Obrazový snímač

V závislosti na druhu snímača sa môžu zásady fungovania líšiť. Avšak s ohľadom na zastávanie tej istej funkcie konvertuje svetelný prúd, dopadajúci cez objektív, na elektrický signál, v ktorom sú obsiahnuté predovšetkým informácie o jase zaznamenávaného obrazu. Aj keď sa to možno nezdá, má druh použitého snímača obrovský význam na kvalitu výstupného obrazu.

Obr. 1. Snímač obrazu typu CMOS z kamery APTI-24C2-36W

Najčastejšie sa používajú dva typy snímačov - CCD a CMOS (obr. 2a a 2b). V priemyselných kamerách sa v súčasnosti najčastejšie používajú tie druhé, s ohľadom na ich konštrukciu a možnosti, ktoré ponúkajú. Snímače CCD sa oproti tomu spravidla vyskytujú v čím ďalej tým menej obľúbených analógových kamerách fungujúcich v štandarde PAL. Nižšie krátka charakteristika a zásada fungovania každého z nich.

Obr. 2a. Snímač typu CCD

Obr. 2b. Snímač typu CMOS

Snímač CCD (Charge Coupled Device) – zariadenie s nábojovou väzbou.

Všeobecne povedané spočíva zásada fungovania snímača CCD v zhromažďovaní elektrického výboja na príslušných sektoroch matrice snímače, ktorým sa vraví pixely. Je tomu tak vďaka fotónom (svetlu) dopadajúcim na jednotlivé, od seba oddelené pixely, ktoré z nich vyrážajú elektróny (obr. 3). Jeden pixel možno zobraziť ako zásobník, v ktorom sa hromadia novo vzniknuté elektróny. Ich množstvo je pomerné k intenzite svetla a tiež času osvetlenia (obr. 4).

Týmto spôsobom vzniká nahromadením rôzneho počtu elektrónov na matrici mapa, ktorá je v istom zmysle odrazom obrazu videného kamerou. Na tomto mieste stojí za zmienku, že matrica snímača sama o sebe zachycuje len intenzitu svetla, bez farieb jednotlivých prvkov obrazu, o tom bude reč v ďalšej časti.

Odpočet množstva nazhromaždených elektrónov z každého pixelu prebieha sekvenčne. Znamená to, že prenos elektrónov do ďalších elektronických systémov nasleduje len z registra odpočtov, ktoré sa nachádzajú pozdĺž jedného riadku matrice. Po spočítaní elektrónov z prvého riadku matrice nasleduje preskočenie na ďalšie elektróny z ďalšieho riadku a ich miesto zaberú elektróny z nasledujúceho riadku. Celý postup sa opakuje až do spočítania všetkých pixelov (obr. 5).

Takto sa náboje z každého pixelu prenášajú do elektronických systémov, ktoré ich menia na elektrické napätie zodpovedajúce množstvu „zachyteného“ svetla. Okrem toho je ku každej hodnote priradená súradnica daného pixelu na matrici snímača. Tak vyzerá vo veľkej skratke zachycovanie obrazu snímačom.

Ale ako dochádza k tomu, že je obraz farebný? Na vysvetlenie je nutné upozorniť na stavbu matrice snímača (obr. 6). Tá je pokrytá filtrami RGB (červený, zelený, modrý), po jednom na každý pixel v danej schéme. Každý filter prepúšťa svetlo len jednej farby. Vo výsledku každý pixel registruje množstvo svetla danej farby v závislosti na tom, pod akým filtrom sa nachádza. Vďaka tomu, že pixely majú svoje súradnice, vieme, aká je intenzita svetla a farba každého z nich. O zvyšok sa už stará elektronika. Grafický procesor zariadenia má naprogramovanú mapu filtrov v rovnakej sústave, v akej sa vyskytuje na matrici, vďaka tomu možno reprodukovať registrovaný obraz snímačom do digitálnej verzie.

Obr. 6. CCD matrica pokrytá RGB filtrami, z ktorých každý prepúšťa svetlo príslušnej farby.

Ako zaujímavosť stojí za zmienenie, že počet pixelov s filtrami prepúšťajúcimi zelenú farbu je dvakrát väčší než pri ostatných farieb. Je tomu tak preto, že snímač obrazu bol vytvorený po vzoru ľudského oka, ktoré je zo všetkých základných farieb najcitlivejší práve na zelenú farbu.

Filtre plnia ešte jednu veľmi dôležitú funkciu, chránia pred infračerveným svetlom, ktoré je vydávané vlastne každým objektom s teplotou nad absolútnou nulou. Snímač je citlivý na celé pásmo viditeľného svetla a na rozdiel od ľudského oka na infračervené svetlo, ktoré negatívne ovplyvňuje reprodukovanie farieb a jasu.

Okrem toho sa na základe 9 pixelov v systéme 3x3 procesor určí výsledná farba a uloží sa na miesto stredového pixelu (obr. 7), potom sa zohľadňuje ďalších 9 pixelov, rámček sa posunie o jeden a určí sa farba ďalšieho vnútorného pixelu. Tomuto procesu sa vravíinterpolácia a vďaka nemu má obraz bližšie k realite.

Popísaný spôsob interpolácie, teda určenie výslednej (priemernej) farby na základe farieb okolitých nefunguje pre pixely ležiace na okraji matrice. Samozrejme pri súčasných rozmeroch matrice používaných v priemyselných kamerách to nemá žiadny význam. Avšak výrobcovia kamier a fotoaparátov, zvlášť tých na vyššej úrovni, často okrem množstva pixelov uvádzajú tiež množstvo efektívnych pixelov. Jedná sa o počet pixelov skutočne používaných na získanie obrazu s vynechaním pixelov ležiacich na okrajoch matrice alebo iných pomocných pixelov.

Snímač CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

V týchto snímačoch sa vyskytujúce polovodiče sú, tak z hľadiska stavby, ako aj spôsobu šírenia informácií, založené na architektúre hromadných pamätí. Vyznačujú sa predovšetkým rýchlosťou fungovania a menšou spotrebou energie v porovnaní so snímačmi CCD. Zásada fungovania je analogická ako pri snímačoch CCD s tým rozdielom, že všetky pixely sú načítané nezávisle a nie sekvenčne. Je to tak preto, že každý pixel v matrici CMOS má svoj menič náboja na napätí a svoju adresu polohy. Vo výsledku môžu byť všetky pixely načítané naraz (obr. 8).

Bohužiaľ, takýto systém má tiež vady. Kvôli nutnosti umiestnenia ďalších prvkov vo vnútri meniča je vzdialenosť medzi pixelmi výrazne väčšia než v prípade snímačov CCD. Nie sú už tak blízko seba a vďaka tomu je celý snímač väčší. Vo výsledku je matrica menej citlivá s ohľadom na to, že časť svetla dopadá namiesto na fotocitlivé prvky medzi ne. Ďalšou významnou vadou je skutočnosť, že nie je možné vyrobiť niekoľko miliónov rovnakých fotocitlivých prvkov, s ktorými pracuje každý snímač s rovnakou presnosťou. Nakoniec sa môže ukázať, že obraz, ktorý by mal mať jednotnú farbu, bude obsahovať špecifické šmuhy, ktorým sa vraví šum. Samozrejme, v závislosti na triede zariadenia, elektronika zodpovedná za ďalšie spracovanie obrazu sa s týmto problémom dokáže v menšej alebo vo väčšej miere vyrovnať.

Veľkosť snímača inštalovaného v danej kamere sa určuje v palcoch. Obvykle čím väčší snímač, tým viac sa na ňom nachádza pixelov a, čo s tým súvisí, je lepšia kvalita obrazu. Najobľúbenejšie veľkosti snímača pre priemyselné kamery sú 1/3" a 1/4". Ako zaujímavosť stojí za dodanie, že to má len málo spoločného so skutočnou veľkosťou samotného senzoru. Ide o pozostatok z doby, kedy funkciu snímača vo video kamerách zastávala sklenená katódová lampa. Veľkosť sa ale netýkala samotnej lampy, len jej sklenenej ochrannej banky.

Preto napríklad pre snímač veľkosti 1" je veľkosť katódovej lampy umiestnenej vo vnútri sklenenej banky s priemerom 1 palca. Pre uľahčenie možno prijať, že uhlopriečka snímača sú cca dve tretiny jeho označenia. Presné hodnoty sú uvedené v tabuľke veľkostí.