|
SpyG (СпайДжи) by Spyglass Surveillance Systems. Продажа систем видеонаблюдения |
|||||
|
|
|
||||
|
SpyG IP камеры видеонаблюдения, SpyG IP камеры, цифровые камеры SpyG, купольные камеры SpyG, аналоговые камеры, видеосервер SpyG, ПО для видеокамер SpyG, видеорегистратор SpyG, видео сервер SpyG, объектив для камер видеонаблюдения, крепление для камеры, термокожух для камер, беспроводные камеры, бескорпусные видеокамеры, POE, видеокамера CCD, видеокамера CMOS. Все права защищены
197343, Санкт-Петербург, ул. Матроса Железняка, 57А, офис 41 (4 этаж) |
|||||
Сравнение CMOS И CCD в Видеонаблюдение —
Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем. На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы. CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Одной из основных проблем при использовании CMOS-матриц в видеокамерах было качество изображения. CCD-матрицы обеспечивали и обеспечивают сейчас более низкий шумовой уровень. В результате CMOS-чипы чрезвычайно плохо вели себя при низкой освещенности, по сравнению с CCD-чипами. И поскольку низкая освещенность — одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания. Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров. Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления. В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.
Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.
Недостатки CCD матриц: Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт), дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц: Высокое быстродействие (до 500 кадров/с), низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD), дешевле и проще в производстве, перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).
Недостатки CMOS матриц: Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы), высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию, невысокий динамический диапазон.
Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.
Разбираемся в светочувствительных матрицах: CMOS и CCD
Светочувствительная матрица — это «глаз» вашей видеокамеры безопасности. Она захватывает свет, попавший в объектив видеокамеры безопасности, и преобразовывает его в электронный сигнал.
Формат, или размер, матрицы определяет охват ваших камер безопасности. Самыми популярными форматами являются следующие: 2/3″, 1/2″ и 1/3″.
- Матрица с диагональю 2/3″ позволяет вести видеонаблюдение на больших расстояниях в условиях очень низкой освещенности.
- Матрица с диагональю 1/2″ — в большинстве случаев, представляет собой оптимальное решение с приемлемой светочувствительностью.
- Матрица с диагональю 1/3″ обеспечивает хорошую производительность при низкой освещенности и высокой частоте кадров.
Самыми популярными типами матриц по применяемой технологии являются CMOS (КМОП-матрица) и CCD (ПЗС-матрица).
1. Видеокамеры наблюдения с КМОП-матрицей: за и против
КМОП (CMOS) означает комплементарный металл-оксид-полупроводник (Complementary Metal Oxide Semiconductor). В видеокамерах безопасности с матрицей CMOS используется технология прогрессивного сканирования.
Преимущества и недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
Преимущества видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
- Высокое разрешение
- Отличная цветопередача
- Высокая кадровая частота
- Низкое энергопотребление
- Экономическая эффективность
Недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей
- Высокий уровень шума
- Умеренная светочувствительность
2. Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицей: за и против
Аббревиатура ПЗС (CCD) означает прибор с зарядовой связью (Charge Coupled Device). Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицами имеют отличный WDR (широкий динамический диапазон), поэтому часто используются в условиях низкой освещенности. Камеры безопасности с матрицами CCD, как правило, менее подвержены влиянию вибраций по сравнению с камерами безопасности с матрицами CMOS.
Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
Сильные стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
- Хорошая производительность в условиях низкой освещенности
- Хорошая технология WDR
- Меньшая восприимчивость к вибрационному эффекту
- Низкий уровень шума
- Высокая чувствительность
- Высокое разрешение
Недостатки видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей
- Высокое энергопотребление
- Низкая кадровая частота
- Дороговизна
CMOS или CCD — что лучше?
Раунд 1: Кадровая частота и потребляемая мощность
Камера безопасности с CMOS-датчиком является однозначным победителем по частоте кадров. Камера безопасности с CMOS-датчиком может напрямую преобразовывать фотоэлектрический сигнал в цифровой сигнал. Частота кадров и скорость процесса преобразования сигнала CMOS-датчиком гораздо больше по сравнению с CCD-датчиком.
Аналого-цифровое преобразование происходит за пределами CCD-датчиков, поэтому формирование изображений и видео происходит дольше. Кроме того, видеокамеры безопасности с датчиками изображения CCD часто страдают от проблемы перегрева.
Камеры видеонаблюдения с CMOS-датчиками поддерживают гораздо более высокую кадровую частоту и потребляют меньше энергии, а также более экономичны по сравнению с камерами безопасности с CCD-датчиками. Обычно цена камеры видеонаблюдения с CMOS-матрицей более приятная, чем цена камеры безопасности с CCD-матрицей.
Поэтому победителем первого раунда становится видеокамера с CMOS-матрицей!
Раунд 2: Качество изображения
Как правило, камеры безопасности с CCD-матрицей создают изображения с более высоким разрешением. Тем не менее, развитие технологий может поставить качество изображений CMOS на один уровень с CCD. Например, видеокамеры безопасности с CMOS датчиками и оптическим зумом могут создавать даже более четкие изображения, чем видеокамеры с матрицами CCD.
Итак, второй раунд — ничья!
Раунд 3: Светочувствительность и шум
Традиционно, ПЗС-датчики менее подвержены искажениям изображения и имеют более высокую светочувствительность, поэтому создают гораздо меньше шума, чем камеры безопасности с датчиками CMOS. Однако, в настоящее время, в плане чувствительности, камеры видеонаблюдения с матрицами CMOS иногда даже превосходят CCD видеокамеры.
Трудно сказать, кто станет победителем в категориях светочувствительности и шума. Однако, исходя из текущего уровня развития технологии и производительности, видеокамеры с матрицей CCD становятся победителями в третьем раунде (возможно, это временная победа).
Основываясь на приведенной выше информации и подробном сравнении двух типов датчиков, можно обнаружить, что каждый тип датчика имеет свои плюсы и минусы.
В этой битве не может быть одного победителя. Все сводится к конкретному случаю:
1. Вы можете выбрать камеры безопасности с CCD-датчиками, если их использование будет происходить в условиях низкой освещенности.
Примечание: Некоторые камеры безопасности с CMOS-матрицами также могут обеспечить отличное наблюдение в темное время суток.
2. Видеокамеры наблюдения с CMOS-датчиками могут быть более компактными, поскольку размеры самих CMOS-датчиков могут быть очень маленькими. Поэтому можете выбрать их, если не хотите привлекать внимания к своей системе наблюдения.
3. Выбирайте видеокамеры безопасности с CMOS-матрицей, если ваше интернет-подключение недостаточно качественное. Видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей имеют меньше требований к ширине полосы пропускания, поэтому не будут перегружать вашу сеть.
Источник reolink.com. Перевод статьи выполнила администратор сайта Елена Пономаренко.
Видеокамеры эндоскопические
Заказать обратный звонок
Видеокамера эндоскопическая предназначена для получения высококачественного цветного ТВ-изображения, создаваемого эндоскопом на видеомониторе, получаемого при всех видах эндоскопических исследований и операций. Конструктивно камера состоит из блока управления, камерной головки и подсоединяемого к ней оптико-механического адаптера. Оптико-механический адаптер согласует механические и оптические характеристики конкретного эндоскопа и телевизионной камеры. Оптико-механический адаптер содержит объектив формирующий изображение на светочувствительной поверхности матрицы находящейся в камерной головке. Матрицы находящиеся в камерной головке разделяют на CMOS или CCD.
В последние годы CCD (charge-coupled device) — специализированная интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью) преобразует световой поток в выходной электрический сигнал и CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, КМОП комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник матрицы находятся в состоянии соперничества друг с другом, но до сих пор битва продолжается, а победитель пока не определен. Ключевая разница между матрицами CMOS и CCD состоит в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученную аналоговую картинку, CMOS – сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) CCD-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе за пределами светочувствительного сенсора и только потом оцифровывается посредством аналогово-цифрового преобразователя. Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается в аналоговый усилитель и оцифровывается посредством такого же преобразователя.
Матрица любой камеры — всегда аналоговая. Но в цифровой камере данные снятые с матрицы оцифровываются, а в аналоговой просто усиливаются.
Аналоговая камера выдает на выходе аналоговый сигнал (либо три цветовые компоненты, либо композитный сигнал, соответствующий одному из стандартов: PAL/SECAM/NTSC). Цифровая камера выдает цифровой поток.
Аналоговая техника, если говорить простым языком, – это техника, которая передает сигнал с источника, не искажая его плавности и не разрывая.. Цифровая техника – это техника, которая принимает сигнал, а затем делит его на мельчайшие частички и восстанавливает его былую форму уже в двоичном виде. Выбор аналоговая или цифровая видеокамера остается за потребителем, его материальными возможностями (цифровые видеокамеры дороже) и результатом которой он хочет получить. При этом надо учитывать , что для передачи аналогового сигнала на компьютер надо иметь дополнительный преобразователь для цифровой обработки видеосигнала, при подключении к монитору преобразователь не нужен.
Как известно, разрешение аналоговых видеокамер принято заявлять и измерять в телевизионных линиях ТВЛ в цифровых видеокамерах в пикселях.
Органы управления камерой расположены на лицевой поверхности блока управления. Расположенная на нем панель управления позволяет оперативно управлять режимами цветового баланса, выбирать режимы настройки баланса белого автоматический или ручной, режим компенсации засветок, режим шумоподавления. Все установленные режимы запоминаются при выключении питания, поэтому, для большинства применений, после выполнения однократной настройки камеры можно приступать к работе сразу после её включения без дополнительных настроек. Стоит отметить, что даже цифровая камера изначально получает аналоговый сигнал. Это заключается в параметрах работы видео-оптики.
Видеокамеры бывают одночиповые или трехчиповые, отличающиеся различной технологией передачи информации. Трехчиповая камера передает больше информации, обладает лучшей разрешающей способностью и более высокой световой чувствительностью и требует соответственно использования монитора с большим разрешением, нежели одночиповая, однако превышает последнюю по цене.
В зависимости от оптических характеристик используемых оптических трубок, присоединяемых к видеокамере через оптико-механический адаптер изображение на экране монитора может иметь вписанную окружность (это как правило в цистоуретроскопах, гистероскопах, резектоскопах) или описанную окружность (лапароскопия). Это достигается использованием разного типа адаптеров либо с разным фиксированным фокусным расстоянием или с использованием вариофокальных адаптеров с изменяемым фокусным расстоянием.
Выбираем DV видеокамеру / Фото и видео
Вступление
Я уже рассказывал о проблеме выбора видеокамеры на наших страницах. Но тогда была затронута только проблему выбора между Digital8 и miniDV. И получен вывод, что не стоит выбирать камеру по размеру кассеты, лучше обратить внимание на характеристики самой камеры.
Выбор видеокамеры – дело ответственное. Рынок наполняется различными моделями, рекламные проспекты обещают всё мыслимое и не мыслимое в одном флаконе. На покупателя вываливается куча информации, море технических терминов, красочно расписываются уникальные возможности разных моделей. Неопытному человеку совсем не просто разобраться в таком объёме информации. И иногда оказывается, что глаза раскрываются слишком поздно, когда камера уже куплена, и изменить ничего нельзя. Что бы хоть как упорядочить информацию, и не позволить читателю обмануть себя красивыми словами и сладкими обещаниями, и предназначена эта статья.
Прежде всего надо уяснить, что важнейший показатель для видеокамеры – качество видеосъёмки НЕВОЗМОЖНО оценить только ознакомившись с ТТХ. По ним можно делать только предварительные выводы. Окончательный выбор придётся делать только посмотрев как снимают конкурсанты, выбранные в результате предварительного сравнения ТТХ. Причём, смотреть надо не на встроенной LCD матрице, на которой, обычно, показывается далеко не так, как камера снимает на самом деле, а на телевизоре.
Но даже известные ТТХ далеко не всегда можно трактовать с полной определённостью (А однозначно и всегда лучше чем В). Поэтому иногда в результате разъяснения того или иного термина вопросов возникнет больше, чем ответов.
Параметры ПЗС (CCD) матрицы.
Charge-coupled device (CCD) или прибор с зарядовой связью (ПЗС). Так называется микросхема, которая способна улавливать свет и преобразовывать его в электрические сигналы. Это «сердце» любой цифровой камеры, ведь именно CCD непосредственно принимает и обрабатывает изображение. Подробнее о том, что это такое, как оно развивалось и как всё работает, можно узнать в статье посвящённой анатомии цифровых фотоаппаратов. Видеокамера не фотоаппарат, но принципы положенные в основу CCD одинаковые во всех случаях.
Очевидно, что от CCD во многом (но не во всём!) зависит насколько хорошо снимает камера. Читатель ознакомившийся с этой статьёй знает, какими параметрами определяется качество CCD. К сожалению, узнать подробные характеристики CCD стоящей на той или иной камере возможно далеко не всегда (точнее, почти всегда невозможно). Обычно, всё что известно это количество пикселей на CCD и размер. Иногда гордо заявляется об некоторых использованных при изготовлении CCD технологиях. К сожалению, для большинства читателей (да и продавцов, которым, вроде как, по долгу службы положено это знать) эти термины остаются не более чем рекламными слоганами, что реально стоит за ними они не имеют ни малейшего представления. Так, например, многие из читателей наверное слышали, что Sony в новейших камерах использует CCD изготовленные с помощью технологий HAD и Advanced HAD. Но самый частый ответ, который можно услышать поинтересовавшись что это такое, в лучшем случае будет цитата с www.sony.ru:
При просмотре видеозаписей, сделанных в условиях низкой освещенности, кажется, что изображение дрожит. Это явление называется цветовым шумом. Технология Advanced HAD, которой оборудованы наши видеокамеры, подавляет до 50% цветовых шумов и делает изображение более четким и естественным.
Но правда, как это обычно и бывает, несколько шире, от того что можно увидеть в рекламе.
Как известно, если на CCD подавать напряжение но не подавать света (например снимать камерой в полной темноте), то в ней самопроизвольно возникают так называемые «темновые токи». А где ток, там и сигнал, который интерпретируется камерой как реальная видеоинформация. Именно поэтому в темноте и «шумят» цифровые камеры и фотоаппараты.
Пример цифрого шума на фрагменте снимка
Слева оригинал — справа параметр «яркость»
выставлен на максимум для подсветки артефактов
Главная причина темнового тока, дефекты в кремниевой пластине, из которой изготавливался CCD (примеси или повреждение кристаллической решётки) и перегрев CCD. Что бы полностью избавиться от всех этих проблем нам понадобится соответствующая технология. Очень желательно, при этом, разместить завод в космосе, ведь земное притяжение влияет на процесс роста кремниего кристалла далеко не лучшим образом. Сегодня такие условия недоступны для массового производства, поэтому проще бороться с темновыми токами как с неизбежным злом. Технология разработанная Sony для этого и называется HAD – Hole Accumulation Diode. Основа её, это добавленный ещё один диодный слой, который и притягивает «лишние» электроны, которые и составляют темновой ток. Но это касается только простой HAD технологии. Sony не остановилась на достигнутом, и в рекламных плакатах её камер появилось выражение Advanced HAD. В современной ССD для того что бы направить пучок фотонов именно на нужный фотодиод, используются микролинзы, расположенные над каждым диодом. Всё отличие HAD от Advanced HAD в том, что Sony удалось упаковать эти линзы плотнее, ближе друг к другу.
Преимущества этого решения очевидны, ведь чем ближе друг к другу расположены микролинзы, тем более чистую картинку можно получить.
Но означает ли это, что камеры Sony изготовленные с Advanced HAD CCD более совершенны, чем все конкуренты? Как ни странно, вовсе нет. Ведь Hole Accumulation Diode далеко не единственный метод борьбы с темновыми шумами. Что и как используется в каждой конкретной камере зачастую сказать невозможно, поэтому определить какая из камер одного поколения но разных производителей лучше справится с темновыми шумами основываясь только на общедоступных данных нельзя. То же касается и плотности расположения микролинз на CCD. Что можно утверждать с уверенностью, так это что в линейке камер Sony при прочих равных камера с HAD а особенно с Advanced HAD CCD будет снимать качественнее чем без оных. Но переносить это утверждение на другие фирмы будет не совсем верно, потому что точной информации что за CCD где стоят нет ни у кого. Единственный метод выяснить правду – это реальное сравнение камер в одинаковых условиях.
Примечание: последняя разработка Sony в области CCD, это CCD с дополнительным слоем микролинз. В идеале свет на фотодиод должен падать строго перпендикулярно, при чём все фотоны должны идти строго параллельно. Однако, на CCD свет падает под самыми разными углами. Один слой микролинз не всегда может выровнять пучок так, как требуется. Вот в этом (выравнивании пучков света) и должен помогать второй слой микролинз. Кроме этого, в этих CCD используются усовершенствованные материалы, что позволило существенно повысить светочувствительность подобных матриц. Такие CCD называются EXView HAD, но в видеокамеры любительского уровня они пока что не ставятся. Их основное применение, на сегодня, это чёрно-белые камеры невысокого разрешения, которые должны работать в условиях недостаточного освещения. Например, охранные.
Кроме этого, большинство производителей указывают размер CCD матрицы по диагонали. Указывается он, обычно, в части от дюйма, например 1/2, 1/4, 1/38 и так далее. На первый взгляд кажется, что чем больше матрица тем лучше. Ведь если распределить равное количество света по разной площади, то большей площадью уловить проще, при прочих равных. Вроде бы этот простой вывод подтверждается и тем, что на профессиональных камерах стоят CCD матрицы огромного (по сравнению с любительскими) размера.
Зернистость бордовой поверхности это не цифровой шум!
Это структура ткани стенда 🙂
Тем не менее, это не совсем верно. С 1969 года, когда работавшие в лабораториях Bell Вильям Бойл и Джордж Смит создали первый ССD, электроника прошла огромный путь. В современных видеокамерах можно встретить CCD разных поколений, и размер не определяет совсем ничего. CCD изготовленная по более совершенной технологии при меньших размерах может быть гораздо качественнее (по любому параметру) чем более внушительный по размеру, но менее совершенный собрат. А что именно стоит в каждой конкретной модели камеры, как уже говорилось, не знает никто, кроме производителя.
Три матрицы последнего поколения. Размер совпадает с пленочным кадром
Фото с выставки Фотокина2002 (Кёлн)
Кроме этого не стоит забывать, что матрица обрабатывает только то, что проецирует объектив. Поэтому рассматривать их надо вместе. Так, например, установка большой CCD при малом диаметре объектива бессмысленна. Если растянуть изображение пропускаемое через маленький объектив на всю большую матрицу, то это чревато серьёзными оптическими искажениями.
В свете всего вышесказанного, как ни печально, но размер CCD не говорит ни о чём, и не может выступать как определяющий фактор при выборе видеокамеры. Но он пригодится при оценке объектива.
Объектив
В сочетании с CCD, объектив определяет качество съёмки. Но, в отличии от электроники, в оптике прогресс шагает не такими широкими шагами и бардака здесь меньше. Параметры которыми определяются потребительские свойства объективов давным-давно определенны, и прекрасно знакомы каждому, кто занимался фотографией. Поэтому для них не являются загадкой цифры, которые можно встретить на объективах видеокамер. Остальные же нуждаются в небольших пояснениях.
Обычно, на объективе (или в ТТХ камеры) можно найти два значения. Это:
f – всегда две цифры, от какой то до какой то. Например f=3,6~36 mm.
и
F – обычно одна цифра например F=1.8. Но бывает и две, например F=1.8-3.0
Начнём с маленькой f, как более простой, и нужной для объяснения второго значения. Под этой буквой кроется фокусное расстояние. Фокусное расстояние – это расстояние от плоскости на которую фокусируется изображение (в нашем случае это CCD, в фотоаппаратах и кинокамерах плёнка) до тонкой линзы объектива. Что бы исключить влияние фокусировки, объект который проецируется на CCD должен быть бесконечно удалённым. Иными словами, фокусное расстояние это расстояние между тонкой линзой и изображением бесконечно удалённого объекта. Две цифры – указывают на то что объектив имеет переменное фокусное расстояние. Измеряется оно обычно в миллиметрах. При смене фокусного расстояния меняется угол обзора. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора. И наоборот, чем оно меньше, тем угол обзора больше. Кроме этого, на изменении фокусного расстояния основан оптический zoom объектива, чем фокусное расстояние меньше тем больше zoom. Кстати, zoom можно легко высчитать, поделив большее значение фокусного расстояния на меньшее. Так, например, объектив с фокусным расстоянием f=3.6~36 mm имеет zoom 10x, а с фокусным расстоянием f= 4.1~73.8 mm уже 18x. Значения фокусного расстояния напрямую зависят от размера CCD (ведь именно это определяет, какого размера должно быть спроецированное и сфокусированное изображение).
В фототехнике фокусные расстояния объективов часто пересчитывают под какое-либо из стандартных значений (например под 35 миллиметров), но в видеокамерах подобная практика не прижилась. Если вас это сильно интересует, обратитесь к специализированной литературе. От себя же могу сказать, не стоит гонятся за слишком уж большим диапазоном фокусных расстояний. Чудес не бывает, и попытка получить огромный zoom при маленьком размере объектива, не приведёт ни к чему хорошему.
Второе значение, которое обычно указывается для объективов, это относительное отверстие. Считается оно по простой формуле, если диаметр отверстия через которое проходит свет поделить на фокусное расстояние, то мы получим значение равное единице поделенной на относительное отверстие:
D/f=1/F
Правильная маркировка относительного отверстия выглядит как, например 1:1.8 или 1:3.0. Но часто пишут проще, F=1.8 или F=3.0. Как видно, относительное отверстие может меняться как с изменение фокусного расстояния, так и с изменением диаметра линзы. Диаметр самой линзы, конечно же, никто не меняет, для этого служит диафрагма. Диафрагма, обычно, представляет из себя несколько металлических пластин, которые двигаясь по спирали могут менять диаметр отверстия посередине. Она хорошо видна на объективах старых фотоаппаратов, но не стоит и пытаться разглядеть её в новых видеокамерах. На новых камерах диафрагма (если она вообще есть) запрятана глубоко внутрь, и снаружи её не видно. Регулируется она автоматически, в зависимости от освещения и пользователь повлиять на неё может только настройкой экспозиции.
Примечание: иногда на цифровых камерах используют объективы вообще без диафрагмы. Её роль исполняет электронный затвор. Чем меньше выдержка тем меньше считается диафрагма. И наоборот. Это решение подходит для камер которым приходиться снимать в условиях всегда одинакового освещения, поэтому среди бытовых камер такое редкость (если вообще встречается).
Чем меньше значение относительного отверстия (F), тем лучше объектив пропускает свет, а значит тем лучших результатов от него можно ждать в условиях малой освещённости. Высокое же значение F свидетельствует о большой глубине резкости. При этом стоит учитывать, что самый лучший объектив может быть безнадёжно испорчен плохой CCD. Впрочем, такие сочетания среди серийных камер не встречаются.
Относительное отверстие и фокусные расстояния хоть и важные, но далеко не единственные параметры, которые определяют качество объектива. При малом диаметре линз, свойственным любительским видеокамерами, и достаточно большом диапазоне фокусных расстояний практически невозможно избежать различных оптических искажений (абераций).
Вообще, всевозможных видов искажений много, и вряд ли хоть один объектив может похвастаться тем, что полностью их лишён. Искажения можно поделить на два вида, геометрические и хроматические.
Геометрические искажения – это отличия изображения прошедшего через объектив с его сложной системой линз от того, что есть на самом деле, и возникают из за того, что манипуляции с изображением которые происходят в линзах и призмах, из которых состоят объективы нельзя провести с абсолютной точностью. Любая насадка на камеру, например широкоугольная, с расширением возможностей объектива добавляет таких искажений.
Хроматические искажения. Эти искажения возникают, если волны разной длины (а значит и цвета) через объектив проходят по разному. Выглядит это как ореол другого цвета (чаще всего фиолетового) вокруг ярких объектов.
Кроме конструкции объектива, значение имеют и линзы, на основе которых объектив собран. К счастью, видеокамеры, даже самые дешёвые избежали участи дешёвых фотоаппаратов, и пластмассовых линз на них вы не встретите. Только стекло. Но и стекло стеклу рознь. К сожалению оценить качество линз «на глаз» невозможно, а судить по косвенным данным (например по производителю) не всегда верно. Хорошим подтверждением этого факта являются камеры Sony. На самые младшие и на самые старшие модели видеокамер этой фирмы ставятся объективы производства самой Sony. А на средние – Carl Zeiss. Таким образом, линзы этой прославленной фирны не удостоились чести красоваться на самых дорогих и качественных камерах от Sony. Зато этой чести удостоились линзы, бренд которых используется и в самых дешёвых камерах.
Приблизительно прикинуть качество линз можно поснимав панорамы против Солнца (на ни в коем случае ни само Солнце! Если не использовать специальных светофильтров, это может привести к повреждению CCD матрицы). На хорошей оптике должно быть меньше бликов (в идеале их не будет вообще).
Размер и вес камеры
Размер и вес современных DV камер колеблется от чуть больше пачки сигарет и веса в несколько сотен грамм, до весьма солидных агрегатов весом около килограмма (а то и выше). И здесь нельзя однозначно сказать, что чем меньше, тем лучше. Во первых, при малом размере оптики сложно сделать объектив хорошего качества. Во вторых, согласно первому закону Ньютона, более тяжёлый предмет легче удержать спокойным (не дёргая). С другой стороны, мне известны случаи, когда у человека после целого дня съёмок тяжёлой камерой потом рука болела, словно он целый день мешки таскал. В общем, решить с какой камерой удобнее всего, можно только покрутив различные экземпляры в руках. Если интересует лично моё мнение – то я считаю оптимальным весом для камеры 600-700 грамм, и размер порядка 90х100х200. Такая камера не будет слишком лёгкой, поэтому не составит большого труда стабилизировать её при съёмке с рук. Она не слишком тяжела, и даже после целого дня съёмки человек среднего телосложения не должен испытать никаких неудобств. Камера не слишком маленькая, поэтому в случае необходимости её можно взять двумя руками. Но, ещё раз повторяю, вы можете иметь отличное от моего мнение, поэтому не доверяйте мне слепо, а покрутите камеру в руках.
ZOOM
Увеличение. Делится на оптический и цифровой. При покупке следует рассматривать только оптический zoom. Возможности оптического зума определяются объективом. На бытовых видеокамерах его значение колеблется от 10х до 25х. На первый взгляд кажется, что чем больше тем лучше. Но, оптический зум высокой кратности (хотя бы 20х) при столь малом размере объектива, какой обычно используется в цифровых камерах, означает слишком маленькое фокусное расстояние при максимальных значениях. А иногда, ещё и слишком большое при минимальном. В результате, высокое значение зума в miniDV камерах практически всегда свидетельствует о низком качестве объектива. Тот кому есть чем похвастаться по качеству оптики, обычно ограничивается 10х. К Digital8 камерам, которые обычно больше размером, и где есть возможность устанавливать объективы побольше, это относится в меньшей степени. Хотя тоже относится, на младших моделях Digital8 при ярком освещении и высоком зуме по краям картинки иногда появляются тёмные тени, из за того что объектив просто не может равномерно распределить проецируемой изображение по матрице (про геометрические искажения я уже и не говорю).
Цифровой зум часто достигает диких значений, в сотни единиц кратности. Но толку с него немного. Цифровой зум работает точно по тому же принципу, что и увеличение картинки в Photoshop или любом другом графическом редакторе. Лишних деталей на картинке при том не появляется, поэтому чем больше цифровой зум, тем хуже качество. CCD матрица, как уже говорилось выше, не монолитное образование, поэтому кроме всего прочего активно лезет «зерно». Кроме этого, даже это, убогое качество при съёмке с рук увидеть нельзя. Удержать камеру при зуме выше сотни – это терминатором надо быть.
Стабилизатор изображения
Так называется технология, которая служит для компенсации случайных рывков камеры, практически неизбежных при съёмке с рук. Стабилизаторы бывают оптические и электронные.
Электронные стабилизаторы могут называться EIS (Electronic Image Stabilization) или DIS (Digital Image Stabilization). Электронная стабилизация основана на избыточности CCD матрицы, то есть на том факте, что в камерах использующих EIS/DIS размер матрицы несколько больше, чем реально используемый для съёмки. Есть две метода добиться такой избыточности. Первый — это из обычно получаемого кадра вырезать кусок посередине, и записывать его на плёнку полным кадром, немного увеличив цифровым способом. Ободок по краям, выбрасываемый из кадра и служит для работы стабилизатора.
Второй метод – матрица изначально делается избыточной, и кадр не режется. Что, конечно же, предпочтительнее.
Принцип работы электронной стабилизации прост – камера отслеживает движение кадра по избыточной матрице, и пока кадр остаётся на матрице, он выводиться неподвижным, вне зависимости от того, где именно он расположен физически. Это позволяет компенсировать мелкие дрожания камеры, когда кадр на выходит за пределы избыточной камеры.
Однако, наряду с несомненными преимуществами, электронная стабилизация имеет свои недостатки. Так, например, при съёмке медленных панорам, EIS/DIS не позволит получить плавное движение. Стабилизатор будет удерживать картинку сколько сможет, после чего изображение резко прыгнет. Потом всё повторится сначала. Кроме этого, если в кадре нет контрастных объектов, EIS/DIS будет сложно ориентироваться, что именно надо удерживать. В результате всё может окончиться маленьким землетрясением в кадре.
Оптический стабилизатор
Впервые оптический стабилизатор был представлен ещё в 1962 году, и назывался SteadyShot. Впоследствии Sony использовала (и до сих пор использует) это название для своего электронного стабилизатора. Не стоит путать, ничего общего электронный стабилизатор у Sony со своим предшественником не имеет.
Оригинальный SteadyShot представлял из себя призму, контролируемую несколькими сервомоторчиками. При изменении положения камеры, призма двигалась в противоположную сторону, и изображение на CCD оставалось неподвижным. Первые оптические стабилизаторы были весьма сложными в производстве и калибровке устройствами, поэтому никто и не помышлял о том, что бы ставить их в любительскую технику. Только в начале 90 годов Canon и Sony доработали технологию, и существенно снизили как цену так и размеры с энергопотреблением оптических стабилизаторов. Что, наконец то, сделало возможным их использование в любительских камерах. Оптический стабилизатор обладает несколькими несомненными преимуществами перед электронным. Во первых, это лучшее качество картинки получаемое на CCD матрице. Ведь изображение не бегает по всей матрице, оно стоит на одном месте.
Новейший Cannon MVX2i с оптическим стабилизатором
Использование оптического стабилизатора гарантирует, что съёмка всегда будет производиться с максимально доступным для CCD качеством. Кроме этого, оптический стабилизатор не зависит от изображения (в отличии от электронного), он одинаково работает в любых условиях. Однако, и оптический стабилизатор не лишён недостатков, при съёмке плавных панорам вы не гарантированны от резких рывки. Наилучшим «стабилизатором» является штатив.
1ССD или 3CCD
Как уже говорилось, из за особенностей человеческого зрения, любые цвета которые мы видим формируются из всего трёх, называемых опорными или основными. На этом принципе построено телевидение, на этом же принципе основаны и цветные видеокамеры. Однако, фотодиод установленный на CCD не в состоянии определить какого цвета свет он улавливает. Он либо видит свет, либо нет. Поэтому на цветных CCD каждый фотодиод закрыт светофильтром, который пропускает волны только определённой длины волны. То есть, только свет определённого цвета. Светодиоды воспринимающие разные цвета расположены в шахматном порядке, причём больше всего зелёных (потому что человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёному цвету).
Очевидно, что такое решение не идеально, поэтому в камерах классом повыше для лучшей цветопередачи используют три отдельные матрицы, по одной на каждый из опорных цветов. Изображение разделяется на составляющие хитрой оптической системой. Никаких других преимуществ (кроме более правильной цветопередачи) 3CCD камеры не имеют.
Использование трёх раздельных матриц делает очень сложной (хоть и возможной) использование электронной стабилизации изображения. Поэтому подавляющее большинство таких камер оснащено оптическими стабилизаторами. И это правильно. Если человек готов заплатить заметно большие деньги за 3CCD камеру, то не стоит экономить на мелочах, портить хорошую вещь электронным стабилизатором (хотя, история знает и таких «Франкенштейнов»).
Количество пикселей на матрице
Один из параметров вызывающий огромное количество кривотолков. На первый взгляд всё кажется предельно ясным, чем больше тем лучше. Но не торопитесь. Вспомните, какой размер кадра в формате DV? Это всего-навсего 720*576 для PAL и 720*480 для NTSC. Перемножив мы получаем, что для записи полного кадра в PAL режиме достаточно 414.720 пикселей, а для NTSC и того меньше, всего 345.600. А вовсе не 800.000, или даже 1.000.000, что можно встретить на некоторых камерах. Так что же, выходит что производители ставят CCD матрицы, которые используются дай бог на половину? Конечно же нет. Избыточность матрицы используется, как уже говорилось выше, для электронного стабилизатора. То есть, на камерах с матрицами около 400.000 при работе электронного стабилизатора будет уменьшаться разрешение. С 800.000 этого происходить не должно (хотя, никто не сможет гарантировать отсутствие досадных исключений). Кроме этого, дополнительные пиксели пригодятся для фоторежима.
Разрешение камеры
Разрешение камеры указывается в линиях. Лучшие образцы способны показывать 520-530 линий (ТВЛ). С этим параметром всё ясно, чем больше линий тем лучше. Но следует учитывать, что при показе изображения через S-Video выход (которым оснащено большинство любительских камер) невозможно получить на телевизоре разрешение больше 400-450 ТВЛ. Да и не каждый телевизор это сможет показать. Таким образом, более высокое разрешение важно только для обработки видео на компьютере (например для перекодирования в другой формат). Если видео планируется просматривать только на телевизоре, то разницы между 500 и 530 ТВЛ вы никогда не увидите.
Входы-выходы
Это один из немногих параметров, который можно точно оценить никогда не видя камеры, ориентируясь только по ТТХ. Первое, на что следует обращать внимание при выборе камеры, это на наличие DV-IN и DV-OUT. Цифровую камеру вообще без DV интерфейса брать бессмысленно (этим вы теряете одну из ключевых возможностей цифрового видео, возможность слития материала без потерь), и, к счастью, таких камер практически не осталось (хотя на заре развития DV камер такой абсурд встречался). DV-IN нужен для того что бы залить DV видео с внешнего источника обратно на камеру. Это может пригодиться как для того что бы хранить видео (хотя, использовать видеокамеру в качестве видеомагнитофона далеко не лучшая идея), так и для того что бы переписать обработанный фильм на другой носитель. Ведь видеокамера умеет подавать видео на аналоговый источник гораздо лучше, чем компьютер. Из аналоговых выходов, убедитесь что камера имеет S-Video выход. Некоторые модели умеют подавать видео только на RCA (обычно через AV Out), что не может обеспечить такого высокого качества картинки, как хотелось бы.
Кроме этого, у некоторых моделей камер можно встретить аналоговые входы. Они нужны только для того, что бы оцифровывать аналоговые записи. Если вам нужна такая возможность, то убедитесь, что камера способна как записывать видео полученное с аналогового источника на кассету, так и прогонять «сквозь», прямо на DV-OUT, не гоняя лишний раз нежной механики камеры.
Функции цифрового фотоаппарата
Большинство современных камер могут работать как цифровой фотоаппарат. Реализовывается это двумя методами. Снимки могут писаться на плёнку вместе с видео, либо записываться на flash карточку. При записи на плёнку, разрешение фотографии не может быть больше разрешения кадра, то есть максимум 720*576. С таким разрешением можно прилично снимать только крупным планом, или объёкты где не требуется слишком много деталей. При попытке получить больше, мелкие детали будут расплываться, из за того что камере не хватает разрешения. При записи фотографий на карточку, возможны снимки вплоть до 1280*960, при использовании мегапиксельной матрицы.
Cannon MVX2i с матрицей 1.33 мегапикселя
Деталей на снимке можно различить гораздо больше но всё равно, качество фотографий (по разрешению) заметно хуже, чем у самой дешёвой цифровой мыльницы. Кроме этого,
выдержка у видеокамеры в режиме фотоаппарата остаётся достаточно высокой, и получить из за этого смазанный снимок очень легко. Особенно если снимать с рук. Поэтому не стоит ждать слишком много от фоторежима у видеокамер, и переплачивать только за это. Если вы всё таки рассчитываете использовать камеру как фотоаппарат, то при покупке обязательно поинтересуйтесь, как обстоит дело с сливом фотографий с камеры на компьютер. Дело в том, что с некоторыми камерами не идёт в комплекте ни кабелей ни программ, необходимых для этого.
Микрофон
Встроенный микрофон на любительских камерах оставляет желать лучшего. Это практически аксиома. Если нужен приличный звук – придётся покупать внешний. Поэтому на первый план выходит возможность подключения этого самого внешнего микрофона. Ведь на некоторых моделях нет даже выхода для него, не говоря уже про предусмотренное место для крепления.
Дистанционное управление
Очень хорошо, если камера позволяет управлять ею дистанционно. Дистанционный пульт весьма полезная штука, при просмотре получившегося материала на телевизоре, или при сливе его на видеомагнитофон. Кабеля которыми подключается камера к телевизору обычно короткие, и бегать от дивана к телевизору удовольствие ниже среднего. Кроме этого, пульт может пригодиться и при съёмке. Например, когда оператор хочет присоединиться к общему веселью, но съёмку надо продолжать :-)
Требования к пульту, такое как и к дистанционным пультам от других устройств, главное это что бы камера устойчиво ловила его сигналы в любых условиях, и под любыми углами.
Видоискатель
Именно в него полагается смотреть оператору при съёмке. Выбирая видоискатель, требуется обратить внимание всего на несколько вещей. CRT или LCD и черно-белый или цветной. CRT видоискатель однозначно лучше чем LCD, потому что при современных технологиях при одинаково малом размере от CRT экранчика проще добиться большей четкости. Что касается выбора между цветным и чёрно-белым, то здесь не всё так просто, каждый из вариантов имеет свои преимущества. Чёрно-белые видоискатели, при прочих равных, способны обеспечить более высокое разрешение. Но разрешение надо только при ручной наводке на резкость. К тому же, навестись на резкость по экранчику разрешение которого заметно ниже, чем будет на самом деле, не так и просто. В некоторых цифровых фотоаппаратах (хороших фотоаппаратах) при ручной наводке резкости часть картинки увеличивается, что делает это гораздо более просто задачей. К сожалению, ни на одной видеокамере видеть такого мне не приходилось.
Цвета же нужны что бы хоть примерно увидеть, что же снимается, и при необходимости скорректировать настройки. С одной стороны, это можно делать и по откидному экранчику, но при ярком солнечном свете на нём будет видно совсем не то, что снимается на самом деле. И придётся либо полагаться на автоматику, либо собственному опыту/интуиции. Однако, пока наберёшься опыта и интуиции, можно испортить не одну съемку.
Наводка на резкость для автоматики достаточно простая задача, то настройка баланса белого, и тому подобные веши – гораздо сложнее. А с чёрно-белым видоискателем оператор рискует не заметит грубейших огрехов автоматики в цветопередаче. Заметить же огрехи автоматики в наводке резкости можно и в цветном видоискателе. Поэтому, по моему глубокому убеждению, цветной видоискатель является огромным плюсом. Даже несмотря на меньшую резкость.
LCD экранчик
Маленький цветной экранчик, откидывающийся вбок. Призван помочь оператору определиться с тем, что же он снимает. При наличии чёрно-белого видоискателя это единственная возможность, хоть примерно оценить цветопередачу. Экранчик определяется всего двумя параметрами – размер и количество пикселей. Чем больше пикселей тем лучше. Но с размером не всё так однозначно. Безусловно, больший экранчик удобнее, но с другой стороны большой экранчик требует лишней энергии с батарей, которой никогда не бывает слишком много.
Ещё одним важнейшим показателем качества LCD экранчика, является возможность работать в условиях яркого солнечного света. Ни одна из виденных мной камер не смогла похвастаться нормальной работой в таких условиях. На лучших можно было что-то разглядеть, напоминающее объект съёмки, но не более того.
Широкие возможности настройки изображения на LCD экранчике, предоставляемые некоторыми камерами, не очень то и нужны. Вы должны чётко понимать, что настройка картинки на LCD не имеет ничего общего с тем, что на самом деле пишется на плёнку. Более-менее похожую картинку вы получите как раз сбросив все настройки.
Батарея
Батарея очень важна для камеры. Нет ничего обиднее чем обнаружить, что в самый интересный момент в камере села батарейка, и она превратилась в груду бесполезного железа и пластмассы. Батареи которая идёт с камерой в комплекте, при строжайшей экономии обычно еле-еле хватает на съёмку одной кассеты в стандартном режиме. Поэтому, при покупке камеры хорошей идеей будет сразу же озаботиться о покупке другой батареи, большей ёмкости. Обычно, лучшие батареи способны питать камеру до 9 часов. Учтите, что обычно время
работы от батарей указывается при условии минимального энергопотребления – LCD экранчик выключен, выключены все осветительные приборы. При включении чего-либо время работы падает. Некоторые фирмы (например Sony) используют этот факт в рекламных целях, гордо заявляя что их камера поддерживает режим Super Stamina, в котором время работы от батареи существенно возрастает. На самом деле, ничего нового и необычного в этом режиме нет – Super Stamina означает что камера работает с выключенным LCD и всем остальным хозяйством.
Эффекты
Практически каждая современная камера предоставляет возможности по наложению различных эффектов. Чаще всего, это возможность налаживать переходы между эпизодами. Функции хоть и интересные, но не слишком часто применяемые на практике. Для наложения эффекта обычно приходиться продираться сквозь дебри меню, и в реальной жизни этим заниматься некогда. Обычно всё снимается как есть, все переходы и эффекты можно (и нужно) наложить на компьютере, в спокойной обстановке. Получится гораздо лучше.
Различные режимы съёмки
Современные камеры предоставляют возможность снимать в разных режимах. Невозможно рассмотреть их все, в одном коротком материале, остановлюсь на самых, на мой взгляд, распространённых.
Sport режим. Съёмка с высокой скоростью затвора. Изображение обновляется чаще, чем обычные 50 (60 NTSC) полей в секунду, поэтому в этом режиме лучше получаются быстро движущиеся объекты, они меньше смазываются. Побочным эффектом высокой скорости затвора – несколько меньшая яркость картинки. Это и понятно, за меньшее время CCD матрица успевает уловить меньше света.
Slow режим. Режим замедленной съёмки. Скорость затвора наоборот увеличивается, в результате картинка получается сильно смазанной.
Film режим. В этом режиме камера снимает как кинокамера, то есть в прогрессивном режиме. Каждый кадр состоит не из двух полей, а из целого кадра. По идее, этот режим был бы очень полезен для съёмок видео, которое потом планируется оцифровывать на компьютере, и на компьютере и смотреть. Ведь у такой записи не будет никаких проблем с интерлейсом, при кодировании не придётся помнить о полях, стоках, и их порядке. К сожалению, на большинстве любительских камер этот режим сделан из рук вон плохо, вместо положенных 25 или 30 кадров в секунду, снимается всего 12-14. Кроме этого, скорость затвора при этом понижается, поэтому большинство кадров получаются смазанными. Что делает его применение практически бесполезным.
Кроме этого, часто встречаются режимы, когда на изображение в реальном времени накладываются различные эффекты. Эффекты могут быть самыми различными, от чёрно-белой съёмки, до инвертирования цветов. Обычно всё это богатство не нужно, но если вы считаете себя творческой натурой или снимаете музыкальный клип любимой школьной рок-группы, то, вполне возможно, найдёте их весьма интересными.
Запись MPEG4
Эта функция иногда встречается в камерах и предназначена для быстрой записи роликов с последующей отсылкой по e-mail. На мой взгляд, это просто дань моде. Ведь размеры файлов всё таки получаются слишком большими, что бы можно было со спокойной совестью отсылать их, не опасаясь что владелец почтового ящика будет проклинать вас скачивая многомегабайтный файл. А качество такого видео получается ниже всякой критики, поэтому использовать его для записи видео для просмотра, по моему мнению, тоже нельзя. Если необходимо сконвертировать видео в Mpeg4 – лучше делать это вручную, качество можно получить на несколько порядков лучше.
Ночная съёмка
Режим ночной съёмки. Один из самых интересных – инфракрасная съёмка. Принцип действия прост – на камере установлен инфракрасный фонарик, а сама камера способна снимать в ИК диапазоне. Выглядит весьма впечатляюще, в полной темноте на камеру снимается бледно-зелёное изображение, сходное с тем, что мы можем видеть в фильмах про шпионов. Однако, снимать в этом режиме камера может только освещённые её собственным ИК фонарём предметы, на расстоянии 2-3 метра. И впечатляет это только до того момента, пока не сравнишь это с камерой оснащённой обычной осветительной лампой. Осветительная лампа, мощностью, 3 — 3.5 ватта, которые устанавливаются на многие камеры, позволяет снимать в тех же условиях что и с ИК подсветкой. И с лучшим качеством, ведь изображение получится цветным. Таким образом, гораздо полезнее иметь обычную осветительную лампу.
Color Night Scope
Режим цветной ночной съёмки. Основан на том факте, что чем дольше выдержка, тем больше фотонов CCD в состоянии уловить. Так он и работает. Устанавливается огромная выдержка, и камера становится способной выдавать цветную картинку даже в условиях слабой освещённости. Всё бы хорошо, если бы не один досадный побочный эффект. Двигать камеру, или снимать движущиеся объёкты в таком режиме практически невозможно, картинка смазывается, и разобрать что-либо становится весьма и весьма сложно. Этот печальный факт делает практическое применение этого режима весьма ограниченным. Точнее – просто неприменимым в нормальных условиях. Поэтому гонятся специально за этой возможностью
не стоит.
Минимальная освещённость
Указывается в lux, и должно показывать, в каких минимальных условиях камера может что-то снять. К сожалению, я нигде не видел описания методики, по которой измеряется этот параметр, прежде чем вписать его в TTX. Я даже не уверен, что разные производители пользуются одной и той же методикой, поэтому не могу утверждать что lux от Sony это тоже самое что lux от Panasonic. Более того, нельзя с полной уверенностью сказать, что все мерят одно и тоже. Ведь измерения можно проводить как на объекте, который снимается, так и на матрице. А за счёт того что через объектив не проходит 100% света, для того чтобы получить изображение на матрицы определённой яркости, надо снимать предмет освещённый гораздо сильнее. И может получиться, что производитель честно указавший, что его камера (объектив-CCD) может снимать объекты определённой освещённости проиграет по показателям производителю, который укажет светочувствительность CCD, умолчав о том, что при съёмке объекта с такой освещённостью на CCD будет гораздо меньше, за счёт неидеального объектива.
Но что я могу утверждать более-менее уверенно, так это что как бы не измерялось значение минимальной освещённости, оно имеет очень мало общего с теми условиями, когда камеру действительно можно использовать. Поэтому не стоит уделять ему слишком много внимания.
Ручные настройки
Возможность ручной настройки, безусловно, является огромным преимуществом для камеры. Хорошая камера должна позволять настраивать вручную такие вещи как наводку на резкость, настройка экспозиции, и баланс белого. Однако, не стоит идеализировать возможности ручной настройки. Да, это является первоклассным инструментом в руках опытного оператора, и позволяет ему добиваться таких результатов, которые недоступны в автоматическом режиме. Но не стоит забывать, что неверно выбранный режим, или неправильная настройка могут испортить картинку, и сделать её гораздо хуже, чем это способна сделать автоматика. А оценить получаемую картинку только по LCD экранчику на камере не всегда возможно.
NTSC или PAL
В общих чертах, с различием между этими форматами можно познакомиться в статье «TV-OUT, часть 1. Стандарты». При покупке камеры с форматом определяться следует исходя из того, где вы планируете смотреть отснятое. Нормально перевести видео из PAL в NTSC, или наоборот, совсем не тривиальная задача. Поэтому покупая камеры вы должно чётко понимать, что в каком формате она пишет, в таком формате вам и придётся смотреть видео. На территории России (да и вообще Европы) видеотехника NTSC не распространена, поэтому брать NTSC камеру я бы не советовал. Разве что, если вы не собираетесь показывать свои съёмки кому-либо ещё, а для себя обзаведётесь полным комплектом мультисистемой техники (телевизор, видеомагнитофон, DVD проигрыватель). Последнее, на что хотелось бы обратить внимание, от типа камеры зависят некоторые характеристики камеры. Например, количество пикселей на CCD (у NTSC меньше).
Поддержка DVCAM
DVCAM – это профессиональный стандарт записи видео на обычную miniDV кассету. От простого DV он отличается только меньшей плотностью записи на ленту. Соответственно, запись получается более надёжной (с большей избыточностью). Это не только гарантирует большую надёжность записи, но и позволяет камере с гораздо большей трепетностью относиться к timecode. Ситуация когда timecode сбросится посреди кассеты (что хоть и достаточно редко, но встречается у бытовых камер) для DVCAM практически исключена. В остальном, поток снятый с DVCAM на компьютер (к примеру) ничем не отличается от простого DV. Разработан DVCAM Sony в сотрудничестве с Ikegami. Интрига состоит в том, что некоторые miniDV камеры МОГУТ читать (не писать) кассеты записанные в DVCAM. Большинству любителей, скорее всего, никогда не понадобятся такие функции, но профессионалам это может быть интересно. Такие возможности камер не афишируются, но у меня есть информация что многие (а возможно и все) miniDV камеры Sony такой функцией обладают. К сожалению, точной информации по моделям у меня нет, поэтому конкретного списка я дать не могу. Просто имейте в виду, что если вас интересует DVCAM, то поискав можно получить такое бесплатное дополнение к miniDV камере.
Эргономика
Важнейший показатель для любой камеры. Которому часто не уделяют должного внимания. В понятие эргономики для камеры входит удобство органов управления, необходимых при съёмке. Именно при съемке, а не при воспроизведении (хотя это тоже важно). Хорошая камера не должна быть перегружена органами управления, всё необходимое надо делать быстро, и желательно одной рукой, не меняя захвата камеры. Хорошо, если всё можно сдлеть вслепую (на крайний случай не отрываясь от объектива). Кроме этого, очень полезно если всё нужное доступно вне зависимости от того, открыт или закрыт LCD экранчик. Рычажок трансфокатора (зума) должен быть легко доступен, и позволять точно регулировать усилие на нём (в нормальных камерах от этого усилия зависит скорость, с которой выполняется зум).
Отдельно в этом ряду стоит колёсико для ручной наводки на резкость. Идеальное место для него – на объективе, как на «настоящих камерах». Впрочем, не стоит обольщаться, на любительских камерах редко (если вообще) встретишь колёсо полностью повторяющее «настоящее». Обычно, это колёсико может крутить в любые стороны сколько угодно, так никогда и не встретив упора. Поэтому разметки, указывающие глубину резкости, которые можно встретить на нормальных объективах здесь не бывает.
Но это не самое страшное. Я видел камеры где наводка на резкость осуществлялась маленьким колёсиком расположенным под указательным пальцем. Да ещё для этого требовалось нажать на кнопку. Не смотря на то, что это подходит под требование «все настройки одной рукой, не отрываясь от объектива», использовать такое «чудо» очень затруднительно.
Заключение
В заключение, хотелось бы ещё раз повторить слова сказанные в вступлении. Нельзя выбрать камеру на бумаге. Обязательно надо посмотреть как камера снимает. Причём, ещё раз повторю, смотреть надо не на встроенной LCD матрице – картинка показываемая на ней не всегда соответствует действительности. Попросите подключить камеру к телевизору, и просто поводите ей по сторонам, оценивая картинку. Самое пристальное внимание обратите качеству при плохом освещении, с особой придирчивостью обратите внимание на количество шумов в кадре. Мелкий цифровой шум, который может быть еле заметен на телевизоре, станет огромной проблемой при попытке перекодировать видео в другой формат. Поэтому никакого снисхождения. Удачи.
Практикум
Надеюсь, после прочтения этого материала вы с легкостью разберетесь со всеми многочисленными TTX любой камеры практически только лишь взяв ее в руки и внимательно осмотрев. Для предварительных выводов вполне достаточно, а реальность можно оценить только по результатам съемки, длительной практике и серьезном опыте эксплуатации подобной техники.
Попробуйте оценить показатели трех новых камер:
Cannon XM2
Sony DCR-TRV25
Panasonic NV-MX500EG
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Добавить комментарий:Комментарии: 163, на тему: ccd vs cmos
Добавить комментарий |
Технология CCD — особенности и недостатки
Аббревиатура CCD (Charge-Coupled Device) означает “прибор с зарядовой связью” (ПЗС). Технология сканирования CCD получила свое название по типу датчиков изображения, который в ней используется – CCD (ПЗС).
Процесс сканирования:
Оригинал протягивается над стеклом экспонирования, подсвечивается с помощью источника света – флуоресцентной лампы. Отраженный от оригинала свет, преломляясь системой зеркал, фокусируется при помощи сферической линзы, на CCD-камеру с датчиками изображения, вызывает в них электрический сигнал, который затем преобразуется в цифровой код и сохраняется в виде файла.
Для того чтобы охватить всю ширину области сканирования в CCD сканерах используется от 1 до 4 CCD-камер. Например, в сканере Contex HD 2530 (25”) – 1 камера, в сканере Contex HD 5450 (54”) – 4 камеры. Каждая камера отвечает за свой участок по ширине области сканирования.
Особенности CCD-технологии:
1) Источник света – флуоресцентная лампа
В технологии CCD оригинал подсвечивается белым светом. В качестве источника белого света используется флуоресцентная лампа.
Недостатки:
Увеличенное время выхода в готовность
Для того, чтобы достичь белого цвета нужной температуры такая лампа должна выходить на режим в течение часа с момента включения. Можно начинать сканировать и раньше, но возникнет искажение цветов.
Повышенное потребление энергии и невысокий ресурс лампы
Для того, чтобы быть готовым к работе сканер должен поддерживать лампу в рабочем состоянии – лампа должна постоянно “гореть” (если её выключить, то сканер вновь придется выводить на режим). Эта особенность приводит к повышенному потреблению энергии, а главное, к снижению ресурса лампы.
2) Камера CCD включает 4 датчика Камера CCD состоит из 4-х линейных светочувствительных датчиков. Перед 3-мя из них установлены светофильтры соответственно красного, зеленого и синего цветов (RGB). Светофильтры выделяют красную, зеленую и синюю составляющие из отраженного от оригинала белого света. Четвертый линейный датчик служит для сканирования в монохромном режиме.
Недостатки:
Повышенная стоимость технологии и увеличенное время сканирования в цвете связанное с дополнительной обработкой данных.
Линейные датчики пространственно разнесены друг относительно друга. Во время сканирования красная составляющая будет считываться в позиции [x,y] и в то же время зеленая составляющая в позиции [x,y + смещение], а синяя в позиции [x,y + 2*смещение]. Для получения достоверной информации о цвете в заданной точке, требуется дополнительная математическая обработка данных, что приводит к удорожанию технологии.
3) Оптическая система состоит из линз и зеркал
Линейный размер CCD-камеры составляет 50-80 мм в зависимости от модели сканера. Этот размер существенно меньше ширины области сканирования (свыше 300 мм), с которой производит считывание эта камера. Поэтому для каждой камеры нужна оптическая система, состоящая из линзы и зеркал. Линза используется для уменьшения изображение оригинала до размеров CCD-камеры. Кроме того, чтобы изображение было резким оно должно оказаться в фокусе линзы, а для этого требуется разнести считывающий датчик и сканируемый оригинал на расстояние около 1 метра. Понятно, что при этом габариты сканера сильно возрастают. Для уменьшения габаритов до разумных размеров используется система преломляющих зеркал.
Недостатки:
Повышенные габариты и масса сканера
Оптическая система, состоящая из линз и зеркал, увеличивает габариты и массу сканера
Ограниченная геометрическая точность сканирования
Проходя через линзу, отраженный свет претерпевает искажения, которые известны в оптике под названием сферических аберраций. В силу этого геометрическая точность сканирования снижается. Возникающие искажения производитель компенсирует путем сложной математической обработки данных.
Высокая чувствительность к внешним воздействиям
Элементы оптической системы крепятся на отдельных кронштейнах. Минимальные смещения элементов оптической системы, приводят к рассогласованию изображения в местах стыковки соседних CCD-камер. Возникает так называемый “эффект склейки”.
В силу этой причины CCD-сканеры очень чувствительны к вибрациям, механическим воздействиям, перепадам температур и требуют регулярной калибровки. Пользователь должен быть внимательным и постоянно проверять, не появился ли указанный недостаток вновь и не пора ли провести калибровку.
Введение в устройства с зарядовой связью (ПЗС)
Цифровые камеры, включающие различные устройства с зарядовой связью ( CCD ) конфигурации детекторов, на сегодняшний день являются наиболее распространенными способами захвата изображений. технология, применяемая в современной оптической микроскопии. До не давнего времени, специализированные обычные пленочные камеры обычно использовались для записи изображения, наблюдаемые в микроскоп. Этот традиционный метод, опирающийся на фотонная чувствительность фотографической пленки на основе серебра включает временное хранение скрытого изображения в виде фотохимических участки реакции на экспонированной пленке, которые становятся видимыми только в пленочные эмульсионные слои после химической обработки (проявки).
Рисунок 1 — Системы цифровых ПЗС-камер для оптической микроскопииЦифровые камеры заменяют сенсибилизированную пленку на фотон ПЗС детектор, тонкая кремниевая пластина, разделенная на геометрически правильные массив из тысяч или миллионов светочувствительных областей, которые захватывают и хранить информацию об изображении в виде локализованного электрического заряда это зависит от интенсивности падающего света. Электронная переменная сигнал, связанный с каждым элементом изображения (пикселем) детектора, равен считываются очень быстро как значение интенсивности для соответствующего изображения местоположение, и после оцифровки значений изображение может быть реконструируется и отображается на мониторе компьютера виртуально мгновенно.
Несколько систем цифровых камер, разработанных специально для оптических микроскопии проиллюстрированы на Рисунок 1 . Цифровое затмение Nikon DXM1200 обеспечивает высококачественные фотореалистичные цифровые изображения на разрешение до 12 миллионов пикселей с низким уровнем шума, превосходной цветопередачей цветопередача и высокая чувствительность. Камера управляется программным обеспечением что дает микроскописту большую свободу при сборе, систематизация и исправление цифровых изображений. Мониторинг цвета в реальном времени на поддержка экрана компьютера с частотой 12 кадров в секунду позволяет легко фокусировка изображений, которые могут быть сохранены в трех форматах: JPG , TIF и BMP для большей универсальности.
Цифровой прицел DS-5M-L1 (, рис. 1, ) принадлежит компании Nikon. инновационная система цифровой визуализации для микроскопии, которая подчеркивает простота и эффективность концепции «все в одном», включающей встроенный ЖК-монитор в автономном блоке управления. Система оптимизирует захват изображений с высоким разрешением до 5 мегапикселей через простые меню и предварительно запрограммированные режимы визуализации для различных методы наблюдения. Автономный дизайн предлагает преимущество независимая работа, включая сохранение изображений на карту CompactFlash размещен в блоке управления / контроля, но обладает универсальностью полной возможности сети при желании.Возможно подключение к ПК через Интерфейс USB, а также к локальным сетям или Интернету через Ethernet порт. Поддержка веб-браузера доступна для просмотра изображений в реальном времени и удаленного просмотра. управление камерой, а блок управления камерой поддерживает HTTP, Telnet, FTP сервер / клиент и совместим с DHCP. Иллюстрированные системы камер в Рисунок 1 представляют передовые технологии, доступные в настоящее время для цифровая обработка изображений с помощью оптического микроскопа.
Пожалуй, самое значительное преимущество цифрового изображения захват в оптической микроскопии, на примере систем камер CCD, возможность для микроскописта сразу определить, есть ли желаемое изображение было успешно записано.Эта возможность особенно ценно, учитывая экспериментальную сложность многих визуализации ситуаций и преходящего характера процессов, которые обычно исследуется. Хотя детектор устройств с зарядовой связью функции в роли, эквивалентной роли пленки, он имеет ряд превосходные атрибуты для создания изображений во многих приложениях. Научного уровня Камеры CCD демонстрируют исключительный динамический диапазон, пространственное разрешение, спектральная полоса пропускания и скорость сбора данных. Учитывая высокий свет чувствительность и эффективность сбора света некоторых ПЗС-систем, пленка рейтинг скорости приблизительно 100 000 единиц ISO потребуется для производства изображения сопоставимого отношения сигнал / шум ( SNR ).Пространственный разрешение современных ПЗС-матриц такое же, как у пленки, а их разрешение разрешение интенсивности света на один-два порядка лучше чем то, что достигается пленкой или видеокамерой. Традиционная фотография пленки не проявляют чувствительности на длинах волн, превышающих 650 нанометров в в отличие от высокопроизводительных ПЗС-сенсоров, которые часто имеют значительные квантовая эффективность в ближнюю инфракрасную область спектра. Линейный отклик ПЗС-камер в широком диапазоне интенсивности света способствует превосходной производительности и дает таким системам количественные возможности, как спектрофотометры с изображениями.
ПЗС-формирователь изображения состоит из большого количества светочувствительных элементов. расположены в двумерном массиве на тонкой кремниевой подложке. В полупроводниковые свойства кремния позволяют чипу CCD улавливать и удерживать фотонно-индуцированные носители заряда при соответствующем электрическом смещении условия. Отдельные элементы изображения или пиксели определяются в кремниевая матрица ортогональной сеткой из узких прозрачных полоски токонесущего электрода, или затвора, или , нанесенные на микросхему.Основным светочувствительным элементом ПЗС-матрицы является металлооксидный полупроводник ( MOS ). Конденсатор работал как фотодиод и накопитель. Единая MOS устройство этого типа проиллюстрировано на Рисунок 2 , с обратным смещением операция, вызывающая миграцию отрицательно заряженных электронов в область под положительно заряженным электродом затвора. Электроны высвободились за счет взаимодействия фотонов сохраняются в области истощения до полной лунки емкость резервуара.Когда собраны несколько детекторных структур в полную ПЗС-матрицу, отдельные чувствительные элементы в матрице разделены в одном измерении напряжениями, приложенными к поверхности электродов и электрически изолированы от своих соседей по в другом направлении с помощью изолирующих барьеров, или ограничителей канала внутри кремниевой подложки.
Светочувствительные фотодиодные элементы ПЗС-матрицы реагируют на падающий фотоны, поглощая большую часть своей энергии, что приводит к высвобождению электронов, и образование соответствующих электронодефицитных узлов (дырки) внутри кристаллической решетки кремния.Одна электронно-дырочная пара генерируется каждым поглощенным фотоном, и результирующий заряд, который накапливается в каждом пикселе линейно пропорционально количеству падающие фотоны. Внешнее напряжение, приложенное к электродам каждого пикселя контролировать хранение и движение зарядов, накопленных за время указанный временной интервал. Первоначально каждый пиксель в матрице датчиков функционирует как потенциальная яма для хранения заряда во время сбор, и хотя либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные дырки могут накапливаться (в зависимости от ПЗС-матрицы). конструкции), зарядовые объекты, генерируемые падающим светом, обычно именуется фотоэлектронов .В этом обсуждении рассматривается электроны быть носителями заряда. Эти фотоэлектроны могут быть накапливаются и хранятся в течение длительного времени, прежде чем быть прочитаны микросхема электроники камеры как один из этапов процесса визуализации.
Генерацию изображений с помощью камеры CCD можно разделить на четыре основных стадии или функции: генерация заряда посредством взаимодействия фотона с светочувствительная область устройства, сбор и хранение высвобожденный заряд, перенос заряда и измерение заряда.В течение первая стадия, электроны и дырки генерируются в ответ на падающие фотоны в обедненной области структуры МОП-конденсатора, и освобожденные электроны мигрируют в потенциальную яму, образованную под соседний положительно смещенный электрод затвора. Система из алюминия или Электроды затвора на поверхности поликремния накладываются друг на друга, но отделены от них, каналы, несущие заряд, которые скрыты в слое изолирующего диоксид кремния, помещенный между структурой затвора и кремнием субстрат.Использование поликремния в качестве электродного материала обеспечивает прозрачность для падающих волн длиннее примерно 400 нанометров и увеличивает долю площади поверхности устройства который доступен для светового сбора. Электроны, генерируемые в области истощения первоначально собираются в электрически положительные потенциальные ямы, связанные с каждым пикселем. Во время считывания собранный заряд впоследствии перемещается по каналам передачи под действием напряжений, приложенных к конструкции затвора. Рисунок 3 иллюстрирует структуру электрода, определяющую индивидуальную чувствительность ПЗС элемент.
Рисунок 2 — Металлооксидный полупроводниковый конденсатор (МОП)Как правило, накопленный заряд линейно пропорционален световому потоку. поток, падающий на пиксель датчика до емкости скважины; следовательно, это при полной скважине ( FWC ) определяет максимальный сигнал, который может быть обнаружен в пикселе, и является основным фактором влияющие на динамический диапазон ПЗС-матрицы.Зарядная емкость ПЗС-матрицы потенциальная яма во многом зависит от физического размера отдельный пиксель. С момента появления на рынке ПЗС-матриц обычно состоит из квадратных пикселей, собранных в прямоугольные массивы областей с соотношением сторон 4: 3, которое является наиболее распространенным. Рисунок 4 представлены типичные размеры некоторых из наиболее распространенных форматов датчиков. в настоящее время, с обозначениями их размеров в дюймах в соответствии с историческое соглашение, которое связывает размеры ПЗС-матрицы с диаметрами видиконовых трубок.
Форматы ПЗС
Прямоугольная геометрия и общие размеры ПЗС-матриц являются результатом их ранняя конкуренция с видеокамерами видикон, которые требовали твердотельные датчики для создания выходного электронного сигнала, который соответствует преобладающим в то время стандартам видео. Обратите внимание, что Обозначения «дюймовые» не соответствуют напрямую ни одной из ПЗС-матриц. размеры, но представляют размер прямоугольной области, сканированной в соответствующая круглая трубка видикона. Специальная «1-дюймовая» ПЗС-матрица имеет диагональ 16 миллиметров и размер сенсора 9.6 х 12,8 миллиметров, полученных из области сканирования 1-дюймовой трубки видикона с внешний диаметр 25,4 мм и входное окно примерно 18 миллиметры в диаметре. К сожалению, эта запутанная номенклатура сохраняется, часто используется в отношении «типа» ПЗС, а не размера, и даже включает датчики, классифицируемые по комбинации дробных и десятичные числа, такие как широко распространенная 1 / 1,8-дюймовая ПЗС-матрица, промежуточные по размеру между устройствами размером 1/2 дюйма и 2/3 дюйма.
Хотя в потребительских камерах по-прежнему в основном используются прямоугольные датчики, построенные по одному из «стандартизованных» форматов размеров, становится все чаще в камерах научного класса используются квадратные матрицы датчиков, которые лучше подходят для кругового поля изображения, проецируемого в микроскоп.Производится широкий диапазон размеров сенсорных матриц и размеры отдельных пикселей сильно различаются в конструкциях, оптимизированных для разные параметры производительности. ПЗС-матрицы стандартного формата 2/3 дюйма обычно имеют матрицы из 768 x 480 или более диодов и размеры 8,8 x 6,6 миллиметра (диагональ 11 миллиметров). Максимальный размер представленная диагональю многих сенсорных матриц значительно меньше, чем поле зрения типичного микроскопа, и приводит к сильно увеличенный вид только части полного поля зрения.В увеличенное увеличение может быть полезным в некоторых приложениях, но если уменьшенное поле зрения препятствует получению изображения, уменьшая требуются промежуточные оптические компоненты. Альтернатива — использование ПЗС большего размера, который лучше соответствует диаметру поля изображения, от 18 до 26 миллиметров в типичных конфигурациях микроскопов.
Приблизительная вместимость потенциальной ямы ПЗС может быть получается путем умножения площади диода (пикселя) на 1000. Ряд 2/3-дюймовые ПЗС потребительского класса с размером пикселей от 7 до 13 микрометрами размером от 50000 до 100000 электроны.Используя эту стратегию приближения, диод с 10 x 10 микрометрические размеры будут иметь полную емкость примерно 100000 электронов. Для данного размера ПЗС выбор конструкции относительно общее количество пикселей в массиве и, следовательно, их размеры, требует компромисса между пространственным разрешением и зарядом пикселей вместимость. Тенденция современных потребительских устройств к максимальному использованию пикселей количество и разрешение привели к очень маленьким размерам диодов, с некоторыми новых 2/3-дюймовых сенсоров, использующих пиксели менее 3 микрометров по размеру.
ПЗС, предназначенные для получения изображений в научных целях, традиционно используются фотодиоды большего размера, чем те, которые предназначены для потребителей (особенно видео-скорость) и промышленных приложений. Потому что скважинная мощность и динамический диапазон напрямую зависит от размера диода, ПЗС-матрицы научного уровня используются в приложениях для получения изображений с медленной разверткой, обычно используются диоды. размером 25 x 25 микрометров для максимального увеличения динамического диапазона, чувствительность и отношение сигнал / шум. Многие современные высокопроизводительные камеры научного уровня включают усовершенствования конструкции, которые позволили использовать большие массивы с меньшими пикселями, которые способны поддержание оптического разрешения микроскопа на высоком кадре тарифы.Большие массивы из нескольких миллионов пикселей в этих улучшенных конструкциях может обеспечить изображения всего поля зрения с высоким разрешением, а с использованием объединения пикселей (обсуждается ниже) и переменной скорости считывания, при необходимости обеспечьте более высокую чувствительность пикселей большего размера.
Считывание фотоэлектронов ПЗС-матрицы
До накопленного заряда можно измерить заряд каждого сенсорного элемента в ПЗС-матрице. чтобы определить поток фотонов на этом пикселе, заряд должен быть передается в узел считывания при сохранении целостности зарядный пакет.Быстрый и эффективный процесс переноса заряда, а также механизм быстрого считывания, имеет решающее значение для работы ПЗС-матриц как устройства визуализации. Когда большое количество МОП-конденсаторов размещено близко вместе, чтобы сформировать матрицу датчиков, заряд перемещается по устройству за счет манипулирование напряжениями на затворах конденсатора по схеме, которая вызывает заряд переливается с одного конденсатора на другой или с одного ряда конденсаторы к следующему. Трансляция заряда в кремнии эффективно связаны с синхронизированными схемами напряжения, подаваемыми на структура вышележащего электрода, основа термина «с зарядовой связью» устройство.ПЗС-матрица изначально задумывалась как массив памяти и предназначалась для функционировать как электронная версия устройства с магнитным пузырем. Схема процесса переноса заряда удовлетворяет критическому требованию для запоминающих устройств установления физической величины, которая представляет информационный бит и сохранение его целостности до считывания. В ПЗС-матрица, используемая для отображения, информационный бит представлен пакетом заряды, полученные от взаимодействия фотонов. Поскольку ПЗС-матрица серийная зарядные пакеты считываются по одному.
Рисунок 3 — Структура сенсорного элемента (пикселя) ПЗСНакопленный заряд, накопленный в каждом фотодиоде ПЗС в течение заданного интервала времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции , необходимо измерить, чтобы определить поток фотонов на этом диоде. Количественная оценка накопленного заряда выполняется комбинацией параллельные и последовательные передачи, доставляющие заряд каждого сенсорного элемента пакет, последовательно, к одному измерительному узлу.Электродная сеть, или структура затвора , встроенная в ПЗС в слое, прилегающем к чувствительным элементам, составляет сдвиговый регистр для передачи заряда. Основная концепция переноса заряда, которая позволяет последовательное считывание с двумерной диодной матрицы изначально требует весь массив отдельных зарядовых пакетов с поверхности имидж-сканера, составляющие параллельный регистр , чтобы быть одновременно переносится пошаговым однострочным сдвигом. Сдвиг с зарядовой связью всего параллельного регистра перемещает ближайшую к край регистра в специализированный одиночный ряд пикселей вдоль одного края микросхемы обозначается как регистр последовательного порта .Именно из этого ряд, в котором пакеты заряда последовательно перемещаются на микросхему усилитель для измерения. После того, как регистр последовательного порта опустошен, он заполняется очередным сдвигом строки параллельного регистра, и цикл параллельный и последовательный сдвиги повторяются до тех пор, пока регистр опорожняется. Некоторые производители ПЗС используют термины вертикальный и горизонтальный в отношении параллельного и последовательного регистров, соответственно, хотя последние термины более легко связаны с функцией выполняется каждым.
Широко используемая аналогия для визуализации концепции серийного номера. считывание ПЗС — бригада ведра для измерения осадков, в интенсивность дождя, падающего на ряд ведер, может варьироваться в зависимости от места разместить по аналогии с падающими фотонами на датчике изображения (см. Рисунок 5 (а) ). Параллельный регистр представлен массивом ведра, которые собрали различное количество сигнала (воды) во время период интеграции. Ковши транспортируются на конвейерной ленте. пошагово к ряду пустых ведер, которые представляют серийный регистр, и которые перемещаются по второму конвейеру, ориентированы перпендикулярно первому.На рис. 5 (b) весь ряд ковшей параллельно смещается в резервуары последовательного регистра. Последовательные операции сдвига и считывания показаны на рисунке . 5 (c) , где изображена дождевая вода, накопившаяся в каждом ведре. последовательно переносятся в калиброванную мерную емкость, аналог выходного усилителя ПЗС. Когда содержимое всего контейнеры на серийном конвейере были измерены последовательно, другой параллельный сдвиг передает содержимое следующей строки сбора ведра в контейнеры последовательного регистра, и процесс повторяется пока не будет измерено содержимое каждой корзины (пикселя).
Существует множество конструкций, в которых могут быть сконфигурированы МОП-конденсаторы, и их затворные напряжения управляются, чтобы сформировать матрицу изображения CCD. Как описано ранее электроды затвора располагались полосами, покрывающими всю поверхность изображения лицевой панели ПЗС. Самая простая и распространенная зарядка Конфигурация передачи представляет собой трехфазную схему CCD , в которой каждый фотодиод (пиксель) делится на трети с тремя параллельными потенциальные ямы, определяемые электродами затвора. В таком дизайне каждый третий затвор подключен к той же схеме драйвера часов.Основной смысл элемент в ПЗС, соответствующий одному пикселю, состоит из трех вентилей подключен к трем отдельным тактовым драйверам, называемым фазой-1, фазой-2 и часы фазы 3. Каждая последовательность из трех параллельных ворот составляет одну регистр пикселей, и тысячи пикселей, покрывающих ПЗС-матрицу. Поверхность изображения составляет параллельный регистр устройства. Однажды в ловушке в потенциальной яме электроны перемещаются через каждый пиксель в трехэтапный процесс, который сдвигает пакет заряда из одной строки пикселей в следующий.Последовательность изменений напряжения, подаваемых на чередующиеся электроды параллельной (вертикальной) затворной структуры перемещают потенциальные ямы и захваченные электроны под управлением часов параллельного регистра сдвига.
Общая схема синхронизации, используемая в трехфазном переключателе начинается с этапа интегрирования зарядов, на котором два из трех параллельные фазы на пиксель устанавливаются на высокое значение смещения, что дает область высокого поля относительно третьего затвора, который удерживается на низком или низком уровне. нулевой потенциал.Например, фазы 1 и 2 могут быть обозначены как , собирающие фазы и удерживаемые при более высоком электростатическом потенциале по сравнению с фазой 3, которая служит барьером , фаза для разделения заряда, собираемого в высокополевых фазах соседний пиксель. После интеграции начислений перевод начинается с удерживая только вентили фазы 1 под высоким потенциалом, так что заряд генерируемые на этой фазе, будут накапливаться там, а заряд, генерируемый в Фазы фазы 2 и фазы 3, теперь обе при нулевом потенциале, быстро диффундируют в потенциальную яму под фазой 1. Рисунок 3 иллюстрирует структура электрода, определяющая каждый пиксель трехфазной ПЗС-матрицы, и изображает скопление электронов в потенциальной яме, лежащей под электрод фазы 1, в котором поддерживается положительное напряжение (обозначено + V ). Перенос заряда происходит в соответствии с синхронизированной последовательностью напряжения, приложенные к воротам, чтобы вызвать потенциальные ямы и препятствия для миграции через каждый пиксель.
Рисунок 4 — Стандартные форматы ПЗС-датчиков изображенияНа каждом этапе переключения напряжение, приходящееся на заднюю часть зарядовый пакет становится положительным, в то время как электроносодержащая яма сделан отрицательным или установлен на ноль (земля), заставляя накопленные электроны для перехода к следующему этапу.Вместо того, чтобы использовать резкое напряжение переходов в тактовой последовательности, приложенное напряжение изменяется на смежные фазы являются постепенными и перекрываются, чтобы обеспечить максимальную эффективная передача заряда. Переход к фазе 2 осуществляется прикладывая положительный потенциал к воротам фазы 2, распространяя накопленный заряд между скважинами фазы 1 и фазы 2, и когда потенциал фазы 1 возвращается на землю, весь пакет заряда принудительно переходит в фазу 2. Аналогичная последовательность синхронизированных переходов напряжения, под управлением часов параллельного регистра сдвига, используется для сдвига заряд от фазы 2 до фазы 3, и процесс продолжается до тех пор, пока полный сдвиг на один пиксель был завершен.Одни трехфазные часы цикл, примененный ко всему параллельному регистру, приводит к получению единственной строки сдвиг всего массива. Важный фактор при трехфазном переходе в том, что между соседними пикселями всегда поддерживается потенциальный барьер. зарядовых пакетов, что обеспечивает взаимно однозначное пространственное соответствие между сенсором и дисплеем пиксели должны сохраняться на всем изображении последовательность захвата.
На рисунке 6 показана последовательность операций, только что описанных для передача заряда в трехфазной ПЗС-матрице, а также последовательность тактирования для импульсов возбуждения, подаваемых синхронизатором параллельного регистра сдвига на совершить перевод.На этой схематической визуализации пикселя заряд изображен перемещающимся слева направо по тактовому сигналу сигналы, которые одновременно уменьшают напряжение на положительно смещенный электрод (определяющий потенциальную яму) и увеличив его на электроде справа ( рисунки 6 (а) и 6 (б) ). В последнем из три ступени ( Рисунок 6 (c) ), заряд был полностью переведен от одного электрода затвора к другому. Обратите внимание, что рост и падение фазы тактовых импульсов синхронизируются с небольшим перекрытием (не показано) для более эффективного переноса заряда и свести к минимуму возможность потери заряда во время смены.
При каждой полной параллельной передаче заряжаются пакеты от всего ряд пикселей перемещаются в последовательный регистр, где они могут быть последовательно смещается в сторону выходного усилителя, как показано на аналогия с ковшовой бригадой ( Рисунок 5 (c) ). Эта горизонтальная (последовательная) передача использует тот же трехфазный механизм связи заряда, что и вертикальный сдвиг строк, при этом управление синхронизацией обеспечивается сигналами от часы последовательного регистра сдвига. После того, как все пиксели перенесены из регистр последовательного интерфейса для считывания, часы параллельного регистра обеспечивают временные сигналы для смещения следующего ряда захваченных фотоэлектронов в регистр серийного номера.Каждый пакет начислений в регистре серийного номера доставляется в выходной узел ПЗС, где он обнаруживается и считывается выходной усилитель (иногда называемый встроенным предусилителем) который преобразует заряд в пропорциональное напряжение. Напряжение выход усилителя представляет величину сигнала, производимого последовательные фотодиоды, считываемые последовательно слева направо в каждый ряд и от верхнего ряда к низу по всей двумерный массив. Выходной сигнал ПЗС на этом этапе, следовательно, является аналоговый сигнал напряжения, эквивалентный растровому сканированию накопленного заряда по поверхности изображения устройства.
После того, как выходной усилитель выполняет свою функцию увеличения зарядного пакета и преобразовав его в пропорциональное напряжение, сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь ( ADC ), который преобразует значение напряжения в 0 и 1 двоичный код, необходимый для интерпретации компьютером. Каждый пиксель присваивается цифровое значение, соответствующее амплитуде сигнала, с шагом размер в соответствии с разрешением или битовой глубиной АЦП.Для Например, АЦП с 12-битным разрешением присваивает каждому пикселю значение от 0 до 4095, что соответствует 4096 возможным уровням серого изображения (2 в 12-й степени равно 4096 шагам дигитайзера). Каждый уровень серого шаг называется аналого-цифровым блоком ( ADU ).
Технологическая сложность современных систем формирования изображений на основе ПЗС-матриц замечательно, учитывая большое количество операций, необходимых для захватить цифровое изображение, а также точность и скорость, с которой процесс завершен.Последовательность событий, необходимых для захвата одиночное изображение с полнокадровой системы камеры CCD можно резюмировать как следует:
- Затвор камеры открывается для начала накопления фотоэлектронов, с соответствующими электродами затвора, смещенными для сбора заряда.
- В конце периода интегрирования заслонка закрывается и накопленный заряд в пикселях смещается строка за строкой по параллельному регистрировать под управлением тактовых сигналов от электроники камеры.Ряды пакетов зарядов передаются последовательно с одного края параллельный регистр в последовательный регистр сдвига.
- Зарядное содержимое пикселей в последовательном регистре передается по одному пикселю за раз в выходной узел для считывания встроенным чипом усилитель, который усиливает электронный сигнал и преобразует его в аналоговый выход напряжения.
- АЦП назначает цифровое значение каждому пикселю в соответствии с его амплитудой напряжения.
- Каждое значение пикселя сохраняется в памяти компьютера или в буфере кадров камеры.
- Процесс последовательного считывания повторяется до тех пор, пока все строки пикселей очищается параллельный регистр, который обычно составляет 1000 или более строк для камер высокого разрешения.
- Полный файл изображения в памяти, размер которого может составлять несколько мегабайт. по размеру, отображается в подходящем формате на мониторе компьютера для визуальная оценка.
- CCD очищается от остаточного заряда перед следующей экспозицией путем выполнения полного цикла считывания, за исключением этапа оцифровки.
Несмотря на большое количество выполняемых операций, более одного миллиона пикселей может быть передано через чип, присвоено значение шкалы серого с 12-битным разрешением, сохранено в памяти компьютера и отображено менее чем за одну секунду.Типичное общее время, необходимое для считывания и отображения изображения, составляет примерно 0,5 секунды для 1-мегапиксельной камеры, работающей со скоростью оцифровки 5 МГц. Эффективность переноса заряда также может быть чрезвычайно высокой для охлаждаемых ПЗС-камер с минимальной потерей заряда даже при тысячах переносов, требуемых для пикселей в областях матрицы, наиболее удаленных от выходного усилителя.
Архитектура датчика изображения CCD
Три основных варианта архитектуры CCD обычно используются для систем формирования изображений: полнокадровый , кадровая передача и построчная передача (см. Рисунок 7 ).Полнокадровая ПЗС-матрица, о которой говорилось в предыдущем описание процедуры считывания, имеет преимущество почти 100 процентов его поверхности светочувствительны, практически нет мертвых пространство между пикселями. Поверхность изображения необходимо защищать от падающий свет во время считывания ПЗС, и по этой причине электромеханический затвор обычно используется для управления экспозицией. Заряд, накопленный при открытой заслонке, впоследствии переносится и считываются после того, как ставня закрыта, и поскольку два шага не может происходить одновременно, частота кадров изображения ограничена скорость механического затвора, скорость переноса заряда и шаги считывания.Хотя полнокадровые устройства имеют самую большую светочувствительную область Типы ПЗС-матриц, они наиболее полезны с образцами, имеющими высокое качество изображения внутри сцены. динамический диапазон, а также в приложениях, не требующих разрешения по времени менее примерно одной секунды. При работе в режиме подмассива (в котором считывается уменьшенная часть полного массива пикселей) в чтобы ускорить считывание, на порядка 10 кадров в секунду, ограничено механическим затвором.
ПЗС-матрицыс кадровой передачей могут работать с более высокой частотой кадров, чем полнокадровые устройств, потому что экспонирование и считывание могут происходить одновременно с различная степень совпадения по срокам. Они похожи на полнокадровые устройств в составе параллельного регистра, но половина прямоугольная матрица пикселей покрыта непрозрачной маской и используется в качестве буфер для хранения фотоэлектронов, собранных немаскированными светочувствительная часть. После экспонирования изображения накопился заряд в светочувствительных пикселях быстро смещается в пиксели на хранилище стороне микросхемы, обычно в пределах примерно 1 миллисекунды.Поскольку пиксели памяти защищены от воздействия света алюминиевое или аналогичное непрозрачное покрытие, в этой части датчик может систематически считываться с более медленной и более эффективной скоростью в то время как следующее изображение одновременно экспонируется на светочувствительная сторона чипа. Затвор камеры не нужен потому что время, необходимое для передачи заряда от области изображения к площадь хранения чипа составляет лишь часть времени, необходимого для типичная экспозиция.Поскольку камеры, использующие ПЗС-матрицы с кадровой передачей, могут быть работает непрерывно с высокой частотой кадров без механической опалубки, они подходят для исследования быстрых кинетических процессов методами таких как отображение соотношения красителей, в котором высокое пространственное разрешение и динамические диапазон важны. Недостатком этого типа датчика является то, что только половина площади поверхности ПЗС-матрицы используется для построения изображений, и следовательно, требуется гораздо больший чип, чем для полнокадрового устройство с массивом изображений эквивалентного размера, что увеличивает стоимость и наложение ограничений на физическую конструкцию камеры.
В конструкции ПЗС с построчным переносом столбцы активной визуализации пиксели и пиксели замаскированного хранения-передачи чередуются по всей массив параллельных регистров. Поскольку канал передачи заряда расположен непосредственно рядом с каждым столбцом светочувствительных пикселей, накопленный заряд должен быть перемещен только на один столбец в канал передачи. Этот сингл шаг передачи может быть выполнен менее чем за 1 миллисекунду, после чего массив хранения считывается серией параллельных сдвигов в последовательный регистр, пока массив изображений выставляется для следующего изображение.Архитектура межстрочного переноса позволяет очень быстро периоды интеграции благодаря электронному контролю интервалов экспозиции, а вместо механического затвора можно отрендерить массив эффективно нечувствителен к свету, отбрасывая накопленный заряд, а чем перекладывать на каналы передачи. Хотя интерлайн-перевод датчики позволяют считывать скорость видео и получать высококачественные изображения ярких освещенные предметы, основные формы более ранних устройств пострадали от уменьшены динамический диапазон, разрешение и чувствительность из-за того, что примерно 75 процентов поверхности ПЗС занимает каналы хранения-передачи.
Хотя более ранние ПЗС-матрицы с построчным переносом, например, используемые в видео видеокамеры, обеспечивающие высокую скорость считывания и высокую частоту кадров без необходимость жалюзи, они не обеспечивали должной производительности для приложения в микроскопии с высоким разрешением при слабом освещении. В дополнение к снижение светочувствительности, связанное с переменным столбцы изображений и областей хранения-передачи, высокая скорость считывания светодиода к более высокому шуму чтения камеры и уменьшенному динамическому диапазону в более ранних формирователи изображений с межстрочным переносом.Улучшения в конструкции сенсора и камеры электроника полностью изменила ситуацию до такой степени, что современные устройства Interline обеспечивают превосходную производительность для цифровых камеры для микроскопии, в том числе те, которые используются в условиях слабого освещения, например как запись малых концентраций флуоресцентных молекул. Приверженец микролинзы , выровнен на поверхности ПЗС, чтобы покрыть пары пикселей изображения и хранилища, собрать свет, который обычно теряется на замаскированных пикселях, и сфокусироваться это на светочувствительных пикселях (см. Рисунок 8 ).Объединив небольшие размер пикселя с технологией микролинз, межстрочные датчики способны обеспечение пространственного разрешения и сопоставимой эффективности сбора света на ПЗС-матрицы с полнокадровым и покадровым переносом. Эффективный светочувствительный площадь межстрочных датчиков, использующих микролинзы на кристалле, увеличена до 75-90 процентов площади поверхности.
Дополнительное преимущество включения микролинз в ПЗС-матрицу структура состоит в том, что спектральная чувствительность датчика может быть расширена в синюю и ультрафиолетовую области длин волн, обеспечивая улучшенное утилита для более коротковолновых приложений, таких как популярные методы флуоресценции с использованием зеленого флуоресцентного белка ( GFP ) и красители, возбуждаемые ультрафиолетом.Чтобы увеличить квантовую эффективность в видимом спектре, новейшие высокопроизводительные чипы включают конструкции затвора из таких материалов, как индий-олово оксида, который имеет гораздо более высокую прозрачность в сине-зеленом спектральном область, край. Такие непоглощающие структуры затворов приводят к квантовой эффективности. значения приближаются к 80% для зеленого света.
Рисунок 6 — Трехфазные системы синхронизации ПЗСПрошлое ограничение уменьшенного динамического диапазона для межстрочного переноса ПЗС-матрицы в значительной степени преодолены за счет усовершенствованной электронной технологии, которая снизил шум чтения камеры примерно наполовину.Поскольку активная пиксельная площадь межстрочных ПЗС-матриц составляет примерно треть от сопоставимые полнокадровые устройства, полная емкость скважины (функция область пикселей) уменьшается аналогично. Ранее этот фактор в совокупности с относительно высоким уровнем шума чтения камеры, что привело к недостаточному сигналу динамический диапазон для поддержки более чем 8- или 10-битной оцифровки. Высокопроизводительные межстрочные камеры теперь работают со значениями шума считывания как низкий от 4 до 6 электронов, что обеспечивает динамический диапазон эквивалентно 12-битным камерам, использующим полнокадровые ПЗС-матрицы.Дополнительные улучшения в факторах дизайна микросхемы, таких как схемы тактирования, и в электронике камеры, позволили увеличить скорость считывания. ПЗС-матрицы с построчным переносом теперь позволяют получать 12-битные мегапиксельные изображения. получены на частоте 20 мегагерц, что примерно в 4 раза выше скорости полнокадровые камеры с сопоставимыми размерами массивов. Прочие технологические улучшения, в том числе модификации состава полупроводников, включены в некоторые ПЗС-матрицы с построчным переносом для улучшения квантовых эффективность в ближней инфракрасной части спектра.
Характеристики изображения ПЗС-детектора
Несколько рабочих параметров камеры, которые изменяют этап считывания при получении изображения, влияют на качество изображения. Скорость считывания большинства ПЗС-камер научного уровня можно регулировать, и обычно колеблется от примерно 0,1 МГц до 10 или 20 МГц. Максимум достижимая скорость зависит от скорости обработки АЦП и другая электроника камеры, которая отражает время, необходимое для оцифровки один пиксель.Приложения, предназначенные для отслеживания быстрых кинетических процессов требуется быстрое считывание и частота кадров для достижения адекватной временное разрешение и, в некоторых случаях, скорость видео 30 необходимо количество кадров в секунду или выше. К сожалению, из различных компоненты шума, которые всегда присутствуют в электронном изображении, считываются шум является основным источником, а высокая скорость считывания увеличивает шум уровень. Если самое высокое временное разрешение не требуется, лучше изображения образцов, которые дают низкие значения интенсивности пикселей, могут быть получается при более низкой скорости считывания, что минимизирует шум и поддерживает адекватное соотношение сигнал / шум.Когда динамические процессы требуют быстрых частоты кадров изображения, нормальная последовательность считывания ПЗС может быть изменена на уменьшить количество обрабатываемых пакетов заряда, что позволяет осуществлять сбор данных в некоторых случаях скорость составляет сотни кадров в секунду. Это увеличило частота кадров может быть достигнута путем объединения пикселей во время считывания ПЗС и / или считывая только часть детекторной матрицы, как описано ниже.
Программное обеспечение для получения изображений большинства систем CCD-камер, используемых в оптическая микроскопия позволяет пользователю определять меньшее подмножество или подмассив , всего массива пикселей, предназначенного для захвата изображения и отображать.Выбрав уменьшенную часть поля изображения для обработки, невыделенные пиксели отбрасываются без оцифровки АЦП, соответственно увеличивается скорость считывания. В зависимости от используемое программное обеспечение для управления камерой, подматрица может быть выбрана из предопределенные размеры массива или интерактивно обозначенные как интересующая область с помощью компьютерной мыши и монитора. Считывание подмассива метод обычно используется для получения последовательностей покадровой съемки. images, чтобы создавать файлы изображений меньшего размера и с большей управляемостью.
Накопленные пакеты заряда от соседних пикселей в ПЗС-матрице могут быть объединены во время считывания, чтобы сформировать уменьшенное количество суперпикселей . Этот процесс называется биннингом пикселей , и выполняется в параллельном регистре путем тактирования двух или более строк переходит в регистр последовательного порта перед выполнением последовательного сдвига и последовательность считывания. Процесс биннинга обычно повторяется в серийном регистрировать, синхронизируя несколько сдвигов в узле считывания перед заряд считывается выходным усилителем.Любая комбинация параллельных и последовательные смены можно комбинировать, но обычно это симметричная матрица пиксели объединяются для формирования каждого отдельного суперпикселя (см. Рисунок 9) . В виде пример, 3 x 3 биннинг выполняется путем первоначального выполнения 3 параллельных сдвига строк в последовательный регистр (до последовательного передачи), после чего каждый пиксель в последовательном регистре содержит комбинированный заряд от 3 пикселей, которые были соседями в соседнем параллельные ряды. Впоследствии 3 этапа последовательной смены выполняются в выходной узел до измерения заряда.Итоговый заряд пакет обрабатывается как один пиксель, но содержит объединенные фотоэлектронное содержание 9 физических пикселей (суперпиксель 3 x 3). Хотя бининг снижает пространственное разрешение, процедура часто позволяет получение изображения в условиях, которые делают невозможным получение изображений с нормальное считывание ПЗС. Это позволяет увеличить частоту кадров для последовательностей изображений, если скорость сбора данных ограничена циклом чтения камеры, а также обеспечение улучшенного отношения сигнал / шум для эквивалентного времени экспозиции.Дополнительные преимущества включают более короткое время выдержки для получения одинаковая яркость изображения (очень важно для визуализации живых клеток) и меньшие размеры файлов изображений, что снижает требования к памяти компьютера и ускоряет обработку изображений.
Фактор захвата третьей камерой, который может повлиять на качество изображения. поскольку он изменяет процесс считывания ПЗС, электронный коэффициент усиления системы камеры. Регулировка усиления цифровой камеры CCD система определяет количество накопленных фотоэлектронов, определяющих каждый шаг уровня серого распознается электроникой считывания, и обычно применяется на этапе аналого-цифрового преобразования.Увеличение в электронном усилении соответствует уменьшению количества фотоэлектроны, которые назначаются на уровень серого (электроны / ADU), и позволяет разделить данный уровень сигнала на большее количество серых ступени уровня. Обратите внимание, что это отличается от настроек усиления, применяемых к фотоэлектронные умножители или трубки видикона, в которых изменяющийся сигнал усиливается фиксированным коэффициентом умножения. Хотя электронное усиление регулировка действительно обеспечивает метод расширения ограниченной амплитуды сигнала до желаемое большое количество уровней серого, если оно используется чрезмерно, небольшое количество электронов, различающих соседние уровни серого, может привести к к ошибкам оцифровки.Настройки высокого усиления могут привести к появлению шума из-за неточная оцифровка, которая проявляется в виде зернистости в финальном изображение. Если желательно сокращение времени экспозиции, увеличение электронное усиление позволит поддерживать фиксированное большое количество серого шага шкалы, несмотря на пониженный уровень сигнала, при условии, что примененное усиление не приводит к чрезмерному ухудшению качества изображения. Как пример влияния различных коэффициентов усиления на постоянную уровень сигнала, начальная настройка усиления, которая назначает 8 электронов на ADU (уровень серого) означает, что сигнал пикселя, состоящий из 8000 электронов будет отображаться на 1000 уровнях серого.Увеличивая прирост за счет применение коэффициента усиления 4x к базовой настройке, количество электронов на уровень серого снижается до 2 (2 электрона / ADU) и 4000 Уровни серого выделяются электроникой оцифровки.
Рисунок 7 — Архитектура обычных устройств с зарядовой связью (ПЗС)Качество цифрового изображения можно оценить по четырем количественным критерии, которые частично определяются конструкцией ПЗС, но которые также отражают реализацию ранее описанной работы камеры переменные, которые напрямую влияют на качество изображения ПЗС-матрицы детектор.Основные критерии качества изображения и их влияние: резюмируется следующим образом:
- Пространственное разрешение: Определяет возможность захвата мелких деталей образца без видимых пикселей на изображении.
- Разрешение яркости света: Определяет динамический диапазон или количество уровней серого, которые можно различить на отображаемом изображении.
- Разрешение по времени: Частота дискретизации (кадров) определяет способность отслеживать движение живого образца или быстрые кинетические процессы.
- Отношение сигнал / шум: Определяет видимость и четкость сигналов образца относительно фона изображения.
При визуализации с помощью микроскопа часто не все важные изображения критерии качества можно одновременно оптимизировать в одном изображении или последовательность изображений. Получение лучших изображений в рамках ограничений налагается конкретным образцом или экспериментом, как правило, требует компромисс между перечисленными критериями, которые часто приводят к противоречивым требования.Например, при съемке покадровой последовательности живых выступлений. для образцов с флуоресцентной меткой может потребоваться снижение общего воздействия время минимизировать фотообесцвечивание и фототоксичность. Несколько методов могут быть использованы для достижения этой цели, хотя каждый из них включает в себя деградацию некоторые аспекты работы с изображениями. Если образец обнажается меньше часто временное разрешение снижено; применение биннинга пикселей к разрешить более короткие выдержки снижает пространственное разрешение; и увеличение электронное усиление ухудшает динамический диапазон и отношение сигнал / шум.Различные ситуации часто требуют совершенно разных изображений. обоснование оптимальных результатов. В отличие от предыдущего примера, в чтобы максимизировать динамический диапазон на одном изображении образца, который требует короткого времени выдержки, применения бининга или усиления увеличение может достичь цели без значительного отрицательного воздействия на Изображение. Для создания эффективных цифровых изображений требуется микроскопист должен быть полностью знаком с важнейшим качеством изображения критерии и практические аспекты приобретения балансировочной камеры параметры для максимизации наиболее значимых факторов в конкретном ситуация.
Небольшое количество факторов производительности ПЗС и исправная камера параметры доминируют над основными аспектами качества цифрового изображения в микроскопия, и их эффекты в значительной степени перекрываются. Факторы, которые являются наиболее важными в контексте практического использования камеры CCD, и обсуждается далее в следующих разделах, включая шум детектора источники и отношение сигнал / шум, частота кадров и временное разрешение, размер пикселя и пространственное разрешение, спектральный диапазон и квант КПД и динамический диапазон.
ПЗС-камера Источники шума
Чувствительность камеры по минимально обнаруживаемому сигналу составляет определяется как фотонным статистическим (дробовым) шумом, так и электронным шум, возникающий в ПЗС-матрице. По консервативной оценке, сигнал можно отличить от сопутствующего шума только в том случае, если он превышает шум примерно в 2,7 раза (отношение сигнал / шум 2,7). Минимальный сигнал который теоретически может дать заданное значение SNR, определяется случайным вариации потока фотонов, источник собственного шума, связанный с сигнал, даже с идеальным бесшумным детектором.Этот фотон статистический шум равен квадратному корню из числа сигналов фотонов, и поскольку он не может быть устранен, он определяет максимальное достижимое отношение сигнал / шум для бесшумного детектора. Отношение сигнал / шум равно следовательно, определяется уровнем сигнала S , деленным на квадратный корень из сигнала ( S (1/2)), и равен квадратному корню из S . Если значение SNR 2,7 требуется для различения сигнала от шума, уровень сигнала 8 фотонов теоретически минимален обнаруживаемый световой поток.
На практике другие составляющие шума, не связанные с сигнал фотона образца, вносится ПЗС-матрицей и системой камеры электроники и добавить к собственному фотонному статистическому шуму. Один раз накапливается в сборных колодцах, заряд от источников шума нельзя отличить от сигнала, полученного от фотонов. Большая часть системного шума результат шума усилителя считывания и генерации тепловых электронов в кремний микросхемы детектора. Тепловой шум связан с кинетические колебания атомов кремния в подложке ПЗС, высвобождающие электроны или дырки, даже когда устройство находится в полной темноте, и которые впоследствии накапливаются в потенциальных ямах.По этой причине шум обозначается как темный шум и представляет собой неопределенность в величине накопления темного заряда во время указанный временной интервал. Скорость генерации темного заряда, называемая темновым током , не связан с сигналом, индуцированным фотонами, но имеет высокую температуру зависимый. Подобно фотонному шуму, темновой шум следует за статистическая (квадратный корень) связь с темновым током, и, следовательно, это нельзя просто вычесть из сигнала.Охлаждение ПЗС снижает накопление темного заряда на порядок на каждые 20 градусов Снижение температуры по Цельсию, и высокопроизводительные камеры обычно охлаждается во время использования. Охлаждение даже до 0 градусов очень выгодно, и при -30 градусов темновой шум снижается до незначительного значения для практически любое приложение для микроскопии.
При условии, что ПЗС охлаждается, остающийся основной компонент электронного шума составляет шум чтения , в первую очередь происходит от предусилителя на кристалле во время процесса преобразования носителей заряда в сигнал напряжения.Хотя прочитанный шум добавляется равномерно к каждому пикселю детектора, его величина не может быть точно определен, а только приблизительно значение в единицах электронов (среднеквадратичное или среднеквадратичное) на пиксель. Некоторый типы шума усилителя считывания зависят от частоты, а в как правило, шум чтения увеличивается со скоростью измерения заряд в каждом пикселе. Увеличение шума при высоком считывании и кадре Частично это результат большей полосы пропускания усилителя. при более высоких тактовых частотах пикселей.Охлаждение ПЗС снижает считывание шум усилителя в некоторой степени, хотя и не на незначительном уровне. В текущую высокопроизводительные системы камер, которые значительно снижают значимость читать шум, однако. Одна стратегия для достижения высоких показателей считывания и кадра скорости без увеличения шума заключается в электрическом разделении ПЗС-матрицы на два или более сегментов для сдвига заряда в параллельном регистре к нескольким выходным усилителям, расположенным на противоположных краях или углах чипа.Эта процедура позволяет считывать заряд с массива. с большей общей скоростью без чрезмерного увеличения скорости чтения (и шум) отдельных усилителей.
Рисунок 8 — Технология межстрочного ПЗС-матриц с микролинзойОхлаждение ПЗС-матрицы для уменьшения темнового шума дает дополнительное преимущество повышения эффективности переноса заряда ( CTE ) устройства. Этот фактор производительности становится все более и более важно из-за больших размеров массива пикселей, используемых во многих современных ПЗС-формирователи изображения, а также более высокая скорость считывания, необходимая для исследования быстрых динамических процессов.С каждой сменой заряда пакет по каналам передачи в процессе считывания ПЗС, небольшая часть может остаться. В то время как индивидуальные трансфертные потери при каждый пиксель в большинстве случаев крошечный, большое количество передач требуется, особенно в мегапиксельных сенсорах, может привести к значительному потери для пикселей на наибольшем удалении от считывания ПЗС усилитель (ы), если эффективность переноса заряда не очень высока. Возникновение неполного переноса заряда может привести к размытию изображения. из-за смешения зарядов от соседних пикселей.Кроме того, совокупные потери заряда при каждой передаче пикселя, особенно при больших массивов, может привести к явлению затенения изображения , в котором появляются области изображений, наиболее удаленные от выходного усилителя ПЗС более тусклый, чем те, которые примыкают к последовательному регистру. Перенос заряда значения КПД охлаждаемых ПЗС-матриц могут быть 0,9999 и выше, а в то время как CTE с таким высоким значением обычно незначительны для эффекта изображения, значения ниже, чем 0,999, вероятно, приведет к затемнению.
Доступны как аппаратные, так и программные методы компенсации затенение интенсивности изображения.Программная коррекция реализована получение изображения поля с однородной интенсивностью, которое затем используется системой визуализации для создания карты попиксельной коррекции, которая может применяться к последующим изображениям образца для устранения неоднородности из-за штриховки. Методы программной коррекции обычно удовлетворительно в системах, не требующих поправочных коэффициентов больше чем примерно 10-20 процентов местной интенсивности. Больше исправления, примерно до пяти раз, могут быть обработаны аппаратными средствами методы путем настройки коэффициентов усиления для отдельного пикселя ряды.Требуемая регулировка усиления определяется сигналом дискретизации. интенсивности в пяти или шести замаскированных эталонных пикселях, расположенных за пределами область изображения в конце каждой строки пикселей. Значения напряжения, полученные из столбцы опорных пикселей на краю параллельного регистра служат в качестве контролирует потери при переносе заряда и производит поправочные коэффициенты для каждая строка пикселей, которые применяются к напряжениям, полученным из этой строки во время считывания. Поправочные коэффициенты велики в регионах некоторых датчики, такие как области, удаленные от выходного усилителя по скорости видеосигнала камеры, и уровень шума может быть значительно увеличен для этих изображений области.Хотя процесс аппаратной коррекции убирает затенение эффекты без видимого уменьшения сигнала, следует понимать, что результирующее отношение сигнал / шум не является однородным по всей изображение.
Пространственное и временное разрешение в датчиках изображения CCD
Во многих приложениях система захвата изображений, способная обеспечить высокое временное разрешение это основное требование. Например, если кинетика процесса изучается, требует видеосъемки с умеренным разрешением, камера, способная обеспечить превосходное разрешение, тем не менее, выгода, если он обеспечивает такую производительность только при низкой скорости сканирования, и работает незначительно или совсем не работает при высокой частоте кадров.Полнокадровый камеры с медленным сканированием не обеспечивают высокое разрешение при скорости видео, требуется примерно одна секунда на кадр для большого массива пикселей, в зависимости от скорости оцифровки электроники. Если образец яркость сигнала достаточно высока, чтобы обеспечить короткое время экспозиции (на порядка 10 миллисекунд), использование биннинга и подмассива выбор позволяет получать около 10 кадров в секунду на уменьшенное разрешение и размер кадра у камер с электромеханическим ставни.Более высокая частота кадров обычно требует использования камеры с построчной или кадровой передачей, не требующие жалюзи и, как правило, также могут работать с более высокими скоростями оцифровки. Последнее поколение высокопроизводительных камер этой конструкции может Захватывайте полнокадровые 12-битные изображения почти со скоростью видео.
Превосходное теперь пространственное разрешение ПЗС-систем визуализации напрямую связано с размером пикселя и постоянно улучшается благодаря технологические усовершенствования, которые позволили создавать пиксели ПЗС все меньше и меньше при сохранении других эксплуатационных характеристик формирователей изображений.По сравнению с типичными размерами зерна пленки (приблизительно 10 микрометров), пиксели многих используемых камер CCD в биологической микроскопии меньше и обеспечивают более чем адекватное разрешение в сочетании с широко используемыми объективами с большим увеличением которые проецируют дифракционные диски относительно большого радиуса (Эйри) на ПЗС-поверхность. ПЗС-камеры научного уровня с построчным переносом теперь доступны доступны с пикселями меньше 5 микрометров, что делает их подходящими для получения изображений с высоким разрешением даже с объективами с малым увеличением.Отношение размера элемента детектора к соответствующему оптическому разрешению критерии — важный фактор при выборе цифровой камеры, если должно сохраняться пространственное разрешение оптической системы.
Критерий выборки Найквиста обычно используется для определения адекватность размера пикселя детектора относительно разрешения возможности оптики микроскопа. Теорема Найквиста указывает, что наименьший радиус дифракционного диска, создаваемый оптической системой должны быть отобраны как минимум двумя пикселями в массиве изображений, чтобы сохранить оптическое разрешение и избежать наложения спектров.В качестве примера, рассмотрим ПЗС-матрицу с размерами пикселей 6,8 x 6,8 мкм, соединенную с объективом 100x, числовой апертурой 1.3, который дает Пятно дифракции 26 мкм (радиус) в плоскости детектора. Превосходное разрешение возможно с этим детектором-объективом. комбинация, потому что радиус дифракционного диска покрывает примерно 4-пиксельный диапазон (26 / 6,8 = 3,8 пикселя) на матрице детекторов или почти вдвое больше предельного критерия Найквиста. На этой частоте дискретизации имеется достаточный запас, чтобы критерий Найквиста почти устраивает даже биннинг 2 x 2 пикселя.
Квантовая эффективность датчика изображения
Детектор квантовая эффективность ( QE ) является мерой вероятность того, что фотон с определенной длиной волны будет захвачен в активной области устройства для высвобождения заряда перевозчики. Параметр представляет эффективность тепловизора ПЗС в генерирует заряд от падающих фотонов, и поэтому является основным определитель минимально обнаруживаемого сигнала для системы камер, особенно при съемке при слабом освещении.Бесплатно генерируется, если фотон никогда не достигает обедненного слоя полупроводника или если он проходит полностью без передачи значительной энергии. Характер взаимодействия фотона с детектором зависит от от энергии фотона и соответствующей длины волны, и прямо относится к спектральному диапазону чувствительности детектора . Хотя обычные ПЗС-детекторы с передней подсветкой очень чувствительны и эффективные, ни один из них не имеет стопроцентной квантовой эффективности на любой длине волны.
Датчики изображения, обычно используемые в флуоресцентной микроскопии, могут обнаруживать фотоны в спектральном диапазоне 400-1100 нанометров, с пиковая чувствительность обычно в диапазоне 550-800 нм. Максимум Значения QE составляют всего около 40-50 процентов, за исключением новейших разработок, который может достигать 80-процентной эффективности. Рисунок 10 иллюстрирует спектральная чувствительность ряда популярных ПЗС-матриц на графике, отображающем квантовая эффективность как функция длины волны падающего света.Большинство ПЗС-матрицы, используемые в научной визуализации, относятся к типу межстрочного переноса и потому что межстрочная маска сильно ограничивает светочувствительную поверхность области, многие старые версии показывают очень низкие значения QE. С появлением технологии поверхностных микролинз, чтобы направлять больше падающего света на светочувствительные области между каналами передачи, более новый межстрочный датчики намного более эффективны, и многие из них имеют значения квантовой эффективности 60-70 процентов.
Рисунок 9 — Последовательность переноса электрона с объединением пикселей 2 x 2Спектральный диапазон сенсора и квантовая эффективность дополнительно улучшены в ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны длин волн различные дополнительные стратегии проектирования в нескольких высокопроизводительных ПЗС-матрицах.Поскольку алюминиевые переходные ворота с поверхностью поглощают или отражают большую часть синие и ультрафиолетовые волны, во многих новых конструкциях используются другие материалы, такие как оксид индия-олова, для улучшения передачи и квантового эффективность в более широком спектральном диапазоне. Еще более высокие значения QE могут быть полученные с помощью специализированных ПЗС-матриц с обратным утонением, которые сконструированы так, чтобы допускать освещение с тыльной стороны, избегая поверхностного электрода структура целиком. Чтобы это стало возможным, большая часть кремния подложка удаляется травлением, и хотя получившееся устройство тонкий и относительно дорогой, квантовая эффективность примерно 90 процентов могут быть достигнуты в обычном порядке.
Могут использоваться другие материалы для обработки поверхности и строительные материалы. для получения дополнительных преимуществ спектрального диапазона. Производительность обратного прореживания ПЗС-матрицы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн улучшаются за счет нанесение специализированных просветляющих покрытий. Изменено полупроводниковые материалы используются в некоторых детекторах для улучшения квантовых эффективность в ближнем инфракрасном диапазоне. Чувствительность к длинам волн вне диапазона нормальный спектральный диапазон обычных ПЗС-матриц с передней подсветкой может быть достигается применением люминофоров с преобразованием длины волны от до лицо детектора.Люминофор для этой цели выбирают для поглощения энергия фотонов в интересующей спектральной области и излучение света в пределах область спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. В качестве примера этого стратегии, если интересующий образец или флуорофор излучает свет на 300 нанометров (где чувствительность любой ПЗС минимальна), преобразование на поверхности детектора можно использовать люминофор, который поглощает эффективно при 300 нанометрах и излучает при 560 нанометрах, в пределах диапазон пиковой чувствительности ПЗС-матрицы.
Динамический диапазон
Термин, именуемый динамическим диапазоном ПЗС-детектора. выражает максимальное изменение интенсивности сигнала, которое может быть определено количественно датчиком.Количество указывается численно большинством камер CCD. производителей как отношение полной емкости пикселя ( FWC ) к шум чтения, с обоснованием, что это значение представляет предельное состояние, при котором яркость внутри сцены колеблется от регионов которые находятся только на уровне насыщенности пикселей, в области, которые практически не теряются в шуме. Динамический диапазон датчика определяет максимальное количество разрешаемые шаги уровня серого, в которые может быть включен обнаруженный сигнал разделенный. Чтобы в полной мере использовать динамический диапазон ПЗС-матрицы, она подходит для согласования разрядности аналого-цифрового преобразователя с динамический диапазон, позволяющий различать как можно больше шкалы серого шаги по возможности.Например, камера с FWC на 16000 электронов и шум считывания 10 электронов, имеет динамический диапазон 1600, что поддерживает 10-11-битное аналого-цифровое преобразование. Аналого-цифровой преобразователи с разрядностью 10 и 11 способны различать 1024 и 2048 уровней серого соответственно. Как указывалось ранее, поскольку компьютерный бит может принимать только одно из двух возможных состояний, количество шаги интенсивности, которые могут быть закодированы цифровым процессором (АЦП) отражает его разрешение (битовую глубину) и равно 2 в повышении значение спецификации битовой глубины.Следовательно, 8, 10, 12 и 14 бит процессоры могут кодировать максимум 256, 1024, 4096 или 16384 серого уровни.
Определение динамического диапазона как отношения полной емкости скважины к считыванию шум не обязательно является реалистичной мерой полезного динамического диапазона, но полезен для сравнения датчиков. На практике полезный динамический диапазон меньше, потому что отклик ПЗС становится нелинейным перед полным достигнута емкость скважины и поскольку уровень сигнала равен шуму чтения неприемлемо визуально и практически бесполезно для количественного целей.Обратите внимание, что максимальный динамический диапазон не эквивалентен максимально возможное отношение сигнал / шум, хотя отношение сигнал / шум также является функция полной мощности скважины. Фотонный статистический шум, связанный с с максимально возможным сигналом, или FWC, является квадратным корнем из FWC значение, или 126 электронов, для предыдущего примера с 16000 электронами FWC. Таким образом, максимальное отношение сигнал / шум равно максимальный сигнал, деленный на шум (16000/126), или 126, квадратный корень из сам сигнал.Фотонный шум представляет собой минимальный собственный уровень шума, а также обнаружение рассеянного света и электронного (системного) шума уменьшить максимальное отношение сигнал / шум, которое может быть реализовано на практике, до значений ниже 126, так как эти источники уменьшают эффективную FWC, добавляя плату это не сигнал для колодцев.
Хотя производитель обычно оснащает камеру динамический диапазон примерно 4000, например, с 12-битным АЦП (4096 шагов оцифровки), при рассмотрении соответствие между динамическим диапазоном сенсора и возможностью оцифровки процессор.Для некоторых новейших ПЗС-камер с построчным переносом которые обеспечивают 12-битную оцифровку, динамический диапазон определяется из Шум FWC и чтения составляет примерно 2000, что обычно не требуется 12-битная обработка. Однако ряд современных дизайнов включить опцию для установки усиления на 0,5x, что позволяет полностью использовать 12-битное разрешение. Эта стратегия использует тот факт, что пиксели последовательного регистра имеют в два раза больше электронов. емкость пикселей параллельного регистра, и когда камера работает в Режим бининга 2 x 2 (обычный в флуоресцентной микроскопии), 12 бит могут быть получены изображения высокого качества.
Важно знать о различных механизмах, в которых электронным усилением можно управлять, чтобы использовать доступную битовую глубину процессора, и когда динамический диапазон разных камер по сравнению, лучший подход — вычислить значение из пикселя полная емкость лунки и шум чтения камеры. Обычно можно увидеть камеру системы, оснащенные обрабатывающей электроникой, имеют гораздо более высокую разрешение оцифровки, чем требуется внутренним динамическим диапазоном камера.В такой системе работа на обычном 1x электронном установка усиления приводит к потенциально большому количеству неиспользуемых процессоров уровни серой шкалы. Производитель камеры может применить неуказанный коэффициент усиления 2-4x, который может быть не очевиден для пользователя, и хотя эта практика действительно усиливает сигнал, чтобы использовать полной разрядности АЦП, он производит повышенный шум оцифровки, поскольку количество электронов, составляющих каждую ступеньку уровня серого, уменьшается.
Потребность в высокой битовой глубине в камерах CCD может быть поставлена под сомнение в мнение о том, что устройства отображения, такие как компьютерные мониторы и многие другие принтеры используют только 8-битную обработку, обеспечивая 256 уровней серого, и другие печатные носители, а также человеческий глаз могут обеспечить только 5-7 бит дискриминация.Несмотря на такие низкие визуальные требования, высокие побитовые камеры с большим динамическим диапазоном всегда выгодны, и необходимы для определенных приложений, особенно при флуоресценции. микроскопия. При обработке логометрических или кинетических данных изображений в количественные исследования, большее количество уровней серого позволяет свету интенсивности, которые необходимо определить более точно. Кроме того, когда выполняются несколько операций обработки изображений, данные изображения которые более точно разделены на множество шагов уровня серого, могут выдерживать большую степень математических манипуляций без деградация из-за ошибок округления.
Третье преимущество высокоразрядных систем визуализации реализуется, когда часть захваченного изображения выбирается для отображения, а область интерес охватывает только часть полного динамического диапазона изображения. К оптимизировать представление ограниченного динамического диапазона, исходный количество уровней серого обычно расширяется, чтобы занять все 256 уровней 8-битный монитор или печать. Чем выше битовая глубина камеры, тем меньше крайнее расширение и, соответственно, меньшая деградация изображения. Как Например, если выбранная область изображения занимает только 5 процентов от полной внутрисценовый динамический диапазон, это более 200 уровней серого 4096 распознается 12-битным процессором, но только 12 шагов с 8-битная (256 уровней) система.При отображении на мониторе с 256 уровнями или распечатано, 12-уровневая картинка, развернутая до такой степени, будет выглядеть пиксельные и демонстрируют блочные или контурные ступени яркости, а не плавные тональные градации.
Цветные датчики изображения CCDХотя матрицы ПЗС по своей природе не чувствительны к цвету, три разных стратегии обычно используются для получения цветных изображений с помощью камеры CCD системы, чтобы запечатлеть внешний вид образцов в микроскоп. Ранее возникшие технические трудности при отображении и печати цветные изображения больше не являются проблемой, а увеличение количества информации цвет может быть существенным.Многие приложения, такие как флуоресцентная микроскопия, исследование окрашенной гистологии и патологии срезы тканей и другие наблюдения за помеченными образцами с использованием методы светлого поля или дифференциального интерференционного контраста полагаются на цвет как важнейший компонент изображения. Получение цветных изображений с камерой CCD требует, чтобы длины волн красного, зеленого и синего цветов были изолированы цветными фильтрами, приобретаются отдельно и впоследствии объединены в составное цветное изображение.
Каждый подход, используемый для достижения цветовой дискриминации, имеет сильные стороны и слабые места, и все налагают ограничения, ограничивающие скорость, ниже временное и пространственное разрешение, уменьшение динамического диапазона и увеличение шум в цветных камерах по сравнению с полутоновыми камерами.Самый распространенный Метод состоит в том, чтобы покрыть массив пикселей ПЗС чередующейся маской красный, зеленый и синий ( RGB ) микролинзовые фильтры, расположенные по определенному шаблону, обычно мозаичному шаблону Bayer . В качестве альтернативы, с трехчиповым дизайн, изображение разделено светоделительной призмой и цветным фильтрует на три (RGB) компонента, которые захватываются отдельными ПЗС-матрицы и их выходы объединены в цветное изображение. Третий Подход представляет собой метод с последовательностью кадров , в котором используется одна ПЗС-матрица. для последовательного захвата отдельного изображения для каждого цвета путем переключения цветные фильтры, размещенные на пути освещения или перед тепловизором.
Рисунок 10 — Спектральная чувствительность ПЗС для научных исследованийОдночиповая ПЗС-матрица с прилегающей матрицей цветных фильтров используется в большинство фотоаппаратов для цветной микроскопии. Массив фильтров состоит из красного, зеленого, и синие микролинзы, нанесенные на отдельные пиксели в обычном шаблон. Мозаичный фильтр Байера распределяет цветовую информацию по четырехпиксельные сенсорные блоки, включающие один красный, один синий и два зеленых фильтры. Зеленый цвет подчеркнут в схеме распределения для лучшего соответствуют зрительной чувствительности человека и разделяют информацию о цвете среди групп по четыре пикселя лишь незначительно ухудшает разрешение.В человеческая зрительная система приобретает пространственные детали в первую очередь из яркости компонент цветовых сигналов, и эта информация сохраняется в каждом пиксель независимо от цвета. Визуально удовлетворительные изображения достигаются за счет сочетание цветовой информации низкого пространственного разрешения с монохромные детали конструкции высокого разрешения.
Уникальный дизайн цветных камер с одной ПЗС-матрицей улучшает пространственное разрешение за счет небольшого смещения ПЗС-матрицы между изображениями, снятыми в последовательность, а затем интерполяция между ними (метод, известный как смещение пикселей ), хотя получение изображения значительно замедляется из-за этого процесса.Другой подход к маскированию отдельных пикселей — быстрое перемещение массива цветных микролинз в квадратном узоре непосредственно над ПЗС-матрицей поверхность во время сбора фотонов. Наконец, недавно представленный технология объединяет три фотоэлектронных ямы в каждый пиксель на разная глубина различения длины волны фотона. Максимум пространственное разрешение сохраняется в этих стратегиях, потому что каждый пиксель предоставляет информацию о красном, зеленом и синем цвете.
Трехчиповая цветная камера сочетает высокое пространственное разрешение с быстрое получение изображений, обеспечивающее высокую частоту кадров, подходящую для быстрого последовательности изображений и видеовыход.Используя светоделитель для прямой сигнал на три фильтрованных ПЗС, которые отдельно записывают красный цвет, зеленый и синий компоненты изображения одновременно, очень высокий уровень захвата возможны скорости. Однако, поскольку интенсивность света, подаваемого на каждая ПЗС-матрица существенно уменьшена, комбинированное цветное изображение значительно тусклее, чем монохромное однокристальное изображение при сопоставимой экспозиции. К цветному изображению можно применить усиление для увеличения его яркости, но отношение сигнал / шум страдает, а изображения демонстрируют большую очевидность шум.Пространственное разрешение, достигаемое трехчиповыми камерами, может быть выше чем у отдельных ПЗС-сенсоров, если каждая ПЗС-матрица смещена на количество субпикселей относительно остальных. Поскольку красный, зеленый и синий изображения представляют собой немного разные образцы, их можно объединить программное обеспечение камеры для создания композитных изображений с более высоким разрешением. Многие микроскопия и другие научные приложения, требующие больших пространственных и временное разрешение выигрывают от использования камеры с тройной ПЗС-матрицей системы.
Цветные камеры, называемые чередующимися кадрами, оснащены моторизованным колесом фильтров или жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром ( LCTF ) для последовательного экспонирования красного, зеленого и синего компонентов изображения на одиночная ПЗС-матрица.Поскольку один и тот же датчик используется для отдельных красных, зеленых, и голубых изображений сохраняется полное пространственное разрешение чипа, и регистрация изображения выполняется автоматически. Приобретение три кадра подряд замедляют процесс получения изображения и дисплей, и правильный цветовой баланс часто требует другой интеграции раз для трех цветов. Хотя этот тип камеры обычно не подходит для захвата с высокой частотой кадров, использование быстродействующие жидкокристаллические перестраиваемые фильтры для R-G-B секвенирование может существенно увеличить скорость работы.В поляризационная чувствительность LCTF должна учитываться в некоторых приложений, поскольку они передают только один вектор поляризации, и могут изменить цвета двулучепреломляющих образцов, рассматриваемых в поляризованном свете.
Камера с зарядовой связью — обзор
27.2.1.4 Датчики изображения
С появлением твердотельных камер с высоким разрешением, таких как камера с охлаждаемой зарядовой связью (ПЗС) с медленным сканированием, теперь появляются фотопленочные камеры. заменены системами цифровой обработки изображений.ПЗС-матрицы являются наиболее часто используемыми детекторами изображений, поскольку они имеют множество преимуществ, включая больший динамический диапазон, хорошую квантовую эффективность, низкий уровень шума, линейный отклик и незначительные геометрические искажения. Камеры CCD широко используются из-за их способности захватывать изображения при слабом освещении. ПЗС-камера — это светочувствительное кремниевое твердотельное устройство. Эта технология визуализации основана на сборе фотонов на поверхности кремниевой сетки, содержащей множество ячеек или пикселей для сбора (например, сетка размером 512 × 512 пикселей).Фотоны внутри лунки впоследствии преобразуются в электрический заряд с помощью фотоэлектрического эффекта, который затем передается на преобразователь изображений для преобразования в электрический сигнал, который представляет собой интенсивность пикселя. Интенсивности для всех пикселей по сетке организованы как цифровое изображение и проецируются как один видеокадр.
Разнообразие методов обнаружения света и количество устройств формирования изображений, доступных в настоящее время исследователю [12], делают процесс выбора сложным и часто запутанным.Существует много типов датчиков изображения, и выбор часто продиктован требованиями конкретного эксперимента. Выбор камеры CCD обычно включает выбор подходящих параметров для нескольких функций. Доступны два рабочих режима: чересстрочная развертка и прогрессивная развертка. Камеры с чересстрочной разверткой сканируют изображение в два этапа, обычно нечетные и четные горизонтальные линии, а затем восстанавливают его в буфере, что уменьшает мерцание монитора. Камеры с прогрессивной разверткой передают все изображение без чересстрочной развертки.Еще одна проблема, связанная с конструкцией CCD-камер, — это количество микросхем. Одночиповые камеры генерируют цвет с помощью специализированных сенсорных областей, которые обнаруживают компоненты R (красный), G (зеленый) и B (синий), тогда как в многочиповых камерах (3CCD) используется светоделитель и R-, G- и B-чипы для обнаружения каждой цветовой составляющей. Разрешение камер с 3 ПЗС-матрицей выше, чем у однокристальных. Размер сенсора камеры определяет ее чувствительность и разрешение. Камеры CCD также имеют частоту кадров более 30 кадров в секунду и скорость цифрового вывода (обычно в циклах в секунду или Гц) в зависимости от аналого-цифрового преобразователя.ПЗС-камеры можно «охлаждать» до минусовых температур, тем самым сводя к минимуму шум и тепловые колебания, что снижает темновой ток (т. Е. Заряд, накопленный в ПЗС-матрице в отсутствие света) и обеспечивает более длительное время интегрирования для захвата изображения. Цифровой динамический диапазон или битовая глубина — еще одна важная особенность при выборе камеры CCD. Например, 8-битное изображение может хранить 256 оттенков серого, а 12-битное изображение может хранить 4096 оттенков. 12-битное изображение может показать больше деталей, чем 8-битное; а количественная оценка также более точна в 12-битных изображениях.Уровень общего шума (в децибелах или дБ) для камеры CCD обычно выражается как отношение сигнал / шум (S / N): S / N (дБ) = 20 * log (S / N). Таким образом, отношение сигнал / шум 100/1 эквивалентно 40 дБ. Из-за условий низкой освещенности, свойственных флюоресцентной визуализации, чувствительность камеры здесь более важна, чем при микроскопии проходящего света. Чтобы повысить чувствительность при наблюдении в условиях низкой освещенности, можно использовать усилители изображения, чтобы усилить свет до того, как он достигнет лицевой панели камеры. ПЗС-матрицы без усиления могут повысить чувствительность с помощью «бинирования» (или «супер-пикселизации»).Этот метод увеличивает чувствительность и частоту кадров за счет группировки яркости пикселей.
Специальные камеры особенно хорошо подходят для научных приложений в системах компьютерной микроскопии, поскольку они предлагают уникальные функции, такие как большая площадь чипа, разрешение до 4k × 4k пикселей, цифровой выход, охлаждение для уменьшения шума и темнового тока, гибкая синхронизация и полностью компьютер контроль. Поставщики CCD-камер включают Cooke Corporation (Оберн-Хиллз, Мичиган), Diagnostic Instruments (Стерлинг-Хайтс, Мичиган), Dage-MTI Inc.(Мичиган, Индиана), Optronics Inc. (Маскоги, Оклахома), Cohu Inc. (Сан-Диего, Калифорния) и Roper Scientific Inc. (Дулут, Джорджия). Cortese [12] предоставляет исчерпывающий список поставщиков камер.
Фрейм-грабберы — это компьютерные платы обработки изображений, которые захватывают и хранят данные изображения. В компьютеризированной системе микроскопии платы дигитайзера (устройства захвата кадров) обычно используются вместе с камерами CCD для оцифровки изображения микроскопа для дальнейшего анализа и постоянного хранения. Тип платы формирования изображений должен соответствовать камере с точки зрения формата сигнала, разрешения и точности.Форматы сбора данных включают RS-170, CCIR, RS-330, RS-422, NTSC, Y / C, PAL и RGB. Для устройств захвата кадров, которые могут обрабатывать выходные данные камеры в цифровом формате, важно учитывать глубину захвата входных пикселей. Под глубиной пикселя понимается количество битов, используемых для хранения уровня серого в каждом пикселе. Увеличение глубины пикселей увеличивает количество деталей, которые могут быть воспроизведены на отсканированном изображении. Фрейм-грабберы доступны в форматах с 8-, 12-, 16- и 24-битной глубиной пикселей. 8-, 12- и 16-битные устройства захвата кадров позволяют оцифровывать монохромные изображения, тогда как 24-битные устройства захвата кадров предназначены для работы с камерами RGB и могут использоваться для синхронного захвата трех монохромных видеосигналов.Фреймграбберы предоставлены Scion Corporation (Фредерик, Мэриленд), MuTech Corporation (Биллерика, Массачусетс) и National Instruments (Остин, Техас).
ПЗС и КМОП: камеры без пленки
Вместо пленки в цифровой камере есть датчик, который преобразует свет в электрические заряды.
Датчик изображения, используемый в большинстве цифровых фотоаппаратов, представляет собой устройство с зарядовой связью (CCD). В некоторых камерах используется технология комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS). Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны.Если вы читали «Как работают солнечные элементы», то уже знакомы с одной из технологий, используемых для преобразования. Упрощенный способ представить себе эти датчики — представить двумерный массив из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов.
Как только датчик преобразует свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки изображения. Вот где проявляются различия между двумя основными типами датчиков:
- ПЗС переносит заряд через чип и считывает его в одном углу массива.Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) затем превращает значение каждого пикселя в цифровое значение, измеряя количество заряда на каждом фотоэлементе и преобразовывая это измерение в двоичную форму.
- КМОП-устройства используют несколько транзисторов в каждом пикселе для усиления и перемещения заряда с помощью более традиционных проводов.
Различия между двумя типами датчиков приводят к ряду плюсов и минусов:
- ПЗС-датчики создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-сенсоры обычно более чувствительны к шумам.
- Поскольку каждый пиксель на датчике CMOS имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность кристалла CMOS ниже. Многие фотоны попадают не в фотодиод, а в транзисторы.
- КМОП-сенсоры традиционно потребляют мало энергии. ПЗС-матрицы, с другой стороны, используют процесс, который потребляет много энергии. ПЗС-матрицы потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные КМОП-матрицы.
- ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые.У них, как правило, пиксели более высокого качества и их больше.
Хотя между двумя датчиками существует множество различий, они оба играют одинаковую роль в камере — они превращают свет в электричество. Чтобы понять, как работает цифровая камера, вы можете думать о них как о почти идентичных устройствах.
ПЗС-камеры | Обсерватория национальных школ
Типичный ПЗС-чипПредоставлено: пользователь Викимедиа Sphl
ПЗС-камеры — это очень чувствительные цифровые камеры.Они построены на базе устройства C harge- C , дополненного D (или ПЗС), которое может обнаруживать фотоны (пакеты света), падающие в миллионы крошечных ведер (или пикселей) на его поверхности, а затем манипулировать ими так, чтобы что они могут быть прочитаны, сохранены и использованы для восстановления изображения, на которое смотрела камера
Другими словами, они могут создавать цифровые изображения. Эти цифровые изображения затем можно легко передавать по всему миру через Интернет и обрабатывать с помощью специального программного обеспечения для обработки астрономических данных.
Электронные микросхемы в камерах CCD очень похожи на микросхемы видеокамер и небольших цифровых фотоаппаратов. Однако, чтобы сделать их более чувствительными, их нужно хранить очень холодными — обычно ниже -100 ° C!
КамерыCCD измеряют только яркости объекта, а не его цвет (поэтому любое одноцветное изображение с Ливерпульского телескопа является черно-белым, а интенсивность света затем окрашивается!), Поэтому для этого используются специальные цветные фильтры. различать отдельные цвета e.грамм. R, V, B, H-альфа.
В астрономии камеры с ПЗС-матрицей предпочтительнее камер с датчиками изображения других типов, поскольку метод преобразования фотонов в электрический сигнал является особенным и позволяет создавать высококачественные изображения с низким уровнем шума ( высокое отношение сигнал / шум ). Это чрезвычайно важно в астрономии, так как астрономы хотят как можно больше искоренить любой источник шума, чтобы точно анализировать данные из наблюдаемого источника без каких-либо мешающих сигналов от объектов, которые не являются наблюдаемым объектом (хотя и избавляются от них). шум полностью — невыполнимая задача)В этом смысле они предпочтительнее камер CMOS (дополнительный металл-оксидный полупроводник), поскольку они более пропорционально преобразуют фотоны в электрический сигнал, так что потеря данных незначительна. Отношение фотонно-электронного преобразования называется квантовой эффективностью.
ПЗСтакже имеют тенденцию иметь больше пикселей на квадратный миллиметр на своей двумерной матрице захвата фотонов (то есть при той же площади на КМОП и ПЗС матрице ПЗС будет больше пикселей, способных улавливать фотоны). Заряд (фотоны) из каждой ячейки затем систематически уносится в усилитель заряда — устройство, которое превращает заряд в напряжение и, таким образом, воспроизводит электрический сигнал изображения, захваченного сеткой ПЗС.
Чтобы представить себе процесс более легкого считывания ПЗС-матрицы, посмотрите на приведенный ниже пример с ведрами с водой:
Изображение предоставлено: Филлип Ходж.Таким образом, пиксели не считываются все одновременно, поскольку наличие устройства для этого за каждым пикселем было бы не очень затратным или ресурсоэффективным. На самом деле ПЗС сдвигает заряд с каждого пикселя вдоль одной строки, а затем считывает одну строку, отправляя информацию о заряде в регистр считывания .Затем это повторяется для каждой строки, и изображение, которое мы видим на экране после этого, представляет собой цифровую реконструкцию с нанесенной схемой.
ПЗС-камер | Хамамацу Фотоникс
Этот веб-сайт или его сторонние инструменты используют файлы cookie, которые необходимы для его функционирования и необходимы для достижения целей, проиллюстрированных в этой политике использования файлов cookie. Закрыв баннер с предупреждением о файлах cookie, прокручивая страницу, щелкая ссылку или продолжая просмотр иным образом, вы соглашаетесь на использование файлов cookie.
Hamamatsu использует файлы cookie, чтобы сделать ваше пребывание на нашем веб-сайте более удобным и обеспечить его функционирование.
Вы можете посетить эту страницу в любое время, чтобы узнать больше о файлах cookie, получить самую последнюю информацию о том, как мы используем файлы cookie, и управлять настройками файлов cookie. Мы не будем использовать файлы cookie для каких-либо целей, кроме указанных, но обратите внимание, что мы оставляем за собой право обновлять наши файлы cookie.
Чтобы современные веб-сайты работали в соответствии с ожиданиями посетителей, им необходимо собрать определенную базовую информацию о посетителях. Для этого сайт создает небольшие текстовые файлы, которые размещаются на устройствах посетителей (компьютерных или мобильных) — эти файлы известны как файлы cookie, когда вы заходите на сайт.Файлы cookie используются для обеспечения функциональности и эффективности веб-сайтов. Файлы cookie уникально назначаются каждому посетителю и могут быть прочитаны только веб-сервером в домене, который отправил файл cookie посетителю. Файлы cookie не могут использоваться для запуска программ или доставки вирусов на устройство посетителя.
Файлы cookieвыполняют различные функции, которые делают работу в Интернете более удобной и интерактивной. Например, файлы cookie используются для запоминания предпочтений посетителей на сайтах, которые они часто посещают, для запоминания языковых предпочтений и для более эффективного перехода между страницами.Большая часть, хотя и не все, собранные данные являются анонимными, хотя некоторые из них предназначены для определения шаблонов просмотра и приблизительного географического местоположения, чтобы улучшить впечатления посетителей.
Для определенных типов файлов cookie может потребоваться согласие субъекта данных перед их сохранением на компьютере.
2. Какие бывают типы файлов cookie?
Этот веб-сайт использует два типа файлов cookie:
- Основные файлы cookie. Для нашего веб-сайта основные файлы cookie контролируются и обслуживаются Hamamatsu. Никакие другие стороны не имеют доступа к этим файлам cookie.
- Сторонние файлы cookie. Эти файлы cookie реализуются организациями за пределами Хамамацу. У нас нет доступа к данным в этих файлах cookie, но мы используем эти файлы cookie, чтобы улучшить общее впечатление от веб-сайта.
3. Как мы используем файлы cookie?
Этот веб-сайт использует файлы cookie для следующих целей:
- Для работы нашего веб-сайта необходимы определенные файлы cookie.Это строго необходимые файлы cookie, которые необходимы для обеспечения доступа к веб-сайту, поддержки навигации или предоставления соответствующего контента. Эти файлы cookie направляют вас в нужную страну и поддерживают безопасность и электронную торговлю. Строго необходимые файлы cookie также обеспечивают соблюдение ваших настроек конфиденциальности. Без этих строго необходимых файлов cookie большая часть нашего веб-сайта не будет работать.
- Аналитические файлы cookie используются для отслеживания использования веб-сайта. Эти данные позволяют нам улучшить удобство использования, производительность и администрирование нашего веб-сайта.В наших аналитических файлах cookie мы не храним никакой личной идентифицирующей информации.
- Функциональные файлы cookie. Они используются, чтобы узнать вас, когда вы вернетесь на наш сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона).
- Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили. Мы будем использовать эту информацию, чтобы наш веб-сайт и отображаемая на нем реклама соответствовали вашим интересам.Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Файлы cookie помогают нам помочь вам. С помощью файлов cookie мы узнаем, что важно для наших посетителей, а также разрабатываем и улучшаем контент и функции веб-сайта, чтобы обеспечить вам удобство использования. Доступ к большей части нашего веб-сайта можно получить, если файлы cookie отключены, однако некоторые функции веб-сайта могут не работать. И мы считаем, что ваши текущие и будущие посещения будут улучшены, если будут включены файлы cookie.
4.Какие файлы cookie мы используем?
Есть два способа управлять настройками файлов cookie.
- Вы можете установить настройки файлов cookie на своем устройстве или в браузере.
- Вы можете установить свои предпочтения в отношении файлов cookie на уровне веб-сайта.
Если вы не хотите получать файлы cookie, вы можете изменить свой браузер так, чтобы он уведомлял вас об отправке файлов cookie, или вы можете полностью отказаться от файлов cookie. Вы также можете удалить уже установленные файлы cookie.
Если вы хотите ограничить или заблокировать файлы cookie веб-браузера, установленные на вашем устройстве, вы можете сделать это в настройках своего браузера; функция справки в вашем браузере должна подсказать вам, как это сделать. Кроме того, вы можете посетить сайт www.aboutcookies.org, который содержит исчерпывающую информацию о том, как это сделать в самых разных браузерах для настольных компьютеров.
5. Что такое Интернет-теги и как мы используем их с файлами cookie?
Иногда мы можем использовать интернет-теги (также известные как теги действий, однопиксельные GIF-файлы, прозрачные GIF-файлы, невидимые GIF-файлы и GIF-файлы размером 1 на 1) на этом сайте и можем развертывать эти теги / файлы cookie через стороннего рекламного партнера. или партнер по веб-аналитике, который может находиться и хранить соответствующую информацию (включая ваш IP-адрес) в другой стране.Эти теги / файлы cookie размещаются как в онлайн-рекламе, которая приводит пользователей на этот сайт, так и на разных страницах этого сайта. Мы используем эту технологию для измерения откликов посетителей на наши сайты и эффективности наших рекламных кампаний (в том числе, сколько раз открывается страница и с какой информацией обращаются), а также для оценки использования вами этого веб-сайта. Сторонний партнер или партнер службы веб-аналитики может собирать данные о посетителях нашего и других сайтов с помощью этих интернет-тегов / файлов cookie, может составлять для нас отчеты о деятельности веб-сайта и может предоставлять дополнительные услуги, связанные с использование веб-сайта и Интернета.Они могут предоставлять такую информацию другим сторонам, если это требуется по закону или если они нанимают другие стороны для обработки информации от их имени.
Если вы хотите получить дополнительную информацию о веб-тегах и файлах cookie, связанных с онлайн-рекламой, или отказаться от сбора этой информации третьими лицами, посетите веб-сайт Network Advertising Initiative http://www.networkadvertising.org.
6. Аналитические и рекламные файлы cookie
Мы используем сторонние файлы cookie (например, Google Analytics) для отслеживания посетителей нашего веб-сайта, получения отчетов о том, как посетители используют веб-сайт, а также для информирования, оптимизации и показа рекламы на основе чьих-либо прошлых посещений нашего веб-сайта.
Вы можете отказаться от файлов cookie Google Analytics на веб-сайтах, предоставленных Google:
https://tools.google.com/dlpage/gaoptout?hl=en
Как предусмотрено в настоящей Политике конфиденциальности (статья 5), вы можете узнать больше о файлах cookie отказа на веб-сайте Network Advertising Initiative:
http://www.networkadvertising.org
Сообщаем вам, что в этом случае вы не сможете полностью использовать все функции нашего веб-сайта.
CCD, EMCCD или sCMOS, какая камера лучше всего подходит для моих исследований? — Oxford Instruments
Основные виды высокопроизводительной научной камеры включают:
— Популярная камера с зарядовой связью — ПЗС-камера ,
— Электронно-умножающая камера с зарядовой связью — EMCCD-камера ,
— дополнительная камера с металл-оксид-полупроводником — sCMOS-камера и;
— ПЗС-камера с усиленным изображением — Камера ICCD .
В первых трех детекторах фотодатчик на кремниевом диоде (часто называемый пикселем) подключен к области накопления заряда, которая, в свою очередь, подключена к усилителю, который считывает количество накопленного заряда. Падающие фотоны генерируют электронные заряды, которые хранятся в области накопления заряда. Если падающие фотоны обладают достаточной энергией и поглощаются в обедненной области, они высвобождают электрон, который может быть обнаружен как заряд. Свойства пропускания и поглощения кремния затем определяют спектральный отклик детектора, и это объясняется далее в другом разделе.
В ПЗС обычно имеется только один усилитель в углу всего массива, и накопленный заряд последовательно передается через параллельные регистры в линейный последовательный регистр, а затем в выходной узел, расположенный рядом с усилителем считывания. ПЗС-датчики были впервые разработаны в конце 60-х годов, и сейчас технология является относительно зрелой. Характеристики ПЗС раздвинули границы эффективности обнаружения света и снижения шума от темнового сигнала или считывания усилителя.Одним из недостатков ПЗС-матрицы является тот факт, что ПЗС-матрица по сути является устройством последовательного считывания, а низкая шумовая характеристика достигается только за счет низкой скорости считывания. КМОП-камеры могут обеспечивать высокую частоту кадров при умеренной чувствительности.
В детекторах CMOS каждый отдельный фотосенсор или, чаще всего, каждый столбец фотодатчиков имеет связанный с ним усилитель. Ряд пикселей может считываться параллельно со строкой, выбранной регистром адресации, или отдельный пиксель может быть выбран мультиплексором столбцов.Устройство CMOS — это, по сути, устройство параллельного считывания и поэтому может обеспечить более высокую скорость считывания, особенно необходимую для приложений обработки изображений. Однако технология детекторов CMOS все еще нуждается в значительном развитии, чтобы конкурировать с CCD за производительность в научных приложениях. Для обеспечения параллельного считывания КМОП-усилитель использует несколько усилителей, каждый со своим коэффициентом усиления, линейностью и шумовыми характеристиками. Компенсация изменений в современных КМОП-устройствах затруднена в широком диапазоне уровней освещенности и с точностью, необходимой для научных приложений.Камеры EMCCD обеспечивают высокую скорость считывания и высокую чувствительность.
EMCCD имеет по существу ту же структуру, что и ПЗС-матрица с добавлением очень важной особенности. Сохраненный заряд передается через параллельные регистры в линейный регистр, как и раньше, но теперь перед считыванием в выходном узле заряд сдвигается через дополнительный регистр, регистр умножения, в котором заряд усиливается. Таким образом, сигнал может быть усилен выше шума считывания усилителя, и, следовательно, EMCCD может иметь более высокую чувствительность, чем CCD.
EMCCDиспользуют структуру, аналогичную ПЗС-матрице, и имеют аналогичные ограничения в отношении минимального времени экспонирования, которого они могут достичь. Камеры с усиленной ПЗС-матрицей могут достигать сверхкороткого времени выдержки.
В усилителе изображения светочувствительная поверхность (фотокатод) улавливает падающие фотоны и генерирует электронные заряды, которые воспринимаются и усиливаются.
Фотокатод по своей природе аналогичен фоточувствительной области фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), которые широко используются в конфокальных микроскопах и спектрометрах.Когда фотоны падают на фотокатод, они используют энергию падающих фотонов для высвобождения электронов. Освободившиеся электроны затем ускоряются в направлении электронного умножителя, состоящего из ряда наклонных трубок, известных как пластина с микроканальными каналами. Под ускоряющим потенциалом высокого напряжения падающие электроны получают достаточно энергии, чтобы сбить дополнительные электроны и, следовательно, усиливают исходный сигнал
Этот сигнал затем может быть обнаружен несколькими способами: либо прямым обнаружением с использованием ПЗС (также называемого устройством электронной бомбардировки с зарядовой связью EBCCD), либо косвенно с помощью люминофора и ПЗС.
ICCD может обеспечить короткое время экспозиции за счет использования импульсного напряжения затвора между фотокатодом и МКП. Путем приложения небольшого положительного напряжения электроны, высвобождаемые фотокатодом, могут быть подавлены и, следовательно, не обнаружены. При переключении напряжения на отрицательное напряжение электроны с фотокатода ускоряются через зазор к MCP, где они могут быть усилены и обнаружены. Таким образом, подавая подходящий короткий импульс напряжения, усилитель можно эффективно включать и выключать с субнаносекундными интервалами.Камеры ICCD находят применение в приложениях, где требуется короткое время экспозиции или стробирования, например, LIB или исследования горения.
Выбор камеры
КамерыCCD — это камера, которую выбирают для большинства научных приложений, требующих чувствительности или динамического диапазона. Огромный диапазон вариантов ПЗС-сенсоров дает возможность выбрать сенсор с лучшими общими характеристиками для различных применений, от астрономии до спектроскопии. Технология CCD является относительно зрелой, в то время как технология CMOS все еще нуждается в серьезном развитии, чтобы конкурировать с CCD в научных приложениях.
Камера EMCCD лучше всего работает в приложениях, когда требуется высокая чувствительность в сочетании с высокой скоростью, например, в флуоресцентной микроскопии или сверхбыстрой спектроскопии. EMCCD — относительно новая технология, и в настоящее время существует довольно ограниченный диапазон доступных форматов датчиков. Ожидается, что в ближайшие годы эти датчики будут становиться все быстрее по мере появления все большего числа доступных форматов. Гибридные датчики, сочетающие в себе технологии CCD и CMOS, потенциально могут обеспечить производительность, превосходящую характеристики массовых детекторов CCD или CMOS.Они выглядят лучше в долгосрочной перспективе, но все еще требуется значительный объем разработки, прежде чем они станут коммерчески жизнеспособными. В частности, для преодоления проблем, связанных с компенсацией вариации нескольких усилителей.
Многие принципы, применимые к ПЗС-матрицам, также применимы к другим форматам камер. В следующем разделе мы рассмотрим характеристики CCD, а затем более подробно рассмотрим EMCCD и ICCD в следующих разделах и подчеркнем, чем отличаются их характеристики.
CCD (пикселей) и основы обработки изображений | Узнайте о машинном зрении | Основы машинного зрения
CCD (пиксель) и основы обработки изображений
Обработка изображений относится к способности захватывать объекты на двухмерной плоскости. Это привело к тому, что обработка изображений широко используется в автоматизированных проверках как альтернатива визуальным проверкам. В этом разделе представлены датчики CCD (пиксели) — основа обработки изображений — и основы обработки изображений.
Изучите основы обработки изображений в автоматизации производства !
Эта публикация предлагает систематический подход к машинному зрению, начиная с введения в обработку изображений и заканчивая подробной информацией о различных проверках.
Скачать
Датчик изображения CCD
Цифровая камера имеет почти такую же структуру, что и обычная (аналоговая) камера, но разница в том, что цифровая камера оснащена датчиком изображения, называемым ПЗС-матрицей.Датчик изображения похож на пленку в обычной камере и фиксирует изображения в виде цифровой информации, но как он преобразует изображения в цифровые сигналы?
CCD обозначает устройство с зарядовой связью, которое представляет собой полупроводниковый элемент, преобразующий изображения в цифровые сигналы. Это ок. 1 см по высоте и ширине и состоит из маленьких пикселей, выровненных как сетка.
При съемке фотоаппаратом свет, отраженный от цели, проходит через линзу, формируя изображение на ПЗС-матрице.Когда пиксель на ПЗС-матрице получает свет, генерируется электрический заряд, соответствующий интенсивности света. Электрический заряд преобразуется в электрический сигнал для получения интенсивности света (значения концентрации), принимаемого каждым пикселем.
Это означает, что каждый пиксель представляет собой датчик, который может определять интенсивность света (фотодиод), а ПЗС-матрица на 2 миллиона пикселей представляет собой набор из 2 миллионов фотодиодов.
Фотоэлектрический датчик может обнаруживать присутствие / отсутствие цели заданного размера в заданном месте.Однако одиночный датчик неэффективен для более сложных приложений, таких как обнаружение целей в различных положениях, обнаружение и измерение целей различной формы или выполнение общих измерений положения и размеров. ПЗС-матрица, представляющая собой совокупность от сотен тысяч до миллионов датчиков, значительно расширяет возможности применения, включая четыре основные категории приложений на первой странице.
Использование пиксельных данных для обработки изображений
В последнем разделе этого руководства кратко описывается метод, при котором интенсивность света преобразуется в полезные данные каждым пикселем, а затем передается в контроллер для обработки.
Индивидуальные данные пикселей (в случае стандартной черно-белой камеры)
Изображение 256 уровней яркостиВо многих видеодатчиках каждый пиксель передает данные на 256 уровнях (8 бит) в зависимости от интенсивности света. При монохромной (черно-белой) обработке черный считается равным «0», а белый — «255», что позволяет преобразовать интенсивность света, принимаемого каждым пикселем, в числовые данные. Это означает, что все пиксели ПЗС-матрицы имеют значение от 0 (черный) до 255 (белый).Например, серый цвет, содержащий ровно половину и половину белого и черного, преобразуется в «127».
Изображение представляет собой набор данных с 256 уровнями
Данные изображения, захваченные с помощью ПЗС, представляют собой набор данных пикселей, составляющих ПЗС, и данные пикселей воспроизводятся как данные контраста с 256 уровнями.
- Необработанное изображение
- Когда изображение слева представлено размером 2500 пикселей
- Глаз увеличен и представлен в виде 256-уровневых данных. Глаз имеет значение 30, что почти черный, а окружающая область имеет значение 90, что ярче 30.
Как и в приведенном выше примере, данные изображения представлены значениями от 0 до 255 уровней на пиксель. Обработка изображения — это обработка, при которой обнаруживаются особенности изображения путем вычисления числовых данных на пиксель с помощью различных методов вычисления, как показано ниже.
Пример: проверка пятен / дефектов
Область проверки делится на небольшие области, называемые сегментами, и средние данные интенсивности (от 0 до 255) в сегменте сравниваются с данными окружающей области.В результате сравнения пятна с более чем заданной разницей интенсивности обнаруживаются как пятна или дефекты.
Средняя интенсивность сегмента (4 x 4 пикселя) сравнивается с интенсивностью окружающей области. В приведенном выше примере пятна обнаруживаются в красном сегменте.
Краткое изложение основ ПЗС и обработки изображений
Машинное зрение может обнаруживать области (количество пикселей), положения (точки изменения интенсивности) и дефекты (изменение интенсивности) с 256 уровнями данных интенсивности на пиксель датчика изображения CCD.