Αισθητήρας εικόνας

Ανάλογα με τον τύπο του αισθητήρα, η αρχή λειτουργίας μπορεί να διαφέρει. Ωστόσο παντού εκτελεί την ίδια λειτουργία - μετατρέπει την ακτίνα φωτός που πέφτει πάνω στον φακό, σε ηλεκτρικό σήμα, στο οποίο περιέχονται κυρίως πληροφορίες σχετικά με την φωτεινότητα της εικόνας. Παρά τα προσχήματα, το είδος του αισθητήρα που χρησιμοποιείται έχει μεγάλη σημασία για την ποιότητα της τελικής εικόνας.

Εικ. 1. Αισθητήρας εικόνας τύπου CMOS από κάμερα APTI-24C2-36W

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι τύποι αισθητήρων είναι δυο – ο CCD και ο CMOS (εικ. 2α και 2β). Στις κάμερες βιομηχανικής χρήσεως πιο συχνά συναντιούνται τελευταία οι δεύτεροι αισθητήρες, κυρίως λόγω της κατασκευής τους και των δυνατοτήτων που προσφέρουν. Από την άλλη οι αισθητήρες CCD υπάρχουν κατά κανόνα στις λιγότερο δημοφιλείς αναλογικές κάμερες που λειτουργούν στο πρότυπο PAL. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικά χαρακτηριστικά και αρχές λειτουργίας του καθένα από αυτούς.

Εικ. 2α. Αισθητήρας τύπου CCD

Εικ. 2β. Αισθητήρας τύπου CMOS

Αισθητήρας CCD (Charge Coupled Device) – συσκευή συζευγμένου φορτίου.

Γενικά, η αρχή λειτουργίας ενός αισθητήρα CCD βασίζεται στην συσσώρευση ηλεκτρικού φορτιού στους αντίστοιχους τομείς της μητρικής του αισθητήρα, που ονομάζονται pixel. Αυτό οφείλεται στα φωτόνια (φωτός) που πέφτουν πάνω στα απομονωμένα μεταξύ τους pixel, από τα οποία συγκρούονται τα ηλεκτρόνια (εικ. 3). Ένα ενιαίο εικονοστοιχείο (pixel) μπορεί να απεικονιστεί ως ένα δοχείο στο οποίο συγκεντρώνονται τα νέα δημιουργούμενα ηλεκτρόνια. Ο αριθμός τους είναι ανάλογος με την ένταση του φωτός, όπως και τον χρόνο έκθεσης (εικ. 4).

Με αυτόν τον τρόπο, δηλαδή μέσω της συσσώρευσης στην μήτρα ηλεκτρονίων σε διάφορες ποσότητες, δημιουργείται ένας χάρτης, που είναι κατά κάποιο τρόπο μια αντανάκλαση της εικόνας που φαίνεται από την κάμερα. Αξίζει εδώ να σημειωθεί, ότι η μήτρα του αισθητήρα συλλαμβάνει μόνο την ένταση του φωτός, χωρίς τα χρώματα των επιμέρους στοιχείων της εικόνας, για το οποίο θα συζητηθεί στη συνέχεια.

Η ανάγνωση των συσσωρευμένων ηλεκτρονίων από κάθε εικονοστοιχείο πραγματοποιείται διαδοχικά. Αυτό σημαίνει, ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων σε περαιτέρω ηλεκτρονικά συστήματα, συμβαίνει μόνο από τα μητρώα σάρωσης που βρίσκονται κατά μήκος μιας γραμμής της μήτρας. Μετά την σάρωση των ηλεκτρονίων από την πρώτη γραμμή της μήτρας, ακολουθεί η μεταπήδηση των επόμενων ηλεκτρονίων από την επόμενη γραμμή, ενώ την θέση τους καταλαμβάνουν με την σειρά τους τα ηλεκτρόνια από την επόμενη γραμμή. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι την σάρωση όλων των εικονοστοιχείων (εικ. 5).

Με αυτό τον τρόπο τα φορτία κάθε εικονοστοιχείου μεταφέρονται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, τα οποία τα μετατρέπουν σε ηλεκτρική τάση που αντιστοιχεί στο ποσό του φωτός που "συλλαμβάνεται". Επιπλέον, για την κάθε τιμή καταγράφονται οι συντεταγμένες του εικονοστοιχείου πάνω στην μήτρα του αισθητήρα. Έτσι με λίγα λόγια μοιάζει η σύλληψη μιας εικόνας από έναν αισθητήρα.

Πώς όμως συμβαίνει και μια εικόνα είναι έγχρωμη; Για να το εξηγήσουμε αυτό, πρέπει να επιστρέψουμε στην κατασκευή της μήτρας του αισθητήρα (εικ. 6). Αυτή καλύπτεται από φίλτρα RGB (κόκκινο, πράσινο, μπλε) από ένα για κάθε εικονοστοιχείο σε καθορισμένο σχέδιο. Το κάθε φίλτρο μεταδίδει φως ενός μόνο χρώματος. Ως αποτέλεσμα, κάθε εικονοστοιχείο καταγράφει την ποσότητα φωτός ενός χρώματος ανάλογα με το φίλτρο που βρίσκεται. Λόγω του γεγονότος ότι τα εικονοστοιχεία διαθέτουν τις δικές τους συντεταγμένες, είναι γνωστό ποια είναι η ένταση του φωτός και το χρώμα καθενός από αυτά. Τα υπόλοιπα αναλαμβάνει πλέον η ηλεκτρονική. Ο επεξεργαστής γραφικών της συσκευής διαθέτει έναν προγραμματισμένο χάρτη από φίλτρα στο ίδιο ακριβώς σχήμα, όπως και στην μήτρα, μέσω της οποίας μπορεί να αναπαράγει την καταγεγραμμένη εικόνα από τον αισθητήρα σε ψηφιακή έκδοση.

Εικ. 6. Μήτρα CCD καλυπτόμενη με φίλτρα RGB, καθένα από τα οποία εκπέμπει φως σχετικού χρώματος

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο αριθμός των εικονοστοιχείων με φίλτρα που μεταδίδουν πράσινο χρώμα είναι δυο φορές μεγαλύτερος απ' ότι στα υπόλοιπα χρώματα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο αισθητήρας εικόνας έχει δημιουργηθεί ως ένα μοντέλο ανθρώπινου ματιού, το οποίο από όλα τα βασικά χρώματα πιο ευαίσθητο είναι στο πράσινο χρώμα.

Τα φίλτρα εκτελούν επίσης μια ακόμη πολύ σημαντική λειτουργία – προστατεύουν από το υπέρυθρο φως, που εκπέμπεται σχεδόν από κάθε αντικείμενο που βρίσκεται σε θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο αισθητήρας είναι ευαίσθητος σε ολόκληρη την ζώνη του ορατού φωτός, καθώς και σε αντίθεση με το ανθρώπινο μάτι, στο υπέρυθρο φως το οποίο επηρεάζει αρνητικά την απεικόνιση των χρωμάτων και της φωτεινότητας.

Επιπλέον, με βάση τα χρώματα 9 εικονοστοιχείων στο σύστημα 3x3, ο επεξεργαστής καθορίζει το προκύπτον χρώμα και το αποθηκεύσει στο κέντρο του εικονοστοιχείου (εικ. 7) και στη συνέχεια λαμβάνει υπόψιν τα επόμενα 9 εικονοστοιχεία, μετακινώντας το πλαίσιο ανά ένα, και καθορίζει το χρώμα του επόμενου εσωτερικού εικονοστοιχείου. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται παρεμβολή και χάρη σε αυτή η εικόνα είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Η περιγραφόμενη μέθοδος παρεμβολής, δηλαδή ο προσδιορισμός του προκύπτοντος (μεσαίου) χρώματος με βάση τα χρώματα που το περιβάλλουν, δεν ισχύει για τα εικονοστοιχεία που βρίσκονται στα άκρα της μήτρας. Βεβαίως δεδομένου των τρεχουσών μεγεθών των μητρών που εφαρμόζονται στις βιομηχανικές κάμερες, αυτό δεν έχει ιδιαίτερη σημασία. Ωστόσο οι εταιρείες κατασκευής καμερών και φωτογραφικών μηχανών, ιδιαίτερα εκείνων με τις υψηλότερες προδιαγραφές, δίνουν συχνά επίσης εκτός από τον αριθμό των εικονοστοιχείων και τον αριθμό των ενεργών εικονοστοιχείων. Είναι δηλαδή ο αριθμός των εικονοστοιχείων που χρησιμοποιείται στην πραγματικότητα για την λήψη μιας εικόνας, αφήνοντας τα εικονοστοιχεία που βρίσκονται στις άκρες της μήτρας ή άλλα βοηθητικά εικονοστοιχεία.

Αισθητήρας CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Οι ημιαγωγοί που υπάρχουν στους αισθητήρες, τόσο ως προς την κατασκευή τους, όσο και ως προς τον τρόπο μετάδοσης πληροφοριών, βασίζονται στην αρχιτεκτονική της μαζικής αποθήκευσης. Χαρακτηρίζονται κυρίως από την ταχύτητα λειτουργίας και την χαμηλή απαίτηση σε ενέργεια σε σχέση με τους αισθητήρες CCD. Η αρχή λειτουργίας είναι παρόμοια όπως και στους αισθητήρες CCD, με την διαφορά ότι όλα τα εικονοστοιχεία σαρώνονται ανεξάρτητα και όχι διαδοχικά. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε εικονοστοιχείο στην μήτρα CMOS έχει το δικό του μορφοτροπέα τάσης και την δική του διεύθυνση. Κατά συνέπεια, όλα τα εικονοστοιχεία μπορούν να σαρωθούν την ίδια ακριβώς στιγμή (εικ. 8).

Δυστυχώς, ένα τέτοιο σύστημα έχει και τα μειονεκτήματά του. Λόγω της ανάγκης για τοποθέτηση επιπλέον στοιχειών στο εσωτερικό του αισθητήρα, η απόσταση μεταξύ των εικονοστοιχείων είναι πολύ μεγαλύτερη απ' ότι στην περίπτωση των αισθητήρων CCD. Δεν βρίσκονται και τόσο κοντά μεταξύ τους, γι΄ αυτό και ο αισθητήρας είναι μεγαλύτερος. Ως αποτέλεσμα, ολόκληρη η μήτρα είναι λιγότερο ευαίσθητη λόγω του γεγονότος ότι ένα μέρος του φωτός αντί να πέφτει πάνω στα φωτοευαίσθητα στοιχεία, πέφτει ανάμεσά τους. Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι είναι αδύνατη η παραγωγή μερικών εκατομμυρίων πανομοιότυπων φωτοευαίσθητων στοιχείων, όπου κάθε αισθητήρας να λειτουργεί με την ίδια ακρίβεια. Τελικά μπορούμε να διαπιστώσουμε, ότι η εικόνα η οποία θα έπρεπε να είναι σε ομοιόμορφο χρώμα, θα περιέχει ειδικά σημάδια που ονομάζονται παράσιτα. Φυσικά, ανάλογα με την κλάση της συσκευής, τα ηλεκτρονικά που είναι υπεύθυνα για την περαιτέρω επεξεργασία της εικόνας μπορεί να αντιμετωπίσουν κάποια προβλήματα σε μικρό ή μεγάλο βαθμό.

Το μέγεθος του αισθητήρα που είναι εγκατεστημένο σε μια κάμερα ορίζεται σε ίντσες. Συνήθως όσο μεγαλύτερος είναι ο αισθητήρας, τόσο περισσότερα εικονοστοιχεία βρίσκονται σε αυτόν και ως εκ τούτου, τόσο καλύτερη είναι και η ποιότητα της εικόνας. Τα πιο δημοφιλή μεγέθη αισθητήρων για κάμερες συστημάτων παρακολούθησης είναι τα 1/3" και 1/4". Αξίζει να σημειωθεί, ότι αυτό έχει πολύ μικρή σχέση με το πραγματικό μέγεθος του ίδιου του αισθητήρα. Αυτό είναι ένα υπόλειμμα από τα χρόνια που την λειτουργία του αισθητήρα στις βιντεοκάμερες την αναλάμβανε μία γυάλινη καθοδική λάμπα. Το μέγεθος ωστόσο δεν αφορά την ίδια την λάμπα, αλλά την διάμετρο του γυάλινου προστατευτικού της λάμπας.

Επομένως για παράδειγμα, ένας αισθητήρας μεγέθους 1" είναι σε μέγεθος μιας καθοδικής λάμπας τοποθετημένης στο εσωτερικού ενός γυάλινου προστατευτικού με διάμετρο 1 ίντσα. Για ευκολία μπορούμε να υποθέσουμε, ότι η διαγώνιος του αισθητήρα είναι περίπου τα δυο τρίτα του προσδιορισμού του. Ακριβείς τιμές δίνονται στον πίνακα μεγεθών.