Камеры видимого диапазона

22 Марта 2014 0:00

// Статьи

Цифровая камера - это электронно-оптическое устройство, которое способно зарегистрировать, обработать и передать изображение (или видеопоток) по стандартному протоколу данных.

Цифровая камера - это электронно-оптическое устройство, которое способно зарегистрировать, обработать и передать изображение (или видеопоток) по стандартному протоколу данных.
Блок-схема камеры

Блок	Элементы блока
Видео сенсор	КМОП-матрица	ПЗС-матрица
Управление сенсором	Тактовые генераторы Схема питания	Драйвера H-, V-регистров Тактовые генераторы Схема питания
Предварительная аналоговая обработка	Отсутствует	Предварительный усилитель АЦП Элементы питания Схема тактирования
Сигнальная обработка	ПЛИС ЦСП Память Схема управления интерфейсом
Передача данных	Схема интерфейса USB Схема интерфейса Ethernet Camera link Fire wire (IEEE1394)

Объектив

Объектив - это оптическое устройство, состоящее из набора линз и затвора и которое служит для проецирования изображения на светочувствительную матрицу. Затвор, или иначе диафрагма, применяется для механической регулировки освещённости матрицы, а также для перекрытия излучения при использовании некоторых типов ПЗС-матриц.

Характеристики объектива:

Фокусное расстояние - это расстояние от объектива до плоскости, где проецируемое изображение имеет наибольшую резкость.
Светосила - величина, характеризующая степень ослабления объективом светового потока.
Уровень оптических искажений - это величина погрешности изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе.
Разрешающая способность - это характеристики объектива, отображающие его свойства по передаче чёткого изображения.
Угол зрения - это угол, который образуют лучи, соединяющие заднюю точку объектива и диагональ кадра.
Тип крепления (самые распространенные стандарты С- и CS-mount). Отверстия CS- и C-mount имеют одинаковый диаметр 25,4 мм (1") и шаг резьбы 0,794 мм (1/32"). В стандарте C-mount расстояние от объектива до матрицы 17,526 мм. В стандарте CS-mount это расстояние меньше на 5 мм, и равняется 12,526 мм. Существуют переходные пятимиллиметровые кольца с CS-mount на C-mount. Помимо этого есть другие типы креплений, например байонет (штыковое крепление) или T/T2-mount.
Наличие электроприводов.
Электромоторы могут применяться:
- Для регулировки фокусного расстояния;
- Для настройки резкости;
- Для управления диафрагмой.

Элементы камеры

Сенсор служит для преобразования светового сигнала в электрический. Выполняется он на основе одного из двух типов матриц: КМОП или ПЗС. ПЗС-матрицы используются в профессиональном оборудовании, где требуются высокое качество изображения и низкий уровень шумов. В свою очередь КМОП-матрицы применяются в серийных устройствах с небольшой стоимостью и низким/средним качеством картинки. Технология изготовления КМОП фоточувствительных сенсоров стремительно развивается, постепенно отбирая часть рынка у ПЗС-матриц.
Схема управления сенсором служит: для передачи зарядов по вертикальному и горизонтальному регистрам (в случае ПЗС-матрицы), или же исключительно для тактирования и питания сенсора (в случае КМОП-матрицы).
В ПЗС для считывания заряда к каждому из регистров подается переменный сигнал, состоящий из нескольких фаз. В то время как КМОП управляется лишь командами от блока обработки и грубой схемой тактирования (по сравнению с ПЗС). Поэтому можно утверждать, что требования к управляющей электронике ПЗС-матрицы выше, нежели в КМОП.
Предварительная аналоговая обработка служит для передачи данных от сенсора на плату сигнальной обработки, и может состоять из усилителя, АЦП и вторичного источника питания. Следует учесть, что нет необходимости использовать все перечисленные выше компоненты при обработке сигнала с КМОП-матрицы, которая уже обладает всем этим на аппаратном уровне.
Сигнальная обработка используется для преобразования информации, полученной от схемы предварительной обработки и отправки ее в блок передачи данных. Основными элементами схемы сигнальной обработки являются ПЛИС или ЦСП.
Блок передачи данных осуществляет обмен данными по стандартному интерфейсу.

Программные интерфейсы:

USB
Ethernet
Camera link
IEEE1394

Физические среды передачи данных:

Витая пара
Оптоволокно

В Ethernet возможна реализация POE (Power of Ethernet) - подача постоянного напряжения питания по проводам передачи данных;

Программные/аппаратные функции

Некоторые программные функции, которые могут быть реализованы в КМОП-сенсоре, в блоке сигнальной обработки или на компьютере:

Сжатие (H.264, MPEG, MJPEG);
Увеличение динамического диапазона (HDR);

Бининг - программное объединение нескольких пикселей в один, что приводит к снижению разрешения, но при этом позволяет увеличить частоту кадров и чувствительность. Ниже приведена схема бининга 3х2;

бининг.jpg

Автоматическая коррекция основных параметров сенсора: коэффициент усиления, времени экспозиции, баланс белого и т. д.;
Прореживание (англ. Sub-Sampling) - исключение из обработки части строк и столбцов изображения, ниже приведён наглядный пример;