TopTehniline sõnastikPildiandur

Pildiandur

Anduri tööpõhimõte võib tüübiti varieeruda. Kuid kõikides rakendustes täidab see sama funktsiooni, st muundab läätse läbinud valgusvoo elektrisignaaliks, mis sisaldab peamiselt teavet salvestatud kujutise heleduse kohta. Kasutatav anduri tüüp mängib väljundiks saadava kujutise kvaliteedis määravat rolli.

 

Joonis 1. CMOS-tüüpi pildiandur kaamerast APTI-24C2-36W

 

Enim kasutatakse kahte anduritüüpi: CCD ja CMOS (Joonised 2a ja 2b). Neist viimast kasutatakse oma disaini ja pakutavate võimaluste tõttu pigem tööstuslikes kaamerates. Seevastu CCD-kaameraid kasutatakse vähempopulaarsetes PAL-standardil töötavates analoogkaamerates. Järgnevalt kirjeldame lühidalt mõlemat kaameratüüpi ja nende tööpõhimõtteid.

 

Joonis 2a. CCD-tüüpi andur

 

Joonis 2b. CMOS-tüüpi andur

 

CCD-andur (ingl. k. Charge Coupled Device) on laengsidestusseadis.

 

Üldjoontes põhineb CCD-anduri tööpõhimõte elektrilaengu kogunemisel anduri maatriksi sektoritesse, mida nimetatakse piksliteks. Footonid (valgus) langevad üksteisest eraldatud pikslitele ning tõukavad sealt välja elektronid (Joonis 3). Ühte pikslit võib kujutada mahutina, mis kogub uusi tekitatud elektrone. Nende arv on proportsionaalne valguse intensiivsusega ja särituse kestusega (Joonis 4).

 

Joonis 3. CCD-maatriks koosneb üksikutest pikslitest (b), millele langevad footonid (a)

 

a - footon

b - piksel

Joonis 4. Üksik piksel, millesse sadestuvad elektronid (b) tänu sellele langevatele footonitele (a)

 

a - footon

b - elektron

Niimoodi moodustub tänu maatriksile kogunevale erinevale elektronide arvule kaart, mis teatud moel peegeldab kaamera nähtud kujutist. Siinkohal on oluline välja tuua, et anduri maatriks ise salvestab ainult valguse intensiivsust ilma kujutise elementidel oleva värvita, millest tuleb juttu hiljem.

 

Igasse pikslisse salvestunud elektronide skannimine toimub järjestikku. See tähendab, et elektronid kantakse edasi järgnevatesse elektriahelatesse ainult skannitavatest registritest, mis paiknevad maatriksi ühel real. Kui maatriksi ühe rea elektronid on skannitud, siis võetakse ette järgmise rea elektronid ning seejärel ülejärgmise rea elektronid. Kogu protseduuri korratakse kuni skannitud on kõik pikslid (Joonis 5).

 

Joonis 5. Elektronide järjestikuse skannimise skeem (a) läbi CCD kanali (b). Lõpuks jõuavad kõik elektronid skannitavasse registrisse (c), kust need juhitakse edasi järgmistesse elektriahelatesse

 

a - elektron

b - CCD-kanal

c - skannitav register

Niimoodi kantakse igasse pikslisse kogunenud laeng elektriahelatesse, kus need muutuvad elektriliseks pingeks, mis vastab "kinnipüütud" valguse hulgale. Igale väärtusele lisatakse anduri maatriksil oleva piksli koordinaadid. See oli lühiülevaade, kuidas toimub kujutise jäädvustamine vastuvõtja abil.

Kuid kuidas on võimalik, et kujutisel on värv? Selle selgitamiseks peaksime tulema korra tagasi anduri maatriksi juurde (Joonis 6). See on kaetud RGB (punane, roheline, sinine) filtritega, kusjuures iga piksli jaoks määratakse üks. Iga filter laseb läbi ainult ühte värvi valgust. Selle tulemusena salvestab iga piksel ainult seda värvi valguse hulga, mille filtri all ta paikneb. Kuna pikslitele on määratud koordinaadid, siis on teada valguse intensiivsus ja iga piksli värv. Ülejäänu paneb kokku elektroonika. Seadme GPU-l on olemas kaart oma süsteemi maatriksile paigaldatud filtrite kohta, mille alusel on võimalik vastuvõtjal taastada salvestatud kujutis digitaalsel kujul.

 

Joonis. 6. CCD-maatriksit katvad RGB-filtrid, millest igaüks laseb läbi kindlat värvi valgust

 

Siinkohal on huvitav märkida, et rohelist värvi läbilaskvaid filtreid on kaks korda rohkem kui teiste värvide omi. Selle põhjus on, et pildiandur on loodud inimsilma mudelina, kuid viimane on põhivärvustest kõige tundlikum rohelise värvi suhtes.

 

Filtritel on täita ka teine oluline funktsioon, nimelt need kaitsevad infrapunavalguse eest, mida kiirgavad sisuliselt kõik objektid, mille temperatuur on kõrgem kui absoluutne null. Vastupidiselt inimsilmale on andur tundlik kogu nähtava valguse spektrile ja ka infrapunavalgusele, mis kahjuks mõjub halvasti värvide ja heleduse vastendamisele.

 

Protsessor täiendavalt analüüsib 9-pikslise 3x3 süsteemi keskmist värvi ning määrab selle väärtuse keskmisele pikslile (Joonis 7), seejärel analüüsib protsessor järgnevat üheksat pikslit, mis asuvad ühe piksli võrra nihkes, ning määrab nende keskmisele pikslile värvi. Selle protsessi nimi on interpoleerimine ja tänu sellele näeb kujutis reaalsem välja.

 

Joonis 7. Interpoleerimises osalevad pikslid on tähistatud (a) ning piksel, mille värv on ümbritsevate pikslite keskmine (b)

 

a - interpoleeritavad pikslid

b - tulemuseks saadud piksel

Kirjeldatud interpoleerimise meetod, st keskmise värvi määramine ümbritsevate värvide põhjal, ei tööta maatriksi äärtes asuvate pikslite puhul. Kuid arvestades tööstuslikes kaamerates kasutatavate maatriksite suurust, pole sel mingit tähtsust. Sellegipoolest esitavad kaamerate tootjad, eriti tippklassi kaamerate tootjad, pikslite asemel hoopis efektiivsete pikslite arvu. See arv väljendab kujutise saamisel tegelikult kasutatavaid piksleid ning selle hulka ei kuulu maatriksi äärtel asuvad pikslid või muud abipikslid.

 

CMOS-andur (ingl. k. Complementary Metal Oxide Semiconductor, komplementaarne metalloksiid-pooljuht).

 

Seda tüüpi andurites kasutusel olevad pooljuhid kuuluvad nii disaini kui informatsiooni edastamise poolest massmälu arhitektuuri hulka. Võrreldes CCD-dega iseloomustab neid peamiselt suurem töötamise kiirus ja väiksem voolutarve. Nende tööpõhimõte on sarnane CCD-anduritele, kuid erinev on see, et pikslid skannitakse ükshaaval ning mitte järjestikku. See on võimalik tänu sellele, et igal CMOS-maatriksi pikslil on oma pingemuundur ja oma aadress. Selle tulemusena on võimalik skannida kõiki piksleid samal ajal (Joonis 8).

 

Joonis 8. CMOS-maatriksi disain. Tänu aadressisiinile (a) on pikslitevaheline kaugus suurem ning igal piksil on muundur, mis muudab laengu pingeks (b)

 

a - aadressisiin

b - laengu muundur

Kahjuks on sellel süsteemil ka miinuseid. Kuna anduri sisse tuleb paigutada täiendavaid komponente, on pikslitevaheline kaugus palju suurem kui CCD-andurite puhul. Pikslid ei paikne üksteisele lähestikku ning seetõttu on andur suurem. Tulemusena on kogu maatriks vähem tundlik, sest valgus ei lange valgustundlikele elementidele, vaid nende vahele. Teine probleem on see, et ei ole võimalik ehitada mitut miljonit identset valgustundlikku elementi, kus iga andur töötaks sama tundlikkusega. Seetõttu võib juhtuda, et kujutis, mis peaks olema ühtlast värvi, omandab teatud tüüpi triibud, mida kutsutakse müraks. Sõltuvalt seadme klassist suudab kujutise edasise töötlemisega tegelev elektroonika selle probleemiga suuremal või väiksemal määral toime tulla.

 

Kaamerasse paigaldatava anduri suurust väljendatakse tollides. Tavaliselt on nii, et mida suurem on andur, seda rohkem piksleid see sisaldab ning seega seda parem on kujutise kvaliteet. Tööstuslike kaamerate puhul on levinumad kaamera anduri suurused 1/3" ja 1/4". Huvitav on mainida, et anduri tegeliku suurusega pole sel väärtusel mingit pistmist. Tegemist on jäänukiga ajast, kui videokaamerates täitis anduri ülesandeid klaasist katoodkiiretoru. Selle suurus ei väljendanud mitte elemendi enda suurust, vaid seda ümbritseva kaitseklaasi oma.

 

Näiteks 1" anduri suurus on võrdne katoodkiiretoruga, mis paikneb 1-tollise klaasi sees. Lihtsustamiseks võib eeldada, et anduri diagonaal võrdub ligikaudu kahe kolmandikuga oma määratlusest. Täpsemad väärtused on toodud suuruste tabelis.