów, 8 bitów jest przydzielonych dla każdego koloru. Przy 8 bitach można określić 256 różnych odcieni kolorów, odpowiednio dla czerwonego, zielonego i niebieskiego. Każdy odcień ma przypisaną wartość od 0 do 255. Na przykład czerwień może przyjmować 256 gradacji: od czystej czerwieni (255) do czerni (0). Maksymalna wartość kodu odpowiada jednolitemu kolorowi, a kod dla każdego koloru jest zwykle ułożony w następującej kolejności: czerwony, zielony i niebieski. Na przykład czysty czerwony kod jest zapisany jako (255, 0, 0), zielony kod to (0, 255, 0), a niebieski kod to (0, 0, 255). Żółty można uzyskać przez zmieszanie czerwonego i zielonego, a jego kod jest zapisany jako (255, 255, 0).

Oprócz modelu RGB szeroko stosowane są również modele YUV i YСrCb, które są do siebie podobne i opierają się na separacji sygnałów luminancji i chrominancji. Sygnał Y to sygnał luminancji, który jest definiowany przez zmieszanie kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego. Sygnały U i V (Cr, Cb) oznaczają różnicę kolorów. Tak więc sygnał U jest bliski różnicy między składową niebieską i żółtą obrazu kolorowego, a sygnał V jest bliski różnicy między składowymi czerwonymi i zielonymi obrazu kolorowego.

Główną zaletą modelu YUV (YCrCb) jest to, że ta metoda kodowania, choć bardziej złożona niż RGB, wymaga mniejszej przepustowości. Faktem jest, że wrażliwość ludzkiego oka na składową Y luminancji i składową różnicy barw nie jest taka sama, dlatego wydaje się całkiem akceptowalne przeprowadzenie tej transformacji z decymacją (przeplataniem) składowych różnicy barw, gdy Y -komponenty obliczane są dla grupy czterech sąsiednich pikseli (2×2), a składowe różnicy kolorów są wspólne (tzw. schemat 4:1). Łatwo policzyć, że już schemat 4:1 pozwala podzielić strumień wyjściowy o połowę (zamiast 12 bajtów wystarczy sześć na cztery sąsiednie piksele). W kodowaniu YUV 4:2:2 sygnał luminancji jest przesyłany dla każdego punktu, a sygnały różnicy kolorów U i V są przesyłane tylko dla co drugiego punktu linii.

Jak działa technologia cyfrowa

Kamery internetowe

Zasada działania wszystkich typów aparatów cyfrowych jest w przybliżeniu taka sama. Rozważmy typowy układ najprostszej kamery internetowej, której główną różnicą w stosunku do innych typów kamer jest obecność interfejsu USB do podłączenia do komputera.

Oprócz system optyczny(obiektyw) i światłoczuły czujnik CCD lub CMOS, wymagany jest przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), który przekształca sygnały analogowe czujnika światłoczułego na kod cyfrowy. Ponadto wymagany jest również system obrazowania kolorowego. Kolejnym ważnym elementem kamery są obwody odpowiedzialne za kompresję danych i przygotowanie ich do transmisji w żądanym formacie. Na przykład w rozważanej kamerze internetowej dane wideo są przesyłane do komputera przez interfejs USB, dlatego kontroler interfejsu USB musi być obecny na jego wyjściu. Schemat blokowy aparatu cyfrowego pokazano na ryc. jedenaście .

Przetwornik analogowo-cyfrowy przeznaczony jest do próbkowania ciągłego sygnału analogowego i charakteryzuje się częstotliwością próbkowania, która określa przedziały czasu, w których mierzony jest sygnał analogowy, a także jego wydajnością. Pojemność ADC to liczba bitów używanych do reprezentowania każdej próbki w sygnale. Na przykład, jeśli używany jest 8-bitowy ADC, to 8 bitów jest używanych do reprezentowania sygnału, co umożliwia rozróżnienie 256 gradacji oryginalnego sygnału. Używając 10-bitowego ADC, możliwe jest rozróżnienie już 1024 różnych gradacji sygnału analogowego.

Ze względu na niską przepustowość USB 1.1 (tylko 12 Mb/s, z czego kamera internetowa wykorzystuje nie więcej niż 8 Mb/s), dane przed przesłaniem do komputera muszą zostać skompresowane. Na przykład przy rozdzielczości ramki 320 × 240 pikseli i głębi kolorów 24 bity rozmiar nieskompresowanej ramki wyniesie 1,76 Mb/s. Przy przepustowości USB wynoszącej 8 Mb/s maksymalna szybkość przesyłania nieskompresowanego sygnału wynosi tylko 4,5 klatki na sekundę, podczas gdy w przypadku wysokiej jakości wideo wymagana jest szybkość przesyłania 24 lub więcej klatek na sekundę. W ten sposób staje się jasne, że bez sprzętowej kompresji przesyłanych informacji normalne funkcjonowanie aparat jest niemożliwy.

Zgodnie z dokumentacją techniczną ta matryca CMOS ma rozdzielczość 664×492 (326 688 pikseli) i może pracować z prędkością do 30 klatek na sekundę. Czujnik obsługuje zarówno progresywne, jak i poziome typy skanowania i zapewnia stosunek sygnału do szumu ponad 48 dB.

Jak widać na schemacie blokowym, jednostka kształtująca kolor (procesor sygnału analogowego) ma dwa kanały - RGB i YСrCb, a dla modelu YСrCb sygnały luminancji i różnicy kolorów są obliczane ze wzorów:

Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,

Cr = 0,713 × (R - Y),

Cb = 0,564 × (B - Y).

Sygnały analogowe RGB i YCrCb generowane przez procesor sygnału analogowego są przetwarzane przez dwa 10-bitowe przetworniki ADC, z których każdy działa z prędkością 13,5 MSPS w celu synchronizacji z szybkością pikseli. Po digitalizacji dane trafiają do konwertera cyfrowego, który generuje dane wideo w 16-bitowym YUV 4:2:2 lub 8-bitowym Y4:0:0, które przesyłane są na port wyjściowy za pośrednictwem 16-bitowego lub 8-bitowego -bitowy autobus.

Ponadto rozważana matryca CMOS ma szeroki zakres możliwości korekcji obrazu: balans bieli, kontrola ekspozycji, korekcja gamma, korekcja kolorów itp. Czujnikiem można sterować za pośrednictwem interfejsu SCCB (Serial Camera Control Bus).

Mikroukład OV511 +, którego schemat blokowy pokazano na ryc. 13 to kontroler USB.

Kontroler umożliwia przesyłanie danych wideo po magistrali USB z prędkością do 7,5 Mbit/s. Łatwo obliczyć, że taka przepustowość nie pozwoli na transmisję strumienia wideo z akceptowalną prędkością bez wstępnej kompresji. W rzeczywistości kompresja jest głównym celem kontrolera USB. Zapewniając niezbędną kompresję w czasie rzeczywistym do współczynnika kompresji 8:1, kontroler może przesyłać strumień wideo z szybkością 10-15 klatek na sekundę przy rozdzielczości 640 × 480 i szybkością 30 klatek na sekundę w rozdzielczości 320×240 i niższej.

Za kompresję danych odpowiada blok OmniCE, który implementuje autorski algorytm kompresji. OmniCE zapewnia nie tylko niezbędną prędkość strumienia wideo, ale także szybką dekompresję przy minimalnym obciążeniu jednostka centralna(przynajmniej według twórców). Współczynnik kompresji zapewniany przez jednostkę OmniCE waha się od 4 do 8 w zależności od wymaganej prędkości strumienia wideo.

Prasa komputerowa 12 "2001