UNIVERZITET U TUZLI

FILOZOFSKI FAKULTET

TO I INFORMATIKA

2012/2013

Predmet : Senzori i mjerenja

SEMINARSKI RAD

Tema: Senzori u digitalnoj fotografiji

Datum : Ime i prezime:05.04.2013Amel HabiboviSadraj :

2Sadraj :

31.Uvod :

42. SENZORI

42.1 CCD SENZOR

62.1.2 Super CCD senzor

72.2 CMOS SENZORI

92.3 Optika

102.4 Sakupljenje svjetlosti i filtriranje boja

102.5 BAYEROV FILTER

122 .6. PIKSEL

122.7 Analogna obrada signala i digitalna konverzija

132.8Digitalna obrada signala

132.9.Usporedba CCD i CMOS senzora

142.10. Cijena i integracija

142.11. Potronja energije

142.12. Kvaliteta slike u uvjetima normalne osvjetljenosti

152.13. Kvalitet slike u uvjetima smanjene osvjetljenosti

152.14. Nivo uma

152.15. Kalibracija

152.16. Dodatne funkcije CMOS senzora

162.17. X3 -FOVEON SENZOR

172.18. Naini snimanja

203.Zakljuak:

214. LITERATURA

1.Uvod :

U klasinoj fotografiji, nosioc slike je film koji sadri estice srebrohalogenida, disperzirane u svjetlosno osjetljivoj emulziji. Film je oslojen sa tri tipa emulzije, i svaki od njih je osjetljiv na jednu od tri primarne boje - crvenu, zelenu ili plavu boju. Iz objektiva, svjetlost putuje do filma i

stvara sliku koja postaje vidljiva prilikom razvijanja. Kada snimamo sliku pomou digitalnog aparata, svjetlost prolazi kroz lee i stie do senzora, koji je zamjena za klasini film. Sam senzor je konstruiran tako da se sastoji od velikog broja elemenata koje nazivamo pikselima, i koji registriraju koliinu svjetlosti koja pada na njih. U zavisnosti od koliine te svjetlosne energije, piksel senzora e je pretvoriti u manji ili vei broj elektrona - to je ona vea, i generiranih elektrona e biti vie. Elektroni se dalje pretvaraju u odreeni napon, nakon ega prolaskom kroz A/D konverter postaju brojani zapis. Ti se brojevi kasnije obrauju u procesoru koji se takoer nalazi u sastavu aparata. Danas postoje tri tipa digitalnih fotografskih senzora - CCD (Charge-Coupled Device), CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)i X3 senzori. Tokom dugog perioda razvoja digitalne fotografije, CCD senzori su predstavljali jedini tip senzora koji se koristio u grai digitalnih aparata. Razvili su se u astronomskim kamerama, a iroko se rasprostranili kroz upotrebu u digitalnim aparatima i skenerima. Nasuprot njima, nastali su CMOS senzori, koji svojim performansama danas predstavljaju ozbiljnu konkurenciju. X3 senzori su najmanje zastupljeni, ali su znaajni zbog drugaijeg naina stvaranja digitalne fotografije.Ja u se u ovom i slijedeim lancima zabavljati iskljuivo digitalnom fotografijom kao najzastupljenijom "tehnikom" izrade fotografija.Senzor je ureaj koji mjeri fizikalne veliine i pretvara ih u signale koje moe oitavati ovjek ili instrument. U digitalnoj fotografiji se umjesto filma koriste senzori koji optiku sliku pretvaraju u elektrini signal. Danas najvei broj digitalnih fotoaparata koristi CCD senzore ili CMOS senzore. Malo kasnije e biti objanjeno o emu se radi. Cilj ovog seminarskog rada je objasniti princip rada i razlike izmeu pojedinih vrsta senzora.

2. SENZORI2.1 CCD SENZORNajei foto senzor u digitalnim foto aparatima je CCD senzor (Charged Couple Device). CCD su 1969. godine izumili Willard Boyle i George Smith iz tvrtke Bell Labs. Poetkom razvoja digitalne fotografije, CCD senzori su postali dominantni, prvenstveno jer su davali daleko superiornije slike sa dostupnom tehnologijom izrade. Prvi komercijalni CCD svjetlosni senzor proizveden je 1974. na 8-innom teleskopu na kojem je snimljena prva elektronska astronomska snimka mjeseca. CCD je specijalizirani ip koji se danas koristi samo kao optiki senzor za digitalne fotoaparate i kamere, dok se CMOS koristi u irokom spektru elektronikih ureaja.CCD senzori izrauju se za razliite aplikacije kao: kamkorderi , digitalni foto aparati, industrijske kamere, filmske kamere, kamere za medicinu, istraivanje svemira , video nadzor. CCD se nametnuo se kao primarni senzor u digitalnim kamerama. Radi se o specijalno izraenom silicijskom ipu ija je jedna povrina osjetljiva na svjetlo.

Slika 2.1.1 - CCD ip

Od samog izuma kamere, u 19. st, lea objektiva fokusirala je zrake svjetlosti na foto-osjetljive soli srebro-halida na samom filmu, bilo da se biljeila pokretna slika ili fotografija. Kod dananje kamere lea fokusira svjetlo na elektroniki senzor zvan CCD-a. CCD senzor sastavljen je od stotina tisua foto-osjetljivih dioda koje biljee jakost svjetla koje prime i tu vrijednost pretvaraju u elektrini naboj. Jakost tog naboja proporcionalna je jakosti svjetla koje ta dioda primi.

CCD u doslovnom prijevodu znai ureaj povezan nabojem. On predstavlja pravokutnu matricu u vidu mozaika, koji je sastavljen od milijuna kvadratnih ili pravokutnih fotoosjetljivih elija silicija. Dimenzije aktivne povrine ipa su znatno manje od snimka Leica formata (24x36mm).

Naboj koji se oita s pojedine fotodiode na kraju se pretvara u piksel, kao dio ukupne slike, no ne bez jednog vanog meukoraka. CCD senzor ne biljei boje, ve samo jakost svjetla koje pada na njega, u nijansama sive. Odakle onda slika u boji? Tako nastala slika alje se u zasebne filtere za boju, koji biljee crvenu, zelenu i plavu boju.

Za reprodukciju obojenih svjetlosnih zraka, neophodno je da elije senzora budu osjetljive na 3 osnovne boje: crvenu, zelenu i plavu. To se dobiva tako da se postave obojeni filteri preko elija senzora. Zato su senzori sa crvenim, zelenim i plavim filterom grupirani u grozdove. Elektrini signali iz svake elije senzora pretvaraju se iz naponskih, analognih u odgovarajue digitalne vrijednosti (kombinacija 0 i 1) u posebnom pretvarau (ADC konvertor), da bu se zatim mogle obraivati u procesu signala.

Slika 2.1.2: Prikaz obojenih filtera na CCD senzoruFoto-osjetljivi elementi, ili fotodetektori mogu biti formirani u tri osnovna oblika pa prema tome i razlikujemo tri osnovna tipa CCD senzora: tokasti, linijski i povrinski.

Postoje tri tipa arhitekture CCD senzora: full frame, full frame frame transfer i interline. Ako gore spomenuto slijedno pomicanje nije dovoljno brzo, kod full frame-a mogu se javiti vertikalne mrlje na slici jer iako je elija trenutno zaposlena pomicanjem naboja, ona i dalje nastavlja skupljati fotone. To zapravo znai da CCD ne moe skupljati svjetlost za vrijeme oitavanja. No za primjenu u npr. astronomiji koristi se frame transfer CCD. On ima skrivene elije kojih ima isti broj koliko i izloenih svjetlu. Kad zavri faza ekspozicije, naboj se premjeta u taj skriveni dio i tu u miru moe biti proitan. Za vrijeme oitavanja slobodne elije i dalje skupljaju fotone, a to znai da se faza ekspozicije i oitavanja odvijaju paralelno. No i taj tip CCD-a ima svoj nedostatak, a to je dvostruko vei senzor.

Skuplji modeli kamera upotrebljavaju vie CCD senzora, od kojih svaki biljei jedan element spektra boja. Kako bi sva tri senzora bila osvijetljena, unutar kamere koristi se prizma koja svjetlost koja je dola kroz objektiv rastavlja na crvenu, zelenu i plavu, a zatim te boje alje odgovarajuem CCD senzoru. Na taj se nain individualno biljei jakost svjetla za svaku pojedinu boju. Broj (i veliina) CCD senzora ujedno je i jedan od razloga zato su ti modeli osjetno skuplji od obinih CMOS kamera.

Od dimenzije aktivne povrine ipa i tehnologije izrade zavisi i broj fotoosjetljivih elemenata. Poto se ne mogu u kratkoj jedinici vremena istovremeno prenijeti fotostruje nastale pod utjecajem svjetla, za vrijeme ekspozicije ipa CCD sa nekoliko milijuna fotoelija, oni se skidaju sa ipa red po red.

Fotoosjetljive elije su pravokutnog, kvadratnog ili heksagonskog oblika, a svaka elija teoretski odgovara jednom pikselu na snimku, pa se zbog toga njihov broj oitava u pikselima. Dimenzije ipova su uglavnom u granicama od 8.0x5.6mm do 28.7x19.1 mm. Od veliine njihove aktivne povrine zavisi broj piksela, odnosno rezolucija snimka.

Fotoelije registriraju samo intenzitet svjetla. Da se registrira boja, postavljaju se tanki filteri u boji preko elija fotosenzora. Oni ine grupu od 4 od kojih su po jedan crveni i plavi, a dva zelena.

CCD ip je veoma osjetljiv na IC svjetlost. Zbog toga se iznad filtera u boji nalazi poseban filter preko cijele povrine koji smanjuje koliinu IC zraka koji dopiru do fotosenzora.

2.1.2 Super CCD senzor

Tvrtka Fuji je usavrila konstrukciju ipa CCD na taj nain da se umjesto etvrtastih ili pravokutnih elija u mozaiku fotosenzora stavi osmostrana elija rasporeene u matricu u obliku saa. Tako se poveala fotoosjetljiva povrina ipa iako je smanjen maksimalan broj fotosenzora na cjelokupnoj povrini ipa. Zbog toga se na slici nalazi vie piksela nego je elija mozaika na ipu, pa se postie znatno vea rezolucija snimka.

Slika 2.1.2: Usporedba konvencionalnog i super senzora

Super senzor (1. primarna fotodioda visoke osjetljivosti; 2. sekundarna fotodioda niske osjetljivosti; 3. transmisijski put)CCD i CMOS senzori imaju jednak poetni korak pretvaranje svjetla u elektrone. Jedan pojednostavljen nain razmiljanja o tome kako se senzor koristi u digitalnom fotoaparatu (ili kameri) je da zamislimo kao da ima 2-D niz tisue ili milijuna sitnih solarnih elija, od kojih svaki pretvara svjetlost iz jednog malog dijela slike u elektrone. CCD i CMOS ureaji izvoenjem ovog zadatka koristite razliite tehnologije. Slijedei korak je oitavanje tih vrijednosti svake elije na slici. Kod CCD ureaja, naboj je zapravo transportiran preko ipa i ita u jedan kut niza. Analogno-digitalni pretvara pretvara svaki pikselsku vrijednost u digitalnu vrijednost. U CCD-u za snimanje slike, postoji osjetljivo podruje na svjetlo (epitaksijalni sloj silikona), i prijenosno podruje napravljeno od posminog spremnika. CCD koristi poseban proces proizvodnje da stvori mogunost za transport naboja preko ipa bez izoblienja. Ovaj proces dovodi do vrlo visoke kvalitete senzora u smislu vjernosti i osjetljivost na svjetlo. Time se dobivaju visoko kvalitetne slike s malo uma. Proces koji CCD koristi troi puno struje. Ovi senzori se mogu implementirati u nekoliko razliitih arhitektura. Najei su full-frame, frame-transfer, i interline.

2.2 CMOS SENZORI

CMOS (Complimentary Metal Okside Semiconductor) je 1963. godine izumio Frank Wanlass iz tvrtke Fairchild Semiconductor. Prvi integrirani sklopovi s CMOS-om pojavili su se 1968. i odmah su bili superiorni po svojoj maloj potronji. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzor za svaki pixel posebno ima ugraeno pojaalo. To omoguuje da se podaci sa svih pixela obrade u istom trenutku. Ovaj proces omoguava veu brzinu pohrane zapisa pa samim time i vie snimljenih slika u sekundi.

Slika 2.2.1 CMOS Senzor

Budui da je kod CMOS senzora svakom pixelu pridrueno pojaalo, to poskupljuje proizvodnju pa se samim time takvi senzori ugrauju u bitno skuplje polu profesionalne i profesionalne aparate (SLR). Zbog poveanja prodaje digitalnih aparata (masovne proizvodnje) cijena proizvodnje CMOS se smanjuje i sve vie digitalnih aparata nieg cjenovnog razreda koristi ove foto senzore. Prema nekim naznakama kamera sa istim karakteristikama bazirana kao CCD kamera na CMOS senzoru, mogla bi biti ak i do 3-4 puta jeftinija. I to je njegova najvea prednost. Jeftin i jednostavan za proizvodnju. Svi podaci koji dolaze sa CCD ili CMOS senzora dolaze u analognom obliku. Kako bi mogli biti prikazani u digitalnom obliku tj, na raunalu ili printeru, trebaju biti prebaeni u binarni mod. Ovo se obavlja ADC elementima (Analog To Digital Converter).

Raunala jedino prepoznaju dva stanja, ukljueno i iskljueno. Zbog toga ta stanja prikazuju se u binarnom modu kao 1 i 0. Pixel moe biti pohranjen u vrijednostima od 0 - 255 to predstavlja 256 nijansi sive boje. Kako znamo da imamo pixele sa crvenim, plavim i zelenim filtrom imali bi previe podataka pa tako umjesto jednog niza od 8 bitova imamo tri niza ili 24 bita. Taj broj sadri podatke o svjetlu i boji za jedan pixel, a o tom broju esto ovisi i dubina boje. Znai da u snimci snimljenoj u 24 - bitnoj dubini imamo 16,7 miliona nijansi boje (256 x 256 x 256), a to u potpunosti odgovara nijansama boja koje ljudsko oko raspoznaje. Glavna razlika je to se kod CMOS senzora pojaanje signala odvija u fotoeliji, dok kod CCD imamo poseban sklop za pojaanje na izlazu iz senzora.

Slika 2.2.2: Proces generiranja slike u CMOS aparatima

2.3 Optika Uloga optike je da pomou sistema lee prikupi i usmjeri fotone svjetlosti. Objektive moemo klasificirati prema formatu, konstrukciji, arinoj duini i svjetlosnoj jaini.

Format objektiva daje informaciju o veliini slike koju lea moe dati. Ta veliina je najee povezana sa veliinom, odnosno dijagonalom senzora. Objektiv je tako konstruiran da se moe montirati na standardno leite koje okruuje senzor, i danas je poznato nekoliko standardiziranih leita za CMOS tehnologiju - C-mount, CS-mount i S-mount. arina duina prikazuje uveanje koje objektiv moe dati za odgovarajui senzor. Svjetlosna jaina objektiva ukazuje na otvor zaslona - to je ona vea, vie je proputene svjetlosti u jedinici vremena, dok manja svjetlosna jaina osigurava veu izotrenost po dubini. Objektiv omoguava precizan prikaz scene koja se eli prikazati. Svjetlost koja se reflektira od objekta prolazi kroz objektiv i formira sliku na senzoru.

2.4 Sakupljenje svjetlosti i filtriranje boja

Mikrolee na povrini senzora sakupljenu svjetlost odvode do fotoosjetljivog djela svakog piksela. Na tom putu, fotoni prolaze kroz mozaik obojenih filtera (CFA - Color Filter Array). Svaki piksel na sebi ima filter odreene boje.

Slika 2.4.1: Sakupljanje svjetlosti preko mikroleaSva tri tipa senzora koja postoje u dananjim digitalnim fotoaparatima, registriraju ukupnu koliinu svjetla koja padne na njihove elemente u toku eksponiranja. Oni te razliite koliine pristigle svjetlosti registriraju vide kao svjetlija i tamnija podruja, ne znajui nita o njenoj valnoj duini, odnosno boji. Da bi senzor imao podatke o tonovima, ispred njega se postavlja filter, koji svakom pikselu pojedinano dodjeljuje odreenu boju. Dvije sline metode registracije tonova su RGB (Red, Green, Blue) i CMY (Cyan, Magenta, Yellow).

Slika.2.4.2 :Izgled filteraDrugi nain za registriranje boje je upotrebom filtera koji su komplementarni crvenom, zelenom i plavom - cijan, magenta i utog filtera, uz dodatak zelenog. CMYG sustav filtera omoguava vjerniju reprodukciju scene, jer mu je gamut iri. Meutim, signali se tokom obrade moraju prevesti u RGB sustav, to rezultira dodatnim procesima obraivanja i stvaranjem veeg uma. Takvi filteri se esto koriste u ispreplitanim CCD senzorima, za razliku od RGB filtera koji su ei u progressive scan image senzorima.

2.5 BAYEROV FILTER

To je polje kolornih filtera (color filter array). Sastoji se od RGB kolor filtera postavljenih na mreu fotosenzora. Raspored tih filtera se koristi u veini slikovnih senzora sa jednim ipom. Oni se pak ugrauju u digtalne fotoaparate, kamere i skenere kako bi kreirali sliku u boji. Uzorak filtera je 50% zelenog, 25% crvenog i 25% plavog (RGGB).

Slika 2.5.1 - Raspored kolor filtera

Slika 2.5.2 - Presjek senzoraSvaki filter pokriva jedan pixel. Svaka je elija pokrivena crvenim, zelenim ili plavim filtrom pa tako reagira samo na jednu od primarnih boja. Tako sada pixel pokriven crvenim filtrom mjeri samo crveno svjetlo dok sljedei pixel mjeri plavo ili zeleno svjetlo. Dodatni zeleni filtar prisutan je zato to je ljudsko oko najosjetljivije na zelenu svjetlost. Kombinacijom jaine svjetla tih triju primarnih boja svaki pixel pridonosi punoj kvaliteti spektra boje na maloj povrini foto senzora koji ponavljajui to po cijeloj povrini foto senzora stvaraju kolorit cijele fotografije. Svjetlou snimka jo uvijek mjeri svaki pojedini pixel tako da filtri ne utjeu na opu informaciju u slici. Kako bi se svaki signal pretvorio u digitalni oblik signal se mora digitalizirati, odnosno kvantizirati. Digitalni fotoaparat obrauje razliite jakosti signala iz pojedinanih elija tako da svaki pixel slike dobije odgovarajuu vrijednost boje: za svaki se pixel na temelju podataka iz susjednih elija izrauna ili unese njegova vrijednost. Ta interpolacija boje kljuni je korak jer omoguuje proraun o kojem ovisi konana kakvoa snimljene fotografije. Poboljanje kakvoe digitalne fotografije uz poboljanja fotoosjetljivih senzora zasluga su usavravanja interpolacijskih algoritama. Vrijednosti se za svaki pixel skupljaju i povezuju pa tako nastaje slikovna datoteka, a u tom se procesu odreuje i format, odnosno ustroj datoteke. Neki digitalni fotoaparati nastavljaju proces obrade poboljavanja otrine slike, a usto i saimaju podatke koristei JPEG, TIFF, RAW algoritme. Nakon obrade, digitalna se fotografija pohranjuje (sprema na disk ili u memoriju). Prvi dio procesa, biljeenje slike senzorima, obino je vrlo brzo, ali obrada i pohrana traju neto dulje. Kako bi se ubrzao taj dio procesa, mnogi kvalitetniji fotoaparati imaju mnogo RAM-a, memorije za privremenu pohranu fotografija kako obrada snimaka ne bi ometala snimanje.

2 .6. PIKSEL

Piksel (engl. pixel) ili picture element je jedna toka rasterske slike. Pikseli su najee poredani u dvodimenzionalnu mreu i esto se prikazuju preko toaka ili pravokutnika. Svaki je piksel je uzorak originalne slike pa tako ako imamo vie uzoraka, imat emo i veu kvalitetu originalne slike. Svaki se piksel najee sastoji od tri komponente, a to su crvena (red), zelena (green) i plava (blue). Piksel je takoer asocijacija na jednu fotoeliju senzora. Pikseli ne registriraju boju. Oni samo registriraju intenzitet svjetlosti. Da bi dobili boju, iznad povrine senzora se stavljaju kolor filtri.

Slika 2.6 - Geometrija piksela2.7 Analogna obrada signala i digitalna konverzija

U fazi analogne obrade, uklanja se mozaik. Vri se uzajamno dvostruko uzorkovanje, kojem slijedi digitalna konverzija. Analogno-digitalna konverzija se moe vriti preko serijskih ili paralelnih pretvaraa (ADC -Analog-Digital Converter). Paralelni pretvarai mogu postii visok stupanj konverzije, dok serijski pretvarai mogu raditi sa manjim senzorima. 2.8Digitalna obrada signala

Digitalna obrada signala se sastoji iz dva nivoa - interpolacije boja i korekcije boja.Senzori e najee dati sekvencijalnu RGB sliku, iji e svaki piksel imati informaciju samo o jednoj boji (crvenoj, zelenoj ili plavoj). Da bi piksel dobio informacije i o ostale dvije boje, neophodne su interpolacije. Interpolacijom se uzimaju informacije o bojama od odgovarajuih susjednih piksela.

Slika 2.8 Kanali boja pre i posle interpolacija2.9.Usporedba CCD i CMOS senzora CCD (Charge Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) senzori su dvije najznaajnije tehnologije za digitalno zapisivanje slike. Obje imaju i prednosti i nedostatke u razliitim problemima. Stoga ni jednu ne moemo smatrati superiornijom, iako proizvoai samo jedne tehnologije najee tvrde suprotno. U posljednjih pet godina, obje tehnologije su znatno uznapredovale, te nijedna nema nadmo, ali ni upitnu budunost. Objema izvedbama senzora je zajedniko da pristiglo svjetlo pretvaraju u elektrini naboj, koji dalje obrauju u signal. U CCD senzoru, naboj svakog piksela se sprovodi kroz vrlo ogranieni broj vorova (najee jedan), gdje se pretvara se u napon, i sa senzora odlazi u obliku analognog signala. Svi pikseli mogu biti aktivirani za prihvaanje svjetla i izlazna ujednaenost, koja se smatra jednim od najznaajnijih parametara u ocjenjivanju kvalitete slike, je visoka. U CMOS senzorima, svaki piksel ima vlastiti konverter naboja u napon, i esto u svojoj konstrukciji imaju pojaala, korektore uma i sisteme za digitaliziranje, tako da sa ipa odlaze digitalni bitovi. Ti dodaci uslonjavaju konstrukciju senzora, a smanjuju povrinu za prihvaanje svjetla. S obzirom na to da svaki piksel vri konverziju neovisno, ujednaenost izlaza je znatno smanjena.

Oba tipa su nastala krajem ezdesetih i poetkom sedamdesetih godina prolog stoljea. S poetka su CCD senzori postali dominantni, jer su uz dostupnu tehnologiju izrade davali bolju sliku. CMOS senzori su za pribline rezultate i ujednaenost zahtijevali mnogo manje komponente nego to su to silicijske ploice mogle osigurati. Tek devedesetih godina se litografija razvila do te mjere da se javila elja za daljim razvijanjem CMOS senzora. Ponovni interes za CMOS senzore se zasnivalo na oekivanjima da e njihovom upotrebom biti smanjen utroak energije, da e se pospjeiti integracija kamera-ip, i da e trokovi izrade biti smanjeni. Iako su ove injenice bile mogue u teoriji, njihovo postizanje u praksi je zahtjevalo mnogo vie vremena, ulaganja i nadgradnje, no to je u poetku izgledalo. Oba tipa kvalitetno izraenih senzora mogu dati vrhunske performanse. Ranije su iskljuivo CCD senzori bili rezervirani za fotografske, naune i industrijske poslove, gdje se traila kvaliteta bez kompromisa. Danas takva podjela zadataka vie ne vrijedi - CCD senzore moemo nai u jeftinoj klasi telefona sa kamerom, a CMOS senzore u aparatima najviih mogunosti, ime su raniji stereotipi opovrgnuti. Suvremeni CMOS senzori daju bolju integraciju (vie funkcija na ipu), manje gubitke energije i mogu biti dosta manji, ali veoma esto zahtijevaju kompromis izmeu cijene i kvalitete. CMOS senzori su pospjeeni na polju kvalitete izlazne slike, a CCD senzori na polju neophodne energije i veliine piksela. 2.10. Cijena i integracija

Za izradu CCD senzora se koriste skupi specijalizirani proizvodni procesi. Za razliku od njih, CMOS senzori se izrauju u standardnim proizvodnim linijama za dobijanje mikroporcesora i memorijskih modula. Takav nain izrade rezultira manjom cijenom. Arhitektura CMOS senzora je takva da u svom sklopu sadri i dodatne sisteme - sistem za redukciju uma, A/D konverter, sistem za dvostruko uzorkovanje, sistem za elektronsku kontrolu okidanja, sistem za digitalnu obradu signala ... Integracijom se dobija na veoj kompaktnosti, pouzdanosti i smanjenju trokova. 2.11. Potronja energije

Za rad aktivna arhitehture piksela CMOS senzora, potrebno je i do 100 puta manje energije u odnosu na CCD. CCD senzori su kapacitivni ureaji kojima treba vanjska kontrola signala i velika osciliranja da bi naboj efikasno transportirali. Dok rad jednog CCD piksela treba 20-50 wata, identinom CMOS pikselu je potrebno 20-50 miliwata.

2.12. Kvaliteta slike u uvjetima normalne osvjetljenostiU CMOS senzorima, kvadratna sredina ulaznog uma iznosi oko -50db, a fiksni um mozaika (FPN - Fixed Pattern Noise) oko - 40db, to je prihvatljivo u rangu najkvalitetnijih izvedbi CCD-a. Aktivna arhitektura piksela koristi unutarnji pojaiva, u sprezi sa strujnim krugom za suzbijanje FPN-a, to rezultira nastankom slike visoke kvantne uinkovitosti. Zahvaljujui tome, pojava pruga uslijed tzv. blooming-a je mnogo rjea nego kod CCD-a, koji koristi registre kod kojih naboj nakon ispunjenja moe procuriti na okolne piksele.2.13. Kvalitet slike u uvjetima smanjene osvjetljenosti

Glavni kriterij za ocjenjivanje osjetljivosti piksela je takozvani faktor ispunjenja (Fill factor), i njegova kvantna efikasnost (Quantum Efficiency), gdje je osjetljivost jednaka umnoku ta dva parametra. Faktor ispunjenja predstavlja svjetlosnoosjetljivu povrinu piksela u odnosu na njegovu ukupnu povrinu, a kvantna efikasnost predstavlja procenat fotona koji pri udaru na povrinu piksela dovedu do fotogeneriranja elektrona.

Fill factor CCD senzora iznosi gotovo 100%, zbog ega su puno osjetljiviji na svjetlost i u loijim uvjetima. Pikseli CMOS senzora su prekriveni filterima za boju i filterima protiv uma, koji dodatno smanjuju osjetljivost, te njihov Fill factor iznosi 60-75%. Da bi se on poveao, koriste se izvedbe sa mikroleama. Ona ga poveavaju i na skoro 100%, ali znatno uslonjavaju izradu senzora. Takoer, mogu se javiti i greke u njihovom fokusiranju. 2.14. Nivo uma

Razlikujemo dva tipa uma - privremeni i FPN um. U CCD aparatima, FPN je mali, jer su naboji svakog piksela meusobno povezani i pretvoreni u napon u jednom zajednikom izlaznom voru.U CCD senzorima, privremeni um je dominantan, i on se reducira procesom dvostrukog uzorkovanja. Nasuprot njima, CMOS senzori daju manji privremeni um, jer pojaalo svakog piksela radi sa znatno manjom irinom opsega, u odnosu na izlazno pojaalo. Ali, veliki nedostatak CMOS senzora je to se pretvaranje naboja u napon svakog piksela vri neovisno. FPN um je zato jae izraen, i mnogo vie utie na ukupni um izlazne slike. FPN se smanjuje viestrukom obradom signala pomou integriranog kola u senzoru. 2.15. KalibracijaKalibracija CMOS senzora tokom proizvodnje, mnogo je zahtjevniji proces od kalibracije CCD senzora. Meutim, danas je taj proces dosta unaprijeen, i postoje senzori sa sustavima samokalibracije. 2.16. Dodatne funkcije CMOS senzora

Aktivna arhitektura CMOS senzora omoguava obradu signala na samom senzoru. Takve funkcije su automatska kontrola ekspozicije, anti-shaking sustav, kompresija slika, kodiranje boja, praenje gibanja, i td. U CCD sustavima, takvi dodaci mogu biti smjeteni samo van senzorskog ipa.2.17. X3 -FOVEON SENZOR

X3 ipovi kompanije Foveon su razvijeni poetkom stoljea i predstavljaju bitan pomak u digitalizaciji slike, oslanjajui se na principe klasine fotografije. Nosilac analogne fotografije je film koji je trostruko oslojen emulzijama osjetljivim na crvenu, zelenu i plavu boju. Fotoosjetljive elije na CCD i CMOS ipovima su osjetljive na jednu od te tri boje, ali nemaju informaciju o ostale dvije, zbog ega se pristupa interpolacijama. Za razliku od njih, X3 ip registrira 100% informacije svake od boja, na slian nain kao i filmska emulzija. Plavi sloj proputa zelenu i crvenu boju, ne registrirajui ih, zeleni proputa crvenu, a crveni apsorbira preostalu (crvenu) komponentu. Svaki CMOS fotosenzor ima potpune informacije o svojoj boji, te (neprecizne) interpolacije nisu potrebne, i dobiva se slika sa veom otrinom i manjom pojavom uma Moire-a. Meutim, takvu tehnologiju podrava jako mali broj aparata.

Slika 2.17.1 - Usporedba piksela izmeu Foveona i CCD / CMOS-a

Slika 2.17.2: Primjer algoritma interpolacije

Slika 2.17.3 - Usporedba senzora: Foveon i CCD /CMOS2.18. Naini snimanja

U zavisnosti od tipova senzora, njihovih karakteristika, ali i karakteristika scene i namjene fotografije, postoji vie vrsta snimanja - skenirajuim trilinearnim nizovima senzora, pojedinanom matricom jednim snimanjem, pojedinanom matricom sa tri snimanja, pojadinanom matricom sa jednim/tri snimanja, pojedinanom matricom sa makro pomjeranjem i trostrukom matricom jednim snimanjem.

Skenirajui trilinearni niz senzora koristi tehnologiju slinu kao kod ravnih skenera - senzor se sastoji od vie CCD-ova, i svaki od njih je oslojen crvenim, zelenim ili plavim filterom. U zavisnosti od traene rezolucije, ti senzori se kreu pravolinijski, odreenim korakom elektromotora. Na ovaj nain se dobiva izuzetno visoka kvaliteta slike, ali je ovaj nain snimanja pogodan samo za studijske, strogo kontrolirane uvjete - objekat mora biti potpuno statian, ne smije biti vibracija i svijetlo se strogo kontrolira.

Slika 2.18.1: Trilinearni niz senzora

Jedno snimanje pojedinanom matricom je najei oblik digitalnog fotografiranja - koristi se jedan standardni CCD ili CMOS senzor, i u jednom prolazu se vri uzorkovanje. Potpune informacije o bojama se dobivaju interpolacijom. Ovakav nain snimanja ima najiru primjenu uz najmanja ogranienja okolnih uvjeta - objekti mogu biti i statini i pokretni, slabije ili jae osvjetljeni. Meutim, nedostatak je pojava greaka uslijed interpolacija boja.

Slika 2.18.2: Pojedinana matrica - jedno snimanjeKod trostrukog snimanja pojedinanom matricom, koristi se jedan senzor i tri filtera kroz koja prolazi svjetlost. O svakoj boji dobiva se 100% informacija, ime se postie odlina kvaliteta slike. Mogu se fotografirati i manje osvetljene scene, i rezolucija snimanja je do 4000 x 5000 piksela. Meutim, postoje potekoe u snimanju dinaminih scena.

Slika 2.18.3: Pojedinana matrica - tri snimanja

Pomou pojedinane matrice sa jednim/tri snimanja, korisnik sam, prema potrebama kvalitete i uvjetima snimanja, bira da li e fotografirati u jednostrukom ili trostrukom prolazu.

Slika 2.18.4: Pojedinana matrica - tri snimanjaPojedinana matrica sa makro pomjeranjem omoguava viestruko snimanje radi poveanja veliine slike. Nakon svakog snimanja se senzor pomjera, i zabiljeene slike se softverski spajaju.

Slika 2.18.5: Pojedinana matrica sa makro pomjeranjem

Jedno snimanje trostrukom matricom je mogue zahvaljujui uinku prizmi i ogledala, koji razdvajaju svjetlost na crvenu, zelenu i plavu komponentu, i svaka od njih pada na zaseban CCD senzor. Na taj nain dobivaju se neinterpolirane informacije o bojama, a mogu se snimati i kreui objekti, uz odlinu izlaznu kvalitetu. Meutim, cijena ovakvih sustava je jako velika, zbog ega su rijetko u upotrebi.

Slika 2.18.6.: Trostruka matrica - jedno snimanje

3.Zakljuak:

U prethodnim poglavljima smo ukratko opisali osnovne tipove senzora i njihove naine rada. Svako od njih ima svoje prednosti, ali i nedostatke na kojima e se u budunosti intenzivno raditi. CCD senzori imaju vrstu poziciju zbog najdue primjene u sferi digitalne fotografije. Meutim, na osnovu prethodnog teksta, moemo zakljuiti da e ipak CMOS senzori imati prevlast na tritu, pogotovo ako se rijee problemi sa umom.Dakle da bi bili otklonjeni nedostaci i unapreene prednosti, razvoj CMOS senzora se usmjerava na slijedee oblasti - um, dinamiki opseg, osjetljivost i faktor ispunjenja, eliminiranje pruga i slinih greaka, nizak utroak energije, nizak napon rada i veliku brzinu rada. S druge strane, razvoj CCD senzora ide ka smanjenju energije rada i boljoj integraciji.CMOS ima prednost da trai mnogo manje dodatnih sklopova pored samog senzora, jer daje ve gotov signal, pa je proizvodnja sklopova jednostavnija, dok je sam senzor jeftiniji. To rezultira manjom kvalitetom slike od CCD-a. CCD pri proizvodnji zahtijeva manji stupanj integracije poluvodia, te je i dalje nezamjenjiv u primjenama gdje se trai kvalitetna slika. Nedostatak je vei prostor koji zauzimaju dodatni sklopovi koji su potrebni za obradu signala koji izlazi iz CCD-a. CCD senzor ima veu povrinu, vee osiromaeno podruje, veu osjetljivost, sporiji je, ima vei napon napajanja, nije kompatibilan s CMOS-om te ima veu potronju. CMOS senzor ima manju osjetljivost, manji faktor ispune, jeftiniji je, ima veu brzinu, manju potronju. Polje koje koristi Foveon senzor navodno eliminira kolorne artefakte koji se javljaju na senzorima sa Bayerovim filterom. Takoer se poveava osjetljivost na svjetlo. Na kraju, on zabiljeava sva tri piksela na svakoj lokaciji to znai 3 puta vie informacija u svakoj toci.

Iako X3 senzori daju veu kvalitetu slike koja je neinterpolirana, teko da e postati iroko dostupni, prije svega zbog kompleksnosti izrade i cijene. Meutim, ni tu mogunost ne moemo iskljuiti, kada se u obzir uzme injenica da smo svjedoci vremena u kom se digitalna fotografija poboljava gotovo iz dana u dan.

4. LITERATURA http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor (28.11.2009.)

http://en.wikipedia.org/wiki/Pixel (28.11.2009.)

http://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter (28.11.2009.)

http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm (28.11.2009.)

http://mydp1.wordpress.com/2007/11/13/whats-the-big-deal-with-foveon-sensors/ (28.11.2009.)

http://www.popphoto.com/Reviews/Cameras/Hands-On-Sigma-SD142 (28.11.2009.)

http://www.dalsa.com/corp/markets/ccd_vs_cmos.aspx

http://electronics.howstuffworks.com/cameras-photography/digital/question362.htm

http://www.digicamguides.com/learn/ccd-and-cmos.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

http://www.google.com/books?hl=hr&lr=&id=N0XgLh2d2pkC&oi=fnd&pg=PR29&dq=cmos&ots=jzVXbj3Cc3&sig=rbb0laWYAqsYMA0gh38se8OJiZs#v=onepage&q&f=false