Pentru ca vehiculele complet autonome să devină o realitate va fi necesară o combinație de informații obținute de la o mulțime de senzori, iar camerele de luat vederi vor fi, probabil, cele mai importante.
Este esențial ca aceste camere să fie capabile să capteze în permanență chiar și cele mai mici detalii, în orice condiții, pentru a garanta siguranța ocupanților vehiculului și a celorlalți participanți la trafic.
Senzorii de imagine convertesc fotonii de lumină în electroni, care sunt apoi stocați sub formă de imagini digitale.
În prezent, senzorii de imagine sunt utilizați frecvent în aplicațiile de supraveghere video, începând cu fabricile inteligente, imagistica medicală și până la automobile.
Alegerea unui senzor de imagine depinde de nivelul de performanță cerut de o anumită aplicație.
Cunoașterea frecvenței de cadre necesare, a condițiilor de iluminare estimate și a toleranțelor de sistem dorite reprezintă o bază de pornire utilă pentru a decide care este cel mai potrivit senzor de imagine, însă lipsa de expertiză tehnică în domeniul sistemelor de viziune poate face ca acest proces să fie descurajant.
Rezoluția senzorului este o specificație vitală în aplicațiile în care precizia măsurătorilor este importantă, deoarece determină numărul de pixeli de pe rândurile și coloanele unei suprafețe fotosensibile care captează imaginea.
Numărul minim de pixeli necesar depinde de cea mai mică particularitate care trebuie detectată într-o imagine.
Sensibilitatea este o măsură a eficienței unui senzor în convertirea fotonilor în electroni și este importantă în aproape toate aplicațiile.
Este o măsură ce ține de timpul și iluminarea necesare pentru ca un senzor să distingă o imagine utilizabilă.
Sensibilitatea este, de asemenea, afectată de zgomotul senzorului, ceea ce face ca raportul semnal-zgomot (SNR - Signal-to-Noise Ratio) să fie o specificație importantă.
Senzorii cu un SNR ridicat oferă imagini de mai bună calitate în condiții de iluminare redusă.
Sensibilitatea este deosebit de importantă în aplicațiile de supraveghere și medicale, care necesită o calitate ridicată a imaginii chiar și în condiții de iluminare redusă.
Sensibilitatea este menționată în fișa tehnică a unui senzor de imagine, dar uneori poate fi dificil să se compare sensibilitatea senzorilor de la diferiți producători.
Gama dinamică este raportul dintre valoarea semnalului de saturație al senzorului (valoarea maximă oferită la ieșire) și semnalul de întuneric și definește câte niveluri diferite de luminozitate sunt prezente într-o imagine.
Aceasta este o caracteristică deosebit de importantă în aplicațiile care se confruntă cu condiții de iluminare extreme.
Figura 2: Imaginea din dreapta are o gamă dinamică mult mai mare.
Numărul de cadre este o măsură a vitezei senzorului, dată de numărul de imagini (cadre) pe secundă (fps) pe care le poate citi electronic.
Un număr mare de cadre este important în aplicațiile care captează obiecte în mișcare rapidă, unde un timp de expunere scurt este esențial pentru a preveni neclaritățile și a reduce artefactele de mișcare.
Rata maximă de cadre posibilă se reduce odată cu creșterea numărului de pixeli ai senzorului.
De exemplu, se poate obține un număr mai mare de cadre folosind un senzor de imagine VGA (Video Graphics Array) de calitate scăzută în comparație cu un senzor de 20 MP cu rezoluție maximă.
O combinație între o frecvență de cadre ridicată și o rezoluție mare este posibilă utilizând senzori care suportă ROI (Regions of Interest).
Acestea definesc una sau mai multe zone dintr-o imagine care urmează să fie detectate pentru procesare, toate celelalte zone ale imaginii fiind ignorate.
Astfel, rezoluția generală a imaginii este efectiv redusă, permițând obținerea unor frecvențe de cadre mai mari.
Rolling shutter (obturator rulant) și global shutter (obturator global) sunt cele două metode de citire utilizate de senzorii de imagine CMOS.
Metoda rolling shutter citește pixelii unui senzor linie cu linie pe măsură ce aceștia sunt expuși, ceea ce o face o tehnologie foarte rapidă.
Aceasta utilizează mai puțini tranzistori per pixel, are mai puțin zgomot, este mai sensibilă și mai puțin costisitoare decât senzorii care utilizează un obturator global.
Senzorii cu obturator rulant sunt recomandați în aplicațiile care necesită o gamă dinamică ridicată.
Pentru citirea cu obturator global, fiecare pixel este expus în același timp, astfel încât nu există nicio întârziere de captură între liniile de pixeli.
Deși senzorii de imagine monocromi sunt acceptați în aplicații precum înregistrarea măsurătorilor și detectarea prezenței, culoarea este cerută, în prezent, în multe aplicații.
Cu toate acestea, senzorii monocromi ofere o parte din avantaje.
Pentru ca un senzor să furnizeze o imagine color, filtrele RGB sunt aplicate pixel cu pixel, dispuse într-un model Bayer.
În schimb, interpolarea culorilor conform modelului Bayer are ca efect reducerea detaliilor și a preciziei generale a măsurătorilor.
Prin urmare, un senzor de culoare trebuie utilizat numai dacă aplicația necesită informații color.
Există o concepție greșită despre corelarea unei dimensiuni mai mari a pixelilor cu o calitate mai bună a imaginii.
Deși dimensiunile mai mari ale pixelilor dispun de o suprafață mai mare pentru a colecta lumina, aceasta nu înseamnă obținerea unor imagini de o calitate mai bună.
Este bine de reținut că factori precum rezoluția și metrica pixel-zgomot joacă, de asemenea, un rol semnificativ în determinarea calității imaginii.
Pixelii mici tind să aibă o neuniformitate a semnalului întunecat (DSNU - Dark Signal Nonuniformity) mai mică; la temperaturi mai ridicate, DSNU limitează performanța în condiții de iluminare slabă.
În unele cazuri, un senzor cu pixeli mai mici poate fi mai performant decât unul cu pixeli mai mari.
Familia de senzori Hyperlux este a doua generație a tehnologiei de super-expunere a pixelilor de la onsemi, care oferă performanțe remarcabile la rezoluții cuprinse între 3 MP și 8 MP și mai mari pentru aplicații de imagistică pentru automobile.
Expunerea unică fără pâlpâire (FF - flicker free) de >120 dB și gama dinamică ultra înaltă (HDR - Ultra High Dynamic Range) de 150 dB cu tehnologie LED LFM (LED flicker mitigation) oferă o calitate stabilă a imaginii și o gamă dinamică pe tot domeniul de temperaturi pentru automobile, eliminând necesitatea de a schimba setările în condiții de lumină variabilă, ceea ce reduce latența și îmbunătățește siguranța.
Senzorii de imagine de 2,1 µm includ funcții flexibile, cum ar fi ROI inteligent, ‘binning’, ‘windowing’ și ieșire dublă.
Aceste funcții permit ieșiri flexibile ale formatului de date, cum ar fi rezoluții diferite (ROI) și date de timp de integrare diferite în paralel.
În acest articol, am explicat caracteristicile cheie care trebuie luate în considerare atunci când se selectează un senzor de imagine CMOS pentru utilizarea în aplicațiile pentru vehicule autonome, inclusiv rezoluția, sensibilitatea, viteza, gama dinamică, mișcarea și culoarea.
Senzorii CMOS sunt mai putin scumpi fata de CCD si necesita de asemenea mai putina putere (deoarece senzorii CCD functioneaza cu mai multe circuite), deci cele mai moderne aparate foto se bazeaza pe senzorii CMOS (totusi, majoritatea camerelor foto folosesc CCD).
Este imposibil de spus care dintre acestea este mai bun deoarece ambele au avantaje si dezavantaje.
Dar, daca software-ul aparatului foto a fost conceput sa elimine neajunsurile unui tip de senzor, atunci respectivul aparat foto este unul bun.
Exemplul clasic in acest sens este functia de reducere a zgomotului de imagine.
Este simplu: cu cat exista mai multa lumina care sa “atinga” fotodioda, cu atat este mai mare incarcarea cu electroni.
Dar, cum se separa culorile in acest proces? Lumina care patrunde in aparat este lumina alba, obisnuita, care contine toate lungimile de unda, deci mecanismul interior este de filtrare a diferitelor lungimi de unda, prin diferite filtre bazate pe codul de baza RGB.
Un senzor CMOS, in loc sa converteasca lungimile de unda ale luminii intr-un curent de electroni pe un alt cip, acesta converteste fotonii in electroni prin procesarea datelor in mod direct, fara a utiliza un alt cip.
Folosind amplificatoare, acesti senzori sunt mai rapizi decat CCD-urile.
noiembrie 23, 2023 Senzor optic CCD sau CMOS?
Fiecărui domeniu de activitate îi corespunde un anumit limbaj de comunicare.
Acesta este bogat în termeni specifici, ce au rolul de a facilita comunicarea și colaborarea între specialiști.
Dar ce te faci, când nu ești specialist, și vrând nevrând te lovești de astfel de termeni?
Indiferent de domeniul în care activezi, fie el retail, it, industrial, etc., progresul tehnologiei dar și trendul de automatizare, ne-a înconjurat de tehnologie.
Senzor optic?
Senzorii optici sunt componente importante care intră în alcătuirea multor dispozitive.
Cunoașterea în mare a acestora, te poate ajuta de exemplu sa îți dai seama că o calibrare necorespunzătoare a unui astfel de senzor poate fi motivul pentru care bancnota de 5 lei nu este primită de tonomatul de cafea.
Un senzor optic este un dispozitiv care convertește o imagine într-un semnal electronic.
Folosiți la scară largă sunt senzorii CCD sau CMOS.
Aceștia intră în alcătuirea aparatelor de fotografiat, a mașinilor de sortare produse, a cititoarelor de coduri de bare, etc.
CCD
Un senzor CCD este format dintr-un tablou de diode fotosensibile care captează datele unei imagini.
Acest senzor întră în alcătuirea scannerelor, a aparatelor foto, sau a altor dispozitive de captat imagini.
Senzorii CCD sunt mai sensibili decât senzorii CMOS, putând oferi o imagine mai bună, chiar și în condiții de lumină redusă.
Sunt însă dispozitive mai scumpe care ridică costul de producție.
CMOS
Tehnologia CMOS este utilizată pentru construirea de circuite integrate.
Senzorul CMOS este folosit de exemplu la majoritatea camerelor de luat vederi, camere pentru telefoane, sau laptopuri.
Acest senzor se regăsește și în componența cititoarelor de coduri de bare.
Avantajele acestora sunt costul ieftin de producție și consumul mic de putere.
Vremurile se schimbă, și noi la fel.
Odată cu schimbările tehnologice dobândim abilitați și cunoștințe noi.
Astăzi este de neconceput să pierzi timpul cu sarcini repetitive.
Avantajele senzorilor CMOS în supravegherea video sunt deosebit de utile în condiții de iluminare redusă.
O tendință majoră în materie de supraveghere video în 2016 este apariția unor camere de supraveghere capabile să înregistreze în medii extrem de lumină scăzută.
Numită low-light, sau starlight, aceste camere de supraveghere au un rating de sensibilitate de la 0.01 lux până la 0,001 lux, ceea ce le face ideale pentru diverse aplicații.
Ceea ce a făcut acest lucru posibil este avansarea în tehnologia de senzor CMOS, care a depășit tehnologia CCD în ceea ce privește reducerea zgomotului, un element critic pentru surprinderea imaginilor în medii cu lumină slabă.
Acest lucru este valabil în special după introducerea senzorilor (BSI) CMOS-ului iluminat din spate, care permit camerelor să înregistreze în niveluri de lumină mai mici și cu zgomot mult mai mic decât senzorii CMOS clasici sau senzorii CCD.
Sony - Lansează tehnologia STARVIS (back-illuminated) care utilizează tehnologia BSI, camerele de supraveghere pe timp de noapte au adesea diafragma complet deschisă, aducând lumina mult prea mult pentru a avea o imagine de calitate.
Atunci când se utilizează o structură frontală iluminată, pe suprafața frontală a senzorului de imagine CMOS și fotodiodă care efectuează preluarea imaginii se pot prelua imaginilor cu un grad ridicat de lumință, reducând astfel sensibilitatea.
În contrast, structura iluminat din spate adoptată de STARVIS nu are un strat de cabluri care lumina blochează incidente deasupra fotodiodei, sporind în mod semnificativ eficiența utilizării luminii.
Omnivision - un alt producător important de senzori CMOS, anunță producerea în masă a senzorului 1/3-inch OV2718, la o rezoluție 1080P, similar cu cel de la Sony, și tot iluminat din spate.
Dahua Technology - Lansează Starlight, camere de supraveghere IP cu sensibilitate 0,005 lux.
Camerele de supraveghere IP sunt dotate cu senzori CMOS de 2-megapixeli, 1/1,9 inci progresiva scanare senzori de imagine pentru a captura imagini full color, precum și un sprijin de până la maximum 50/60fps la codarea 1080P.
Potrivit lui Dahua, industriile care pot beneficia de aceste camere includ transport, retail și managementul parcurilor.
Bosch Systems Camera MP Dinion IP starlight 8000 oferă, de asemenea, cea mai recentă tehnologie de senzor.
Combinată cu suprimare a zgomotului sofisticat, camera permite sensibilitatea 0,0121 lux la rezoluție maximă de 5MP de culoare și chiar 0.00825 lux la o rezoluție de 1080p.
De asemenea, dispozitivul are o funcție inteligentă de expunere automată, oferind compensarea luminii din spate, față de lumină și prin adaptarea automată la schimbarea condițiilor de lumină.
Atunci când selectarea acestor camere de luminozitate scăzută, primul pas ar trebui să fie pentru a obține o înțelegere a diferitelor aplicații care necesită caracteristici de lumină scăzută cu vedere de noapte, în plus față de specificațiile camerei.
Înțelegerea senzorilor CCD: Ce sunt și cum funcționează
Deși în 2025, senzorii CMOS domină atât imagistica științifică, cât și cea pentru consumatori, acest lucru nu a fost întotdeauna cazul.
CCD înseamnă „Charge-Coupled Device” (Dispozitiv cu cuplare de sarcină), iar senzorii CCD au fost primii senzori digitali ai camerelor, dezvoltați pentru prima dată în 1970.
Camerele bazate pe CCD și EMCCD erau recomandate în mod obișnuit pentru aplicații științifice până acum câțiva ani.
Ambele tehnologii supraviețuiesc și astăzi, deși utilizările lor au devenit nișate.
Rata de îmbunătățire și dezvoltare a senzorilor CMOS continuă să crească.
Diferența dintre aceste tehnologii constă în principal în modul în care procesează și citesc sarcina electronică detectată.
Ce este un senzor CCD?
Senzorul CCD este un tip de senzor de imagine utilizat pentru a capta lumina și a o converti în semnale digitale.
Acesta constă dintr-o matrice de pixeli sensibili la lumină care colectează fotoni și îi transformă în sarcini electrice.
Citirea senzorului CCD diferă de cea a senzorului CMOS în trei moduri semnificative: Transfer de sarcină.
Fotoelectronii captați sunt deplasați electrostatic, pixel cu pixel, prin senzor, către o zonă de citire.
Mecanism de citire.
În loc de un rând întreg de convertoare analog-digitale (ADC) care funcționează în paralel, CCD-urile utilizează doar unul sau două ADC-uri (sau uneori mai multe) care citesc pixelii secvențial.
Plasarea condensatoarelor și amplificatoarelor.
În locul condensatoarelor și amplificatoarelor din fiecare pixel, fiecare ADC are un condensator și un amplificator.
Cum funcționează un senzor CCD?
Iată cum funcționează un senzor CCD pentru a achiziționa și procesa o imagine: La sfârșitul expunerii, senzorii CCD mută mai întâi sarcinile colectate într-o zonă de stocare mascată din interiorul fiecărui pixel (neprezentată).
Apoi, pe rând, sarcinile sunt mutate într-un registru de citire.
Pe rând, sarcinile din registrul de citire sunt citite.
Compensarea taxelor.
Pentru a începe achiziția, încărcarea este eliminată simultan din întregul senzor (obturator global).
Acuumulare de încărcare.
Sarcina se acumulează în timpul expunerii.
Stocarea încărcării.
La sfârșitul expunerii, sarcinile colectate sunt mutate într-o zonă mascată din interiorul fiecărui pixel (numită CCD cu transfer interlinie), unde pot aștepta citirea fără a fi numărați noii fotoni detectați.
Expunerea cadrului următor.
Odată cu sarcinile detectate stocate în zona mascată de pixeli, zona activă de pixeli poate începe expunerea următorului cadru (mod suprapunere).
Citire secvențială.
Cârcăturile din fiecare rând al cadrului finalizat sunt mutate într-un „registru de citire”.
Citire finală.
Câte o coloană pe rând, sarcinile de la fiecare pixel sunt transferate în nodul de citire pentru citire la ADC.
Repetiţie.
Acest proces se repetă până când sunt numărate încărcăturile detectate în toți pixelii.
Acest blocaj cauzat de citirea tuturor sarcinilor detectate de către un număr mic (uneori unul) de puncte de citire duce la limitări severe ale debitului de date al senzorilor CCD în comparație cu CMOS.
Avantajele și dezavantajele senzorilor CCD
Avantaje
Curent de întuneric scăzut.
Ca tehnologie, senzorii CCD tind să aibă un curent de întuneric foarte scăzut, de obicei de ordinul a 0,001 e⁻/p/s atunci când sunt răciți.
Binning „pe pixel”.
În timpul procesului de binning, CCD-urile adaugă sarcini înainte de citire, nu după, ceea ce înseamnă că nu se introduce zgomot suplimentar de citire.
Obturator global.
Senzorii CCD „interlinie” funcționează cu un obturator global real.
Dimensiunile mai mari ale pixilor nu pot egala miniaturizarea oferită de CMOS.
Uniformitate ridicată a imaginii.
Excelentă pentru imagistica cantitativă.
Consum ridicat de energie.
Necesită mai multă putere pentru schimbarea încărcării și citire.
Dezavantaje
Viteză limitată.
Debitul tipic de date în pixeli pe secundă poate fi de aproximativ 20 MP/s, echivalentul unei imagini de 4 MP la 5 fps.
Zgomot de citire ridicat.
Zgomotul de citire în CCD-uri este ridicat, în mare parte datorită necesității de a rula ADC-urile la o rată mare pentru a obține o viteză utilizabilă a camerei.
Pixeli mai mari.
Pentru multe aplicații, pixelii mai mici oferă avantaje.
Consum ridicat de energie.
Necesită mai multă putere pentru funcționarea senzorilor CCD.
Aplicații ale senzorilor CCD în imagistica științifică
Deși tehnologia CMOS a câștigat popularitate, senzorii CCD sunt încă preferați în anumite aplicații științifice de imagistică, unde calitatea imaginii, sensibilitatea și consistența sunt primordiale.
Capacitatea lor superioară de a capta semnale în condiții de lumină slabă cu zgomot minim îi face ideali pentru aplicații de precizie.
Astronomie.
Senzorii CCD sunt esențiali în imagistica astronomică datorită capacității lor de a captura lumina slabă de la stele și galaxii îndepărtate.
Microscopie și Științe ale Vieții.
În științele vieții, senzorii CCD sunt utilizați pentru a capta semnale fluorescente slabe sau structuri celulare subtile.
Răspunsul lor liniar la lumină asigură o analiză cantitativă precisă.
Inspecția semiconductorilor.
Senzorii CCD sunt cruciali în fabricarea semiconductorilor, în special pentru inspecția plachetelor.
Radiografie și imagistică științifică.
Senzorii CCD sunt utilizați și în sistemele de detectare a razelor X și în alte aplicații specializate de imagistică.
Mai sunt senzorii CCD relevanți astăzi?
Cameră CCD Tucsen H-694 și 674.
În ciuda dezvoltării rapide a tehnologiei CMOS, senzorii CCD sunt departe de a fi învechiți.
Așteptările în imagistica aprofundată rămân dedicate CCD-urilor în aplicații de lumină ultra-slabă și precizie înaltă.
Întrebări frecvente
Când ar trebui să aleg un senzor CCD?
Senzorii CCD sunt mult mai rari astăzi decât acum zece ani, deoarece tehnologia CMOS începe să le afecteze chiar și performanța la curentul de întuneric redus.
Cu toate acestea, vor exista întotdeauna aplicații în care combinația lor de caracteristici de performanță oferă un avantaj.
De ce folosesc camerele științifice senzori CCD răciți?
Răcirea reduce zgomotul termic în timpul captării imaginii, îmbunătățind claritatea și sensibilitatea imaginii.
Ce este modul de suprapunere în senzorii CCD și EMCCD și cum îmbunătățește performanța camerei?
Senzorii CCD și EMCCD sunt de obicei capabili de „mod suprapunere”.
Pentru camerele cu obturator global, aceasta se referă la capacitatea de a citi cadrul anterior în timpul expunerii cadrului următor.
Acest lucru duce la un ciclu de funcționare ridicat (aproape de 100%), ceea ce înseamnă că se pierde un timp minim fără expunerea cadrelor la lumină și, prin urmare, rate de cadre mai mari.
Notă: Modul de suprapunere are o semnificație diferită pentru senzorii cu obturator rulant.
tags: #dispozitive #videocaptoare #cu #transfer #de #sarcina