Przetwornik obrazu

W zależności od rodzaju przetwornika, zasada działania może się różnić. Jednak wszędzie pełni tę samą funkcję – konwertuje strumień świetlny, wpadający przez obiektyw, na sygnał elektryczny, w którym zawarte są przede wszystkim informacje o jasności rejestrowanego obrazu. Wbrew pozorom rodzaj zastosowanego przetwornika ma ogromne znaczenie dla jakości obrazu wyjściowego.

Rys. 1. Przetwornik obrazu typu CMOS z kamery APTI-24C2-36W

Najczęściej stosowane są dwa typy przetworników – CCD i CMOS (rys. 2a i 2b). W kamerach przemysłowych obecnie częściej można spotkać te drugie, ze względu na ich budowę i możliwości, jakie oferują. Natomiast przetworniki CCD z reguły występują w coraz mniej popularnych kamerach analogowych, działających w standardzie PAL. Poniżej krótka charakterystyka i zasada działania każdego z nich.

Rys. 2a. Przetwornik typu CCD

Rys. 2b. Przetwornik typu CMOS

Przetwornik CCD (Charge Coupled Device) – urządzenie o sprzężeniu ładunkowym.

Ogólnie rzecz biorąc, zasada działania przetwornika CCD polega na gromadzeniu ładunku elektrycznego na odpowiednich sektorach matrycy przetwornika, zwanych pikselami. Dzieje się tak za sprawą fotonów (światła) padających na poszczególne odizolowane od siebie piksele, które wybijają z nich elektrony (rys. 3). Pojedynczy piksel można zobrazować jako pojemnik, w którym gromadzą się nowo powstałe elektrony. Ich ilość jest proporcjonalna do natężenia światła, a także do czasu naświetlania (rys. 4).

W ten sposób, poprzez nagromadzenie na matrycy różnej ilości elektronów, powstaje mapa, która jest w pewnym sensie odzwierciedleniem obrazu widzianego przez kamerę. Warto tutaj zaznaczyć, że matryca przetwornika sama w sobie wychwytuje jedynie natężenie światła, bez kolorów poszczególnych elementów obrazu, o czym będzie w dalszej części.

Odczyt ilości nagromadzonych elektronów z każdego piksela odbywa się sekwencyjnie. Oznacza to, że przenoszenie elektronów do dalszych układów elektronicznych następuje tylko z rejestrów odczytu, które znajdują się wzdłuż jednego wiersza matrycy. Po sczytaniu elektronów z pierwszego wiersza matrycy następuje przeskok kolejnych elektronów z następnego wiersza, a ich miejsce z kolei zajmują elektrony z następnego wiersza. Cała procedura powtarza się aż do sczytania wszystkich pikseli (rys. 5).

W ten sposób ładunki z każdego piksela są transportowane do układów elektronicznych, które zmieniają je na napięcie elektryczne odpowiadające ilości „przechwyconego” światła. Ponadto, do każdej wartości dopisane zostają współrzędne danego piksela na matrycy przetwornika. Tak w ogromnym skrócie wygląda przechwytywanie obrazu przez przetwornik.

Jednak, jak to się dzieje, że obraz jest kolorowy? Żeby to wyjaśnić, należy wrócić do budowy matrycy przetwornika (rys. 6). Jest ona pokryta filtrami RGB (czerwony, zielony, niebieski), po jednym na każdy piksel w określonym schemacie. Każdy filtr przepuszcza światło tylko jednego koloru. W efekcie każdy piksel rejestruje ilość światła danego koloru w zależności od tego, pod jakim filtrem się znajduje. Dzięki temu, że piksele posiadają swoje współrzędne, wiadomo, jakie jest natężenie światła i kolor każdego z nich. Resztą zajmuje się już elektronika. Procesor graficzny urządzenia posiada zaprogramowaną mapę filtrów w takim samym układzie, w jakim występuje na matrycy, przez co może odwzorować zarejestrowany obraz przez przetwornik na wersję cyfrową.

Rys. 6. Matryca CCD pokryta filtrami RGB, z których każdy przepuszcza światło odpowiedniego koloru

Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że ilość pikseli z filtrami przepuszczającymi kolor zielony jest dwa razy większa niż reszty kolorów. Dzieje się tak dlatego, że przetwornik obrazu został stworzony na wzór ludzkiego oka, które ze wszystkich kolorów podstawowych najbardziej wrażliwe jest właśnie na kolor zielony.

Filtry pełnią jeszcze jedną bardzo ważną funkcję – chronią przed światłem podczerwonym, które jest emitowane właściwie przez każdy obiekt w temperaturze powyżej zera bezwzględnego. Przetwornik jest wrażliwy na całe pasmo światła widzialnego oraz, w przeciwieństwie do ludzkiego oka, na światło podczerwone, które źle wpływa na odwzorowanie kolorów i jasności.

Ponadto, na podstawie kolorów 9 pikseli w układzie 3x3 procesor wyznacza kolor wypadkowy i zapisuje w miejscu środkowego piksela (rys. 7), po czym bierze pod uwagę następnych 9 pikseli, przesuwając ramkę o jeden, i wyznacza kolor kolejnego wewnętrznego piksela. Proces ten nazywa się interpolacją i dzięki niemu obraz jest bliższy rzeczywistości.

Opisany sposób interpolacji, czyli wyznaczania wypadkowego (średniego) koloru na podstawie kolorów otaczających, nie zadziała dla pikseli położonych na brzegach matrycy. Oczywiście przy obecnych rozmiarach matryc stosowanych w kamerach przemysłowych nie ma to żadnego znaczenia. Jednak producenci kamer i aparatów fotograficznych, zwłaszcza tych z wyższej półki, często poza ilością pikseli, podają także ilość pikseli efektywnych. Jest to ilość pikseli faktycznie wykorzystana do uzyskania obrazu, z pominięciem pikseli położonych na brzegach matrycy czy innych pikseli pomocniczych.

Przetwornik CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Występujące w tych przetwornikach półprzewodniki zarówno pod względem budowy, jak i sposobu przesyłu informacji są oparte na architekturze pamięci masowych. Charakteryzuje je przede wszystkim szybkość działania i mniejsze zapotrzebowanie na energię w porównaniu do przetworników CCD. Zasada działania jest analogiczna jak w przetwornikach CCD, z tą różnicą, że wszystkie piksele sczytywane są niezależnie, a nie sekwencyjnie. Dzieje się tak dlatego, że każdy piksel w matrycy CMOS posiada swój przetwornik ładunku na napięcie i swój adres położenia. W efekcie wszystkie piksele mogą zostać sczytane w tym samym momencie (rys. 8).

Niestety, taki układ ma również wady. Z powodu konieczności umieszczenia dodatkowych elementów wewnątrz przetwornika, odległość między pikselami jest znacznie większa niż w przypadku przetworników CCD. Nie są one już tak blisko siebie i przez to cały przetwornik jest większy. W efekcie cała matryca jest mniej czuła ze względu na to, że część światła zamiast na elementy światłoczułe wpada pomiędzy nie. Inną poważną wadą jest fakt, że niemożliwe jest wyprodukowanie kilku milionów jednakowych elementów światłoczułych, w których każdy przetwornik działa z tą samą dokładnością. Ostatecznie może się okazać, że obraz, który powinien być w jednolitym kolorze, będzie zawierał specyficzne smugi zwane szumem. Oczywiście, w zależności od klasy urządzenia, elektronika odpowiedzialna za dalszą obróbkę obrazu potrafi uporać się z tym problemem w mniejszym lub większym stopniu.

Rozmiar przetwornika zamontowanego w danej kamerze określa się w calach. Zazwyczaj im większy przetwornik, tym więcej znajduje się na nim pikseli, a co za tym idzie – lepsza jakość obrazu. Najpopularniejsze rozmiary przetworników dla kamer przemysłowych to 1/3" i 1/4". Jako ciekawostkę warto dodać, że niewiele ma to wspólnego z faktycznym rozmiarem samego sensora. Jest to pozostałość z czasów, gdy funkcję przetwornika w kamerach wideo pełniła szklana lampa katodowa. Rozmiar jednak nie dotyczył samej lampy, a średnicy jej szklanej bańki ochronnej.

Zatem, dla przykładu, przetwornik rozmiaru 1" jest wielkości lampy katodowej umieszczonej wewnątrz szklanej bańki o średnicy 1 cala. Dla ułatwienia można przyjąć, że przekątna przetwornika to ok. dwie trzecie jego oznaczenia. Dokładne wartości są podane w tabeli rozmiarów.