SEMINARSKI RAD SENZORI DIGITALNIH KAMERA

Transcript

1 UNIVERZITET U ZENICI PEDAGOŠKI FAKULTET U ZENICI ODSJEK MATEMATIKA I INFORMATIKA SEMINARSKI RAD SENZORI DIGITALNIH KAMERA Zenica, februar 2007.

2 SADRŽAJ 1. UVOD ŠTA JE TO SENZOR? POJAM DIGITALNE KAMERE I DIGITALNE FOTOGRAFIJE PIKSEL SENZORI DIGITALNIH KAMERA CCD SENZORI CMOS SENZORI KVALITET SLIKE I PRIMJENA SENZORA LITERATURA

3 1. UVOD 1.1. ŠTA JE TO SENZOR? Senzori su uređaji koji 'preobličavaju' (engl. transducers) signal, iz veličine koja nas zanima (temperatura, magnetsko polje/indukcija, svjetlost...) u neku veličinu koja je pogodna za mjerenje (otpor, generirani napon ili struja,...). Postoji više vrsta senzora. Jedna podjela je prema ulaznoj veličini koju senzor preobličava u neku veličinu pogodnu za mjerenje. Tako imamo optičke senzore, akustičke, senzore pokreta i dr. Za svaki senzor treba da postoji i baždarna krivulja - tablica ili slika, na kojoj se može očitati npr. kojoj temperaturi odgovara otpor od 100 oma platinskog termometra. Nas će u nastavku zanimati optički senzori. Ovi senzori zapravo 'preobličavaju' intenzitet svjetlosti u induciranu struju, napon ili otpor, a zasnivaju se na funkcioniranju pn spoja. Naime, može se napraviti takav pn čije karakteristike ovise o intenzitetu i frekvenciji/boji svjetlosti kojom ga obasjavamo POJAM DIGITALNE KAMERE I DIGITALNE FOTOGRAFIJE Fotografija je tehnika digitalnog ili hemijskog zapisivanja prizora iz stvarnosti na sloju materijala koji je osjetljiv na svjetlost koja na njega pada. Riječ je grčkog porijekla i nastala je kao složenica dvije riječi phos ("svjetlo"), te γραφις graphis ("pero", "kist") ili γραφη graphê, koje zajedno znače crtanje pomoću svjetla. Već iz ove definicije se može vidjeti koliko fotografija ima ulogu u savremenom svijetu. Potreba da se slika iz stvarnog života prenese na neki papir i kasnije koristi je velika. Identifikacija osoba, video nadzori u većim objektima, satelitske fotografije reljefa i oblaka su samo neke od primjena fotografije. Za dobijanje fotografije se koriste uređaji koji se zovu fotoaparati i kamere. Moderne kamere su obično multifunkcionalne sa nekim uređajem koji može zapisivati zvuk i/ili video, kao i fotografiju. 3

4 Riječ kamera je latinskog porijekla (Camera obscura - lat. "mračna komora" ili "zamračena prostorija") i označava kutiju (svjetlonepropusna opna bilo kakvog oblika) čije unutrašnje plohe ne dopuštaju odraz svjetlosnih zraka (moraju biti obojene crnom mat bojom ili još bolje, prekrivene crnim filcom). Na stijenki kutije izbušena je rup(ic)a. Kroz taj sitan otvor ("mlaznicu svjetla") svjetlosne zrake izvana ulaze u mračnu komoru i projiciraju sliku motiva pred kamerom po čitavoj unutrašnjosti komore. Ukoliko se u mračnu komoru stavi fotoosjetljiva ploha, tj. list materijala koji je osjetljiv na svjetlo, a koji može biti hemijski (npr. "fotografski film" ili "foto papir") ili digitalni ("senzor"), može se napraviti snimka motiva. Tradicionalna fotografija poprilično je sputavala fotografe što su radili daleko na terenu (naročito novinarske dopisnike), jer nisu imali laboratorij za razvijanje filma u blizini, što je bilo nužno da bi se slika mogla vidjeti. Kako je televizija sve više napredovala i pružala sve veću konkurenciju, fotografije su se sve brže morale dostavljati u novine. Fotoreporteri na udaljenijim lokacijama nosili su minijaturni foto-laboratorij sa sobom; također i neka sredstva prenošenja slike preko telefonskih žica. Ovo je dovelo do pojave digitalnih fotografija i razvoj digitalnih kamera i fotoaparata koje danas možemo naći u različitim veličinama i oblicima - od laganih koje možemo nositi u džepu do onih čija masa iznosi nekoliko kilograma. Umjesto uobičajenih filmova, ove kamere koriste senzore slike za hvatanje podataka o slici. Postoje dvije vrste senzora za digitalne kamere: CCD (cherged-couple device uređaj sa spregnutim naelektrisanjem) i CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Sensor - komplementarni metaloksidni poluprovodnici). Svaki od senzorskih elemenata pretvara svjetlost u napon proporcionalan njenom sjaju; taj se napon onda propušta kroz analognodigitalni konvertor koji prevodi fluktuacije u CCD uređaju u diskretni binarni kôd (vidjeti sliku 1). Digitalni izlaz analogno-digitalnog konvertora se šalje u digitalni procesor signala (DSP - digital signal processor) koji podešava kontrast i detalje te komprimuje sliku prije nego što je uputi u memorijski medijum. Slika dobivena na ovaj način se naziva digitalna fotografija. Što je sjajnija svjetlost, koja pada na senzor, to je napon viši i odgovarajući piksel je svjetliji (o pikselu vidjeti narednu sekciju). Što ima više elemenata, veća je rezolucija i može da se registruje više detalja. Cijeli proces je vrlo udoban za korisnika. Rad je olakšan, jer nema potrebe za premotavanjem filma između dva kalema. CCD ili CMOS senzori fiksirani su na jednom mjestu, a broj pokretnih dijelova u kameri sveden je na najmanju mjeru. 4

5 Slika 1. Digitalni fotoaparati (slika 2.) se mogu priključiti na PC sa odgovarajućim kablom i konektorom. Najčešće je to USB. Snimljena slika se može obrađivati pomoću odgovarajućeg programa, kao što je Photoshop. Postoje i fotoaparati koji mogu da snimaju kratke video sekvence, pa oni mogu u izvesnom smislu zamijeniti web video kamere. Digitalni fotoaparati omogućuju pregled snimaka na licu mjesta (bez razvijanja), što znači da fotograf može lako uočiti greške kod snimanja i ispraviti ih dok još nije prekasno. Pošto se slike mogu i brisati, može se snimati mnogo uzastopnih slika s malim razlikama, izbrisati loše i sačuvati samo uspješne. Kod klasičnih fotoaparata to bi bilo preskupo. Možete i odabrati samo neke fotografije koje ćete ispisati na papir (ako ih uopće želite ispisivati). Ako imate računalo sa pisačem, nije potrebno fotografije nositi u foto-studio - one se mogu ispisati i kod kuće. Također, fotografije se na računalu mogu i obraditi te poboljšati (npr. pooštriti, kontrolirati kontrast, svjetloću, intenzitet boje...). Slika 2. 5

6 1.3. PIKSEL Piksel je kovanica od picture element, element slike, odnosno nositelj informacije. Piksel (Picture Element) je najmanja jedinica digitalne slike (Slika 3). Boja piksela određena je ''receptom'' koji koristi tri sastojka: crvenu, zelenu i plavu boju. Piksel započinje svoj život na senzoru kamere u onom kratkom trenutku kad je zatvarač objektiva otvoren. Veličina svake svjetloosjetljive površine (fotodiode) na senzoru (CCDu) je mjerljiva, ali pixel kao takav samo je naboj pretvoren u digitalni broj. Kako pikseli nemaju svoju fizičku veličinu ili oblik - veličina senzora se prikazuje kao broj koji opisuje ukupan iznos fotodioda na površini senzora (CCD-a ili CMOSa). Veličina se prikazuje na jedan od dva moguća načina - kao veličina senzora u pikselima ili kao ukupan broj piksela na senzoru. Krajnja slika se sastoji od milijona piksela koje spojene u cjelinu daju sliku snimljenog objekta. Slika 3. Primjer piksela U analognom, filmskom svijetu, također postoje takvi nositelji informacije, ali se tamo ne zovu pikseli, nego zrna (grain). Ta dva svijeta imaju više sličnosti nego razlika; i u jednom i u drugom, postoje ovisnosti između količine šuma (odnosno, zrnatosti filma) i osjetljivosti na svjetlost, i pravilo je da manja osjetljivost daje veću kvalitetu slike. U digitalnom svijetu se to postiže postavljanjem pojačala koje procesira signal sa senzora na manju osjetljivost, a u analognom svijetu izborom filma manje osjetljivosti i sitnije granulacije zrna. 6

7 2. SENZORI DIGITALNIH KAMERA 2.1. CCD SENZORI CCD tehnologija je otkrivena šezdesetih godina prošlog vijeka, kada je bio trend u tehnici traženje jeftinih rješenja za proizvodnju memorijskih uređaja. U Bellovim laboratorijama godine Willard Boyle i George Smith su uspeli da memorišu podatke pomoću CCD uređaja. Prvi CCD uređaj za stvaranje slike, u formatu 100x100 piksela, napravljen je godine u firmi Fairchild Electronics. Slijedeće godine, uređaj je upotrebljen u TV kamerama za komercijalno emitovanje i uskoro je zauzeo glavno mjesto u konstrukcijama teleskopa, digitalnih kamera i uređajima za rad sa slikama. CCD je poluvodički uređaj (Slika 4), senzor (čip) osjetljiv na svjetlo koji se koristi za hvatanje svjetla koje pada na njega tijekom fotografiranja. Sastavljen je od miliona fotoosjetljivih ćelija koje se nazivaju fotodiode i koje tvore piksele. Fotodiode su napravljene od silicijuma. Kada čestice svjetlosti (fotoni) padnu na fotodiode, one unesu dovoljne energije da se emituju negativno naelektrisani elektroni (faza eksplozije). Što više svjetlosti padne na fotodiodu, to je više slobodnih elektrona na raspolaganju. Svaka fotodioda ima na sebi električni kontakt i kada se na njega priključi napon, silicijum ispod fotodiode može da prihvata slobodne elektrone, pa se ponaša kao njihovo skladište. Na taj način, svaka fotodioda ima posebnu količinu naelektrisanja koja joj je pridružena; što je to naelektrisanje veće, veći je intenzitet sjaja odgovarajućeg piksela. Naelektrisane čestice ulaze i zatim izlaze iz registra za očitavanje (Slika 5). Registar ne može raditi sa milijonima električnih impulsa u isto vrijeme, već procesira samo jedan red piksela sa foto senzora. Nakon toga te se informacije brišu, a njihovo mjesto zauzima sljedeći red piksela, pošto je naelektrisanje svakog reda "spregnuto" sa sljedećim i to ima efekat povlačenja sljedećeg iza njega. To se ponavlja dok se god ne snime podaci od svakog reda piksela. Signali se zatim propuštaju kao analogni signal što je moguće više oslobođen od šuma - do pojačivača, a zatim na analogno-digitalni konvertor. Slika 4. 7

8 Slika 5. Postoje tri tipa arhitekture CCD senzora: full frame, full frame frame transfer i interline. Ako gore spomenuto slijedno pomicanje naelektrisanja nije dovoljno brzo, kod full frame-a mogu se javiti vertikalne mrlje na slici jer iako je ćelija trenutno "zaposlena" pomicanjem naboja, ona i dalje nastavlja skupljati fotone. To zapravo znači da CCD ne može skupljati svjetlost za vrijeme očitavanja. No za primjenu u npr. astronomiji koristi se frame transfer CCD. On ima skrivene ćelije kojih ima isti broj koliko i izloženih svjetlu. Kad završi faza ekspozicije, naboj se premješta u taj skriveni dio i tu u miru može biti pročitan. Za vrijeme očitavanja slobodne ćelije i dalje skupljaju fotone, a to znači da se faza ekspozicije i očitavanja odvijaju paralelno. No i taj tip CCD-a ima svoj nedostatak, a to je dvostruko veći senzor Ono što većina korisnika digitalnih fotoaparata i videokamera ne zna, svjetlosni senzor nije osjetljiv na boje, već samo na nijanse sivog. Da bi se dobila fotografija u boji, koriste se kolor filtri ispred svakog piksela, i to najčešće u RGB slijedu (crveni, zeleni, plavi). CCD uređaj radi na principu ljudskog oka, pa je udio zelenih filtera u odnosu na crvene i plave dva puta veći. Kako piksel može da predstavlja samo jednu boju, prava boja se pravi uprosječavanjem intenziteta svjetlosti na susjednim pikselima. Svaki piksel sakupi samo 1/3 informacije o bojama ali kako milijuni pixela rade zajedno tako je konačna fotografija normalna za ljudsko oko. Taj proces poznat je kao interpolacija boja. Izmjereni intenzitet svjetla po ćeliji dijeli se na 256 nivoa sjajnosti. Na taj način svaki kompozitni piksel daje nijansi boja, tako da je moguć istinski rad u boji. 8

9 FILTERSKA MREŽA Filter je zalijepljen na sloj fotosenzora tako da se svaki filter nalazi tačno iznad senzora. Slika 6. RAZDVAJANJE BOJA Filteri propuštaju uglavnom vlastitu boju, ali i nešto drugih boja. Npr. plavi filter uz plavu propušta malo zelene Slika 7. PODACI O BOJI PRIJE INTERPOLACIJE Kako bi se stvorila slika, softver analizira tri mreže boje i iz njih izračunava međuvrijednosti boja. To je proces interpolacije. Slika 8. Postoji dva tipa CCD-ova: jedan za video kamere i drugi za filmske kamere. CCD-ovi za video aplikacije imaju pravougaone ćelije i filtrirani su zelenoplavim (eng. cyan), svjetlo ljubičastim (eng. magenta) i žutim filtrima. Dodavanjem staklenog sloja konvencionalnoj konstrukciji uređaja sa spregnutim naelektrisanjem (CCD), firma Fujifilm je razvila nov, radikalno drugačiji CCD sa većim, osmougaono oblikovanim fotodiodama, smještenim pod uglovima od 45º, umjesto standardnog kvadratnog oblika. Ovaj nov raspored služi da bi se izbjegao šum signala koji je ranije postavljao ograničenje u gustini fotodioda u CCD uređaju, što obezbjeđuje poboljšanu 9

10 reprodukciju boja, širi dinamički opseg i povećanu osetljivost. Sve ovo ima za rezultat oštriju digitalnu sliku sa više boja. Već je rečeno da digitalna kamera stvara sliku pomoću senzora koji sadrži matricu osjetnih elemenata (fotodioda). Proizvod broja elemenata po horizontali i vertikali daje rezoluciju senzora. Na primjer, senzor koji ima rezoluciju 1280x1024 piksela ima piksela, odnosno 1.3 megapiksela (MP). Za kvalitetan otisak na foto-papiru u dimenzijama 12x9 cm, 300 DPI (tačaka po inču), dovoljna je rezolucija od 1400x1100 piksela, odnosno 1.5 MP. Za kvalitetan otisak na A4 formatu u 300 DPI, potrebno je otprilike 3500x2480 piksela, odnosno 8.7 MP. To su teoretske vrijednosti koje nešto znače jedino ako dajete sliku u offset tisak. Realno, s rezolucijom 800x600 moguće je dobiti pristojan otisak na 12x9 formatu, a s 3.2 MP dobit ćete sliku izvrsne kvalitete na A4 formatu. Za prikaz na ekranu, potrebna vam je zapravo prilično mala rezolucija, tako da će 2 MP zadovoljiti za prikaz na 1600x1200 ekranskoj rezoluciji 2.2. CMOS SENZORI CMOS je najznačajnij klasa integralnih kola. CMOS čip obuhvača mikroprocesor, mikrokontrolor, statički RAM i druga logička kola (Slika 9). CMOS je godine izumio Frank Wanlass iz tvrtke Fairchild Semiconductor. Prvi integrirani sklopovi s CMOS-om pojavili su se Nešto kasnije su se počeli primjenjivati kao senzori u fotoaparatima. To su zapravo bili pasivni senzori koji su patili od visokog šuma i sporog očitavanja signala. Od 1998 godine CMOS tehnologija se koristi za različita analogna kola kao senzori slika, konvertori podataka, i visoko integrisani transveri za mnoge tipove podataka. CMOS je skračenica od complementary-symmetry metal oxide semiconductor. Riječ complementary-symmetry se odnosi na činjenicu da dizajn koristi komplementarne i simetrične parove p-type i n-type MOSFETs-a za logičke funkcije. Slika 9. CMOS čip Slika 10. Statički CMOS izmjenjivački uređaj 10

11 Rad CMOS senzora je sličan radu CCD senzora. Osnovna razlika između CCD senzora i CMOS senzora se nalazi u fazi očitavanja. Naime, za razliku od CCD senzora, CMOS senzor za svaki piksel posebno ima ugrađeno pojačalo (slika 11). Ovaj senzor se naziva aktivni senzori (Active Pixel Sensor APS). Pasivni senzori su imali pojačala samo na svakom stupcu. Pošto svaki piksel ima svoje pojačalo, to se podaci sa svih piksela obrađuju u istom trenutku. Ovaj proces omogućava veću brzinu pohrane zapisa pa samim time i više snimljenih slika u sekundi. Budući da je kod CMOS senzora svakom pikselu pridruženo pojačalo, to poskupljuje proizvodnju pa se samim time takvi senzori ugrađuju u bitno skuplje polu profesionalne i profesionalne aparate. Zbog povećanja prodaje digitalnih aparata (masovne proizvodnje) cijena proizvodnje CMOS se smanjuje i sve više digitalnih aparata nižeg cjenovnog razreda koristi ove foto senzore. Slika 11. Dvije najvažnije karakteristike CMOS uređaja su visoka imunost na šumove i mala potrošnja energije. Za pretvorbu akumuliranog naboja s ćelije u električni signal CMOS troši i deset puta manje energije nego CCD, zbog čega je na ćelijama CMOS-a naboj manji. Zbog toga svaka ćelija CMOS-a sadrži i svojevrsno pojačalo koje CCD-u ne treba odmah, ali on zato mora sadržavati odvojeni modul za pojačavanje signala. Pojedinačno pojačalo kraj svake ćelije manji je potrošač od modula za pojačavanje kojeg koristi CCD, pa je s CMOS-om moguće uz manje energije proizvesti sliku jednake rezolucije, i uz to za manje vremena. CCD također mora imati i odvojeni modul za procesiranje signala, odvojeni modul za AD konverziju itd. Iz ovoga je vidljivo da je CCD puno veći potrošač energije od 11

12 CMOS-a, čak i do 100 puta, a i proces izrade cijelog fotoaparata je zbog tih modula skuplji. Iz prethodnog paragrafa smo mogli zaključiti da CCD uređaji imaju samo jednu funkciju registrovanja gdje je svjetlost pala na svaku od stotine hiljada fotodioda, dok CMOS može da obavlja i druge zadatke, na primer, analognodigitalna konverzija, obrada signala, podešavanje ravnoteže bijelog i upravljanje kamerom i sl. Moguće je, takođe, povećati gustinu CMOS uređaja i dubinu bitova bez rasta troškova. CMOS je bio skoro odbačen od fotografske industrije kao skoro neupotrebljiv standard. Perspektive ove tehnologije veoma su se povećale krajem godine, kada je firma Foveon Inc. iz Silicijumske doline objavila proizvodnju svog CMOS senzora za obradu slike od 16,8 miliona piksela (4096x4096) - oko tri puta veća rezolucije od bilo kog ranije objavljenog CMOS senzora za sliku i više od pedeset puta veće rezolucije nego najčešće proizvođeni CMOS senzori digitalnih kamera za najšire tržište u tom trenutku. Današnja vrhunska kvaliteta izrade svjetlosnih senzora CMOS tehnologijom ima još jednu prednost njegova relativno jeftina izrada smanjuje finalnu cijenu inače vrlo skupih profesionalnih uređaja. Manje zagrijavanje CMOS senzora za razliku od CCD-a omogućuje izradu većih senzora u manjim kućištima, pa tako omogućuje izradu tijela fotoaparata koji će u potpunosti biti kompatibilni s objektivima dizajniranim za 35-milimetarski filmski standard Iz tih i još nekih razloga mnogi industrijski analitičari veruju da će na kraju gotovo sve jednostavnije i jeftinije digitalne kamere biti zasnovane na CMOS tehnologiji, a da će samo one iz srednje klase i vrhunske koristiti CCD uređaje. Ostaju i problemi koje treba riješiti, na primer, slike sa šumom i nemogućnost korektnog registrovanja pokreta, pa je na početku novog milenijuma potpuno jasno kako CMOS treba da pređe izvjestan put prije nego što dostigne ravnopravnost sa CCD tehnologijom. 12

13 3. KVALITET SLIKE I PRIMJENA SENZORA Kvalitet slike digitalne kamere zavisi od više činilaca, kao što su optički kvalitet objektiva i čipa za registrovanje slike, kompresioni algoritmi i druge komponente. Međutim, najvažnija odrednica kvaliteta slike jeste vrsta senzora i rezolucija senzora. Što je više elemenata, viša je rezolucija i zato se može registrovati više detalja. CCD senzori su precizniji u detekciji svjetlosti, pa tako daju još uvijek nešto kvalitetniju sliku, ali su dosta sporiji, skuplji za izradu i zahtijevaju više energije za svoj rad. Kvaliteti slike dobivene CMOS senzorom je dugo bio dosta lošiji od slike dobivene CCD senzorom. Naime, CMOS senzor nije uspijevao svjetlosne signale "uhvaćene" na pojedinim ćelijama uvjerljivo pretvoriti u digitalni signal. Fotoni koji bi trebali udariti u fotodiodu ćelije, udarili bi u tranzistor pojačala. Zbog toga treba postojati neka tehnologija, tj. dodatni proces koji bi to korigovao. Bez te korekcije nastane fotografija koja je puna šumova, artefakata i ostalih nepravilnosti koje nisu nastale zbog loših optičkih svojstava aparata, već zbog loše elektroničke obrade primljenih signala. Canon je dosad najdalje došao u rješavanju tog problema. Kod njih su na površini CMOS-a poredane mikroleće konveksnog oblika i svaka se poklapa s pojedinim pikselom. Smanjenjem razmaka između tih konveksnih leća Canon je drastično poboljšao efikasnost senzorovog skupljanja svjetla i to je dovelo do proširenja izlaznog raspona signala za visoki ISO. Smanjenjem veličine piksela i povećanjem njihove gustoće, područje fotodiode ostaje konstantno i tako može biti skupljena ista količina svjetla kao i prije, bez obzira što je sa smanjenjem veličine piksela smanjena osjetljivost. To pak dovodi do proširenja izlaznog raspona signala za niski ISO. Slika

14 Također treba spomenuti i Canonovu tehniku redukcije šuma za CMOS. Postoje dva tipa šuma: s fiksnim uzorkom (pojavljuje se uvijek na istim pikselima) i sa slučajnim uzorkom (pojavljuje se na različitim pikselima). Šum s fiksnim uzorkom nastaje kod nejednakih pojačanja signala uz različita pojačala na pikselima. Canon je uspio suzbiti i obje vrste šuma korištenjem tehnologije za kompletni prijenos naboja piksela. CMOS i bez dodatne tehnologije za korekciju signala ima prostor za primjenu. Zbog malih dimenzija i niskih rezolucija idealan je za korištenje u uređajima u kojima visoka rezolucija nije prioritet, npr. u mobilnim telefonima, sigurnosnim kamerama, amaterskim skenerima, faks uređajima itd. 14

15 4. LITERATURA