Pedagoški fakultet Katedra za matematiku i informatiku

Zenica

Student: Amela Kazazić Profesor: v.as.mr. Samir Lemeš

Zenica, januar 2006.godine

2

Sadržaj: 1. UVOD ......................................................................................................... 3

1.1. Ljudsko oko .......................................................................................... 3 1.2. Model ljudskog vizuelnog sistema ...................................................... 3

2. DIGITALNE VIDEO KAMERE .................................................................... 4 2.1. Princip rada digitalne video kamere ..................................................... 4

3. HISTORIJA CCD I CMOS SENZORA ........................................................ 5 4. FOTOELEKTRIČNE POJAVE .................................................................... 6 5. FOTOSENZORI .......................................................................................... 7

5.1. CCD senzori .................................................................................... 7 5.2. C-MOS senzori ................................................................................ 7 5.3. Način rada senzora .......................................................................... 8

6. PRIMJENA CCD I C-MOS SENZORA ....................................................... 9 7. USPOREDBA CCD I CMOS SENZORA .................................................... 12 8. ZAKLJUČAK ............................................................................................... 12 9. LITERATURA .................................................... ........................................ 13

1. UVOD Mnogi programi koje koriste obradu slike generišu sliku koju će posmatrati čovjek. Zbog

toga je važno poznavati ograničenja i karakteristike ljudskog oka. Uopštena građa ljudskog oka je prikazana na slici 1.

1.1. Ljudsko oko Struktura ljudskog oka:

prečnik ljudskog oka 20 mm rožnica štiti prednji (vanjski) dio

oka žilnica je unutarnja membrana sa

mrežom krvnih žila koje hrane oko; crno pigmentirana (melanin) da smanji količinu raspršenih zraka unutar oka

zjenica regulira količinu svjetla (dubinsku oštrinu)

cilijarni mišić mijenja geometriju leće (dioptriju)

mrežnica je na stražnjem dijelu oka i sadrži fotoosjetljive receptore (štapiće i čunjiće)

Slika 1.

čunjića ima oko 6-7 miliona,a štapića ima puno više: 75-150 miliona čunjići se nalaze na središnjoj poziciji mrežnice (žuta pjega,fovea), promjer 1.5

mm, a štapići su raspršeni periferalno (izvan fovee) svaki čunjić je povezan na svoj vlastiti živac,a nekoliko štapića je povezano na

jedan živac što smanjuje oštrinu vida čunjići omogućuju oštru i detaljnu sliku na jakom svjetlu,a daju generalnu, široku

sliku scene čunjići su osjetljivi na boju, a štapići nisu osjetljivi na boju i služe pri slabom

svjetlu zato se pri slabom svjetlu ne raspoznaju boje dio mrežnice izvan žute pjege zauzima 97.25 % površine mrežnice i pokriven

najvećim djelom sa štapićima Formiranje slike na mrežnici

udaljenost od leće do mrežnice je 17 mm

3

2. DIGITALNE VIDEO KAMERE

Digitalna video kamera, jedan je od najkorisnijih dodataka svakom multimedijalnom računaru. Za njih je karakteristično da kao i ostale prenosne video kamere koriste optički senzor (CCD, kao i kod skenera) za pretvaranje svjetlosti u električni signal, međutim, one video informaciju zapisuju u digitalnom formatu. To je velika prednost takvih uređaja, jer digitalni zapis omogućava daleko kvalitetniju snimku u odnosu na kamere koje signal iz optičkog senzora (CCD) snimaju u analognom formatu. 2.1. Princip rada digitalne video kamere

Svjetlosna informacija kroz sistem leća dolazi do slikovnog senzora ili kako ga neformalno svi zovu - čip. Umjesto nekadašnjeg filma, današnji digitalni fotoaparati i videokamere koriste elektronički slikovni senzor osjetljiv na svjetlo koji sliku koja pada na njega pretvara u električni signal (svaki se piksel sastoji od tri poluvodička elementa za tri osnovne RGB boje).

Električni signal se iz optičkog senzora dovodi do pretvarača, gdje se pretvara u digitalni format. Takav se signal dodatno obrađuje (kodiranjem i kompresiranjem) i šalje dalje prema procesoru koji obrađuje primljene podatke, a onda je pogodan za prenošenje na medij za pohranu podataka, najbolje DVD ili obradu specijalnim softverom. Dvije su glavne vrste svjetlosnih senzora, CCD i CMOS.

4

3. HISTORIJA CCD I CMOS SENZORA

CCD su 1969. godine izumili Willard Boyle i George Smith iz kompanije Bell Labs. Bit dizajna bila je mogućnost prenosa naboja preko površine poluvodiča. Kako je CCD na samom početku kao memorijska naprava, jedini način za unos naboja u njega bili su ulazni registri. odmah je bilo jasno da CCD može primati naboj i preko fotoelektričnog efekta. Tako je i počela njegova primjena u fotografiji, a kompanija Fairchild Semiconductor ga je ubacila u komercijalnu upotrebu početkom 1970-ih.

CMOS je 1963. godine izumio Frank Wanlass upravo iz kompanije Fairchild

Semiconductor. Prvi integrisani sklopovi s CMOS-om pojavili su se 1968. i odmah su bili superiorni po svojoj maloj potrošnji. Koju godinu kasnije počeli su se i primjenjivati kao senzori u fotoaparatima. To su zapravo bili pasivni senzori koji su patili od visokog šuma i sporog očitavanja signala. Nešto kasnije pojavili su se i aktivni senzori (Active Pixel Sensor – APS), kakve znamo i danas, a koji se odlikuju boljom kvalitetom slike i bržim očitavanjem.

5

4. FOTOELEKTRIČNE POJAVE

Fotovodljivost je pojava električne vodljivosti poluvodiča pod utjecajem svjetlosti (ili sasvim općenito, elektromagnetskog zračenja). Zbog međudjelovanja fotona i kristalne rešetke povećava se broj slobodnih nositelja elektriciteta. To je načelo rada fotootpornika. Najčešće se koriste: germanij, silicij, kadmijev sulfid (CdS), olovni sulfid (PbS), olovni selenid (PbSe) i cinkov sulfid (ZnS).

Fotonaponski efekt je pojava električnog napona na krajevima poluvodiča (odnosno PN prelaza) zbog apsorpcije svjetlosti u poluvodiču. Uslijed apsorpcije svjetlosti stvaraju se elektroni i šupljine. Oni se mogu razdvojiti s pomoću unutarnjeg električnog potencijala koji već egzistira u osiromašenom sloju PN prijelaza. Zbog toga dolazi do umanjenja unutarnjeg potencijala što se iskazuje kao fotonapon. Taj fotonapon može kroz vanjski električni krug uzrokovati tok električne struje. Radi se o pretvorbi svjetlosne energije u električnu. To je temelj rada sunčanih ćelija. U početku se za izradu koristio selen, a poslije je prevladao silicij.

Osnovni materijali ovih senzora su selen Se i slicij Si.

Kod selena zaporni sloj, koji se treba osvjetliti, nalazi se između CdS i Se sloja. Njegova spektralna osjetljivost najbliža je osjetljivosti ljudskog oka. Fotoelementi se ne koriste samo u mjerenju, nego i kao izvori energije. Sunčeva energija se u njima pretvara u električnu, a oni se nazivaju fotoćelijama i spajaju u solarne baterije.

6

5. FOTOSENZORI 5.1. CCD senzori

CCD (engl. Charged Coupled Devices ) je mali silikonski čip koji sadrži na hiljade ili milione, na svjetlo osjetljivih, elemenata slike koji se zovu pikseli. Svjetlo koje pada na piksel izaziva stvaranje električnog napona, koji se pretvara u niz digitalnih podataka koje može pročitati računar. Što više piksela sadrži CCD, bolja je kvaliteta tj. rezolucija slike. Kod CCD-a nastaje niz diskretnih elemenata slike svakih 1/50 sec, koji se slažu na izlazu iz CCD-

a u kontinuiran horizontalni slijed. Poluvodički uređaj, senzor (čip) osjetljiv na svjetlo koji se koristi za hvatanje svjetla koje pada na njega tokom fotografisanja. Sastavljen je od fotoosjetljivih ćelija koje stvaraju piksele, a ono što većina korisnika digitalnih fotoaparata i videokamera ne zna, svjetlosni senzor nije osjetljiv na boje, već samo na nijanse sivog. Da bi se dobila fotografija u boji, koriste se kolor filtri ispred svakog piksela, i to najčešće u RGBG slijedu (crveni, zeleni, plavi, zeleni). Osnovne osobine CCD senzora:

Veća dijagonala CCD-a omogućava i bolju kvalitetu slike. Veći pixel može primiti više svjetlosti, pa može preciznije interpretirati boje, tj.

dobra osjetljivost pri slabom osvijetljenju, Manji CCD-i su jeftiniji. CCD element radi u području od 400 nm do 1100 nm, a najosjetljiviji je u području

od 800 nm ( infracrveno područje ). visoka rezolucija, mala masa i mala potrošnja energije, otpornost prema

mehaničkim nestabilnostima. 5.2. C-MOS senzori

C-MOS (kratica od engl.: Complementary Metal Oxide Semiconductor) Druga vrsta poluvodičkog uređaja, tj. svjetlosnog senzora osjetljivog na svjetlo. Već skoro odbačen od fotografske industrije kao skoro neupotrebljiv standard, prije nekoliko godina vraćen je uspješno u upotrebu, uglavnom kod profesionalnih digitalnih fotoaparata. Današnja vrhunska kvaliteta izrade svjetlosnih senzora C-MOS tehnologijom ima još jednu prednost – njegova relativno jeftina izrada smanjuje finalnu cijenu inače

vrlo skupih profesionalnih uređaja. Manje zagrijavanje C-MOS senzora za razliku od CCD-a omogućuje izradu većih senzora u manjim kućištima, pa tako omogućuje izradu tijela fotoaparata koji će u potpunosti biti kompatibilni s objektivima dizajniranim za 35-milimetarski filmski standard. Za razliku od CCD senzora, C-MOS senzor za svaki piksel posebno ima ugrađeno pojačalo. To omogućuje da se podaci sa svih piksela obrade u istom trenutku. Ovaj proces omogućava veću brzinu pohrane zapisa pa samim time i više snimljenih slika u sekundi.

7

Zovu ih i pametnim senzorima jer se gotovo sva elektronika nalazi u sklopu samog senzora. Odlikuju se boljim odnosom signal-šum, manjom potrošnjom električne energije, većom brzinom itd. Vjerojatno će u skorijoj budućnosti proizvođači pokrenuti proizvodnju kvalitetnih security senzora u C-MOS tehnici. 5.3. Način rada senzora

Sastoje se od puno sitnih fotoelemenata na poluvodičkoj osnovi. Oni zajednički djeluju na mehanizmu pomicanja paketa naboja nastalih za vrijeme fotografisanja. U njima nastaju upareni nositelji naboja proporcionalni jačini svjetla, koji se iščitaju u vrlo kratkim vremenskim razmacima i vode dalje kao fotoinformacija sastavljena od niza analognih signala.

Na slici je prikazan isječak jednog CCD elementa koji radi u tri takta i prikazuje prelaz iz drugog u treći takt u kojem se paketi naboja prebacuju od elementa do elementa, čime im raste potencijal. Ovi se paketi zatim pretvaraju u analogne signale i pojačani pojavljuju na izlazu senzora.

Broj svjetlosnih tačaka jednog elementa n i broj redova otipkanih pri njihovom transportu m određuju ukupni broj tačaka (piksela) jedne fotografije, a time i njenu rezoluciju.

8

6. PRIMJENA CCD I C-MOS SENZORA

CCD i C-MOS senzori izrađuju za različite aplikacije kao što su: kamkorderi, digitalni foto aparati, industrijske kamere, filmske kamere, kamere za medicinu, istraživanje svemira, video nadzor i druge. Svaki od ovih tipova senzora specijaliziran je za određenu namjenu i najčešće nije predviđen za nešto drugo zbog cijene, funkcionalnosti, tehničkih mogućnosti...

C-MOS senzor je malo zastupljen u video nadzornim kamerama i to najčešće u jeftinim kućnim varijantama kamera. Razlog je taj što senzori koji se koriste za video nadzor nemaju kvalitetnu sliku, a minimalna osjetljivost im nije zadovoljavajuća dok im je s druge strane cijena vrlo niska. Ipak C-MOS senzori se razvijaju za druge aplikacije ( specijalne kamere, digitalni fotoaparati itd.) gdje postižu izvanredne rezultate.

a) KAMERE ZA VIDEO NADZOR

9

Model: TeleEye DF 112P DomeSenzor: 1/3" CCD

Model: Mintron 64K DSP Senzor: 1/3" CCD senzor

Model: DM 868 Senzor: 1/4" interline transfer CCD

Kamere za video nadzor imaju manju rezoluciju od običnih kamkordera. Razlog tome je kvaliteta senzora - ona je za video nadzor predviđena za 24 satni rad!)

CCD senzori za video nadzor proizvode se najčešće u formatu 1/3“ili1/4“ Proizvode se u dvije rezolucije :

srednja ( 512 X 580 = oko 290.000 tačaka ) visoka ( 750 X 580 = oko 430.000 tačaka ).

b ) DIGITALNI FOTOAPARATI

10

Model: Ferrari DIGITAL MODEL 2004 Senzor: 1/2,7’’ CCD s 3,34 milijona piksela

Model:Canon EOS 30D Senzor: 22.5 x 15.0mm CMOS

Model:Samsug DigimaxL85 Senzor: CCD-Chip (1/1,8")

Digitalni fotoaparati se dijele na:

jednostavne modele namenjene običnim korisnicima napredne modele namenjene profesionalcima

Dijelovi fotoaparata prikazani su na slici:

Osjetljivost senzora: Predstavlja pandan osetljivosti emulzije filma kod klasične hemijske fotografije. Međutim, kod digitalne elektronske tehnologije osetljivost se definiše kao mi-nimalna osvjetljenost kod koje je moguće snimati, a izražava se u luksimamjernim jedinicama za jačinu svetla. Naravno, što je veća osjetljivost čipa CCD, tim je veća mogućnost uspješnog snimanja pri slabijem svetlu.

Senzor za snimanje fotografija u digitalnom fotoaparatu načinjen je od mreže pojedinačnih fotoosjetljivih ćelija. Svaka ćelija osjetljiva je na svjetlost i na temelju jačine primljenog svjetla stvara signal odgovarajuće jačine. U većini senzorskih mreža svaka je ćelija pokrivena crvenim, zelenim ili plavim filtrom pa tako reagira samo na jednu od primarnih boja (zelenu, crvenu i plavu). Filtri su raspoređeni u grupe od po četiri filtra, s dva zelena filtra na svaki plavi i crveni par. Dodatni zeleni filtar prisutan je zato što je ljudsko oko najosjetljivije na zelenu svjetlost.

c ) BAR KOD ČITAČI

BARKOD Model: ImageTeam 3810 Model: QuickScan® QS2500

Bar kod je smisleni niz tamnih crta i svijetlih međuprostora koji omogućavaju elektronskoj opremi da očitaju u njima sadržanu logičnu poslovnu informaciju o proizvodu. Bar kod ili crtični kod ima strogo određena pravila. Bar kod je ustvari broj pretvoren u smisleni niz tamnih linija i svjetlih međuprostora koje skener opet pretvara u broj, a on je ključ za bazu podataka s ostalim podacima o proizvodu, usluzi ili lokaciji. To omogućuje brzo i jednostavno očitavanje cijene, podataka o proizvodu, inventuru, kontrolu zaliha, utvrđivanje poreznih obveza itd. Postupak kod dekodiranja jednog barkoda:

• bar kod se obasja crvenim svjetlom LED diode, a reflektirana svjetlost privodi CCD senzoru. Očitani se podaci zatim dekodiraju.

d ) VATRODOJAVNI SISTEMI

U slučaju aktiviranja javljača požara, na centrali za dojavu požara javlja se signal alarma na pripadnoj nadziranoj liniji. Javljači požara koriste iste fizikalne principe za detekciju požara: mjerenje temperature (senzori temperature), prisutnosti dima, treperenje plamena ili izvora topline (optički senzori).

11

12

7. USPOREDBA CCD I CMOS SENZORA

CCD elementi koriste specijalne postupke izrade kako bi se omogućio bez izobličenja prenos opterećenja kroz čip. Ovi postupci izrade su, dalje, doveli i do razvoja vrlo kvalitetnih senzora i u pogledu finoće (rezolucije) i u pogledu osetljivosti.

Za CMOS uređaje, sa druge strane, koriste se tradicionalni postupci pri izradi čipova iste procese koji se koriste i pri izradi većine mikroprocesora. Zbog razlika u procesu proizvodnje, postoje neke uočljive razlike između CCD i CMOS senzora.

CCD senzori, kao što smo već napomenuli, stvaraju kvalitetne, znači sa malim nivoom šuma, slike.

CMOS senzori, tradicionalno, su podložniji šumu. Zbog toga što svaki piksel u CMOS senzoru ima i nekoliko tranzistora koji su vezani za njega, očekujemo da je osjetljivost CMOS čipa na svijetlost - niža. Mnogi fotoni koji pogađaju čip, pogađaju i tranzistore umjesto samo fotodiode.

CMOS tradicionalno troši manje energije. Ako koristimo senzore izrađene CMOS tehnologiji, znači da koristimo senzore sa malom potrošnjom.

CCD senzori koriste proces koji zahteva više energije. CCD senzori troše i do 100 puta više energije nego ekvivalentni CMOS senzori.

CMOS čipovi mogu da se proizvode i na skoro svakoj standardnoj liniji za proizvodnju silicijumskih komponenata. Na taj način možemo da zaključimo da su oni i neuporedivo jeftiniji u poređenju sa CCD senzorima.

CCD senzori su proizvođeni u toku desetak godina. To znači i da su oni kvalitetniji, a ipak imaju i više piksela.

8. ZAKLJUČAK Na osnovu ovih razlika, možemo da zaključimo da će se CCD senzori koristiti u kamerama koje su namjenjene za vrlo kvalitetne slike sa velikim brojem piksela i sa izuzetnom osjetljivošću na svijetlost. CMOS senzori tradicionalno imaju niži kvalitet, nižu rezoluciju i nižu osjetljivost. CMOS senzori se upravo sada usavršavaju kako bi se približili CCD uređajim za određene primjene. Važno je da napomenemo da su CMOS kamere obično znatno jeftinije, s jedne strane, a i imaju znatno duži vijek trajanja baterija.

13

9. LITERATURA

www.etfos.hrhttp://www.avc.com.hr/eurostar/Teh_Podrska/Kamere.htmhttp://www.telfon.net/dig/http://hr.wikipedija.org/wiki/Digitalna_fotografija http://www.astrokaktus.com/DigitalPhotography/splet/ http://www.tomislavdekovic.iz.hr/clanci/teorija.htm http://www.badrov.hr/O_fotografiji/Senzori.htm http://www.pfst.hr/~ivujovic/pred04.ppthttp://www.bns-monitor.com/http://www.poslovniforum.hr/tp/barcode.asphttp://www.marco.hr/tehnologije-barkod.htmhttp://www.aling.hr/dojavapozara.htmhttp://www.cet.co.yu/arhiva/05/r_ccd.htmhttp://www.cet.co.yu/arhiva/06/r06_dxc9000.htmhttp://www.cet.co.yu/arhiva/17/r17_digicom.htmhttp://www.cet.co.yu/arhiva/28/r28_FotoKam.htm Digitalna fotografija Priručnik za radionicu Sandro Novosel, Sergej Novosel, Hrvoje Belani Digitalni fotoaparati Vladimir Todorović Dr. Sven Lončarić Odabrana poglavlja digitalne obrade slike: Osnove digitalnih slika