Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
Teorie měření a regulace snímače foto
ZS – 2015/2016
p. 2q. © 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.
foto-snímače
T- MaR
Obrazová analýza je proces velice starý vyplývající automaticky z faktu, že viděním se už pračlověk Janeček orientoval v (životním) prostoru a přijímal nejrůznější aktuální informace - pomocí svého zraku a zkušeností, tj. porovnáním skutečnosti se vzorem / obrazem reálu (se kterým se setkal v minulosti) určoval, zda se např. mamut vejde do jámy, kterou vykopal, zda jsou utržené bobule jedlé, jestli bude nebo nebude pršet.
Veškeré takové hodnocení je ale velmi subjektivní a pomíjivé. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
PRO SNÍMÁNÍ OBRAZŮ jsou používány principy i technologie realizující snímání jiného charakteru, než jak je tomu u optických a světelných snímačů majících charakter světelné závory či polohového snímače. Obecně lze říci, že vlastnosti objektu, které mají být analyzovány, musí být vizuálně detekovatelné – tento „první pohled“ totiž provádí člověk, který je vybaven tím nejdokonalejším snímacím a především vyhodnocovacím systémem = oko + mozek.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Základním kamenem problematiky strojového vidění je digitální obraz - je ve své podstatě dvojdimenzionální (dnes spíše 3D) síť hodnot reprezentujících světelnou (a dnes i barevnou) intenzitu jeho jednotlivých bodů - je možné ho matematicky vyjádřit jako tzv. obrazovou funkci dvou proměnných tvořenou maticí hodnot o = fce ( x , y ) ……. o = fce ( x , y , z ) Hodnoty f(x,y) obrazové funkce odpovídají jasu (anglicky brightness) bodu (x,y), kde x, y reprezentují souřadnice daného obrazového elementu (pixelu – picture element) – nulový pixel se souřadnicemi (0,0) je umístěn v levém horním rohu obrazu a má přidělenu číselnou hodnotu v šedé nebo barevné stupnici … třetí je pro barvu. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
Barevný vzorový obrazec v základní poloze
Poměr stran Example of U-V color plane, Y value=0.5
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače Digitalizovaný obraz je možné charakterizovat třemi základními vlastnostmi = rozlišení, bitovou hloubku a počet barevných rovin v obrazu. Rozlišení obrazu udává počet sloupců a řádků pixelů v obraze.
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
T- MaR
foto-snímače Barevná hloubka
Množství rozlišitelných barev
Použití
16 bit
65.536
Snímky do počítače
24 bit
16.777.216
Obecné použití
32 bit
4.294.967.296
Fotografie
36 bit
6.871.947.673
Velkoformátový tisk
42 bit
4.398.046.511.000
Velkoformátový tisk special
Barevná hloubka 16 až 24 bitů - značena jako High Color barevná hloubka 32 bitů a více je značena jako True Color. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Softwarově se barva popisuje řadou barevných modelů. RGB model (Red, Green, Blue) - kombinaci systém používá k popisu všech barev spektra. Tento model si je možné představit jako krychli umístěnou v počátku 3D souřadnicového systému - každá osa představuje jeden barevný odstín, v bodě (0,0,0) je černá barva a v bodě (255, 255, 255) je barva bílá - podél každé hrany krychle se mění odstín barvy od té, v níž není žádný příspěvek dané barvy až po plně nasycenou barvu…..
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače … úhlopříčka mezi body černá (0,0,0) a bílá (255, 255, 255) znázorňuje šedou stupnici
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
HSL barevný model byl vyvinut za účelem snazšího vyjádření barev na základě jejich intuitivního (lidského) způsobu vnímání – charakteristiky odlišujícími od sebe jednotlivé barvy, jsou odstín (Hue), sytost (Saturation) a světlost (Lightness). Odstín (resp. barevný tón) koresponduje s dominantní vlnovou délkou dané barvy a rozsah této veličiny je možné si představit jako duhu, tedy celou škálu barev položených v určitém sledu za sebou. Sytost určuje příměs ostatních barev spektra přidaných k danému barevnému odstínu, představuje relativní čistotu barvy. K popisu barvy je nezbytná pouze veličina odstín. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače … tento model vhodný pro většinu aplikací obrazové analýzy, především při použití funkcí pracujících s vyhledáváním barev.
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Je přirozené se domnívat, že 6 MPix snímač má senzor vybavený 6 miliony barevných pixelů – bohužel je realita složitější a zdaleka ne tak přímočará - 6 MPix snímač má sice 6 milionů pixelů, ale pouze černobílých tedy neschopných vidět barvu. Aby snímač viděl i barvu, je před jednotlivými pixely barevná RGB maska s tím, že barvy jsou uspořádány do matice a zelená maska je ve čtverci dvakrát, čímž se simuluje (a zároveň vyrovnává) zvýšená citlivost oka na zelenou.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Vzniká tzv. Bayerova RGBG maska - proto 6 MPix snímač má "pou-ze" 1.5 milionu červených pixelů, 1.5 milionu modrých a 3 miliony ze-lených = každý pixel obrazu (! ne snímače) s plnobarevnou RGB informací je vytvořen vždy ze 4 (2x2) sousedních pixelů snímače. Pro sousední pixel obrazu je použita pouze o 1 pixel posunutá čtveřice pixelů snímače.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Bayerova maska - v roce 1976 ji patentovat Bryce E. Bayer z firmy Eastman Kodak. Běžně používané barevné kamery mají ve srovnání v monochromatickými navíc ve snímači jednu součástku a tou je tzv. Bayerova maska (filtr) – což je pole barevných filtrů, který se používá pro filtraci světla dopadajícího na snímací čip u většiny jednočipových digitálních fotoaparátů i jiných kamer. Maska se skládá ze tří druhů filtrů, každý propouští jen světlo jedné vlnové délky – červené, modré nebo zelené.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Uspořádání barevných filtrů v Bayerově masce * šedě snímací čip, který je barvoslepý (černobílý).
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
SNÍMÁNÍ OBRAZŮ
- jsou používány technologie jiného charakteru, než jak je tomu u optických a světelných snímačů majících charakter podobný charakteru světelné závory či polohového snímače.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
SNÍMÁNÍ OBRAZŮ - historie Původní princip snímání barevného obrazu – v dobách televizní techniky „předtranzistorové“ elektroniky ….
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
Vidikonová kamera
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
TECHNOLOGIE SNÍMÁNÍ OBRAZŮ
jsou různé a některé slouží pouze k přesně zaměřeným aplikacím – ty známější jsou pak používány ke snímání obrazů – např. ve fotografii nebo při sledování tvaru či úplnosti výrobků. Takový snímač je složen z velkého množství samostatných miniaturních buněk - z jednotlivých bodů (anglicky pixel) – zachytávajících fotony světla samostatně a jednotlivé aktivované body dohromady vytvářejí mozaiku obrazu = prakticky v podobě digitálního (bitového) obrazu. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Citlivosti snímače
Každý snímací prvek plochy pixelů je nějakým způsobem citlivý na světlo – závislost na materiálech i výrobních postupech – je to označováno jako citlivost – základní výrobní hodnota citlivosti u nejjednodušších (a asi i nejlevnějších) snímačů a většinou se pohybuje v rozsahu 75 až 200 ISO – což by pro fotoaplikace nestačilo….. Jediným problémem je takzvaná hladina šumu (obrazového vyplývajícího z principu a výrobních parametrů a tepelného), což v podstatě zhoršuje přesnost měření. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Prokládané snímače (interlaced)
Byly původně vyvinuty pro televizní a video techniku, ale můžeme se s nimi setkat i u mnoha digitálních fotoaparátů. Jejich konstrukce je přizpůsobena zpracování televizního obraz = řádkově – tzv. speciální prokládané snímače. Obraz je rozložen na řádky a zvlášť se z plošného snímače do posuvných registrů přenášejí liché a zvlášť sudé řádky zpracovávané dalšími obvody jako samostatné signály. U TV už jdou signály dál. U fototechniky se zpětně složí do jediné plochy.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Progresivní snímače (progressive)
Zpracovávají celý obraz najednou – je to technologicky složitější, ale přináší to velké výhody. Progresivní snímače se vyrábějí komplikovanou technologií - celkem nákladnou. Princip - informace se zaznamenává a zpracovává ve všech buňkách současně - to přináší vyšší ostrost, přesnost podání obrazu a samozřejmě to umožňuje použití elektronické závěrky s velmi krátkými časy. Celkově se tedy dá říct, že progresivní snímač je zatím nejlepším řešením pro digitální fotografii.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Celoplošné (full frame)
Zpracovávají celý obraz najednou – je technologicky nejsložitější, ale přináší to velké výhody. Senzor je složen ze dvou identických fotocitlivých částí z nichž jedna je trvale zatemněná, v okamžiku čtení informace je veškerý náboj z fotocitlivé části přesunut do části zatemněné - odtud je dále zpracován - není odstraněno rozmazání obrázku z důvodu stále expozice, vyšší rychlost zpracování, někdy je senzor rozdělen na dvě oddělené části - nevýhodou tohoto typu je rozmazávání obrázku dané soustavnou expozicí, pokud není použita mechanické závěrka. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Jedna buňka snímače vyprodukuje informaci o dopadu světla (fotonu) na právě jeden bod a převede ho na analogový (obvykle proudový) signál pro zpracování v dalších elektronických obvodech výstupu snímače.
Snímače jsou řádkové (se speciálním použitím – např. ve scannerech nebo snímačích pohybu, průchodu apod.) a plošných – obvykle obdélníkových snímačích. Tvar buňky je obdélníkový (video snímače), čtvercový (klasické pro DF), plástvový, plástvový s dvojicemi buněk shodné barvy (snižuje to rušivý šumový signál v obrazu).
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Čím menší je fyzická velikost buňky pixelu, tím méně světla se na něj dostane - čím blíž jsou jednotlivé pixely u sebe, tím horší je z fyzikálních důvodů obrazový šum. Potlačením šumu se zabývá následný prvek - obrazový procesor digitálního fotoaparátu. Jenže, čím víc úprav se v procesoru provádí, tím více se to projeví na snížení kvality snímků - speciálně na ostrosti.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Rozdělení digitálních polovodičových snímačů
Charge Coupled Photodiode Array
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače Princip uspořádání snímacích buněk pixelů
posuvný registr
vertikální posuvný registr
horizontální posuvný registr © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače Princip uspořádání snímacích buněk - pixelů
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače Princip uspořádání snímacích buněk - pixelů
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače Princip uspořádání snímacích buněk – pixelů pro barevné smímače
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Čím více buněk má snímač, tím větší je obraz - rozlišení snímače se udává v celkovém počtu buněk – pixelů – například snímač s rozlišením 0,8 MPx (786 432 px) produkuje obraz s rozlišením 1024x768 bodů.
Největší senzor velikosti středoformátu [30 mm] je použit v foto Leica S2 s rozlišením 37,5 Mpx, cena asi 25 000 €. Čipy velikosti full frame se už celkem běžně používají i v nespecializovaných jednookých zrcadlovkách. Full frame snímače mají rozměr klasického 35mm kinofilmového políčka (tedy asi 26 x 24 mm).
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Kombinace rozlišení senzoru a jeho velikosti udává tzv. pixelovou hustotu - je to vlastnost významně ovlivňující vlastnosti snímačů - čím je pixelová hustota vyšší (tedy je menší úhlopříčka, vyšší rozlišení nebo oboje zároveň), tím horší bývají vlastnosti čipu a naopak - vysoká zvyšuje digitální šum a zároveň klesá dynamický rozsah. Základem šumu je tepelný pohyb krystalové mřížky polovodiče - při něm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu, je přitažen k expoziční elektrodě a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky – nelze ho z obrázků stoprocentně odstranit. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače příklad U-V
schema rozložení barevnách odstínů Y value=0.5 barvy se musí přesně zobrazit i když obrazec rotuje
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Velikosti čipu pro tři základní barvy R, G a B - Bayerovo uspořádání
Každá barva má svůj chip
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače Název
diagonála
šířka
výška
š:v
1/6“
3,6 mm
3 mm
2,25 mm
4:3
1/4"
4,5 mm
3,6 mm
2,7 mm
4:3
1/3,6"
5 mm
4 mm
3 mm
4:3
1/3"
6 mm
4,8 mm
3,6 mm
4:3
1/2,7"
6,592 mm
5,27 mm
3,96 mm
4:3
1/2,3"
7,7 mm
6,16 mm
4,62 mm
4:3
1/2"
8 mm
6,4 mm
4,8 mm
4:3
1/1,8"
8,933 mm
7,176 mm
5,38 mm
4:3
1/1,7"
9,5 mm
7,6 mm
5,7 mm
4:3
2/3"
11 mm
8,8 mm
6,6 mm
4:3
1"
16 mm
12,8 mm
9,6 mm
4:3
4/3“ micro
22,5 mm
17,8 mm
13,8 mm
4:3
DX
28,48 mm
23,7 mm
15,8 mm
3:2
APS-C
30,1 mm
25,05 mm
16,7 mm
3:2
22,35 mm
14,9 mm
3:2
APS-C Canon 26,86 mm
APS-H
33,53 mm
27,9 mm
18,6 mm
3:2
35mm FF
43,3 mm
36 mm
24 mm
3:2
645
69,7 mm
56 mm
41,5 mm
4:3
© VR - ZS 2015/2016
velikost světločivné oblasti se udává v palcích a dnes se nejčastěji pohybuje v rozměrech: 1/2" 1/1.8“ 1/2.7" 1/3.6"
T- MaR
foto-snímače CCD, CMOS čip
Maximální rozlišení
0,8 Mpx
Nejvhodnější činnosti Snímky do PC, web, orientační snímky
1.31 Mpix
1280 x 960 pix
Snímky do PC, tisk ve fotokvalitě do formátu 9x13 cm
2.11 Mpix
1600 x 1200 pix
Snímky do PC, tisk ve fotokvalitě do formátu 13x18 cm
3.34 Mixů
2048 x 1536 pix
Snímky do PC, tisk ve fotokvalitě do formátu A4
4.14 Mpix
2272 x 1704 pix
Snímky do PC. tisk ve fotokvalitě do formátu A3
5.24 Mpix
2568 x 1928 pix
Snímky do PC, velkoformátový tisk ve fotokvalitě
6.52 Mpix
3072 x 2048 pix
velkoformátový tisk ve fotokvalitě
8,03 Mpix
3264 x 2448 pix
Snímky do PC, velkoformátový tisk ve fotokvalitě
8,69 Mpix
4096 x 3072 pix
Ultra HD (4k), velkoformátový tisk ve fotokvalitě
16,7 Mpix
4992 x 3328 pix
velkoformátový tisk ve fotokvalitě
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
rozlišení senzoru
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
Fyzická velikost čidla – faktické porovnání – počet pixelů na dané ploše chipu a rozlišení čidla
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Technologie CCD = Charge Coupled Device Poprvé vyrobena v 70. letech 20. století, W. Boylem a G. Smithem v Bellových laboratořích – USA. Snímací prvky typu CCD se objevují ve velkém množství nejrůznějších zařízení – zejména digitálními kamerami, fotoaparáty a skenery. Jejich funkce je zdánlivě jednoduchá – založená na kapacitním principu přeměny fotonu na elektron. Tyto fotocitlivé obvody snímají dopadající světlo a převádějí ho na elektrický náboj.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Konstrukce - zjednodušeně Jedna buňka snímače je vyrobena z několika desítek různých velice tenkých vrstviček materiálu – tloušťka několika desetin milimetru. Při dopadu fotonu se odečítá rozdíl napětí vzniklý na dvou oddělených vrstvách - jsou doplněny celou řadou filtrů a dalších komponent, aby výsledkem byla hodnota napětí reprezentující dopadající světlo. Proud (analogový signál) vzniklý při aktivaci buňky dopadlým fotonem je postupně sekvenčně posuvnými registry snímán a následně sumarizován na vstupu do převodníku na digitální signál. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Konstrukce – zjednodušeně Principem je odebírání volných nosičů náboje vzniklých dopadajícím zářením do místa potenciálové jámy, která je vytvořena pod elektrodou (oblastí dopadu fotonů může být substrát nebo elektroda).
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače Princip jedné snímací buňky
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Koncem 20. století v Jet Propulsion Laboratory (JPL) byl vyroben první obrazový senzor.
Je nejobvyklejší a výrobně dobře zvládnutý za rozumnou cenu - zde je elektrický signál aktivován přímo v buňce (pixelu) a snímací buňky jsou součástí vstupních obvodů navazující elektroniky - základním prvkem je fotocitlivý PN nebo PIN přechod, kapacitor (kondenzátor) a spínací tranzistor - vztah mezi výstupním napětím a intenzitou světla je nelineární. © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Srovnání – CCD * CMOS
CCD - proud fotonů nabíjí kondenzátor během časové periody - expoziční čas je určován elektronickou závěrkou - vztah mezi výstupním napětím a intenzitou světla je lineární. CMOS - principem jsou založeny na fotocitlivých diodách, které jsou spojeny jako rezistory v sérii - proud diodou se nepřetržitě mění výstupní napětí.
© VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
T- MaR
Technologie CID (Charge Injection Device)
Princip je obdobný CCD senzoru - v PN přechodu je vytvořena potenciálová jáma, která je plněna nábojem vznikající vnějším dopadajícím zářením - po odpojení napětí z elektrody je náboj odveden do substrátu - odtud je pak dále zpracován. Princip jedné snímací buňky
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače
Vzhled snímacích prvků - čipů
CMOS
CCD
barevný šum (tma)
CMOS Foveon X3 © VR - ZS 2015/2016
foto-snímače
T- MaR
Objektiv Nedílnou součástí je i optika, která přivádí obraz na plochu snímacího čipu - je to soustava přesně uspořádaných optických čoček, která ze světla odraženého od snímané scény vytváří ostrý, převrácený obraz - tvar, počet a uspořádání čoček se pro výrobu počítá na základě zadání parametrů, jakými jsou ohnisková vzdálenost, světelnost nebo minimální zaostřovací vzdálenost.
© VR - ZS 2015/2016
T- MaR
foto-snímače vidění - snímače
Technologie strojového vidění
… a to by bylo
….. vše © VR - ZS 2015/2016
snímače
T- MaR
…a
© VR - ZS 2015/2016
