View
261
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií a multimédií
CCD A CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH
Tomáš Hanečák
2009
CCD a CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH
BAKALÁRSKA PRÁCA
Tomáš Hanečák
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií a multimédií
Študijný odbor :
MULTIMEDIÁLNE TECHNOLÓGIE
Vedúci bakalárskej práce : doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.
Stupeň kvalifikácie : bakalár (Bc.)
Dátum odovzdania bakalárskej práce : 12.6 2009
ŽILINA 2009
ABSTRAKT
HANEČÁK, Tomáš: CCD a CMOS snímače (Bakalárska práca). Žilinská univerzita v Žiline.
Elektrotechnická fakulta; Katedra telekomunikácií a multimédií. Konzultant: doc. Ing.
Martin Vaculík, PhD. Žilina:
Hlavnou témou práce je priblíženie princípu pracovania CCD a CMOS snímačov vo
videokamerách, porovnanie výhod a nevýhod jednotlivých typov snímačov. Do práce je
zahrnuté porovnanie jednotlivých typov videokamier ako aj výsledky tohto porovnania.
Práca je doplnená umeleckou časťou, krátky dokument o tatranskej prírode –
„ TATRANSKÉ JAZERÁ “. Súčasťou tejto umeleckej časti je aj technický scenár diela.
Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra telekomunikácií a multimédií
ANOTAČNÝ ZÁZNAM - BAKALÁRSKA PRÁCA
CCD A CMOS snímače vo videokamerách
Priezvisko, meno: Hanečák Tomáš školský rok: 2008/2009
Fakulta elektrotechnická Katedra telekomunikácií a multimédií
Počet strán: 40 Počet obrázkov: 32 Počet tabuliek: 5
Počet grafov: 1 Počet príloh: 2 Pouţitá lit.: 23
Anotácia (slovenský jazyk): Táto bakalárska práca poskytuje súhrnný opis princípov
práce základných snímacích prvkov a jednotlivých spôsobov snímania obrazu. Práca
poskytuje náhľad na spracovanie obrazu do digitálnej formy. Prezentuje najpouţívanejšie
metódy prevodu signálu pomocou A/D prevodníka. V závere je zrealizované mediálne
dielo v prostredí programu Canopus EDIUS.
Anotácia v cudzom jazyku (anglický jazyk): This bachelor's thesis provides a summary
description of the basic principles sensing elements and each image sensing modes. The work
provides insight to the image processing in digital format. It presents the most popular methods
of transferring the signal through A / D converter. In conclusion, it is carried out media work in
the Canopus EDIUS.
Kľúčové slová: Canopus EDIUS
Vedúci práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.
Recenzent práce :
Dátum odovzdania práce: 12.06.2009
OBSAH
Obsah..................................................................................................................................V
Zoznam obrázkov.........................................................................................................VIII
Zoznam tabuliek a grafov.................................................................................................X
Slovník termínov..............................................................................................................XI
Slovník skratiek a symbolov..........................................................................................XII
1.Úvod..................................................................................................................................1
2.Svetlo a farba...................................................................................................................2
2.1. Svetlo a farebný filter......................................................................................2
2.2.Nepriame svetlo................................................................................................2
2.3. Vlastnosti svetla...............................................................................................3
2.4. Rozklad svetla..................................................................................................4
2.5. Vnímanie farieb...............................................................................................4
2.6. Fotoelektrický jav............................................................................................5
2.7. RGB ferebný model.........................................................................................6
3.Polovodiče.........................................................................................................................7
4.Optické senzory...............................................................................................................8
5.CCD snímače....................................................................................................................9
5.1. História.............................................................................................................9
5.2. Princíp činnosti................................................................................................9
5.3. Kategórie CCD prvkov.................................................................................12
5.4. Konštrukcia....................................................................................................12
5.5. Vlastnosti, nedostatky CCD snímačov.........................................................13
5.6. Farebný filter.................................................................................................13
5.7.Binning............................................................................................................15
5.8. Snímanie jedným čipom - 1CCD..................................................................15
5.9.Snímanie troma čipmi – 3CCD.....................................................................16
6.CMOS snímače..............................................................................................................16
6.1. História...........................................................................................................16
6.2. Princíp činnosti..............................................................................................17
6.3. Typy CMOS snímačov..................................................................................17
6.4. Konštrukcia....................................................................................................18
6.5. Technológia....................................................................................................19
6.6. CMOS logika..................................................................................................19
6.7. Kompresia......................................................................................................21
7.Snímače vo fotoaparátoch.............................................................................................24
7.1.CCD snímač....................................................................................................24
7.2. Super CCD snímač........................................................................................24
7.3. CMOS snímač................................................................................................24
7.4. Foveon snímač................................................................................................25
7.5. Rozlíšenie snímačov.......................................................................................25
7.6. Šum.................................................................................................................25
8.A/D prevodník................................................................................................................26
8.1. Integračná metóda........................................................................................26
8.2. Metóda vyuţitia medziprevodu napätia na frekvenciu..............................27
8.3. Aproximačná metóda....................................................................................27
8.4. Metóda zaloţená na sledovaní vstupného signálu......................................28
8.5. Metóda paralelného vzorkovania.................................................................28
9.CCD vs. CMOS..............................................................................................................28
10. Test – praktická časť..................................................................................................30
10.1. Ţiarovkové svetlo.........................................................................................32
10.2.Denné svetlo..................................................................................................33
10.3. Šero...............................................................................................................35
10.4. Grafické znázornenie..................................................................................36
10.5 Porovnanie fotosnímačov.............................................................................37
11.Záver.............................................................................................................................39
Zoznam pouţitej literatúry..............................................................................................40
Prílohová časť
Technický scenár.............................................................................................................III
Popis prostredia nelineárneho strihového programu Canopus EDIUS......................IX
Zoznam obrázkov
Obr. 2.1 Dichronické zrkadlá
Obr.2.2 Lom svetla
Obr.2.3. Odraz svetla
Obr.2.4 Vlnová dĺţka jednotlivých farieb viditeľného spektra
Obr.2.5 Stavba ľudského oka
Obr.2.6 Čapíky
Obr.2.7 Fotoelektrický jav
Obr.2.8 Farebný model
Obr.5.1 Uvoľnenie elektrónov v polovodiči
Obr.5.2 Presun elektrónov medzi elektródami
Obr.5.3 Matica snímača
Obr.5.4 Plošné CCD
Obr.5.5 Farebný filter
Obr.5.6 Vznik výslednej farby
Obr.5.7 Rozloţenie svetla v 3CCD
Obr.6.1 Princíp CMOS a organického CMOS snímača
Obr.6.2 Bayerov filter
Obr.6.3 Polarizovaný P kanál
Obr.6.4 NOR a NAND funkcie
Obr.6.5 NAND brány
Obr.6.6 NAND s párom prevodníkov
Obr.6.7 Matica koeficientov
Obr.6.8 Kvantovanie koeficientov
Obr.6.9 Postup kódovaniach
Obr.6.10 Rozdiel pri jednotlivých typoch kompresií
Obr.7.1 Super CCD snímač
Obr.7.2 Foveon snímač
Obr.7.3 Veľkosti senzorov
Obr.8.1 Integračná metóda
Obr.8.2 Metóda vyuţitia medziprevodu U na f
Obr.8.3 Aproximačná metóda
Obr.8.4 Metóda paralelného vzorkovania
Obr.10.1 JVC ţiarovkové svetlo
Obr.10.2 Panasonic ţiarovkové svetlo
Obr.10.3 Sony ţiarovkové svetlo
Obr.10.4 JVC denné svetlo
Obr.10.5 Panasonic denné svetlo
Obr.10.6 Sony denné svetlo
Obr.10.7 JVC šero
Obr.10.8 Panasonic šero
Obr.10.9 Sony šero
Obr.11. Prostredie Canopus EDIUS
Zoznam tabuliek a grafov
Tab. 2.1 Farby určené formou bitov
Tab.7.1 Počet bodov pri určitom rozlíšení obrazu
Tab.7.2 Rozmery snímačov
Tab.10.1 Porovnanie obrazu kamier
Tab.10.2 Porovnanie obrazu digitálneho fotoaparátu a fotomobilu
Graf 10.1 Vyhodnotenie ankety na vzorke 30 respondentov
Slovník termínov
Charged Couple Device – CCD snimač
Complementary Metal Oxide Semiconductor – CMOS snímač
Charge Transfer Devices – prevodové zariadenie
Time Delay – časové oneskorenie
Integration - integrácia
Full Frame – úplne rámčekový
Frame Transfer – rámčekový prevod
Interline Transfer – medziriadkový prevod
Blooming - unikanie
Binning - zlievanie
Passive pixel sensors – pasívny senzor
Active pixel ensors – aktívny senzor
Focus Plane Image Compression – rovinná kompresia obrazu
Bin window – náhľadové okno
Slovník skratiek a symbolov
CCD – CCD obrazový snímač
CMOS – CMOS obrazový snímač
1 CCD, 3 CCD – jedno čipový CCD snímač, trojčipový CCD snímač
n – index lomu
α – uhol dopadu
α´ - uhol odrazu
λ. – vlnová dĺţka
Uo – energia potrebná na uvoľnenie elektrónov
Uk – kinetická energia elektrónu
E – energia fotónu
h – Planckova konštanta
f – frekvencia
ISO – veličina pouţitá pre citlivosť filmového materiálu
RGB – farebný model typu RGB
PPS – pasívne snímače
APS – aktívne snímače
NMOS – N kanál MOSFET
PMOS – P kanál MOSFET
NAND – hradlo, logický digitálny obvod, negácia logického súčinu
NOR – hradlo, logický digitálny obvod, negácia logického súčtu
AND – logický súčet
(x,y) - udáva farbu pixlu
M – hodinové impulzy
Vref – referenčné napätie
Mpix – megapixel
Y, CB, CR – farebný model, zloţky sú reprezentované jasom a dvoma farebnými zloţkami
1.ÚVOD
Vďaka svojej vlnovej dĺţke je svetlo viditeľné voľným okom a to od
infračerveného po ultrafialové. Má základné vlastnosti, ktorými sú svietivosť, farba
a uhol vlnenia. Môţe mať zdroj prírodný (slnko) alebo umelý (žiarovka). Pri odraze, lome
a ohybe svetla vzniká rozklad svetla na jednotlivé farebné zloţky. Tento jav môţeme
pozorovať pri prechode svetla hranolom. Rozklad svetla vyuţívajú aj prístroje ako sú
videokamery, faxy, skenery alebo fotoaparáty, a to pomocou snímačov typu CCD
(Charge-Coupled Device) a CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Pri
týchto snímačoch sa zaoberáme hlavne tým ako premeniť energiu dopadajúceho svetla na
energiu elektrického signálu. V modernej technike dokáţu videokamery pomocou týchto
súčiastok verne zachytiť a neskôr aj zobraziť obraz v uspokojivej kvalite. Majú slúţiť
ľuďom či uţ sú to kameramani amatéri, ktorí točia domácu oslavu alebo profesionáli
točiaci celovečerný film. Tieto zariadenia boli určené predovšetkým k zachytávaniu
obrazu. V súčasnej dobe umoţňujú moderné produkty ( fotoaparáty, videokamery )
zachytávať a spolu z obrazom prehrávať aj zvuk. Sú však špecializované spravidla na tú
časť elektromagnetického spektra, ktoré dokáţe vnímať ľudské oko. Toto spektrum sa
pohybuje spravidla v rozmedzí 400 – 700 nm. Problémom pri videokamerách však býva
šum obrazu. Je to jemný elektrický signál, ktorý zniţuje kvalitu videozáznamu. Tu je
moţné badať rozdiely medzi jednotlivými technológiami výroby, a to pri 1CCD, 3CCD
a CMOS snímačoch. Aj keď moderné výrobné a technologické postupy umoţňujú zapájať
do videokamier obvody na redukciu šumu, je rozdiel medzi jednotlivými typmi kamier
jasne viditeľný.
Mojou snahou v tejto práci bolo predstaviť a objasniť princípy výroby a
a fungovania jednotlivých typov videokamier ( videokamery s 1CCD, 3CCD, CMOS ).
Na nasledujúcich stránkach sa budem bliţšie venovať dopadu, rozkladu a zachytávaniu
svetla pri týchto snímačoch ako aj porovnávaniu ich vlastností s názornou ukáţkou testu
všetkých troch typov zariadení v reálnom prostredí s vyhodnotením.
2. Svetlo a farba
Svetlo je vnímané ako elektromagnetické ţiarenie. Je to elektromagnetické vlnenie od
infračerveného po ultrafialové. Ľudským okom je viditeľné elektromagnetické spektrum
s frekvenciou 7,5x1014 Hz aţ 3,8x1014 Hz. Vlnová dĺţka tohto svetla vo vákuu sa
pohybuje v rozmedzí 360 nm ( zodpovedá fialovej zložke ) aţ po 760 nm ( zodpovedá
červenej zložke). Maximum elektromagnetického ţiarenia, ktoré dopadá zo Slnka na
povrch Zeme je práve v tomto rozsahu viditeľného svetla.
2.1. Svetlo a farebný filter
Jedným zo zdrojov svetla je priame svetlo. Je to či uţ slnečné svetlo, svetlo
sviečky, ţiarovky alebo svetlo z televíznej obrazovky. Podľa obsahu zloţiek svetla sa
určuje farba svetelného zdroja.
Ţeravé predmety majú širokopásmové centrum. Podľa teploty sa mení ich farba,
a to z dôvodu zmeny energetického obsahu spektrálnych zloţiek. Keď teda rozţeravíme
určitý predmet, bude svietiť pri niţších teplotách na červeno, pri vyšších na bielo aţ do
modra. Energia sa pritom udáva vo vzťahu k energii definovanej pre zelenú zloţku (555
nm), pretoţe ľudské oko je najcitlivejšie práve pre túto zloţku.
Farbu svetelného zdroja meníme rôznymi farebnými filtrami . Ako príklad
môţeme uviesť smerovku automobilu. Vo vnútri sa nachádza ţiarovka vyţarujúca „biele“
svetlo. Oranţové sklo krytu smerovky však dovolí prechod len určitému spektru svetla,
a teda prechádza ním len svetlo oranţovej farby.
2.2. Nepriame svetlo
Kaţdý predmet má schopnosť odráţať určité spektrum dopadajúceho svetla, ktoré
dopadá na jeho plochu. Farbu predmetu ľudské oko vníma ako odrazené zloţky
z pôvodného zdroja svetla. Tie zloţky, ktoré predmet neodrazí ním budú pohltené.
Hrušku vidíme ako zelenú, pretoţe jej povrch odrazí len zelenú časť spektra a ostatné
zloţky pohltí. Vlastnosti farebných povrchov je moţné zachytiť krivkou spektrálneho
odrazu.
Zrkadlo odrazí svetelný lúč v určitom smere podľa pravidla „uhol odrazu sa rovná
uhlu dopadu“. V kamerách sa pouţívajú takzvané dichronické zrkadlá. Tie odrazia len
určité spektrálne zloţky a ostatné prepustia v pôvodnom smere.
Obr. 2.1 Dichronické zrkadlá
2.3. Vlastnosti svetla:
lom svetla – pri prechode svetla z jedného prostredia do druhého dochádza k jeho
lomu. Spomalenie v určitom prostredí oproti
vákuu sa vyjadruje vzťahom n=c0/c kde c0 je
rýchlosť svetla vo vákuu a c je rýchlosť svetla
v danom prostredí. Index lomu vo vákuu je n=1
a v inom prostredí n>1. Pri prechode svetla
z vákua do iného materiálu alebo naopak sa
mení vlnová dĺţka. Lom na šošovke sa vyuţíva
v okuliaroch, lupách, mikroskopoch,.... Obr. 2.2 lom
svetla
odraz svetla – platí, ţe uhol odrazu sa rovná
uhlu dopadu ( α=α´ ). Tento jav nastane ak sa
svetlo dostane k rozhraniu dvoch prostredí. Nie
všetko vlnenie sa odrazí, určitá časť prenikne
do druhého prostredia.
Obr. 2.3 odraz svetla
farba a vlnová dĺţka – jednotlivé vlnové dĺţky, ktoré obsahuje svetlo mozog
vníma ako farby od fialovej aţ po červenú. Vlnové dĺţky, ktoré človek nezachytí
svojim okom patria k ţiareniu infračervenému alebo ultrafialovému. Toto ţiarenie
naše telo môţe vnímať napríklad ako teplo.
rýchlosť svetla – rýchlosť svetla vo vákuu c= 299 792 458 metrov za sekundu
2.4. Rozklad svetla
Biele svetlo sa dá rozloţiť na jednotlivé farebné zloţky. Tento jav s nazýva
rozklad svetla. Svetlo dopadá na hranol a nastáva lom. Keďţe kaţdá farebná zloţka svetla
má iný uhol lomu má aj iný index lomu. Pri lome svetla sa mení vlnová dĺţka - λ.
Jednotlivé vlnové dĺţky prislúchajú farbám podľa obr. 2.4. Tieto farebné zloţky sa dajú
opäť zloţiť do pôvodného bieleho svetla obráteným hranolom.
Obr. 2.4 Vlnová dĺžka jednotlivých farieb viditeľného spektra[nm]
2.5. Vnímanie farieb.
Farba je vnem, ktorý vzniká ako odozva na impulz svetla dopadajúci na oko .
Bunky sietnice oka známe ako receptory môţu byť dvojaké. Tyčinky, ktoré nedokáţu
rozlišovať farby ale vnímajú svetlo aj pri malej intenzite. Toto ma za následok to ,ţe
v šere nerozoznáme farby. Ďalším druhom receptoru sú čapíky schopné vnímať farbu. Sú
citlivé práve na to spektrum
svetla, ktoré môţeme zachytiť svojim okom,
čo sú pribliţne vlnové dĺţky od 400 do 700
nm. Tieto sa nám javia ako rôzne farby.
Poznáme však tri druhy čapíkov z ktorých
kaţdý reaguje na inú časť spektra Modré,
ktoré majú najväčšiu pri vlnovej dĺţke 430
nm, zelené pri 550 nm a červené s
maximálnou citlivosťou pri 580 nm. Dokáţu vnímať aj iné
Obr.2.5 Stavba ľudského oka dĺţky, avšak s menšou citlivosťou.
Kombináciou
teda vzniká určitý farebný vnem.
Môţe nastať situácia, ak v tele chýba jeden z čapíkov. Nastáva tu problém
s rozlišovaním jednotlivých farieb. Napríklad v prípade ak niekomu chýbajú červené
čapíky vníma červenú a zelenú zloţku len pomocou zelených čapíkov. Nedokáţe
spoľahlivo rozpoznať tieto dve zloţky pretoţe mu chýba informácia z červených čapíkov.
Obr. 2.6 čapíky
2.6. Fotoelektrický jav
Fotoelektrický jav nastáva pri dopade svetla s určitou
vlnovou dĺţkou (svetlo s krátkou vlnovou dĺžkou má väčšie
účinky ako svetlo z dlhou vlnovou dĺžkou) na kov alebo
polovodič. Pri tomto dopade svetlo vyrazí elektróny z atómov
látky. Tieto elektróny následne zvyšujú vodivosť, voľne sa
pohybujú v danej látke. Obr. 2.7 fotoelektrický
jav
vonkajší fotoelektrický jav je uvoľňovanie elektrónov z kovu alebo
polovodiča. Energia ktorá sa na to spotrebuje má veľkosť Uo, zvyšná energia je
kinetickou energiou vytrhnutého elektrónu Uk.
Celková energia fotónu je teda:
Kde h je Planckova konštanta ( 6,626 * 10-34
) a f je frekvencia.
vnútorný fotoelektrický jav je základom pre činnosť optoelektronických
súčiastok. Energiu svetelného ţiarenia pohltia elektróny. Vďaka tomu majú
dostatočnú energiu na to, aby sa uvoľnili z valenčného pásma a presunuli sa do
vodivostného. Tým sa zvýši vodivosť polovodiča. Tento jav závisí od
frekvencie, intenzity ţiarenia a teploty.
2.7. RGB farebný model
Tento model je aditívny farebný model, čo znamená, ţe je zaloţený na miešaní
farieb pomocou prekrývania jednej cez druhú. Je v ňom zmiešané červené, zelené aj
modré svetlo. Pri tomto modeli nie je výsledok zmiešania farieb presný, ale relatívny.
Presné definovanie nastane aţ keď bude definovaná chromatičnosť jednotlivých
farebných zloţiek.
Obr.2.8 farebný model
Kaţdú farbu je moţné zadať podľa jej mohutnosti. Základné farby majú vlnové dĺţky
630, 530 a 450 nm. Táto mohutnosť môţe byť daná v percentách alebo ako počet bitov
podľa pouţitej farebnej hĺbky v rozsahu hodnôt 0 – 255. Model RGB je moţné ukázať aj
ako tabuľku kde sú udané jednotlivé farby nasledovne
R G B farba
0 0 0 čierna
255 0 0 červená
0 255 0 zelená
0 0 255 modrá
255 255 0 Ţţtá
255 0 255 purpurová
0 255 255 azurová
255 255 255 biela
Tab. 2.1 Farby určené formou bitov
3. Polovodiče
Sú materiály, ktoré sa svojou elektrickou vodivosťou zaraďujú nikde medzi
vodiče a nevodiče. Ich vodivosť môţe byť ovplyvňovaná rôznymi faktormi ako napríklad
teplotou, dopadajúcim svetlom alebo obsahom prímesí.
Atóm obsahuje elektróny. Tie sú k atómu priťahované určitou silou. Tie elektróny,
ktoré priťahuje najmenšia sila sa nachádzajú vo valenčnom pásme atómu. Niektoré z nich
sú schopné sa odtrhnúť a pohybovať sa voľne v látke. Na to, aby sa elektrón odtrhol od
jadra je potrebná energia. Táto predstavuje tzv. zakázané pásmo. Toto pásmo dokáţe
určiť samotnú vodivosť látky. U polovodičov sa pohybuje veľkosť zakázaného pásma
niekde medzi hodnotou pri zakázaného pásma vodiča (nulová) a nevodiča ( asi 3eV),
pribliţne 1eV.
Energiu na prechod elektrónu z valenčného pásma môţeme získať z tepla.
Zmenou teploty látky sa menia aj vzťahy medzi pásmami. Takto vzniká zmena vodivosti
polovodičov zapríčinená zmenou teploty.
Elektrón sa odtrhne od jadra, teda opustí valenčné pásmo, na jeho mieste ostane
voľné miesto s kladným nábojom. Na toto miesto sa môţe zaradiť nový elektrón s iného
valenčného pásma a takto vznikne istá postupnosť. Miesto, ktoré po elektróne ostane
voľné sa nazýva diera. Pri dodaní malého mnoţstva prvku do polovodiča sa menia jeho
vlastnosti. Pridať je moţné donor ( prvok s väčším počtom valenčných elektrónov) alebo
akceptor ( prvok s menším počtom valenčných elektrónov ).
Kompozitné polovodiče sa tvoria pomocou tenkých vrstiev nanesených na
podloţke. Je dôleţité, aby bola dosiahnutá kryštalická mrieţka. Ak nie, vzniknutá vrstva
bude obsahovať mnoţstvo porúch. Kombináciou vrstiev sa dosiahne stav, keď sa jedna
z nich stane pre elektróny dvojrozmernou jamou. Dôsledkom toho je zvýšenie
pohyblivosti nosičov náboja.
Organické polovodiče taktieţ musia dodrţiavať stanovenú štruktúru materiálu.
Tu je moţné vytvoriť efekt štyroch elektrónov. Všetky elektróny sú viazané vo väzbách.
Dvojité väzby sa dajú rozbiť tak, aby elektrón nebol opäť viazaný a následne vznikne
vodivý kanál.
Polovodiče sa pouţívajú v rôznych súčiastkach v oblasti elektrotechniky napríklad
dióda, tranzistor, tyristor, integrovaný obvod.
Integrovaný obvod je v podstate osadenie tranzistorov a diód na substrát. Sú to
buď analógové, spracovávajú elektrické spojité signály, alebo digitálne, spracovávajú
dáta ako binárne čísla ktoré sú reprezentované dvoma úrovňami napätia. Nevýhodou je,
ţe sa vyrábajú vo veľkom, preto sa môţe stať, ţe sú spojené viaceré funkcie v jednom.
4. Optické senzory
Optické senzory sú po makroskopických a elektronických treťou generáciou
senzorov. Vyuţívajú sa poznatky a skúsenosti z oblasti optických komunikácií alebo
integrovanej optiky. Táto skupina zahŕňa optické vláknové a optické pásikové senzory.
Tieto sa vyznačujú okrem iného veľmi malými rozmermi, odolnosťou proti
elektromagnetickému rušeniu, moţnosťou realizovať prenos na veľké vzdialenosti, šírkou
prenášaného pásma.
Pri starších metódach obrazového snímania pomocou polovodičových prvkov sa
vyuţíval fotoelektrický jav v maticiach fotodiód a oddelené spracovania signálov. Dnes
sa táto metóda nahradzuje koncepciou integrácie senzorových matíc s obvodmi
spracujúcimi signály na spoločnom substráte alebo v spoločnom puzdre. Pre tento účel sú
najlepšie prispôsobené senzory s prenosom náboja Charge Transfer Devices. Tieto
súčiastky nie sú schopné iba detekovať fotónmi generované nosiče náboja, ale je moţné
pouţiť ich aj na snímanie elektrického obrazu vizuálnej scény, ktorú premietneme
sústavou na obrazový snímač. Tieto senzory s prenosom náboja môţu zabezpečiť čítanie
informácií, ktoré sú uloţené v jednotlivých bodoch obrazovej matice a môţeme pomocou
nich dosiahnuť multiplex, či časové oneskorenie a integráciu (Time Delay and
Integration), ako aj iné funkcie.
Podstatou činnosti je hromadenie minoritných nosičov náboja v potencionálnych
jamách. Tie sa tvoria na povrchu náboja. Vytvorí sa potencionálna vlna presúvaním
nábojov vo forme zhlukov. Vytvorí sa pod oxidovaným povrchom polovodiča a to
pripojením synchronizačných impulzov na prenosové elektródy.
Digitálny čip je integrované pole svetlo citlivých mikroskopických prvkov, tzv.
pixlov. Rozmer pixlu je 5 aţ 10µm. Pri obrazovom snímaní sa najčastejšie pouţívajú dva
typy obrazových snímačov:
CCD
CMOS
5. CCD (Charge-Coupled Device) SNÍMAČE
5.1. História
Pri vývoji pamäťových registrov bez prístupu svetla vynašli Willard Boyle
a George E. Smith v Bellových laboratóriách tieto snímače v roku 1969. O rok neskôr
postavili Bellove laboratóriá prvú kameru na svete, ktorá pouţívala polovodičový
obrazový snímač. V roku 1975 predstavili prvá kameru, ktorá poskytovala dostatočne
kvalitný obraz pre televízne vysielanie. V prvej polovici deväťdesiatych rokov sú CCD
snímače pouţité dokonca v astronomických ďalekohľadoch. To prinieslo prielom do
astronómie. Pri výrobe týchto snímačov sa dával dôraz na kvalitu obrazu i za cenu
vyšších nákladov a spotreby energie.
5.2. Princíp činnosti
Tieto snímače vznikli v podstate ako experimentálne počítačové pamäte. Ich
schopnosť premieňať svetlo na elektrický signál im avšak umoţňuje zaradiť sa medzi
najlepšie známe detektory svetla. CCD snímače premieňajú energiu dopadajúceho svetla
na energiu elektrického signálu. Vyuţívajú fyzikálny jav, tzv. fotoefekt. Pritom sa
v polovodiči presunie elektrón do excitovaného stavu. Tento elektrón spôsobuje
v polovodičoch elektrickú vodivosť. Prenos náboja sa v týchto snímačoch uskutočňuje
horizontálne. Sú to nábojovo viazané obvody s veľkou hustotou integrácie a niţšou
cenou. Pri CCD však elektróny nie sú odvádzané, pretoţe medzi polovodičom
a elektródou je vrstva oxidu kremičitého SiO2 slúţiaca ako izolant. CCD snímače pracujú
v niekoľkých častiach.
Pod pixlami sa nachádzajú elektródy. V prvej časti sa k nim privedie kladné
napätie. Na snímač sa nechá pôsobiť svetlo. Fotóny dopadajú na atómy kremíku.
Ak na CCD dopadne viac svetla, sú zdanlivé oblasti pixlov, v ktorých sa uvoľnilo
viac elektrónov. Uvoľnené elektróny sú priťahované uţ kladne nabitými
elektródami. Po uvoľnených elektrónoch ostávajú v polovodiči tzv. diery
s kladným nábojom.
Obr.5.1 uvoľnenie elektrónov v polovodiči
V druhej časti vzniká presun elektrónov po jednotlivých elektródach. Na
elektródach s číslom dva sa začne zvyšovať napätie, naopak na elektródach
s číslom jedna naproti predchádzajúcej časti nastane pokles napätia. Vďaka tomu
sú elektróny priťahované pod elektródy kde sa zvyšuje napätie tzn. Elektródy
s číslom 2. Táto procedúra sa opakuje, mení sa len číslo elektródy na elektródach
s číslom 3 sa zvýši napätie a na 2 sa zníži ). Takto sa elektróny pohybujú po
riadkoch CCD. Náboj sa musí presúvať po ploche snímača. Ak by sa tak nedialo
diery s kladným nábojom by dosiahli takých hodnôt, aţ by pretiekli.
Obr.5.2 presun elektrónov medzi elektródami
Nasleduje tretia časť kde sa elektróny pohybom dostanú aţ k výstupu. Tu je
zabudovaný prevodník. Keď sa náboj dostane na okraj snímača prevodník ho
prevedie na napäťový signál.
Pri tomto presúvaní náboja však nastáva problém a síce, ţe ak by CCD snímač snímal
obraz aj počas prechodu náboja k prevodníku mohol by ho ovplyvniť. Preto by mal byť
CCD snímač clonený. Existujú tri princípy clonenia:
FF – Full Frame - pri tomto spôsobe snímania sa svetlu vystaví celá plocha
snímača a zosníma sa obraz – vtedy sú svetlu vystavené všetky pixle. Následne sa
celý snímač zakryje clonou. Vtedy nastane prechod náboja zo snímača.
FT – Frame Transfer – pri tomto spôsobe má snímač dve časti. Prvou je plocha
na ktorú dopadá svetlo stále, to znamená, ţe pixle na tejto ploche sú v neustálom
kontakte zo svetlo. Druhá plocha je trvalo zaclonená. Do tejto zaclonenej plochy
sa prehráva náboj z kaţdého osvetleného pixla. Pokiaľ sa zosníma ďalší obrázok,
táto clonená časť snímača odvedie náboj aby sa pomocou nej mohol presúvať
ďalší. Tento princíp sa označuje ako elektronická clona.
IT – Interline Transfer – tento princíp sa veľmi
podobá princípu FT. Rozdiel je v tom, ţe svetlo
citlivá a svetlo necitlivá plocha sú rozdelené na
stĺpiky a usporiadané striedavo vedľa seba.
Z kaţdého necloneného stĺpika po dopadnutí svetla
a sa náboj presunie vedľa do svetlo necitlivej
plochy snímača odkiaľ sa posúva k prevodníku. Obr.5.3 matica snímača
Zatiaľ sa nasníma ďalší obraz.
Jednou z výhod CCD snímačov v porovnaní s ľudským okom je schopnosť akumulovať
náboj na dlhú dobu. To znamená, ţe tieto snímače sú schopné nahromadiť dostatok svetla
i z veľmi slabých svetelných zdrojov.
5.3. Kategórie CCD prvkov
Lineárne CCD
Pouţívajú sa na snímanie jednorozmerného obrazu. Pomocou týchto snímačov
pracujú skenery alebo faxy, kde sa obraz sníma po riadkoch. Lineárny CCD je tvorený
jednou radou pixlov. Dvojrozmerný obraz môţeme taktieţ snímať pomocou lineárneho
snímača. Objekt sa pohybuje a obraz sa tvorí snímaním po jednotlivých riadkoch. Tento
princíp sa pouţíva u skenerov, druţicových kamerách.
Plošné CCD
Pomocou kamery či fotoaparátu by sme mali snímať
dvojrozmerný obraz. Konštrukcia dvojrozmerného CCD je
jednoduchá. Stačí spojiť viacero lineárnych CCD na jednom
čipe. Rozdiel je v tom, ţe namiesto do výstupného
zosilňovača na konci riadku náboj smeruje do ďalšieho
lineárneho CCD, ktoré sú umiestnené kolmo. Aţ v
nasledujúcom kroku náboj postupuje do zosilňovača. Tento Obr.5.4 plošné
CCD
snímač sníma celý obraz naraz. Obrazové body akumulujúce
svetlo sú usporiadané v tomto snímači do stĺpcov. Zmenami napätia na elektródach sa
posúva obraz pozdĺţ stĺpcov vţdy o riadok niţšie aţ do horizontálneho registra. Tento
register je ďalej posúvaný pomocou horizontálnych elektród do zosilňovača.
5.4. Konštrukcia
Na to, aby CCD snímač správne fungoval musí mať základný polovodič oblasti
s rôznymi prímesami. Takisto bunky obsahujú pomocné elektródy tvorené
z naparovaného hliníku. Vplyvom týchto elektród sa zmenšuje citlivosť na svetlo pretoţe
citlivé sú len tie plochy na snímači, nad ktorými sa nenachádzajú tieto elektródy. Na
odstránenie tohto nedostatku sa pridávajú k bunkám snímača šošovky.
V snímači je rozdielny počet pouţitých buniek a celkový počet buniek snímača.
Tento rozdiel je z dôvodu ochranného pásma snímača.
5.5. Vlastnosti, nedostatky CCD snímačov
dynamický rozsah – udáva rozsah medzi odtieňom čiernej a bielej, ktorú je ešte
moţné snímačom zachytiť. Je limitovaný vlastným šumom a kapacitou prvku
CCD
citlivosť – udáva sa ako ISO citlivosť (veličina, používa sa pre citlivosť filmového
materiálu ). Zvýšením citlivosti sa zvýši aj šum.
rozlíšenie – udáva sa v megapixloch
šum – základným predpokladom je tepelný pohyb mrieţky polovodiča. Pri tomto
pohybe sa môţe uvoľniť elektrón bez pomoci fotónu. Tento elektrón sa
pripočítava k hodnote danej bunky. K odstráneniu šumu sa pouţíva napríklad
zväčšenie plochy bunky CCD snímača, pretoţe môţe zachytiť viac svetla
a minimalizovať šum. Ďalším spôsobom je chladenie kde sa odstráni tepelný
pohyb mrieţky.
vinetácia - jav, ktorý sa prejavuje stmavenými plochami na okrajoch obrazu.
Vzniká z toho dôvodu, ţe maximum svetla dopadajúceho na snímač je v kolmom
smere. V inom smere je účinnosť zmenšená. Hlavným dôvodom, je konštrukčná
chyba, alebo zle zvolený filter.
blooming – jav, pri ktorom dôjde k pretečeniu pixlov. Deje sa to preto, lebo na ne
dopadne príliš veľké mnoţstvo svetla.
Tieto prvky vypĺňajú sortiment medzi drahými polovodičovými súčiastkami s vyšším
príkonom a ekonomickými súčiastkami s nízkym príkonom.
5.6 Farebný filter
Ak chceme zosnímať farebný obraz, musíme snímať tri farby zvlášť. Sú to zelená
, červená a modrá. Snímač CCD je citlivý na všetky farby a dokonca je schopný snímať
určité zloţky aj mimo spektra. K detekcii poţadovanej farby pouţívame filtre.
Tento filter slúţi k odfiltrovaniu časti spektra a prepúšťa len určité frekvencie.
Napríklad modrý filter prepúšťa len to svetlo, ktoré má vlnovú dĺţku modrej farby.
Ostatné vlnové dĺţky pohltí. Takto pracuje aj červený a zelený filter. Základným filtrom
je RGB filter. Tento zaznamená dopadajúce svetlo. Základom pre tento filter je fakt, ţe
kaţdá farba sa skladá z modrej, zelenej a červenej farby. Farebný obraz sa sníma dvoma
spôsobmi.
Prvým spôsobom je moţnosť exponovať samostatné snímky
s monochronným čipom cez červený, zelený a modrý filter. Tento spôsob má
však nevýhodu v tom, ţe expozícia farebného obrazu zaberie určitý čas. Je
nevýhodné pouţiť ho pri snímaní rýchlo sa pohybujúcich objektov.
Druhou moţnosťou je aplikácia filtrov priamo na CCD snímače. Tento
spôsob nám umoţní získať farebný obraz pomocou jednej expozície.
Nevýhodou pri tomto spôsobe oproti prvému je niţšie rozlíšenie a citlivosť
snímača.
Kaţdý zo spomenutých spôsobov má určité výhody aj nevýhody. Preto je vhodné
pouţívať tieto filtre podľa situácie, resp. prispôsobiť filter snímanému obrazu. V dnešnej
dobe takmer všetky zariadenia pouţívajú detektory s farebnou maskou. V minulosti
pracovali tieto snímače so stĺpcom pixlov, ktorý bol zakrytý jednou farebnou maskou.
Stĺpce boli usporiadané v tomto poradí. Prvý bol červený, druhý zelený a posledný stĺpec
bol modrý. Toto poradie sa opakovalo. Pri
takomto spôsobe usporiadania bol obrazový
bod obsahujúci úplnú farebnú informáciu
tvorený z troch susedných bodov.
Dnešné CCD snímače pouţívajú Bayerove
masky. K tomu, aby sme mohli získať
informáciu o farbe svetla stačí pouţiť správnu
skladbu svetla. Keďţe akúkoľvek farbu sme
schopný získať pomocou zloţenia z troch
základných zloţiek. Na snímači je teda pred
kaţdým elementom u loţený farebný filter
tak, ako to je moţné vidieť na obrázku. Keď Obr. 5.5 farebný filter
teraz svetlo dopadá na snímač, najprv prechádza cez filter. Kaţdý z týchto troch filtrov
prepúšťa len určité spektrum. Modrý napríklad prepustí modrú časť spektra a zvyšné
zloţky odrazí. Dôjde k pohlteniu fotónov a získaniu elektrického náboja. Jeho veľkosť
teraz však nezávisí iba na intenzite dopadajúceho svetla, ale aj na farebnom rozloţení.
Výsledná farba sa potom skladá zo štvorice zloţiek, ktorá určuje výslednú farbu jedného
obrazového bodu. Pri snímaní sa najčastejšie pouţíva farebná hĺba 24 bitov. Keďţe máme
tri farebné zloţky znamená to, ţe na kaţdú nám pripadá 8 bitov. Z toho vyplýva, ţe pre
danú farbu môţeme dostať 256 odtieňov ( 28). Ich interpoláciou teda môţeme dostať
16 777 216 rôznych farebných odtieňov (256x256x256).
5.7. Binning
Binnig , po našom zlievanie je jednou z dôleţitých vlastností CCD snímacích čipov. Je to
zlievanie okolytých pixlov. Náboj nachádzajúci sa vo výstupnom uzle je potom vlastne
súčtom osvetlenia pixelov, ktoré sú zliate dohromady. Tieto pixli môţeme zlievať
vertikálne aj horizontálne. Vertikálne zlievanie nastáva ak sa obraz vertikálne posunie do
horizontálneho registra bez toho, aby bol medzi jednotlivými posunmy vyčítaný
horizontálny register.
Ak kombinujeme horizontálny a vertikálny binning, za výsledok dostaneme bod obrazu,
ktorý je vytvorený z obdĺţnika alebo štvorca susediacich pixelov ( 2x2-kombinácia dvoch
vertikálnych a dvoch horizontálnych binningov). Maximálny počet zliavaných bodov
závisí od samotnej kamery. V konečnom dôsledku binning prináša menšie zlo za cenu
väčšieho dobra. Zníţi rozlíšenie výsledného obrazu, ale naproti tomu výrazne rastie
citlivosť snímača. Taktieţ je výhodný ak sú obrazové body kamery menšie ako najmenší
detail, ktorý dokáţe zobraziť. V takomto prípade sa zvyšuje citlivosť, zrýchľuje sa
digitalizácia a zmenšuje objem dát.
5.8. Snímanie jedným čipom – 1CCD
Pouţíva sa hlavne v amatérskych videokamerách. Na jednotlivých pixloch CCD
snímača sú nanesené farebné filtre. Prevaţne usporiadanie pri týchto filtroch je
bayerovské usporiadanie.
Ľudské oko je najcitlivejšie na ţltozelenú farbu. Práve toto
je vyuţité pri snímaní jedným čipom. CCD snímač obsahuje viac
zelených buniek ako modrých a červených. Výsledné farby obrazu
vzniknú zloţením jednotlivých farieb, ktoré pochádzajú
z najbliţších pixlov jednotlivých farieb RGB.
Obr.5.6 vznik výslednej farby
5.9. Snímanie troma čipmi – 3CCD
Oproti predchádzajúcej časti sa tento systém pouţíva v poloprofesionálnych
a profesionálnych kamerách.
Poskytuje veľmi presné
snímanie farieb a umoţňuje
krátke expozičné časy. Svetlo
dopadá na sústavu dvoch
polopriepustných zrkadiel.
Tieto zrkadlá sú pokryté
tenkou vrstvou kovu čo
spôsobí, ţe odráţajú polovicu
svetla a ďalšiu polovicu Obr.5.7 rozloženie svetla v 3CCD
prepúšťajú. Keď svetlo dopadne na plochu zrkadla časť z neho sa odrazí k filtru
číslo 1 a časť svetla prechádza k druhému zrkadlu kde sa rozdelí a smeruje k farebnému
filtru číslo 2 a 3. Takto sa svetlo rozdelí k trom farebným filtrom. Kaţdý z týchto filtrov
je určený pre jeden CCD snímač.
6. CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
6.1. História
CMOS snímače sa začali vyvíjať paralelne s CCD snímačmi. V roku 1963
skonštruoval prvý CMOS obvod Frankem Wanlassem. Boli zvolené ako lacné
a nenáročne riešenie snímača. Pre riadiacu elektródu bol pôvodne pouţitý hliník, no
neskôr ho nahradili poly silikónom, pretoţe tento materiál je odolnejší voči vysokým
teplotám. Vďaka svojej vnútornej konštrukcii majú niţšiu spotrebu elektrického prúdu.
CMOS technológia sa pouţíva aj pre niektoré analógové obvody ako napríklad dátové
prevodníky.
6.2. Princíp
Technológia CMOS pouţíva ako základný obvod kombináciu P-kanálového a N-
kanálového tranzistora. Jeden tranzistor je zatvorený a druhý je otvorený. Oproti CCD
snímaču, kde sa signál prevádza za snímačom, v CMOS čipe sa optický signál prevádza
na elektrické napätie priamo v pixli. Snímacia plocha pixlu je menšia a nad kaţdým
pixlom je uloţená šošovka. Prevodník je teda integrovaný priamo v snímači. Keďţe
kaţdá bunka má svoj vlastný výstup, dáta z CMOS snímača vystupujú naraz. Tým je
zapríčinená aj menšia doba na spracovanie jedného obrazu zo snímača. Na rozoznávanie
farieb pri CMOS snímači slúţi RGB filter. Tento filter je priradený ku kaţdej bunke.
Šošovka umiestnená nad pixlom usmerňuje dopadajúce svetlo do tých miest, ktoré sú
svetlo citlivé. Táto plocha zaberá asi polovicu pixla, a to vďaka tomu, ţe sa podarilo
skonštruovať snímač, ktorý vyţaduje len tri tranzistory na pixel.
Nedostatkom tejto technológie je nízka maximálna pracovná frekvencia, asi 10
MHz. Táto hranica sa stále zvyšuje s technickým rozvojom.
Výhodou je naopak malá citlivosť na vonkajšie rušenie.
6.3. Typy CMOS snímačov
Jednoduchou verziou sú pasívne snímače ( PPS – Passive pixel sensors).
Tieto generujú elektrický náboj priamo úmerne energii dopadajúceho
svetla. Náboj sa následne zosilňuje v zosilňovači a pokračuje do A/D
prevodníka podobne ako u CCD. V Praxi tieto snímače nedosahujú
uspokojivú kvalitu obrazu
Aktívny CMOS ( APS – Active pixel sensor) obsahuje pri kaţdej svetlo
citlivej bunke doplnok v podobe obvodu, ktorý vyhodnocuje šum
a eliminuje ho.
Novinkou je Organický CMOS má tri priehľadné vrstvy ( modrú,
červenú, zelenú ) uloţené na sebe. Medzi nimi sú postupne umiestnené
stĺpce, ktoré zbierajú elektrický náboj a odvádzajú ho na elektródy.
Obr.6.1 princíp CMOS a organického CMOS snímača
Ľudské oko je najcitlivejšie na zelenú farbu. Menej citlivé je na
červenú a najmenšiu citlivosť má na modrú farbu. Preto sa
pouţíva rovnako ako u CCD aj u CMOS snímačov permanentný
farebný filter, Bayerov filter.
Obr.6.2 Bayerov filter
6.4. Konštrukcia
Snímače s technológiou CMOS sú označené jedným číslom. Predstavuje
priemernú veľkosť prvku na snímači. Čím je menšia veľkosť tým menšie napätie je
moţné pouţiť a teda sa zniţuje spotreba snímača.
Obvod sa skladá z dvoch častí:
NMOS
PMOS
Obe z týchto častí sú negáciou tej druhej.
6.5. Technológia
CMOS snímače sa vďaka pokroku vedy priblíţili kvalitou obrazu k CCD
snímačom. Avšak ani v dnešnej dobe nie sú vhodné pre tie videokamery od ktorých
očakávame maximálnu kvalitu obrazu. Nedostatkom je stále nedostatočná citlivosť na
svetlo. Nie je to problémom, ak s kamerou pracujeme v dobre osvetlenom prostredí.
V prostredí s nedostatočným osvetlením však môţe nastať zreteľný rozdiel v kvalite
obrazu. Výsledný obraz bude zašumený a tmavý. CMOS snímače k svojej prevádzke
vyuţívajú polovodičové súčiastky riadené elektrickým poľom. Ich spotreba je veľmi malá
a technológia výroby pomerne lacná. Vyrábajú sa podobne ako väčšina integračných
obvodov.
6.6. CMOS logika
Pouţíva sa tu novšia technológia, ktorá je zaloţená na pouţívaní
komplementárnych tranzistorov. Tieto tranzistory vykonávajú logické funkcie. Na
tieto operácie však nespotrebujú takmer ţiaden prúd. CMOS brány sú zaloţené na
základnom prevodníku. Sú tu pouţité dva tranzistory. Jeden tranzistor N – kanál je
uzemnený a P – kanál na druhom tranzistore je spojený so zdrojom napätia. Brány týchto
tranzistorov sú spojené a tak tvoria vstup, ich výpusty naopak spolu tvoria výstup. Sú
navrhnuté tak, aby mali prispôsobené charakteristiky, a takto sú komplementárne sebe
navzájom. Pri vypnutí je ich odpor nekonečne veľký, no pri zapnutí sa odpor v kanáli
pohybuje okolo 200Ω. Vtedy je brána v zásade otvorená a výstupné napätie bude rovnaké
ako uzemnenie alebo napájacie napätie, v závislosti od toho,
na ktorom tranzistore sa operácia vykonáva.
Pokiaľ je vstup A uzemnený (logická 0) , N- kanál nie
je zosilnený. Jedná sa o otvorený okruh, výstup je odpojený od
zeme. V tom istom čase P- kanál je polarizovaný, teda je
zosilnený. Kanál ma odpor pribliţne 200Ω. Výstupný obvod
má kladné napätie, čo znamená logickú 1.
Obr.6.3 polarizovaný P kanál
Pri ďalšom zapojení sú vyuţité funkcie
NOR a NAND. Na obrázku vidíme príklad
CMOS 2-vstupnej NOR brány. V tomto obvode
sú obidva vstupy nízke, oba P- kanály budú
zapnuté, tak budú spojené s +V. Oba N- kanály
budú vypnuté, nebudú spojené zo zemou. AK
sa jeden zo vstupov zvýši, kanál sa vypne a odpojí
sa výstup od +V. N- kanál bude zapojený zo Obr.6.4 NOR a NAND funkcie
uzemňovacím výstupom.
Táto štruktúra môţe byť zmenená ako je vidieť na
obrázku. Sú tu pouţité dva vstupy NAND brány, kde
logická 0 na vstupe dotlačí výstup k logickej 1, ale
logická 1 na obidvoch vstupoch spôsobí logickú 0 na
výstupe. Táto štruktúra je menej limitovaná neţ by bol
dvojpólový ekvivalent, sú tam však určité
uskutočniteľné limity. Jednou z nich je aj
kombinovaný odpor z MOSFETU v sérií. Brány
s viac ako štyrmi vstupmi sú budované skôr ako
kaskádové štruktúry neţ ako jednoduché Obr.6.5 NAND brány
štruktúry. Logika je však stále platná. Štruktúra však
spôsobuje určité problémy pri určitých aplikáciách. Tento problém bol vyriešený
a ochránený B- sériou CMOS brány.
Je zapracovaný člen NAND s párom
prevodníkov. Výstup bude riadený
tranzistorom, vrátane P- kanála alebo
N- kanála. Následne sú prispôsobené,
výstupný odpor bude nemenný,
správanie signálu je viac
predvídateľné. Jedným z hlavných
Obr.6.6 NAND s párom prevodníkov problémov CMOS brán je ich rýchlosť.
Nemôţu operovať veľmi rýchlo, kvôli ich neodmysliteľnej vstupnej kapacite.
6.7. Kompresia
CMOS snímače pouţívajú novšiu technológiu Focus Plane Image Compression. Táto
technológia sa pouţíva prevaţne vo fotoaparátoch na zníţenie spotreby pri spracovávaní
obrazovej informácie. Vyuţíva diskrétnu kosínusovú kompresiu, tá kladie extrémne
poţiadavky na mikroprocesor. Toto spracovávanie spotrebuje oproti predchádzajúcim len
1% energie.
Diskrétna kosínusová kompresiu
Je to stratová kompresia. Bola vyvinutá pre obrázky, v ktorých sa nevyznačujú skupiny
pixlov opakovaním.
Skladá sa z: transformácie farieb
redukcie farieb
doprednej diskrétnej kosínusovej transformácie
kvantovania koeficientov
kódovania
Transformácia farieb: jpeg sa zakladá na farebnom modely YCbCR. Musíme teda
obrázok transformovať do tohto modelu, kde jednotlivé zloţky predstavujú jas a farby.
Jednotlivé hodnoty Y, CB, CR, sú v rozsahu 0 – 255, potrebujú na uloţenie farby 3 byty
pre jeden pixel.
Redukcia farieb: touto redukciou sa robí prvá kompresia. Tá však nie je veľmi výrazná.
Keďţe oko je na zmenu jasu citlivejšie ako na zmenu farby, jasová zloţka Y ostáva
zachovaná a menia sa farebné zloţky CB a CR. Spriemerujú sa farebné zloţky pre
niekoľko susedných pixlov a nahradia sa vypočítanou priemernou hodnotou. Redukcia
spôsobí mierne zhoršenie kvality obrazu, pre ľudské oko je to však nebadateľné.
Dopredná diskrétna kosínusová transformácia: obrázok sa rozdelí na štvorce
o veľkosti 8x8 pixlov. Farba z kaţdého pixlu vo štvorci môţeme napísať ako lineárnu
kombináciu hodnôt vo všetkých pixloch štvorca.
7
0
7
0 16
)12(cos
16
)12(cos),()()(
4
1),(
u v
vyuxvuFvCuCyxf
Kde f(x,y,) je farba pixlu . Tento vzťah nazývame inverzná diskrétna kosínusová
transformácia. V tejto transformácií sú neznáme F(u,v). Farbu pixlu by sme si mohli
zapamätať, ak by sme tieto neznáme poznali. Robíme to však tak, ţe pomocou F(u,v)
zrekonštruujeme pôvodné farby podľa uvedeného vzorca.
Koeficienty F(u,v) následne vypočítame:
Ide o vzťah diskrétnej kosínusovej transformácie. Pre kaţdý štvorec teda dostaneme
maticu koeficientov F(u,v). Koeficienty sa v absolútnej hodnote postupne zmenšujú (
F(7,7) je menší neţ F(0,0) )
Obr.6.7 matica koeficientov
Kvantovanie koeficientov: pri tomto kroku dochádza k najradikálnejšej kompresii dát.
Úroveň kompresie je daná pouţívateľom. Kaţdý koeficient z danej matice sa pri
kvantovaní delí určitým kvantizačným činiteľom. Výsledok sa zaokrúhľuje. Kvantizačné
činitele sú tým vyššie čím vyššia je úroveň kompresie. Mnohé koeficienty sa tak môţu
zaokrúhliť na 0.
Obr.6.8 kvantovanie koeficientov
inde
vuprevCuC
1
0,21)(),(
7
0
7
0 16
)12(cos
16
)12(cos),()()(
4
1),(
x y
vyuxyxfvCuCvuF
)7,7(......)1,7()0,7(
)7,1(......)1,1()0,1(
)7,0(......)1,0()0,0(
FFF
FFF
FFF
Kódovanie: tabuľku s kvantovanými koeficientmi musíme následne uloţiť. Keďţe
v tabuľke sa nachádza veľké mnoţstvo núl, ukladáme len najnutnejšie informácie.
Nenulové prvky sú usporiadané v jednej časti tabuľky, preto postupujeme tak, aby sme sa
postupne dopracovali k takej línií, kde sú uţ len nulové koeficienty. Pri tom to ukladaní
sa koeficienty kódujú z toho dôvodu, aby sa zvýšil kompresný pomer.
Obr.6.9 postup kódovania
Dekódovanie: tu postupujeme v opačnom poradí. To znamená, ţe najprv dekódujeme
zakódované koeficienty, následne prebehne rekonštrukcia matice kvantovaných
koeficientov. Po mocou inverznej kosínusovej transformácie z nich získame farby pixlov.
Mnohé koeficienty sa mohli pri kvantovaní vynulovať a neboli vôbec uloţené a tak
zrekonštruovaná farba nemusí presne zodpovedať farbe pôvodnej. Preto sa tejto
kompresií hovorí stratová.
Obr.6.10 rozdiel pri jednotlivých typoch kompresií
7. Snímače vo fotoaparátoch.
Samotný fotoaparát sa skladá zo snímača a prevodníka, procesora, optiky,
zobrazovacej časti, pamäte, napájania, vonkajšieho plášťa, elektronickej časti
a príslušného softwaru.
Z týchto častí sa snímač fotoaparátu sa taktieţ skladá ako pri videokamerách
z buniek, ktoré sú schopné odmerať svetlo. A/D prevodník sa postará o samotnú
digitalizáciu dát a následne elektronika prevedie softwarovú úpravu získaného obrazu.
7.1. CCD snímač
CCD snímače sa vo pouţívajú vo väčšine fotoaparátov. Výstup z tohto čipu je
analógový preto za ním musí nasledovať uţ spomínaný A/D prevodník. Snímanie týmito
snímačmi dosahuje u prístrojov vysoko kvalitný obraz.
Progresívny CCD snímač: jednotlivé riadky či stĺpce svetlo citlivých buniek sa
napájajú na zbernicu. Následne pri snímaní obrazu sa odvádza a ukladá jeden
riadok po druhom. Celá táto operácia je realizovaná po jednej zbernici.
Prekladaný CCD snímač: naproti progresívnym snímačom sa riadky svetlo
citlivých buniek nenačítavajú samostatne ale po blokoch. Kaţdý riadok má
pridelený svoj vlastný register a konečné hodnoty sa od týchto registrov nakoniec
odčítajú. Tento spôsob je o niečo rýchlejší.
7.2. Super CCD snímač
Tento typ snímačov sa konštrukčne veľmi podobá
CCD snímačom. Svetlo citlivé bunky sú realizované do
šesťuholníkového alebo osemuholníkového tvaru a sú
usporiadané bliţšie pri sebe. Nad kaţdým svetlo citlivým
bodom sa taktieţ nachádza šošovka, ktorá nám zaistí
lepšie vyuţitie dopadajúce ho svetla, čím sa zvyšuje
citlivosť snímača. Vďaka tomuto usporiadaniu môţeme
dosiahnuť vyššie rozlíšenie.
Obr.7.1 super CCD snímač
7.3. CMOS snímač
Je konštrukčne zloţitejší ako CCD. Pouţíva sa prevaţne v mobilných telefónoch,
z dôvodu veľkej úspory energie. V tomto čipe výstup dát prebieha naraz. Kaţdá bunka
snímača má svoj vlastný výstup a nad kaţdou bunkou je umiestnený RGB filter s malou
šošovkou, ktorá usmerňuje dopadajúce svetlo do miesta citlivého na svetlo. Nevýhodou
týchto snímačov je však ich náchylnosť na šum.
7.4. Foveon snímač
Je to nová technológia snímačov. Sú to trojvrstvové
silikónové snímače, ktoré vyuţívajú vlastnosti silikónu a ten
pohlcuje rôzne zloţky svetla rôzne . Takto získa kaţdá zo svetlo
citlivých zloţiek informácie o všetkých troch farebných zloţkách
naraz
Obr.7.2 foveon snímač
7.5. Rozlíšenie snímačov
Vo väčšine prípadov pouţívaných fotoaparátov je moţné rozoznať určitý počet
bodov. Spravidla je moţné nastaviť niekoľko základných úrovní.
Mpx obrazu Rozlíšenie obrazu Foto pri 300 dpi
2 1600x1200 13x10 cm
3 2000x1500 17x13 cm
4 2500x1600 21x14cm
5 2800x1800 24x15cm
6 3000x2000 25x17cm
8 2500x2300 30x20cm
Tab.7.1 Počet bodov pri určitom rozlíšení obrazu
Takisto platí, ţe menšie senzory sú lacnejšie. Čím je však senzor menší tým horšiu
kvalitu obrazu nám poskytne a prejavujú sa všetky chyby objektívov
Tab.7.2 Rozmery snímačov
obr.7.3 veľkosti senzorov
7.6. Šum
Spôsobuje ho elektromagnetický šum v priestore okolo nás. Zdrojom môţu byť
mobilné telefóny, transformátory, počítače... Nie kaţdý fotoaparát má rovnaký šum. Ten
je charakteristický pre kaţdý digitálny fotoaparát. Sú to v podstate farebné body, ktoré
môţeme vidieť na obraze. Šum je tým menší, čím je snímač väčší, alebo čím je väčší
kaţdý snímací bod. Taktieţ platí, ţe je šum tým menší, čím je niţšia citlivosť snímača.
Môţe narásť aj pri dlhých expozíciách alebo ak softwarovo spracovávame a upravujeme
fotografie.
8. A/D prevodník
Toto zariadenie slúţi na prevádzanie analógového signálu na digitálny. Nachádza
v snímacích čipoch a slúţi na zdigitalizovanie hodnôt, ktoré sú získané zo svetlo citlivých
bodov snímačov. Na premenu signálu pouţíva niekoľko metód:
1/ 2,7“ 5,3x4,0 mm Konika Minolta
DIMAGE
2/ 3“ 8,8x6,6 mm Nikon Coolpix 8700
APS-C 22,2x14,8 mm Canon EOS 350 D
fullframe 24x36 mm
kinofilm 24x36 mm
8.1. Integračná metóda
Prvá doba tohto prevodníka je
konštantná a daná časom, ktorý je
potrebný na zaplnenie čítača, to
znamená, ţe doba trvá kým sa nenačíta
2n impulzov. Integrátor sa následne
odpojí k Vref. Nastane pokles a táto doba
sa skončí. Komparátor ukončuje proces.
Nasleduje ďalšia doba, ktorá sa meria
počtom impulzov, ktoré čítač načíta
v tejto dobe. Je to vlastne merítkom
signálu Vx. Pred konverziou je S1
zopnutý, na výstupe je nulové napätie.
Obr.8.1 integračná metóda
Keď sa spínač otvorí na výstupe narastá napätie s nasledujúcou strmosťou:
Keď sa načíta počet impulzov o veľkosti 2n čítač sa nuluje a spínač S1 sa prepína na Vref.
Následne napätie na výstupe začne klesať so strmosťou:
Pri tomto kroku sa počas klesania napätia čítajú hodinové impulzy aţ do nulového napätia
na výstupe integrátora. Ich počet je stanovený vzťahom:
8.2. Metóda vyuţitia medziprevodu napätia na frekvenciu
Zariadenia, ktoré pracujú na tomto princípe sa skladajú z prevodníka napätia na
frekvenciu, generátora hodinového signálu, komparačného AND hradla a čítača
frekvencie.
Napätie sa najprv prevedie v prevodníku napätia na frekvenciu. Následne sa signál
privedie na porovnávacie hradlo AND. Tento signál má frekvenciu, ktorá je závislá na
vstupnom napätí. Na druhom vývode hradla AND je hodinový signál. Signál na výstupe
sa navzorkuje pomocou čítača a podáva sa ďalej.
obr.8.2 metóda využitia medziprevodu U na f
8.3. Aproximačná metóda
Prevodníky s postupnou aproximáciou
autonómne generujú signál. Tento signál sa
porovnáva s vstupným. Digitálne
kombinácie, ktoré sú potrebné na
generovanie analógového signálu čerpajú
z binárneho stromu.
Aproximačný register je na začiatku
vynulovaný. Jednotka sa do tohto registra
zapíše ako najvyšší byt a ostatné byty sú obr.8.3 aproximačná metóda
nulové. Generuje sa signál, porovnáva sa so vstupným. Porovnávanie rozhodne o tom, či
je platná jednotka alebo sa nahradí nula, ta vtedy, ak je signál niţšej úrovne. Toto sa
opakuje aţ dovtedy, pokiaľ nie je navzorkovaný daný počet bitov.
8.4. Metóda zaloţená na sledovaní vstupného signálu
Podobajú sa aproximačným, pouţívajú však vratný čítač namiesto pamäte. Časťami
prevodníka sú komparátor, vratný čítač, n-bit DA prevodník. Signál z prevodníka je
privedený na vstup komparátora. Výstup z komparátora sa inkrementuje alebo
dekrementuje podľa vratného čítača, na ktorý je pripojený.
8.5. Metóda paralelného vzorkovania
Tieto prevodníky sú najrýchlejšie. Dokáţu navzorkovať binárne slovo naraz.
Rozkladajú úroveň vstupného signálu na rade rezistorov. Na spojoch medzi dvoma
rezistormi sa sníma napätie. Je opakom paralelného A/D prevodníka. Najväčšou
nevýhodou tohto typu prevodníka je jeho zloţitosť. Na n-bitov totiţ treba 2n-1
komparátorov a 2n rezistorov. Pouţívajú sa veľmi často hlavne kvôli svojej rýchlosti.
obr.8.4 metóda paralelného vzorkovania
9. CCD vs CMOS
Pomocou CCD technológie sa vytvára je moţné transportovať akumulovaný
náboj bez skreslenia. Tu je potrebná vysoká kvalita snímača, po stránke reprodukčnej
vernosti i citlivosti k svetlu. Keďţe technológia CMOS pouţíva postupy zhodné
s postupmi výroby mikroprocesorov môţeme popísať určité rozdiely medzi týmito
druhmi snímačov.
CCD a CMOS sú dve rôzne technológie určené pre snímanie obrazu digitálnou
formou. Kaţdý z nich má svoje silné i slabé stránky, ktoré poskytujú výhody pri rôznych
prípadoch.
V CCD snímači je kaţdý pixel prenášaný cez obmedzený počet výstupných uzlov,
ktoré sú prevádzané na napätie a odoslané ako analógový signál. Naproti tomu v CMOS
senzore má kaţdý pixel svoj vlastný prevodník na napätie a často tieţ zahŕňa zosilňovače.
Pri kaţdom pixli sa teda robia vlastné konverzie.
Obidva typy, CCD aj CMOS, môţu ponúknuť uţívateľovi vynikajúci výsledok
zosnímania obrazu ak sú navrhnuté správne. CCD snímače tradične pouţívajú
predovšetkým vo fotografickej sfére, pri vedeckých a priemyselných projektoch, ktoré
vyţadujú najvyššiu kvalitu obrazu. CMOS však ponúkajú viac integrácie ( funkcií ),
niţšiu spotrebu a to vďaka tomu, ţe snímače CMOS sú schopné pracovať s jednou
napäťovou úrovňou oproti CCD kde sú potrebné na posun získaného náboja dve
napäťové úrovne. Nízka spotreba energie je výhodou vo všetkých typoch zariadenia.
Tieto snímače sú predovšetkým pre ich nízku spotrebu pouţívané v mobilných telefónoch
ako integrované fotoaparáty, pretoţe sa ľahko miniaturizujú a vyrábajú vo veľkom
mnoţstve. Návrhári pri navrhovaní CMOS snímačov venovali intenzívne úsilie na
dosiahnutie vysokej kvality obrazu. Pri CCD snímačoch boli zníţené poţiadavky na
spotrebu energie. S týmto súvisí u CCD aj niţšia produkcia úbytkového tepla, ktorá sa
stala hlavným problémom týchto snímačov. U CCD aj CMOS platí, ţe čím viac sa snímač
zohreje, tým viac produkuje šumu. Tak sa zniţuje celková kvalita obrazu.
CMOS snímače sa jednoduchšie vyrábajú vo väčších, ale aj v extrémne malých
rozmeroch. Pri produkcii je moţné badať malé problémy s chybovosťou či spotrebou
kremíka. Naproti tomu výhodou tejto technológie snímania obrazu je rýchlosť prenosu
zaznamenaného náboja na prevodník a následná príprava snímača na ďalší záznam.
CMOS ťaţí hlavne zo schopnosti odviesť náboj naraz zo všetkých svetlo citlivých buniek
a nezdrţovať sa postupným posunom náboja ako je to pri CCD snímačoch.
Pomocou CCD technológie je moţné transportovať akumulovaný náboj
bez skreslenia. Tu je potrebná vysoká kvalita snímača, po stránke reprodukčnej vernosti
i citlivosti k svetlu. Keďţe technológia CMOS pouţíva postupy zhodné s postupmi
výroby mikroprocesorov môţeme popísať určité rozdiely medzi týmito druhmi snímačov.
CCD vytvárajú obraz vysokej kvality, a to len s nízkym šumom. CMOS majú väčší sklon
k šumu. Kaţdý pixel pri CMOSe má určité transformátory umiestnené blízko seba, preto
je citlivosť na svetlo niţšia. Veľa z fotónov dopadá na tranzistory a nie na fotodiódy. Sú
vyrábané na základe silikónového sortimentu, čo zapríčiňuje ich ekonomickú stránku voči
CCD. Pri CMOS snímačoch si ich výrobcovia cenia výhody, no technológia pri nich
radikálne nijako nepostúpila.
V konečnom dôsledku sú snímače CCD pouţívané pri práci kde sa poţadujú
kvalitné snímky, a kde je potrebná zvýšená citlivosť na svetlo. CMOS pouţívame
prevaţne v priemyselných kamerách. Majú niţšiu obrazovú kvalitu, citlivosť na svetlo
a aj rozlišovaciu schopnosť. CMOS kamery môţu vyţadovať menej komponentov
a niţšiu spotrebu, ale vo všeobecnosti vyţadujú čipy pre optimalizáciu kvality obrazu. To
zvyšuje náklady. CCD snímače sú menej zloţité zariadenia ako CMOS snímače, to sa
podpisuje aj na cene týchto snímačov.
10.TEST – PRAKTICKÁ ČASŤ
Sony HDR-HC9E Panasonic SDR –H280 JVC GZ-MG20E
Tab.10.1 Porovnanie obrazu kamier
Test kamier spočíval v zosnímaní obrazu troma rôznymi typmi videokamier a digitálnym
fotoaparátom. Boli pouţité:
1CCD kamera – JVC GZ-MG20E
3 CCD kamera – Panasonic SDR-H280
1 CMOS kamera – Sony HDR-HC9E
digitálny fotoaparát – Nikon L10P
Obraz bol snímaný v jednom prostredí, avšak pri rôznej svetelnosti a nastavení kamier.
Snímaný obraz bol pri ţiarovkovom svetle, pri šere a pri dennom svetle. Kamery pritom
snímali tento obraz pri clone 6dB a takisto pri clone 18dB. Zo zosnímaného obrazu sa
objektívne porovnával vzniknutý šum a svetelnosť kamier.
Riadok č.1 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 18dB, ţiarovkové svetlo
Riadok č.2 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, ţiarovkové svetlo
Riadok č.3 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 18dB, šero
Riadok č.4 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, šero
Riadok č.5 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, denné svetlo
Charakteristika videokamier:
Sony HDR-HC9E
Jednočipová CMOS videokamera so záznamom na Mini DV kazety, MS DUO karty, MS
PRO karty. Celkové rozlíšenie videokamery je 3,2 Mpix. Veľkosť snímača je 1/ 2,9 palca.
Svetelnosť objektívu je 1,8 aţ 2,9.
JVC GZ-MG20E
Jednočipová CCD videokamera so záznamom na HDD. Rozlíšenie videokamery je
0,8Mpix. Veľkosť snímačov je 1/6 palca. Minimálna rýchlosť uzávierky je 1/4000 sec.
Panasonic SDR-H280
Snímanie obrazu 1/6“ 3CCD snímačom. Clona F1.8 aţ F2.8. Ohnisková vzdialenosť je
od 3 do 30mm. Pouţíva kompresiu MPEG-2, pre zvuk je to Dolby Digital.
10.1.Ţiarovkové svetlo
JVC
Obr.10.1. JVC
žiarovkové svetlo
Panasonic
Obr.10.2.Panasonic
žiarovkové svetlo
Sony
Obr.10.3. Sony
žiarovkové svetlo
Zo subjektívneho hľadiska sa najlepšie prejavila videokamera Panasonic SDR-H280. Na
obrázku č.10.1 je snímok z videokamery JVC GZ-MG20E, ktorý sa javí ako neostrý
a jemne šumivý. Na obrázku č10.2. sa nachádza snímok z videokamery Panasonic SDR-
H280. Tento obrázok obsahuje minimum šumu, avšak niţšiu svetelnosť obrazu. Na
obrázku č.10.3 je snímok z videokamery Sony HDR-HC9E. Obrázok je svetlejší ako u
predchádzajúceho typu avšak vykazuje viditeľný šum.
10.2. Denné svetlo
JVC
Obr.10.4. JVC
denné svetlo
Panasonic
Obr.10.4.Panasonic
denné svetlo
Sony
Obr.10.6.Sony
denné svetlo
Pri snímaní denného svetla videokamerou JVC GZ-MG20E sa na obrázku č.10.4
prejavuje jemne neostrý a tmavý obraz. Na ďalšom obrázku č.10.5 je videokamerou
Panasonic SDR-H280zo subjektívneho hľadiska obraz jasný a jemne zrnitý. Posledným
obrázkom v tomto bode je obrázok č.10.6 snímaný videokamerou Sony HDR-HC9E
jasnejší ako u predchádzajúcej videokamery, avšak opäť sat u prejavuje o niečo väčšia
zrnitosť obrazu.
10.3. Šero
JVC
Obr.10.7. JVC
šero
Panasonic
Obr.10.8.Panasonic
šero
Sony
Obr.10.9. Sony
šero
Pri tejto časti testu sa z môjho hľadiska najlepšie umiestnila videokamera Panasonic
SDR-H280. Ako je vidieť na obrázku č.10.7 snímanom videokamerou JVC GZ-MG20E
sa opäť prejavila jemná neostrosť obrazu. Obraz je zároveň príliš tmavý. Obrázok č10.8.
bol snímaný videokamerou Panasonic SDR-H280. Obrázok je dostatočne svetelný
s minimom šumu. Posledným obrázkom je č.10.9 z videokamery Sony HDR-HC9E.
Tento obrázok je dostatočne svetelný, no prejavuje sa tu šum.
10.4. Grafické znázornenie
V ďalšej časti som hľadal nezaujatú skupinu respondentov, podľa ktorej by som vytvoril
objektívny názor na zosnímané vzorky obrazu. Respondenti boli vybraný
z profesionálneho technického, ale aj amatérskeho prostredia. Výsledky ankety sú
znázornené v nasledujúcom grafe.
Graf 10.1 Vyhodnotenie ankety na vzorke 30 respondentov
10.5. Porovnanie fotosnímačov
V tejto časti okrajovo porovnáme dva snímače rôznych druhov fotoaparátov a to
digitálneho fotoaparátu Nikon L10P a CMOS snímača, ktorý je pouţitý v mobilnom
telefóne Nokia 3110 classic.
Obraz bol zosnímaný v rovnakých podmienkach ako obraz z testovaných kamier,
to znamená v dennom svetle, v šere a taktieţ aj v ţiarovkovom svetle.
Digitálny fotoaparát Nikon L10P pouţíva na snímanie CCD snímač. Mobilný
telefón je naopak vybavený CMOS snímačom ako je to u väčšiny mobilných telefónov.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
žiarovkovédenné
šero
JVC
PANASONIC
SONY
Nikon L10P Nokia 3110 classic
Tab.10.2 Porovnanie obrazu digitálneho fotoaparátu a fotomobilu
1.riadok – šero
2.riadok – ţiarovkové svetlo
3.riadok – denné svetlo
Na zosnímaných obrazoch je zjavné, ţe snímaný obraz pomocou mobilného telefónu
obsahuje veľký šum a nedokonalé rozoznávanie farieb.
11. Záver
Počas vývoja snímacej techniky došlo od jej začiatku po súčasnosť k veľkému
pokroku. Rok čo rok prichádzajú na trh kvalitnejšie výrobky, ktoré umoţňujú konečnému
pouţívateľovi zosnímať kvalitný materiál na ďalšie spracovanie. Skvalitňujú sa jednotlivé
snímače ako aj technika spracovávajúca obraz.
Človek vníma podstatnú časť informácií zo svojho okolia okom. Na zvečnenie
záţitkov z rôznych príleţitostí, slávností, rodinných akcií, ale aj v profesionálnej sfére
slúţi práve technika snímajúca obraz. Medzi túto techniku zaraďujeme napríklad
fotoaparáty, rôzne typy videokamier, v súčasnosti sú to uţ aj mobilné telefóny, či webové
kamery.
Cieľom tejto práce bolo poskytnúť opis snímania obrazu, ako aj spracovanie
obrazu v nasledujúcich častiach snímacej techniky a tieţ podmienky pri ktorých je
moţné zosnímať kvalitný obraz.
V práci som opísal vlastnosti svetla, rozklad a vnímanie jednotlivých farebných
zloţiek svetla. Toto je základom pre zachytenie obrazu ľudským okom, podobne tak aj
videokamerou. Sú to rozpísané jednotlivé vlastnosti práce dvoch typoch snímacích čipov,
ktorými sú CCD a CMOS snímače. Okrajovo som sa dotkol práce snímačov
zabudovaných do digitálnych fotoaparátov. Pri všetkých týchto snímačoch som sa
zameral na výhody a nevýhody snímania obrazu a samotný princíp snímania obrazu. Ten
je špecifický pri kaţdom type snímača. Následne som krátko spracoval porovnanie
jednotlivých typov snímačov. V praktickom teste som porovnával tri videokamery
a digitálny fotoaparát pomocou snímok realizovaných pri rôznych svetelných
podmienkach. Vyhodnotenie testu som spracoval ako subjektívne aj objektívne
hodnotenie. Hodnotenie je prevedené v grafickom znázornení, ktoré bolo realizované na
vzorke 30 respondentov.
Práca dáva moţnosť nahliadnuť do práce snímacej techniky a pochopiť základy
pracovania jednotlivých typov tejto techniky.
Zoznam pouţitej literatúry
[1] Architektúry mikroprocesorov / Slobodan Ribarič - Bratislava : Alfa, 1988
[2] Multimédia : současnost budoucnosti / Peter Sokolowsky - Zuzana Šedivá
1. vyd. - Praha : Grada Publishing, 1994, ISBN-13 978-80-7169-081-8
Internetové zdroje
[1]http://www.chip.cz/cs/clanky/nove-obrazove-senzory-pro-krasnejsi-
fotografie.html
[2] http://www.elektrorevue.cz/clanky/03015/index.html
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter
[4] http://sk.wikipedia.org/wiki/Analógovo-digitálny_prevodník
[5] http://www.grafika.cz/art/df/CMOS-rice.html
[6] http://www.play-hookey.com/digital/electronics/cmos_gates.html
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS
[8] http://www.1sg.sk/~pkubinec/farby.html
[9] http://sk.wikipedia.org/wiki/Fotoelektrick%C3%BD_jav
[10] http://www.walter-fendt.de/ph11sk/photoeffect_sk.htm
[11] http://sk.wikipedia.org/wiki/Svetlo
[12] http://en.wikipedia.org/wiki/Active_pixel_sensor
[13] www.dalsa.com/public/corp/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf
[14] www.zen118213.zen.co.uk/RFIC_Circuits_Files/CMOS%20Logic.pdf
[15] http://www.digi-foto.sk/digitalny-fotoaparat/ako-vznika-digitalny-obraz/ako-
pracuje-snimac-digitalneho-fotoaparatu/
[16]
www.hexagon.sk/subory/File/Svetelne_zdroje_a_fotografia_vyber_2007_10_27.p
df
[17] www.gjar-po.sk/studenti/informatika/02_03/prezentacia3d/rebrinsky.ppt
[18] www.dep.fmph.uniba.sk/~kundracik/polovodicove_suciastky/optoelektronika_prednaska.ppt
[19] http://www.grafika.cz/art/hw/clanek216968175.html
[20] http://cs.wikipedia.org/wiki/CCD
[21] http://www.grafika.cz/art/hw/clanek1508315895.html
Čestné vyhlásenie
Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením
vedúceho bakalárskej práce doc. Ing. Martina Vaculíka PhD. a používal som len literatúru
uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.
V Žiline dňa............................... Podpis študenta.............................
Poďakovanie
Na záver by som sa chcel poďakovať vedúcemu mojej bakalárskej práce pánovi doc. Ing. Martina
Vaculíka PhD. za jeho rady a pomoc, ktorú mi poskytol pri vypracovaní tejto bakalárskej práce.
Taktiež by som sa veľmi rád poďakoval mojej rodine a neposlednom rade taktiež ďakujem
všetkým, ktorí mi prispeli radou, alebo pomocou k vytvoreniu tejto bakalárskej práce.
Tomáš Hanečák
Žilinská univerzita v Žiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií a multimédií
CCD A CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Tomáš Hanečák
2009
ZOZNAM PRÍLOHOVEJ ČASTI
Príloha č.1.............Technický scenár
Príloha č.2.............Popis prostredia nelineárneho strihového programu Canopus EDIUS
Príloha č.1
Poznámka: V tejto prílohovej časti sa nachádza v ľavom stĺpci popis obrazovej časti, v strednom
stĺpci dĺžka trvania záberov a v pravom stĺpci sa nachádza popis zvukovej časti mediálneho diela.
Technický scenár
exteriér, jasný deň
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická inštrumentálna hudba, fakulta, odbor multimediálne technológie, podmas počas celého uvádza bakalársky projekt, Tatranské jazerá ( 0:00 – 0:06 ) diela Zatmievačka.
Záber č.2: detail Roztmievačka ( 0:06 – 0:11 ) štebocú vtáčiky Púčik na strome komentár č.1
Záber č.3: detail Rozkvitnuté kvety na strome ( 0:11 – 0:14 ) prelínačka
Záber č.4: celok Slnko svieti cez stromy v lese ( 0:14 – 0:22 ) kukučka komentár č.2
Záber č.5: celok vrch v obklopení stromov ( 0:22 – 0:26 ) žblnkoce voda
Záber č.6: detail kameň vo vode ( 0:26 – 0:29 ) žblnkoce voda
Záber č.7: polocelok
kamene vo vode, kus snehu na brehu ( 0:29 – 0:32 ) žblnkoce voda voda žblnkoce cez kamene
Záber č.8: polocelok
potok s kameňmi, kus snehu na brehu ( 0:32 – 0:35) žblnkoce voda voda preteká cez kameň prelínačka
Záber č.9: celok švenk, vrchy s jazerom ( 0:35 – 0:44 ) komentár č.3 sprava doľava
Záber č.10: polocelok Hotel na štrbskom plese, pozade- vrch, ( 0:44 – 0:46 ) popredie – jazero
Záber č.11 : polocelok kamene v jazere, ( 0:46 – 0:49 ) obklopuje ich ľad
Záber č.12: polocelok strom, v pozadí štíty, les, ( 0:49 – 0:52 ) zamrznuté jazero
Záber č.13: detail, celok kamera odzoomuje z detailu na mostík, ( 0:52 – 0:56 ) na celok s jazerom a štítmi
Záber č.14: polocelok jazero, v popredí krovie, v pozadí les, domy ( 0:56 – 0:58 ) komentár č.4 jazero rozmŕza
Záber č.16: detail breh, kamene vo vode ( 0:58 – 1:00 ) voda rozmŕza Záber č.17: polocelok jazero, v pozadí les, hotel ( 1:00 – 1:02 ) Záber č.18: detail vetvy zo stromu, v pozadí ( 1:02 – 1:04 ) štebot vtákov štíty, les Záber č.19: polocelok jazero, v pozadí les ( 1:04 – 1:08 ) v popredí strom na pravej strane obrazu Záber č.20: detail kačka pláva na vode ( 1:08 – 1:11) Záber č.21: celok dve kačky na vode, v popredí strom ( 1:11 – 1:12) Záber č.22: detail kačka na vode, pláva zľava doprava ( 1:12 – 1:17 ) Záber č.23: detail kačka na vode, sprava doľava ( 1:17 – 1:20 ) Záber č.24: polocelok
strom, v pozadí s jazerom a kačkou ( 1:20 – 1:24 ) Záber č.25: polocelok kamene vo vode, breh, kačka na vode ( 1:24 – 1:26 ) komentár č.5 Záber č.26: detail kačka na vode ( 1:26 – 1:30 ) Záber č.27: celok kačky na chodníku, v okolí ľudia ( 1:30 – 1:33 ) Záber č.28: detail kačky na chodníku ( 1:33 – 1:35 ) Záber č.29: polocelok štít, v popredí stromy a jazero ( 1:35 – 1:37 ) stromy obklopujú obraz Záber č.30: polocelok štít, v popredí stromy, les ( 1:37 – 1:41 ) Záber č.31: celok švenk po pohorí, v popredí jazero ( 1:41 – 1:45 ) Záber č.32: polocelok turisti na chodníku ( 1:45 – 1:50 ) Záber č.33: celok turisti na brehu ( 1:50 – 1:53 ) Záber č.34: celok socha v pravej časti, v pozadí štíty ( 1:53 – 1:56 ) Záber č.35: celok dom na brehu, v popredí jazero ( 1:56 – 1:58 ) Záber č.36: polocelok skaly vo vode, stromy v pozadí ( 1:58 – 2:01 ) Záber č.37: polocelok skala s pomníkovou tabuľou ( 2:01 – 2:04 ) v pozadí stromy Záber č.38: detail pomníková tabuľa ( 2:04 – 2:07) prelínačka
Záber č.39: celok švenk sprava doľava, jazero, v pozadí les, ( 2:07 – 2:15 ) hotel na Štrbskom plese Záber č.40: detail, celok švenk z vetvy cez les na štít tatier ( 2:15 – 2:23 ) Záber č.41: detail kameň vo vode ( 2:23 – 2:26 ) tečúca voda Záber č.42: polocelok skaly, v pozadí krovie ( 2:26 – 2:28 ) tečúca voda Záber č.43: polocelok stromy, v pozadí potok, zasnežené brehy ( 2:28 – 2:31 ) tečúca voda Záber č.44: detail kameň v zurčiacej vode ( 2:31 – 2:35) tečúca voda komentár č.6 Záber č.45: detail voda steká po kameni, v popredí sú stromy ( 2:35 – 2:39 ) tečúca voda Záber č.46: polocelok švenk sprava doľava po štítoch tatier ( 2:39 – 2:42 ) tečúca voda Záber č.47: celok štíty tatier, v popredí stromy ( 2:42 – 2:46 ) tečúca voda prelínačka Záber č.48: polocelok štíty tatier, v popredí stromy ( 2:46 – 2:49) tečúca voda prelínačka Záber č.49: polocelok štít tatier obklopený stromami ( 2:49 – 2:52 ) tečúca voda Záber č.50: detail kamene vo vode, preteká cez ne voda ( 2:52 – 2:56 ) tečúca voda Záber č.51: celok štít tatier pokrytý snehom ( 2:52 – 2:59 ) tečúca voda Záber č.52: celok chata na popradskom plese, v okolí je jazero ( 2:59 – 3:02 ) tečúca voda prelínačka Záber č.53: celok chata na popradskom plese zozadu, ( 3:02 – 3:07 ) tečúca voda v pozadí štíty tatier Záber č.54: polocelok Vvda tečúca po kameňoch, v pravej časti ( 3:07 – 3:11 ) tečúca voda
strom v ľavej časti breh potoka Záber č.55: detail v dolnej časti drevené zábradlie, v pozadí ( 3:07 – 3:14 ) tečúca voda voda a zasnežený breh Záber č.55: detail vetvičky na zasneženom podklade ( 3:14 – 3:16 ) tečúca voda Záber č.56: polocelok potok, v popredí z pravej strany strom ( 3:16 – 3:19 ) tečúca voda Záber č.57: polocelok v dolnej časti potok, vlieva sa do jazera ( 3:19 – 3:21 ) tečúca voda Záber č.58: celok Jazero po ktorom sa plavia ľadové kryhy ( 3:21 – 3:27 ) Záber č.59: detail krovie v popredí z ľavej strany, v pozadí ( 3:27 – 3:30 ) tečúca voda sa trbliece voda Záber č.60: polocelok podhľad, kamera sníma vodu vlievajúcu ( 3:30 - 3:36 ) tečúca voda sa do jazera, na ľavej strane je krovie Záber č.61: polocelok švenk po zasneženom vrchu zhora dole ( 3:36 – 3:43 ) tečúca voda na potok, na brehu je krovie Záber č.62: celok tatranský štít, zasnežený, na ľavej ( 3:43 – 3:47 ) tečúca voda strane je les Záber č.63: celok švenk po tatranských štítoch zľav doprava, ( 3:47 – 3:52 ) tečúca voda nie sú zasnežené, v popredí stromy Záber č.64: polocelok zasnežený breh, v pozadí vidno potok, ( 3:52 – 3:56 ) tečúca voda tečúca voda, stromy Záber č.65: detail kamene vo vode, prskajúca voda, ( 3:56 – 4:01 ) tečúca voda v ľavej strane krovie Záber č.66: detail kamene vo vode, voda cez ne preteká, ( 4:01 – 4:04 ) tečúca voda v pozadí zasnežený breh Záber č.67: detail kameň cez ktorý preteká voda ( 4:04 – 4:07 ) tečúca voda Záber č.68: polocelok v popredí drevené zábradlie, v pozadí ( 4:07 - 4:11 ) tečúca voda potok so zasneženými brehmi Záber č.69: celok, detail
švenk zo zasneženého tatranského štítu ( 4:11 – 4:24 ) tečúca voda po hrebeni na vetvičku stromu komentár č.7 Záber č.70: celok slnko zapadá za tatry ( 4:24 – 4:33 ) Záber č.71: titulky KONIEC ( 4:35 – 4:53 ) Spracoval: Tomáš Hanečák Spolupracovali: Martina Kyčinová, Beáta Oravcová ©2009 Komentár č.1: Pod tatrami nastala jar. Jej majestátny príchod ohlasujú štebotavé vtáčiky. Komentár č.2: Prvé slnečné lúče pomaly šteklia vetvičky stromov. Komentár č.3: Kým vrchy ešte spia, okolo tatranských jazier sa začína prebúdzať život. Komentár č.4: Slnečné lúče už stihli rozmraziť čo sa dalo. Komentár č.5: Pomaly rozmŕzajúce jazerá. Ktoré prilákali kačky a nie len ich, ale aj množstvo turistov, či už starších, alebo mladších, ktorí si nenechajú ujsť prechádzku v nádhernom prostredí. Komentár č.6: Zurčiaca voda, ktorá pomaly zmýva posledné stopy snehu a nádherné spiace hory vzbudzujúce rešpekt nad touto veľmocou. Komentár č.7: Tatry otvorili návštevníkom svoju náruč dokorán.
Príloha č.2
Popis prostredia nelineárneho strihového programu
Canopus EDUS
Obr.11. Prostredie Canopus EDIUS
Rozloţenie prostredia:
- V ľavom hornom rohu sa nachádza menu
- Pod menu sa nachádzajú dva okná s ovládaním obsahujúce aktuálne videá
- Pod oknami sa nachádza časová os obsahujúca video stopy, audio stopy a master VA
stopu
- V pravej hornej časti sa nachádza Bin window. V tomto okne máme v náhľade všetky
videá s ktorými potrebujeme pracovať
- Pod Bin window sa nachádza paleta s efektmi. Obsahuje video a audio efekty, taktieţ
prechody a efekty titulkov.
- V pravej dolnej časti sa nachádza okno s nastavení, jednotlivého efektu
65
Recommended