Beeldsensor

Afhankelijk van het type sensor kan het werkingsprincipe verschillen. Hij vervult echter overal dezelfde functie – hij converteert de lichtstroom die door het objectief valt in een elektrisch signaal, waarin vooral informatie over de helderheid van het geregistreerde beeld is opgenomen. In tegenstelling tot wat je zou verwachten, is het type sensor van enorme betekenis voor de kwaliteit van het uitgangsbeeld.

Afb. 1. Beeldsensor van het type CMOS van de camera APTI-24C2-36W

Twee typen sensors worden het meest toegepast – CCD en CMOS (afb. 2a en 2b). In bewakingscamera's is momenteel vooral het tweede type aanwezig, vanwege de bouw en de geboden mogelijkheden. CCD-sensors komen daarentegen vooral voor in de steeds minder populaire analoge camera's die werken in de PAL-standaard. Hieronder vindt u een korte karakteristiek en het werkingsprincipe van elk van de sensors.

Afb. 2a. Sensor type CCD

Afb. 2b. Sensor type CMOS

CCD-sensor (Charge Coupled Device) – ladinggekoppelde component.

Algemeen gezegd berust de werking van de CCD-sensor op het verzamelen van elektrische ladingen op de corresponderende sectoren van de sensormatrix, ook wel pixels genoemd. Dit gebeurt onder invloed van fotonen (van het licht) die op de verschillende, van elkaar geïsoleerde pixels vallen en elektronen genereren (afb. 3). Een enkele pixel kan worden gezien als een container waarin zich nieuw ontstane elektronen verzamelen. Hun aantal is evenredig met de lichtintensiteit en de belichtingstijd (afb. 4).

Op deze manier ontstaat dankzij het verzamelen van verschillende hoeveelheden elektronen op de matrix een kaart die in zekere zin een afspiegeling is van het beeld dat wordt gezien door de camera. Opgemerkt moet worden dat de sensormatrix op zich alleen de lichtintensiteit registreert, zonder kleuren van de verschillende elementen van het beeld, maar daarover later meer.

Het aflezen van het aantal verzamelde elektronen uit iedere pixel vindt sequentieel plaats. Dit betekent dat het overdragen van de elektronen naar verdere elektronische circuits alleen plaatsvindt uit de uitleesregisters die zich langs een matrixregel bevinden. Na het uitlezen van de elektronen van de eerste matrixregel springen de elektronen uit de volgende regel over en hun plaats wordt op zijn beurt weer ingenomen door elektronen uit de daaropvolgende regel. Deze procedure herhaald zich totdat alle pixels zijn uitgelezen (afb. 5).

Op deze manier worden de ladingen van elke pixel getransporteerd naar de elektronische circuits die ze veranderen in elektrische spanningen die overeenkomen met de hoeveelheid "gevangen" licht. Bovendien worden aan elke waarde de coördinaten toegevoegd van de betreffende pixel op de sensormatrix. Zo ziet in een notendop het vangen van het beeld door de sensor eruit.

Maar wat gebeurt er als het beeld in kleur is? Om dit uit te leggen keren we terug naar de bouw van de sensormatrix (afb. 6). Die is bedekt met RGB-filters (rood, groen, blauw), een voor elke pixel in het betreffende schema. Ieder filter laat slechts één kleur licht door. Als resultaat registreert iedere pixel de hoeveelheid licht van de betreffende kleur, afhankelijk van het filter waaronder hij zich bevindt. Omdat de pixels zijn voorzien van coördinaten is duidelijk wat de lichtintensiteit en de kleur van elk van hen is. De rest wordt afgehandeld door de elektronica. De grafische processor van het apparaat heeft een ingeprogrammeerde filterkaart met dezelfde indeling als de matrix, waardoor hij het door de sensor geregistreerde beeld kan reproduceren als een digitale versie.

Afb. 6. CCD-matrix bedekt met RGB-filters die elk het licht van de betreffende kleur doorlaten

Het is interessant om te vermelden dat het aantal pixels van de filters die groen licht doorlaten twee keer zo hoog is als de overige kleuren. Dit komt omdat de beeldsensor is gebaseerd op het menselijke oog dat van alle basiskleuren het meest gevoelig is voor de kleur groen.

De filters vervullen nog een bijzonder belangrijke functie – ze beschermen tegen infrarood licht dat in principe door ieder object wordt uitgezonden bij temperaturen boven het absolute nulpunt. De sensor is gevoelig voor de hele band zichtbaar licht en, in tegenstelling tot het menselijke oog, voor infrarood licht dat negatieve invloed heeft op de kleurweergave en de helderheid.

Bovendien bepaalt de processor op basis van de kleuren van negen pixels in een vlak van 3x3 de resultante kleur en slaat deze op op de plaats van de middelste pixel (afb. 7). Daarna bekijkt hij de volgende 9 pixels door het frame met een pixel op te schuiven en bepaalt de kleur van de volgende middelste pixel. Dit proces heet interpolatie en hierdoor is het beeld dichterbij de werkelijkheid.

De beschreven interpolatiemethode, namelijk het bepalen van de resultante (gemiddelde) kleur op basis van de omringende kleuren, werkt niet voor de pixels die aan de rand van de matrix zijn gelegen. Uiteraard is dit bij de huidige matrixafmetingen in bewakingscamera's van geen enkele betekenis. Producenten van camera's en fototoestellen, vooral die van de hoogste plank, geven echter naast de hoeveelheid pixels ook de hoeveelheid effectieve pixels op. Dat is het aantal pixels dat daadwerkelijk wordt gebruikt voor het verkrijgen van het beeld, zonder de pixels die zijn gelegen aan de matrixranden en andere ondersteunende pixels.

CMOS-sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

De halfgeleiders die in deze sensors voorkomen zijn zowel qua bouw als voor het verzenden van informatie gebaseerd op de massageheugen-architectuur. Deze kenmerkt zich vooral door zijn snelle werking en lage energiebehoefte in vergelijking tot CCD-sensors. Het werkingsprincipe is vergelijkbaar met CCD-sensors, met dat verschil dat alle pixels onafhankelijk worden gelezen en niet sequentieel. Dit gebeurt omdat elke pixel in de CMOS-matrix zijn eigen ladingtransistor en adres heeft. Het resultaat is dat alle pixels op hetzelfde moment kunnen worden uitgelezen (afb. 8).

Helaas heeft dit systeem ook nadelen. Vanwege de noodzaak om extra elementen in de sensor te plaatsen, is de afstand tussen de pixels aanzienlijk groter dan bij CCD-sensors. Ze liggen niet zo dicht bij elkaar, waardoor de hele sensor groter is. Het gevolg hiervan is dat de hele matrix minder gevoelig is, omdat een deel van het licht in plaats van op de lichtgevoelige elementen ertussen valt. Een ander groot nadeel is het feit dat het niet mogelijk is om enkele miljoenen identieke lichtgevoelige elementen te produceren, waarvan elke transformator met dezelfde precisie werkt. Uiteindelijk kan het beeld dat homogeen van kleur hoort te zijn, specifieke vegen bevatten die ook wel ruis worden genoemd. Uiteraard kan, afhankelijk van de klasse van het apparaat, de elektronica die verantwoordelijk is voor de verdere bewerking van het beeld dit probleem in mindere of meerdere mate oplossen.

De afmetingen van de sensor die in de betreffende camera is gemonteerd wordt aangeduid in inches. Meestal geldt: hoe groter de sensor, hoe meer pixels en daarmee – hoe beter de kwaliteit van het beeld. De populairste afmetingen van sensors voor bewakingscamera's zijn 1/3" en 1/4". Interessant is dat dit weinig te maken heeft met de feitelijke afmetingen van de sensor zelf. Dit is een overblijfsel uit de tijd waarin een glazen kathodelamp de functie van de sensor in videocamera's vervulde. De afmeting betrof echter niet de lamp zelf, maar de diameter van de glazen beschermbol.

Daarmee is bijvoorbeeld een sensor van 1" zo groot als een kathodelamp die is geplaatst in een glazen bol met een diameter van 1 inch. Ter vereenvoudiging kan worden aangenomen dat de diagonaal van de sensor ca. twee derde van zijn aanduiding bedraagt. De exacte waarden staan vermeld in de maattabel