Attēla pārveidotājs

Atkarībā no pārveidotāja veida, darbības principi var atšķirties. Tomēr visos gadījumos funkcija ir nemainīga – pārveido objektīvā krītošo gaismas staru par elektrisko signālu, kas, pirmkārt, satur informāciju par reģistrētā attēla spilgtumu. Izmantotajam pārveidotājam ir milzīga nozīme izejas attēla kvalitātē.

Zīm. 1. CMOS tipa attēla pārveidotājs no APTI-24C2-36W kameras

Visbiežāk tiek izmantoti divu veidu pārveidotāji – CCD un CMOS (zīm. 2a un 2b). Industriālajās kamerās uz doto brīdi biežāk iespējams sastapt otrā veida pārveidotājus, ņemot vērā to uzbūvi un piedāvātās iespējas. Toties CCD pārveidotāji tiek izmantoti mazāk populārās analogās kamerās, kas darbojas PAL standartā. Zemāk katra pārveidotāja īss raksturojums un darbības principi.

Zīm. 2a. CCD tipa pārveidotājs

Zīm. 2b. CMOS tipa pārveidotājs

CCD pārveidotājs (Charge Coupled Device) – lādiņsaistes matrica.

Vispārīgi ņemot, CCD pārveidotāja darbības principi balstās uz elektriskā lādiņa uzkrāšanu noteiktos pārveidotāja matricas sektoros, sauktos par pikseļiem. To nodrošina fotoni (gaisma), kas krīt uz atsevišķiem, savstarpēji izolētiem pikseļiem, kas no tiem izsit elektronus (zīm. 3). Vienu pikseli iespējams iztēloties kā konteineri, kurā uzkrājas jaunizveidotie elektroni. To daudzums ir proporcionāls gaismas intensitātei un apstarošanas laikam (zīm. 4).

Šādā veidā, matricā uzkrājot dažāda daudzuma elektronus, rodas karte, kas savā veidā ir no kameras redzošā attēla atspoguļojums. Jāatzīmē, ka pārveidotāja matrica pati par sevi izķer vienīgi gaismas intensitāti, bet atsevišķu attēla elementu krāsas, par ko tiks runāts turpmākajā daļā.

Uzkrāto elektronu daudzuma nolasījums no katra pikseļa notiek secīgi. Tas nozīmē, ka elektronu pārnešana uz tālākajām elektroniskajām sistēmām iespējama tikai no skenēšanas reģistriem, kas atrodas līdzās vienai no matricas rindām. Pēc tam, kad elektroni pirmajā matricas rindā tiek noskenēti, seko nākamo elektronu lēciens no nākamās rindas, bet viņu vietu, savukārt, ieņem elektroni no nākamās rindas. Viss process atkārtojas tik ilgi, līdz visi pikseļi ir noskenēti (zīm. 5).

Tādā veidā katra pikseļa lādiņi tiek pārvietoti uz elektroniskajām sistēmām, kas maina to elektrisko spriegumu atbilstoši „pārķertās” gaismas daudzumam. Turklāt, katrai vērtībai pārveidotāja matricā tiek pievienota dotā pikseļa koordināta. Tā lielos saīsinājumos izskatās attēla pārķeršanas aina.

Bet kā attēls iegūst savu krāsu? Lai to izskaidrotu, jāatgriežas pie pārveidotāja matricas uzbūves (zīm. 6). Tā ir noklāta ar filtriem RGB (sarkans, zaļš, zils), pa vienam katram no pikseļiem noteiktā shēmā. Katrs filtrs izlaiž cauri tikai vienas krāsas gaismu. Gala rezultātā katrs pikselis reģistrē noteiktas krāsas gaismas daudzumu atkarībā no tā, zem kāda filtra atrodas. Pateicoties tam, ka katram pikselim ir sava koordināta, zināms, kāda ir gaismas intensitāte un katra pikseļa krāsa. Ar pārējo nodarbojas elektronika. Ierīces grafiskais procesors ir aprīkots ar ieprogrammētu filtru karti tādā pašā sistēmā, kādā parādās matricā, pateicoties kam iespējams reproducēt reģistrēto attēlu no pārveidotāja uz ciparu versiju.

Zīm. 6. CCD matrica ir pārklāta ar RGB filtriem, no kuriem katrs pārsūta attiecīgas krāsas gaismu

Vērts atzīmēt, ka pikseļu daudzums ar zaļās krāsas filtriem ir divreiz lielāks nekā pārējām krāsām. Tas notiek tāpēc, ka attēla pārveidotājs ticis izstrādāts pēc cilvēka acs parauga, kas no visām pamatkrāsām visjutīgākā ir tieši uz zaļo krāsu.

Filtri pilda vēl vienu ļoti svarīgu funkciju – sargā no infrasarkanās gaismas, ko izstaro katrs objekts temperatūrā virs absolūtās nulles. Pārveidotājs ir jutīgs pret visu redzamās gaismas joslu un, atšķirībā no cilvēka acs, arī pret infrasarkano gaismu, kas slikti ietekmē krāsu un spilgtuma attēlošanu.

Turklāt, balstoties uz 9 pikseļu krāsām 3x3 sistēmā, procesors nozīmē izrietošo krāsu un saglabā centrālā pikseļa vietā (zīm. 7), pēc tam pievērš uzmanību nākamajiem 9 pikseļiem, pārbīdot kadru par vienu un nosakot nākamā iekšējā pikseļa krāsu. Šo procesu sauc par interpolāciju, pateicoties kuram, attēls tiek pietuvināts realitātei.

Aprakstītais interpolācijas veids jeb krāsas izrietošā (vidējā) pikseļa noteikšana un apkārtējo krāsu bāzes, neiedarbojas uz pikseļiem, kas atrodas matricas malās. Protams, ņemot vērā industriālajās kamerās izmantoto matricu izmērus, tam nav lielākas nozīmes. Tomēr kameru un fotoaparātu ražotāji, īpaši augstākā ranga, bieži līdzās pikseļu daudzumam, norāda arī efektīvo pikseļu skaitu. Tas ir pikseļu daudzums, kas faktiski tiek izmantots attēla iegūšanai, neskaitot pikselus, kas izvietoti matricas malās vai citus palīgpikseļus.

CMOS pārveidotājs (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Šajos pārveidotājos pieejamie pusvadītāji gan uzbūves, gan informācijas pārraides ziņā, ir balstīti uz lielapjoma atmiņas arhitektūru. Pirmkārt, tai raksturīga ātra darbība un mazākas enerģijas rezerves, salīdzinājumā ar CCD pārveidotājiem. Darbības principi ir analogi kā CCD pārveidotājiem, ar atšķirību, ka visi pikseļi tiek neatkarīgi, nevis secīgi skenēti. Tā notiek tādēļ, ka katram CMOS matricas pikselim ir savs elektriskā sprieguma pārveidotājs un atrašanās adrese. Gala rezultātā visus pikseļus iespējams skenēt vienā laikā (zīm. 8).

Diemžēl šādai sistēmai ir arī savi trūkumi. Dēļ papildu elementu izvietošanas nepieciešamības pārveidotāja iekšpusē, attālums starp pikseļiem ir ievērojami lielāks, nekā CCD pārveidotāja gadījumā. Tie neatrodas tik tuvu viens otram, tāpēc arī viss pārveidotājs ir lielāks, kā rezultātā pati matrica ir mazāk jutīga, jo daļa gaismas krīt nevis uz gaismjutīgajiem elementiem, bet starp tiem. Vēl viens nopietns trūkums slēpjas faktā, ka nav iespējams izgatavot vairākus miljonus vienādu gaismjutīgu elementu, kuros katrs pārveidotājs darbotos ar vienādu precizitāti. Gala rezultātā var izrādīties, ka attēls, kuram jābūt vienmērīgā krāsā, satur specifisku joslojumu, kas tiek dēvēts par troksni. Protams, ka atkarībā no ierīces klases, par turpmāko attēla apstrādi atbildīgā elektronika elektronika, lielākā vai mazākā mērā ir spējīga tikt galā ar šo problēmu.

Attiecīgajā kamerā uzstādītā Pārveidotāja izmērs tiek noteikts collās. Parasti, jo lielāks ir pārveidotājs, jo vairāk tajā pikseļu un labāka attēla kvalitāte. Vispopulārākie industriālo kameru pārveidotāja izmēri ir 1/3" un 1/4". Kā interesantu faktu vērts pieminēt, ka tam nav daudz kopīga ar faktisko paša sensora izmēru. Tas ir palicis no laikiem, kad pārveidotāja funkciju video kamerās pildīja katoda stikla lampa. Izmērs tomēr neattiecas uz pašu lampu, bet gan stikla aizsargspuldzes diametru.

Tā, piemēram, pārveidotāja izmērs 1" katoda lampas lielumā, kas ievietota stikla spuldzē ar diametru 1 colla. Vienkāršošanai iespējams pieņemt, ka pārveidotāja diagonāle ir apm., divas trešdaļas no tā apzīmējuma. Precīzas vērtības norādītas izmēru tabulā.