Senzori uopsteno

7/30/2019 Senzori uopsteno

1/12

VRSTE I PRINCIP RADA SENZORA

SEMINARSKI RAD

Studeni 2009.

Nositelj kolegija:Izv. prof. dr. sc. Darko Agi

Voditelj rada:Dr. sc. Maja Strgar Kurei

Studenti:Igor Toplak

Alen Vukovi

Primjena digitalne fotograje u reprodukcijskim medijima

Katedra za reprodukcijsku fotograjuGraki fakultet Sveuilita u Zagrebu


2/12

SADRAJ

1. UVOD...............................................................................................................1

2. PIKSEL.............................................................................................................2

3. BAYEROV FILTER...........................................................................................3

4. SENZORI..........................................................................................................54.1 CCD SENZOR................................................................................................54.2 CMOS SENZOR.............................................................................................64.3 FOVEON SENZOR........................................................................................75. ZAKLJUAK....................................................................................................96. LITERATURA.................................................................................................10


3/12

1

1. UVOD

Senzor je ureaj koji mjeri zikalne veliine i pretvara ih u signale koje moe oitavati ovjek ili in-

strument. Kao primjer principa rada moemo uzeti termometar koji se sastoji od ive u staklenom

cilindru. Kod promjene temperature dolazi do ekspanzije ili kontrakcije ive te se ta promjena moe

oitavati na oznakama kalibriranog cilindra (termometar). U digitalnoj fotograji se umjesto lma

koriste senzori koji optiku sliku pretvaraju u elektrini signal. Danas najvei broj digitalnih fotoa-

parata koristi CCD senzore ili CMOS senzore. Malo kasnije e biti objanjeno o emu se radi. Cilj

ovog seminarskog rada je objasniti princip rada i razlike izmeu pojedinih vrsta senzora.


4/12

2

2. PIKSEL

Piksel (engl. pixel) ili picture element je jedna toka rasterske slike. Pikseli su najee poredani u

dvodimenzionalnu mreu i esto se prikazuju preko toaka ili pravokutnika. Svaki je piksel je uzorak

originalne slike pa tako ako imamo vie uzoraka, imat emo i veu kvalitetu originalne slike. Svaki

se piksel najee sastoji od tri komponente, a to su crvena (red), zelena (green) i plava (blue).

Piksel je takoer asocijacija na jednu fotoeliju senzora. Pikseli ne registriraju boju. Oni samo regi-

striraju intenzitet svjetlosti. Da bi dobili boju, iznad povrine senzora se stavljaju kolor ltri.

Slika 2.1 - Geometrija piksela


5/12

3

3. BAYEROV FILTER

To je polje kolornih ltera (color lter array). Sastoji se od RGB kolor ltera postavljenih na mreu

fotosenzora. Raspored tih ltera se koristi u veini slikovnih senzora sa jednim ipom. Oni se pak

ugrauju u digtalne fotoaparate, kamere i skenere kako bi kreirali sliku u boji. Uzorak ltera je 50%

zelenog, 25% crvenog i 25% plavog (RGGB).

Svaki ltar pokriva jedan pixel. Svaka je elija pokrivena crvenim, zelenim ili plavim ltrom pa tako

reagira samo na jednu od primarnih boja. Tako sada pixel pokriven crvenim ltrom mjeri samo

crveno svjetlo dok sljedei pixel mjeri plavo ili zeleno svjetlo. Dodatni zeleni ltar prisutan je zatoto je ljudsko oko najosjetljivije na zelenu svjetlost. Kombinacijom jaine svjetla tih triju primarnih

boja svaki pixel pridonosi punoj kvaliteti spektra boje na maloj povrini foto senzora koji ponavlja-

jui to po cijeloj povrini foto senzora stvaraju kolorit cijele fotograje. Svjetlou snimka jo uvijek

Slika 3.1 - Raspored kolor ltera

Slika 3.2 - Presjek senzora


6/12

4

mjeri svaki pojedini pixel tako da ltri ne utjeu na opu informaciju u slici. Kako bi se svaki signal

pretvorio u digitalni oblik signal se mora digitalizirati, odnosno kvantizirati. Digitalni fotoaparat obra-

uje razliite jakosti signala iz pojedinanih elija tako da svaki pixel slike dobije odgovarajuu

vrijednost boje: za svaki se pixel na temelju podataka iz susjednih elija izrauna ili unese njegova

vrijednost. Ta interpolacija boje kljuni je korak jer omoguuje proraun o kojem ovisi konana ka-

kvoa snimljene fotograje. Poboljanje kakvoe digitalne fotograje uz poboljanja fotoosjetljivih

senzora zasluga su usavravanja interpolacijskih algoritama. Vrijednosti se za svaki pixel skupljajui povezuju pa tako nastaje slikovna datoteka, a u tom se procesu odreuje i format, odnosno ustroj

datoteke. Neki digitalni fotoaparati nastavljaju proces obrade poboljavanja otrine slike, a usto

i saimaju podatke koristei JPEG, TIFF, RAW algoritme. Nakon obrade, digitalna se fotograja

pohranjuje (sprema na disk ili u memoriju). Prvi dio procesa, biljeenje slike senzorima, obino je

vrlo brzo, ali obrada i pohrana traju neto dulje. Kako bi se ubrzao taj dio procesa, mnogi kvalitetniji

fotoaparati imaju mnogo RAM-a, memorije za privremenu pohranu fotograja kako obrada snimaka

ne bi ometala snimanje.


7/12

5

4. SENZORI

4.1 CCD SENZOR

Najei foto senzor u digitalnim foto aparatima je CCD senzor (Charged Couple Device). CCD su

1969. godine izumili Willard Boyle i George Smith iz tvrtke Bell Labs. Prvi komercijalni CCD svje-

tlosni senzor proizveden je 1974. na 8-innom teleskopu na kojem je snimljena prva elektronska

astronomska snimka mjeseca. CCD je specijalizirani ip koji se danas koristi samo kao optiki sen-

zor za digitalne fotoaparate i kamere, dok se CMOS koristi u irokom spektru elektronikih ureaja.

CCD senzori izrauju se za razliite aplikacije kao: kamkorderi , digitalni foto aparati, industrijske

kamere, lmske kamere, kamere za medicinu, istraivanje svemira , video nadzor. CCD se namet-

nuo se kao primarni senzor u digitalnim kamerama. Radi se o specijalno izraenom silicijskom ipu

ija je jedna povrina osjetljiva na svjetlo.

Foto-osjetljivi elementi, ili fotodetektori mogu biti formirani u tri osnovna oblika pa prema tome i

razlikujemo tri osnovna tipa CCD senzora: tokasti, linijski i povrinski. Ovdje se fokusira na ploniili povrinski niz fotodetektora, koji predstavljaju oblik senzora koji se susreu u digitalnim kame -

rama. Znai pravokutan oblik senzora povrine ispunjene sa fotoosjetljivim detektorima. Broj tih

fotodetektora je ono to denira rezoluciju. Fotoosjetljiva povrina se zapravo moe nazvati mrea

fotoelija. Prije ekspozicije se sve fotoelije nabiju elektronima. Za vrijeme ekspozicije, kada svje-

tlosne zrake osvijetle senzor ti elektroni se, ovisno o svjetlosti, rasporede po elijama te se dobiveni

elektrini impuls prenosi u pojaalo. Pojaalo ne moe raditi sa milionima elektrinih impulsa u isto

vrijeme ve procesira samo jedan red piksela sa foto senzora. Nakon toga te se informacije briu, a

njihovo mjesto zauzima sljedei red piksela. To se ponavlja dok se god ne snime podaci od svakog

reda piksela. Bez obzira koliko je ovaj proces brz ipak se odvija u jednom vremenskom periodu.

Ova zadrka odreuje koliko slika u sekundi moe snimiti digitalni aparat.

Slika 4.1 - CCD ip


8/12

6

Postoje tri tipa arhitekture CCD senzora: full frame, full frame frame transfer i interline. Ako gore

spomenuto slijedno pomicanje nije dovoljno brzo, kod full frame-a mogu se javiti vertikalne mrlje

na slici jer iako je elija trenutno zaposlena pomicanjem naboja, ona i dalje nastavlja skupljati

fotone. To zapravo znai da CCD ne moe skupljati svjetlost za vrijeme oitavanja. No za primjenu

u npr. astronomiji koristi se frame transfer CCD. On ima skrivene elije kojih ima isti broj koliko i

izloenih svjetlu. Kad zavri faza ekspozicije, naboj se premjeta u taj skriveni dio i tu u miru moe

biti proitan. Za vrijeme oitavanja slobodne elije i dalje skupljaju fotone, a to znai da se fazaekspozicije i oitavanja odvijaju paralelno. No i taj tip CCD-a ima svoj nedostatak, a to je dvostruko

vei senzor.

4.2 CMOS SENZOR

CMOS (Complimentary Metal Okside Semiconductor) je 1963. godine izumio Frank Wanlass iz

tvrtke Fairchild Semiconductor. Prvi integrirani sklopovi s CMOS-om pojavili su se 1968. i odmah

su bili superiorni po svojoj maloj potronji. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzor za svaki

pixel posebno ima ugraeno pojaalo. To omoguuje da se podaci sa svih pixela obrade u istom

trenutku. Ovaj proces omoguava veu brzinu pohrane zapisa pa samim time i vie snimljenih slika

u sekundi.

Budui da je kod CMOS senzora svakom pixelu pridrueno pojaalo, to poskupljuje proizvodnju

pa se samim time takvi senzori ugrauju u bitno skuplje polu profesionalne i profesionalne apa-

rate (SLR). Zbog poveanja prodaje digitalnih aparata (masovne proizvodnje) cijena proizvodnjeCMOS se smanjuje i sve vie digitalnih aparata nieg cjenovnog razreda koristi ove foto senzore.

Prema nekim naznakama kamera sa istim karakteristikama bazirana kao CCD kamera na CMOS

senzoru, mogla bi biti ak i do 3-4 puta jeftinija. I to je njegova najvea prednost. Jeftin i jednosta-

Slika 4.2 - CCD ip


9/12

7

van za proizvodnju. Svi podaci koji dolaze sa CCD ili CMOS senzora dolaze u analognom obliku.

Kako bi mogli biti prikazani u digitalnom obliku tj, na raunalu ili printeru, trebaju biti prebaeni u

binarni mod. Ovo se obavlja ADC elementima (Analog To Digital Converter).

Raunala jedino prepoznaju dva stanja, ukljueno i iskljueno. Zbog toga ta stanja prikazuju se u

binarnom modu kao 1 i 0. Pixel moe biti pohranjen u vrijednostima od 0 - 255 to predstavlja 256

nijansi sive boje. Kako znamo da imamo pixele sa crvenim, plavim i zelenim ltrom imali bi previe

podataka pa tako umjesto jednog niza od 8 bitova imamo tri niza ili 24 bita. Taj broj sadri podatkeo svjetlu i boji za jedan pixel, a o tom broju esto ovisi i dubina boje. Znai da u snimci snimljenoj

u 24 - bitnoj dubini imamo 16,7 miliona nijansi boje (256 x 256 x 256), a to u potpunosti odgovara

nijansama boja koje ljudsko oko raspoznaje. Glavna razlika je to se kod CMOS senzora pojaanje

signala odvija u fotoeliji, dok kod CCD imamo poseban sklop za pojaanje na izlazu iz senzora.

4.3 FOVEON SENZOR

Tvrtka Foveon je 2002. godine poela proizvoditi novi Foveon senzor. Taj senzor je poseban po

tome to su do tad senzori biljeili samo jednu vrstu svjetla na pojedinoj lokaciji. Individualne pikseli

senzora su prikupljali informaciju samo o crvenoj ili zelenoj ili plavoj boji. Foveon senzor oitava

crvenu, zelenu i plavu na svakoj foto - lokaciji (na svakom pixelu). Sigma DP2 koristi Foveon X3

senzor koji se takoer nalazi i u skupljoj verziji fotoaparata kao to je Sigma SD-15 DSLR. Osim

ovaj senzor odlikuje mala potronja i mala cijena proizvodnje, on koristi i drugaije polje fotosenzi-

tivnih dioda na senzoru. RGB lteri su smjeteni jedan iznad drugoga. Dakle, na jednoj lokaciji su

3 pixela. Ovo mijenja raunanje rezolucije u pixelima. DP2 je 14 MP fotoaparat, ali je tu vrijednost

potrebno podijeliti na 3 dijela da bi dobili realnu veliinu senzora. To je zapravo 4.6 MP fotoaparat

puta tri (tri sloja 4.6 MP). Uz to, radi se o velikom senzoru. Pa ipak, postoji pitanje uma na Foveon

X3 senzoru, poto je to zapravo CMOS senzor. Neki kau kako fotograje snimljene Foveon sen-

zorom imaju vie uma od fotograja snimljenih drugim senzorima. Nejasno je to da li se problem

uma javlja zbog samog senzora ili algoritma koji procesira slike (softwarea).

Slika 4.3 - Usporedba piksela izmeu Foveona i CCD /

CMOS-a


10/12

8

Slika 4.4 - Foveon X3 senzor

Slika 4.5 - Usporedba senzora: Foveon i CCD /CMOS


11/12

9

5. ZAKLJUAK

CMOS ima prednost da trai mnogo manje dodatnih sklopova pored samog senzora, jer daje ve

gotov signal, pa je proizvodnja sklopova jednostavnija, dok je sam senzor jeftiniji. To rezultira ma-

njom kvalitetom slike od CCD-a. CCD pri proizvodnji zahtijeva manji stupanj integracije poluvodia,

te je i dalje nezamjenjiv u primjenama gdje se trai kvalitetna slika. Nedostatak je vei prostor koji

zauzimaju dodatni sklopovi koji su potrebni za obradu signala koji izlazi iz CCD-a. CCD senzor

ima veu povrinu, vee osiromaeno podruje, veu osjetljivost, sporiji je, ima vei napon napa -

janja, nije kompatibilan s CMOS-om te ima veu potronju. CMOS senzor ima manju osjetljivost,

manji faktor ispune, jeftiniji je, ima veu brzinu, manju potronju. Polje koje koristi Foveon senzor

navodno eliminira kolorne artefakte koji se javljaju na senzorima sa Bayerovim lterom. Takoer se

poveava osjetljivost na svjetlo. Na kraju, on zabiljeava sva tri piksela na svakoj lokaciji to znai

3 puta vie informacija u svakoj toci.

Interaktivna usporedba Foveon X3 i CCD senzora:http://www.foveon.com/les/ccd_vs_x3_photondropv5.swf


12/12

10

6. LITERATURA

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor (28.11.2009.)

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pixel (28.11.2009.)

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_lter (28.11.2009.)

[4] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm (28.11.2009.)

[5] http://mydp1.wordpress.com/2007/11/13/whats-the-big-deal-with-foveon-sensors/(28.11.2009.)

[6] http://www.popphoto.com/Reviews/Cameras/Hands-On-Sigma-SD142 (28.11.2009.)

Documents

Senzori uopsteno