Vaizdo keitikliai

Priklausomai nuo keitiklio rūšies, veikimo principas gali skirtis. Tačiau visur atlieka tą pačią funkciją - konvertuoja šviesos srautą, įeinantį per objektyvą, į elektros signalą, kuriame yra visų pirma informacijos apie registruoto vaizdo šviesumą. Nors ir neatrodo, panaudoto keitiklio rūšis turi didelę reikšmę pradinio vaizdo kokybei.

1 pieš. Vaizdo keitiklis CMOS tipo iš APTI-24C2-36W kameros

Dažniausiai yra naudojami du keitiklių tipai– CCD ir CMOS (2a ir 2b pieš.). Pramoninėse kamerose šiuo metu dažniau galima sutikti tą antrą, dėl jos konstrukcijos ir siūlomų galimybių. Tačiau CCD keitikliau iš principo yra sutinkami kuo mažiau populiariose analoginėse kamerose, veikiančiose PAL standarte. Žemiau yra pateiktas trumpas apibūdinimas ir kiekvieno iš jų veikimo principas.

2a pieš. CCD tipo keitikliai

2b pieš. CMOS tipo keitikliai

CCD keitikliai (Charge Coupled Device) – įrengimas su krūvio sąsaja.

Bendrai, CCD keitiklio veikimo principas, tai elektros krovinio tinkamuose keitiklio matricos sektoriuose, vadinamų pikseliais kaupimas. Tai vyksta dėl fotonų (šviesos)krintančios ant atskirų, atskirtų nuo savęs pikselių, kurie išmuša iš jų elektronus (3 pieš.). Pavienį pikselį galima pavaizduoti kaip talpyklą, kurioje kaupiasi naujai atsiradę elektronai. Jų kiekis yra proporcingas šviesos stiprumui, o taip pat švietimo laikui (4 pieš.).

Tokiu būdu dėl susikaupimo matricoje įvairaus elektronų kiekio, susikuria žemėlapis, kuri yra tam tikra prasme vaizdo, matomo iš kameros atvaizdu. Verta čia pažymėti, kad keitiklio matrica pati savyje išgaudo vien tik šviesos stiprumą, be atskirų vaizdo elementų spalvų, apie tai bus tolimesnėje dalyje.

Susikaupusių elektronų kiekio nuskaitymas iš kiekvieno pikselio vyksta sekoje. Tai reiškia, kad elektronų į tolimesnes elektronines sistemas vyksta tik iš nuskaitymo registro, kurie yra išilgai vienos matricos eilutės. Atskaičius elektronus iš pirmos matricos eilutės įvyksta peršokimas sekančių elektronų iš sekančios eilutės, o jų vietą užima elektronai iš sekančios eilutės. Visa procedūra kartojasi, tol kol bus nuskatyti visi pikseliai (pieš. 5).

Tokiu būdu kroviniai iš kiekvieno pikselio yra transportuojami į elektronines sistemas, kurios keičia juos į elektros įtampą, atitinkančią "perimtos" šviesos kiekiui. Be to, prie kiekvienos vertės yra priskiriamos nustatyto pikselio koordinatės keitiklio matricoje. Labai trumpai pristatėme kaip atrodo keitiklio vykdomas vaizdo sulaikymas.

Tačiau kaip tai vyksta, kad vaizdas yra spalvotas? Kad tai išaiškinti, reikia grįžti prie keitiklio matricos konstrukcijos (6 pieš.). Ji yra padengtaRGB (raudonas, žalias, mėlynas) filtrais, po vieną kiekvienam pikseliui nustatytoje schemoje. Kiekvienas filtras praleidžia tik vienos spalvos šviesą. Efekte kiekvienas pikselis registruoja nustatytos spalvos šviesos kiekį priklausomai nuo to, po kokiu filtru yra. Dėl to pikseliai turi savo koordinates, yra žinomas šviesos stipris ir kiekvieno iš jų spalva. Likusiais užsiima elektronika. Grafinis įrengimo procesas turi užprogramuotą, tokioje pačioje sistemoje, kaip ir matricoje filtrų žemėlapį, dėl to gali atitikti keitiklio įregistruotą vaizdą į skaitmeninę versiją.

6 pieš. CCD matrica padengta RGB filtrais, iš kurių kiekvienas praleidžia, atitinkamos spalvos šviesą

Įdomybė, verta paminėti, kad pikselių kiekis su praleidžiamais žalią spalvą filtrais yra du kartus didesnis negu kitų spalvų. Tai vyksta dėl to, kad vaizdo keitiklis buvo sukurtas remiantis žmogaus akimi, kuri iš visų pagrindinių spalvų labiausiai jautri yra būtent žaliai spalvai.

Filtrai atlieka dar vieną labai svarbią funkciją - saugo nuo infraraudonosios spinduliuotės šviesos, kuri yra yra siunčiama per kiekvieną objektą, virš absoliutaus nulio laipsnių temperatūroje. Keitiklis yra jautrus visai matomos šviesos juostai ir skirtingai negu žmogaus akis, infraraudonosios spinduliuotės šviesai, kuri turi blogą įtaką spalvų ir šviesumo atitikimui.

Be to, pagal 9 pikselių spalvas 3x3 sistemoje procesorius nustato atstojamąją spalvą ir užrašo vidurinio pikselio vietoje (7 pieš.)vėliau yra kreipiamas dėmesys į sekančius 9 pikselius, perstumiant rėmelį vienu į priekį ir nustato vieno sekančio vidurinio pikselio spalvą. Šis procesas vadinasi interpoliacija ir dėl to vaizdas yra labiau realus.

Aprašytas interpoliacijos būdas, t.y. vidutinės spalvos nustatymas, atsižvelgiant į aplinkines spalvas, neveiks pikselių esančių ant matricos briaunų. Akivaizdu, kad su dabartiniais matricų matmenimis, naudojamų pramoninėse kamerose neturi tai jokios reikšmės. Tačiau kamerų ir fotoaparatų, ypač tų brangesnių, dažnai išskyrus pikselių kiekį, pateikia taip pat efektyvių pikselių kiekį. Yra tai pikselių kiekis faktiškai panaudotas vaizdo gavimui, išskyrus pikselius esančius ant matricos briaunų ar kitų pagalbinių pikselių.

CMOS keitiklis (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Esantys tuose keitikliuose puslaidininkiai konstrukcijos kaip ir informacijos perdavimo atžvilgiu remiasi masinės atminties architektūra. Visų pirma pasižymi greitu veikimu ir mažesniu energijos palyginus su CCD keitiklių poreikiu. Veikimo principas yra analogiškas kaip ir CCD keitikliuose, skirtumas toks, kad visi pikseliai yra nuskaitomi nepriklausomai, o ne sekos principu. Vyksta taip dėl to, kad kiekvienas pikselis CMOS matricoje turi savo įtampos krovimo keitlį ir savo padėties adresą. Dėl to visi pikseliai gali būti nuskaitomi tuo pačiu metu (8 pieš.).

Deja tokia sistema turi taip pat ydas. Dėl papildomų elementų patalpinimo keitiklio viduje būtinumo, atstumas tarp pikselių yra žymiai didesnis negu CCD keitlių atvejyje. Nėra jos jau taip arti viena kitos ir dėl to visas keitlis yra didesnis. Dėl to visa matrica yra mažiau jautri dėl to, kad dalis šviesos, vietoj ant šviesai jautrių elementų krenta tarp jų. Kita labai rimtas trūkumas, tai faktas, kad neįmanomas yra kelių milijonų vienodų šviesai jautrių elementų pagaminimas, kuriuose kiekvienas keitiklis veikia su tokiu pačiu tikslumu. Galiausiai gali pasirodyti, kad vaizdas, kuri turėtų būti vienodos spalvos, turės specifinius dryželius, vadinamusūžesiais. Aišku, priklausomai nuo įrenginio klasės, elektronika yra atsakinga už tolimesnę vaizdo apdailą, gali susidoroti su problema mažesniu arba didesniu laipsniu.

Keitiklio dydis įmontuotoje nustatytoje kameroje yra nustatomas coliais. Dažniausiai kuo didesnis keitiklis, tuo daugiau ant jo yra pikselių, o tai reiškia - geresnę vaizdo kokybę. Populiarausi pramoninių kamerų keitiklių matmenys tai 1/3" ir 1/4". Įdomybė. Tai turi mažai ką bendra su faktiniu pačio jutiklio dydžiu. Tai yra likutis iš laikų, kai keitiklio funkciją video kamerose pildė stiklinė katodinė lempa. Dydis nebuvo susijęs su pačia lempa, o su jos apsauginio stiklo burbulo skersmens.

Taigi, pateikiant pavyzdį, keitiklis, kurio dydis 1" yra katodinės lempos dydžio, patalpintos stiklo burbulo viduje, kurio skersmuo 1 colis. Dėl palengvinimo galima daryti prielaidą, kad keitlio įstrižainė, tai apie du trečdaliai jo žymėjimo. Tikslio vertės yra pateikiamo matmenų lentelėje.