ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií a multimédií

CCD A CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH

Tomáš Hanečák

2009

CCD a CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH

BAKALÁRSKA PRÁCA

Tomáš Hanečák

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií a multimédií

Študijný odbor :

MULTIMEDIÁLNE TECHNOLÓGIE

Vedúci bakalárskej práce : doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Stupeň kvalifikácie : bakalár (Bc.)

Dátum odovzdania bakalárskej práce : 12.6 2009

ŽILINA 2009

ABSTRAKT

HANEČÁK, Tomáš: CCD a CMOS snímače (Bakalárska práca). Žilinská univerzita v Žiline.

Elektrotechnická fakulta; Katedra telekomunikácií a multimédií. Konzultant: doc. Ing.

Martin Vaculík, PhD. Žilina:

Hlavnou témou práce je priblíženie princípu pracovania CCD a CMOS snímačov vo

videokamerách, porovnanie výhod a nevýhod jednotlivých typov snímačov. Do práce je

zahrnuté porovnanie jednotlivých typov videokamier ako aj výsledky tohto porovnania.

Práca je doplnená umeleckou časťou, krátky dokument o tatranskej prírode –

„ TATRANSKÉ JAZERÁ “. Súčasťou tejto umeleckej časti je aj technický scenár diela.

Ţilinská univerzita v Ţiline, Elektrotechnická fakulta,

Katedra telekomunikácií a multimédií

ANOTAČNÝ ZÁZNAM - BAKALÁRSKA PRÁCA

CCD A CMOS snímače vo videokamerách

Priezvisko, meno: Hanečák Tomáš školský rok: 2008/2009

Fakulta elektrotechnická Katedra telekomunikácií a multimédií

Počet strán: 40 Počet obrázkov: 32 Počet tabuliek: 5

Počet grafov: 1 Počet príloh: 2 Pouţitá lit.: 23

Anotácia (slovenský jazyk): Táto bakalárska práca poskytuje súhrnný opis princípov

práce základných snímacích prvkov a jednotlivých spôsobov snímania obrazu. Práca

poskytuje náhľad na spracovanie obrazu do digitálnej formy. Prezentuje najpouţívanejšie

metódy prevodu signálu pomocou A/D prevodníka. V závere je zrealizované mediálne

dielo v prostredí programu Canopus EDIUS.

Anotácia v cudzom jazyku (anglický jazyk): This bachelor's thesis provides a summary

description of the basic principles sensing elements and each image sensing modes. The work

provides insight to the image processing in digital format. It presents the most popular methods

of transferring the signal through A / D converter. In conclusion, it is carried out media work in

the Canopus EDIUS.

Kľúčové slová: Canopus EDIUS

Vedúci práce: doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Recenzent práce :

Dátum odovzdania práce: 12.06.2009

OBSAH

Obsah..................................................................................................................................V

Zoznam obrázkov.........................................................................................................VIII

Zoznam tabuliek a grafov.................................................................................................X

Slovník termínov..............................................................................................................XI

Slovník skratiek a symbolov..........................................................................................XII

1.Úvod..................................................................................................................................1

2.Svetlo a farba...................................................................................................................2

2.1. Svetlo a farebný filter......................................................................................2

2.2.Nepriame svetlo................................................................................................2

2.3. Vlastnosti svetla...............................................................................................3

2.4. Rozklad svetla..................................................................................................4

2.5. Vnímanie farieb...............................................................................................4

2.6. Fotoelektrický jav............................................................................................5

2.7. RGB ferebný model.........................................................................................6

3.Polovodiče.........................................................................................................................7

4.Optické senzory...............................................................................................................8

5.CCD snímače....................................................................................................................9

5.1. História.............................................................................................................9

5.2. Princíp činnosti................................................................................................9

5.3. Kategórie CCD prvkov.................................................................................12

5.4. Konštrukcia....................................................................................................12

5.5. Vlastnosti, nedostatky CCD snímačov.........................................................13

5.6. Farebný filter.................................................................................................13

5.7.Binning............................................................................................................15

5.8. Snímanie jedným čipom - 1CCD..................................................................15

5.9.Snímanie troma čipmi – 3CCD.....................................................................16

6.CMOS snímače..............................................................................................................16

6.1. História...........................................................................................................16

6.2. Princíp činnosti..............................................................................................17

6.3. Typy CMOS snímačov..................................................................................17

6.4. Konštrukcia....................................................................................................18

6.5. Technológia....................................................................................................19

6.6. CMOS logika..................................................................................................19

6.7. Kompresia......................................................................................................21

7.Snímače vo fotoaparátoch.............................................................................................24

7.1.CCD snímač....................................................................................................24

7.2. Super CCD snímač........................................................................................24

7.3. CMOS snímač................................................................................................24

7.4. Foveon snímač................................................................................................25

7.5. Rozlíšenie snímačov.......................................................................................25

7.6. Šum.................................................................................................................25

8.A/D prevodník................................................................................................................26

8.1. Integračná metóda........................................................................................26

8.2. Metóda vyuţitia medziprevodu napätia na frekvenciu..............................27

8.3. Aproximačná metóda....................................................................................27

8.4. Metóda zaloţená na sledovaní vstupného signálu......................................28

8.5. Metóda paralelného vzorkovania.................................................................28

9.CCD vs. CMOS..............................................................................................................28

10. Test – praktická časť..................................................................................................30

10.1. Ţiarovkové svetlo.........................................................................................32

10.2.Denné svetlo..................................................................................................33

10.3. Šero...............................................................................................................35

10.4. Grafické znázornenie..................................................................................36

10.5 Porovnanie fotosnímačov.............................................................................37

11.Záver.............................................................................................................................39

Zoznam pouţitej literatúry..............................................................................................40

Prílohová časť

Technický scenár.............................................................................................................III

Popis prostredia nelineárneho strihového programu Canopus EDIUS......................IX

Zoznam obrázkov

Obr. 2.1 Dichronické zrkadlá

Obr.2.2 Lom svetla

Obr.2.3. Odraz svetla

Obr.2.4 Vlnová dĺţka jednotlivých farieb viditeľného spektra

Obr.2.5 Stavba ľudského oka

Obr.2.6 Čapíky

Obr.2.7 Fotoelektrický jav

Obr.2.8 Farebný model

Obr.5.1 Uvoľnenie elektrónov v polovodiči

Obr.5.2 Presun elektrónov medzi elektródami

Obr.5.3 Matica snímača

Obr.5.4 Plošné CCD

Obr.5.5 Farebný filter

Obr.5.6 Vznik výslednej farby

Obr.5.7 Rozloţenie svetla v 3CCD

Obr.6.1 Princíp CMOS a organického CMOS snímača

Obr.6.2 Bayerov filter

Obr.6.3 Polarizovaný P kanál

Obr.6.4 NOR a NAND funkcie

Obr.6.5 NAND brány

Obr.6.6 NAND s párom prevodníkov

Obr.6.7 Matica koeficientov

Obr.6.8 Kvantovanie koeficientov

Obr.6.9 Postup kódovaniach

Obr.6.10 Rozdiel pri jednotlivých typoch kompresií

Obr.7.1 Super CCD snímač

Obr.7.2 Foveon snímač

Obr.7.3 Veľkosti senzorov

Obr.8.1 Integračná metóda

Obr.8.2 Metóda vyuţitia medziprevodu U na f

Obr.8.3 Aproximačná metóda

Obr.8.4 Metóda paralelného vzorkovania

Obr.10.1 JVC ţiarovkové svetlo

Obr.10.2 Panasonic ţiarovkové svetlo

Obr.10.3 Sony ţiarovkové svetlo

Obr.10.4 JVC denné svetlo

Obr.10.5 Panasonic denné svetlo

Obr.10.6 Sony denné svetlo

Obr.10.7 JVC šero

Obr.10.8 Panasonic šero

Obr.10.9 Sony šero

Obr.11. Prostredie Canopus EDIUS

Zoznam tabuliek a grafov

Tab. 2.1 Farby určené formou bitov

Tab.7.1 Počet bodov pri určitom rozlíšení obrazu

Tab.7.2 Rozmery snímačov

Tab.10.1 Porovnanie obrazu kamier

Tab.10.2 Porovnanie obrazu digitálneho fotoaparátu a fotomobilu

Graf 10.1 Vyhodnotenie ankety na vzorke 30 respondentov

Slovník termínov

Charged Couple Device – CCD snimač

Complementary Metal Oxide Semiconductor – CMOS snímač

Charge Transfer Devices – prevodové zariadenie

Time Delay – časové oneskorenie

Integration - integrácia

Full Frame – úplne rámčekový

Frame Transfer – rámčekový prevod

Interline Transfer – medziriadkový prevod

Blooming - unikanie

Binning - zlievanie

Passive pixel sensors – pasívny senzor

Active pixel ensors – aktívny senzor

Focus Plane Image Compression – rovinná kompresia obrazu

Bin window – náhľadové okno

Slovník skratiek a symbolov

CCD – CCD obrazový snímač

CMOS – CMOS obrazový snímač

1 CCD, 3 CCD – jedno čipový CCD snímač, trojčipový CCD snímač

n – index lomu

α – uhol dopadu

α´ - uhol odrazu

λ. – vlnová dĺţka

Uo – energia potrebná na uvoľnenie elektrónov

Uk – kinetická energia elektrónu

E – energia fotónu

h – Planckova konštanta

f – frekvencia

ISO – veličina pouţitá pre citlivosť filmového materiálu

RGB – farebný model typu RGB

PPS – pasívne snímače

APS – aktívne snímače

NMOS – N kanál MOSFET

PMOS – P kanál MOSFET

NAND – hradlo, logický digitálny obvod, negácia logického súčinu

NOR – hradlo, logický digitálny obvod, negácia logického súčtu

AND – logický súčet

(x,y) - udáva farbu pixlu

M – hodinové impulzy

Vref – referenčné napätie

Mpix – megapixel

Y, CB, CR – farebný model, zloţky sú reprezentované jasom a dvoma farebnými zloţkami

1.ÚVOD

Vďaka svojej vlnovej dĺţke je svetlo viditeľné voľným okom a to od

infračerveného po ultrafialové. Má základné vlastnosti, ktorými sú svietivosť, farba

a uhol vlnenia. Môţe mať zdroj prírodný (slnko) alebo umelý (žiarovka). Pri odraze, lome

a ohybe svetla vzniká rozklad svetla na jednotlivé farebné zloţky. Tento jav môţeme

pozorovať pri prechode svetla hranolom. Rozklad svetla vyuţívajú aj prístroje ako sú

videokamery, faxy, skenery alebo fotoaparáty, a to pomocou snímačov typu CCD

(Charge-Coupled Device) a CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Pri

týchto snímačoch sa zaoberáme hlavne tým ako premeniť energiu dopadajúceho svetla na

energiu elektrického signálu. V modernej technike dokáţu videokamery pomocou týchto

súčiastok verne zachytiť a neskôr aj zobraziť obraz v uspokojivej kvalite. Majú slúţiť

ľuďom či uţ sú to kameramani amatéri, ktorí točia domácu oslavu alebo profesionáli

točiaci celovečerný film. Tieto zariadenia boli určené predovšetkým k zachytávaniu

obrazu. V súčasnej dobe umoţňujú moderné produkty ( fotoaparáty, videokamery )

zachytávať a spolu z obrazom prehrávať aj zvuk. Sú však špecializované spravidla na tú

časť elektromagnetického spektra, ktoré dokáţe vnímať ľudské oko. Toto spektrum sa

pohybuje spravidla v rozmedzí 400 – 700 nm. Problémom pri videokamerách však býva

šum obrazu. Je to jemný elektrický signál, ktorý zniţuje kvalitu videozáznamu. Tu je

moţné badať rozdiely medzi jednotlivými technológiami výroby, a to pri 1CCD, 3CCD

a CMOS snímačoch. Aj keď moderné výrobné a technologické postupy umoţňujú zapájať

do videokamier obvody na redukciu šumu, je rozdiel medzi jednotlivými typmi kamier

jasne viditeľný.

Mojou snahou v tejto práci bolo predstaviť a objasniť princípy výroby a

a fungovania jednotlivých typov videokamier ( videokamery s 1CCD, 3CCD, CMOS ).

Na nasledujúcich stránkach sa budem bliţšie venovať dopadu, rozkladu a zachytávaniu

svetla pri týchto snímačoch ako aj porovnávaniu ich vlastností s názornou ukáţkou testu

všetkých troch typov zariadení v reálnom prostredí s vyhodnotením.

2. Svetlo a farba

Svetlo je vnímané ako elektromagnetické ţiarenie. Je to elektromagnetické vlnenie od

infračerveného po ultrafialové. Ľudským okom je viditeľné elektromagnetické spektrum

s frekvenciou 7,5x1014 Hz aţ 3,8x1014 Hz. Vlnová dĺţka tohto svetla vo vákuu sa

pohybuje v rozmedzí 360 nm ( zodpovedá fialovej zložke ) aţ po 760 nm ( zodpovedá

červenej zložke). Maximum elektromagnetického ţiarenia, ktoré dopadá zo Slnka na

povrch Zeme je práve v tomto rozsahu viditeľného svetla.

2.1. Svetlo a farebný filter

Jedným zo zdrojov svetla je priame svetlo. Je to či uţ slnečné svetlo, svetlo

sviečky, ţiarovky alebo svetlo z televíznej obrazovky. Podľa obsahu zloţiek svetla sa

určuje farba svetelného zdroja.

Ţeravé predmety majú širokopásmové centrum. Podľa teploty sa mení ich farba,

a to z dôvodu zmeny energetického obsahu spektrálnych zloţiek. Keď teda rozţeravíme

určitý predmet, bude svietiť pri niţších teplotách na červeno, pri vyšších na bielo aţ do

modra. Energia sa pritom udáva vo vzťahu k energii definovanej pre zelenú zloţku (555

nm), pretoţe ľudské oko je najcitlivejšie práve pre túto zloţku.

Farbu svetelného zdroja meníme rôznymi farebnými filtrami . Ako príklad

môţeme uviesť smerovku automobilu. Vo vnútri sa nachádza ţiarovka vyţarujúca „biele“

svetlo. Oranţové sklo krytu smerovky však dovolí prechod len určitému spektru svetla,

a teda prechádza ním len svetlo oranţovej farby.

2.2. Nepriame svetlo

Kaţdý predmet má schopnosť odráţať určité spektrum dopadajúceho svetla, ktoré

dopadá na jeho plochu. Farbu predmetu ľudské oko vníma ako odrazené zloţky

z pôvodného zdroja svetla. Tie zloţky, ktoré predmet neodrazí ním budú pohltené.

Hrušku vidíme ako zelenú, pretoţe jej povrch odrazí len zelenú časť spektra a ostatné

zloţky pohltí. Vlastnosti farebných povrchov je moţné zachytiť krivkou spektrálneho

odrazu.

Zrkadlo odrazí svetelný lúč v určitom smere podľa pravidla „uhol odrazu sa rovná

uhlu dopadu“. V kamerách sa pouţívajú takzvané dichronické zrkadlá. Tie odrazia len

určité spektrálne zloţky a ostatné prepustia v pôvodnom smere.

Obr. 2.1 Dichronické zrkadlá

2.3. Vlastnosti svetla:

lom svetla – pri prechode svetla z jedného prostredia do druhého dochádza k jeho

lomu. Spomalenie v určitom prostredí oproti

vákuu sa vyjadruje vzťahom n=c0/c kde c0 je

rýchlosť svetla vo vákuu a c je rýchlosť svetla

v danom prostredí. Index lomu vo vákuu je n=1

a v inom prostredí n>1. Pri prechode svetla

z vákua do iného materiálu alebo naopak sa

mení vlnová dĺţka. Lom na šošovke sa vyuţíva

v okuliaroch, lupách, mikroskopoch,.... Obr. 2.2 lom

svetla

odraz svetla – platí, ţe uhol odrazu sa rovná

uhlu dopadu ( α=α´ ). Tento jav nastane ak sa

svetlo dostane k rozhraniu dvoch prostredí. Nie

všetko vlnenie sa odrazí, určitá časť prenikne

do druhého prostredia.

Obr. 2.3 odraz svetla

farba a vlnová dĺţka – jednotlivé vlnové dĺţky, ktoré obsahuje svetlo mozog

vníma ako farby od fialovej aţ po červenú. Vlnové dĺţky, ktoré človek nezachytí

svojim okom patria k ţiareniu infračervenému alebo ultrafialovému. Toto ţiarenie

naše telo môţe vnímať napríklad ako teplo.

rýchlosť svetla – rýchlosť svetla vo vákuu c= 299 792 458 metrov za sekundu

2.4. Rozklad svetla

Biele svetlo sa dá rozloţiť na jednotlivé farebné zloţky. Tento jav s nazýva

rozklad svetla. Svetlo dopadá na hranol a nastáva lom. Keďţe kaţdá farebná zloţka svetla

má iný uhol lomu má aj iný index lomu. Pri lome svetla sa mení vlnová dĺţka - λ.

Jednotlivé vlnové dĺţky prislúchajú farbám podľa obr. 2.4. Tieto farebné zloţky sa dajú

opäť zloţiť do pôvodného bieleho svetla obráteným hranolom.

Obr. 2.4 Vlnová dĺžka jednotlivých farieb viditeľného spektra[nm]

2.5. Vnímanie farieb.

Farba je vnem, ktorý vzniká ako odozva na impulz svetla dopadajúci na oko .

Bunky sietnice oka známe ako receptory môţu byť dvojaké. Tyčinky, ktoré nedokáţu

rozlišovať farby ale vnímajú svetlo aj pri malej intenzite. Toto ma za následok to ,ţe

v šere nerozoznáme farby. Ďalším druhom receptoru sú čapíky schopné vnímať farbu. Sú

citlivé práve na to spektrum

svetla, ktoré môţeme zachytiť svojim okom,

čo sú pribliţne vlnové dĺţky od 400 do 700

nm. Tieto sa nám javia ako rôzne farby.

Poznáme však tri druhy čapíkov z ktorých

kaţdý reaguje na inú časť spektra Modré,

ktoré majú najväčšiu pri vlnovej dĺţke 430

nm, zelené pri 550 nm a červené s

maximálnou citlivosťou pri 580 nm. Dokáţu vnímať aj iné

Obr.2.5 Stavba ľudského oka dĺţky, avšak s menšou citlivosťou.

Kombináciou

teda vzniká určitý farebný vnem.

Môţe nastať situácia, ak v tele chýba jeden z čapíkov. Nastáva tu problém

s rozlišovaním jednotlivých farieb. Napríklad v prípade ak niekomu chýbajú červené

čapíky vníma červenú a zelenú zloţku len pomocou zelených čapíkov. Nedokáţe

spoľahlivo rozpoznať tieto dve zloţky pretoţe mu chýba informácia z červených čapíkov.

Obr. 2.6 čapíky

2.6. Fotoelektrický jav

Fotoelektrický jav nastáva pri dopade svetla s určitou

vlnovou dĺţkou (svetlo s krátkou vlnovou dĺžkou má väčšie

účinky ako svetlo z dlhou vlnovou dĺžkou) na kov alebo

polovodič. Pri tomto dopade svetlo vyrazí elektróny z atómov

látky. Tieto elektróny následne zvyšujú vodivosť, voľne sa

pohybujú v danej látke. Obr. 2.7 fotoelektrický

jav

vonkajší fotoelektrický jav je uvoľňovanie elektrónov z kovu alebo

polovodiča. Energia ktorá sa na to spotrebuje má veľkosť Uo, zvyšná energia je

kinetickou energiou vytrhnutého elektrónu Uk.

Celková energia fotónu je teda:

Kde h je Planckova konštanta ( 6,626 * 10-34

) a f je frekvencia.

vnútorný fotoelektrický jav je základom pre činnosť optoelektronických

súčiastok. Energiu svetelného ţiarenia pohltia elektróny. Vďaka tomu majú

dostatočnú energiu na to, aby sa uvoľnili z valenčného pásma a presunuli sa do

vodivostného. Tým sa zvýši vodivosť polovodiča. Tento jav závisí od

frekvencie, intenzity ţiarenia a teploty.

2.7. RGB farebný model

Tento model je aditívny farebný model, čo znamená, ţe je zaloţený na miešaní

farieb pomocou prekrývania jednej cez druhú. Je v ňom zmiešané červené, zelené aj

modré svetlo. Pri tomto modeli nie je výsledok zmiešania farieb presný, ale relatívny.

Presné definovanie nastane aţ keď bude definovaná chromatičnosť jednotlivých

farebných zloţiek.

Obr.2.8 farebný model

Kaţdú farbu je moţné zadať podľa jej mohutnosti. Základné farby majú vlnové dĺţky

630, 530 a 450 nm. Táto mohutnosť môţe byť daná v percentách alebo ako počet bitov

podľa pouţitej farebnej hĺbky v rozsahu hodnôt 0 – 255. Model RGB je moţné ukázať aj

ako tabuľku kde sú udané jednotlivé farby nasledovne

R G B farba

0 0 0 čierna

255 0 0 červená

0 255 0 zelená

0 0 255 modrá

255 255 0 Ţţtá

255 0 255 purpurová

0 255 255 azurová

255 255 255 biela

Tab. 2.1 Farby určené formou bitov

3. Polovodiče

Sú materiály, ktoré sa svojou elektrickou vodivosťou zaraďujú nikde medzi

vodiče a nevodiče. Ich vodivosť môţe byť ovplyvňovaná rôznymi faktormi ako napríklad

teplotou, dopadajúcim svetlom alebo obsahom prímesí.

Atóm obsahuje elektróny. Tie sú k atómu priťahované určitou silou. Tie elektróny,

ktoré priťahuje najmenšia sila sa nachádzajú vo valenčnom pásme atómu. Niektoré z nich

sú schopné sa odtrhnúť a pohybovať sa voľne v látke. Na to, aby sa elektrón odtrhol od

jadra je potrebná energia. Táto predstavuje tzv. zakázané pásmo. Toto pásmo dokáţe

určiť samotnú vodivosť látky. U polovodičov sa pohybuje veľkosť zakázaného pásma

niekde medzi hodnotou pri zakázaného pásma vodiča (nulová) a nevodiča ( asi 3eV),

pribliţne 1eV.

Energiu na prechod elektrónu z valenčného pásma môţeme získať z tepla.

Zmenou teploty látky sa menia aj vzťahy medzi pásmami. Takto vzniká zmena vodivosti

polovodičov zapríčinená zmenou teploty.

Elektrón sa odtrhne od jadra, teda opustí valenčné pásmo, na jeho mieste ostane

voľné miesto s kladným nábojom. Na toto miesto sa môţe zaradiť nový elektrón s iného

valenčného pásma a takto vznikne istá postupnosť. Miesto, ktoré po elektróne ostane

voľné sa nazýva diera. Pri dodaní malého mnoţstva prvku do polovodiča sa menia jeho

vlastnosti. Pridať je moţné donor ( prvok s väčším počtom valenčných elektrónov) alebo

akceptor ( prvok s menším počtom valenčných elektrónov ).

Kompozitné polovodiče sa tvoria pomocou tenkých vrstiev nanesených na

podloţke. Je dôleţité, aby bola dosiahnutá kryštalická mrieţka. Ak nie, vzniknutá vrstva

bude obsahovať mnoţstvo porúch. Kombináciou vrstiev sa dosiahne stav, keď sa jedna

z nich stane pre elektróny dvojrozmernou jamou. Dôsledkom toho je zvýšenie

pohyblivosti nosičov náboja.

Organické polovodiče taktieţ musia dodrţiavať stanovenú štruktúru materiálu.

Tu je moţné vytvoriť efekt štyroch elektrónov. Všetky elektróny sú viazané vo väzbách.

Dvojité väzby sa dajú rozbiť tak, aby elektrón nebol opäť viazaný a následne vznikne

vodivý kanál.

Polovodiče sa pouţívajú v rôznych súčiastkach v oblasti elektrotechniky napríklad

dióda, tranzistor, tyristor, integrovaný obvod.

Integrovaný obvod je v podstate osadenie tranzistorov a diód na substrát. Sú to

buď analógové, spracovávajú elektrické spojité signály, alebo digitálne, spracovávajú

dáta ako binárne čísla ktoré sú reprezentované dvoma úrovňami napätia. Nevýhodou je,

ţe sa vyrábajú vo veľkom, preto sa môţe stať, ţe sú spojené viaceré funkcie v jednom.

4. Optické senzory

Optické senzory sú po makroskopických a elektronických treťou generáciou

senzorov. Vyuţívajú sa poznatky a skúsenosti z oblasti optických komunikácií alebo

integrovanej optiky. Táto skupina zahŕňa optické vláknové a optické pásikové senzory.

Tieto sa vyznačujú okrem iného veľmi malými rozmermi, odolnosťou proti

elektromagnetickému rušeniu, moţnosťou realizovať prenos na veľké vzdialenosti, šírkou

prenášaného pásma.

Pri starších metódach obrazového snímania pomocou polovodičových prvkov sa

vyuţíval fotoelektrický jav v maticiach fotodiód a oddelené spracovania signálov. Dnes

sa táto metóda nahradzuje koncepciou integrácie senzorových matíc s obvodmi

spracujúcimi signály na spoločnom substráte alebo v spoločnom puzdre. Pre tento účel sú

najlepšie prispôsobené senzory s prenosom náboja Charge Transfer Devices. Tieto

súčiastky nie sú schopné iba detekovať fotónmi generované nosiče náboja, ale je moţné

pouţiť ich aj na snímanie elektrického obrazu vizuálnej scény, ktorú premietneme

sústavou na obrazový snímač. Tieto senzory s prenosom náboja môţu zabezpečiť čítanie

informácií, ktoré sú uloţené v jednotlivých bodoch obrazovej matice a môţeme pomocou

nich dosiahnuť multiplex, či časové oneskorenie a integráciu (Time Delay and

Integration), ako aj iné funkcie.

Podstatou činnosti je hromadenie minoritných nosičov náboja v potencionálnych

jamách. Tie sa tvoria na povrchu náboja. Vytvorí sa potencionálna vlna presúvaním

nábojov vo forme zhlukov. Vytvorí sa pod oxidovaným povrchom polovodiča a to

pripojením synchronizačných impulzov na prenosové elektródy.

Digitálny čip je integrované pole svetlo citlivých mikroskopických prvkov, tzv.

pixlov. Rozmer pixlu je 5 aţ 10µm. Pri obrazovom snímaní sa najčastejšie pouţívajú dva

typy obrazových snímačov:

CCD

CMOS

5. CCD (Charge-Coupled Device) SNÍMAČE

5.1. História

Pri vývoji pamäťových registrov bez prístupu svetla vynašli Willard Boyle

a George E. Smith v Bellových laboratóriách tieto snímače v roku 1969. O rok neskôr

postavili Bellove laboratóriá prvú kameru na svete, ktorá pouţívala polovodičový

obrazový snímač. V roku 1975 predstavili prvá kameru, ktorá poskytovala dostatočne

kvalitný obraz pre televízne vysielanie. V prvej polovici deväťdesiatych rokov sú CCD

snímače pouţité dokonca v astronomických ďalekohľadoch. To prinieslo prielom do

astronómie. Pri výrobe týchto snímačov sa dával dôraz na kvalitu obrazu i za cenu

vyšších nákladov a spotreby energie.

5.2. Princíp činnosti

Tieto snímače vznikli v podstate ako experimentálne počítačové pamäte. Ich

schopnosť premieňať svetlo na elektrický signál im avšak umoţňuje zaradiť sa medzi

najlepšie známe detektory svetla. CCD snímače premieňajú energiu dopadajúceho svetla

na energiu elektrického signálu. Vyuţívajú fyzikálny jav, tzv. fotoefekt. Pritom sa

v polovodiči presunie elektrón do excitovaného stavu. Tento elektrón spôsobuje

v polovodičoch elektrickú vodivosť. Prenos náboja sa v týchto snímačoch uskutočňuje

horizontálne. Sú to nábojovo viazané obvody s veľkou hustotou integrácie a niţšou

cenou. Pri CCD však elektróny nie sú odvádzané, pretoţe medzi polovodičom

a elektródou je vrstva oxidu kremičitého SiO2 slúţiaca ako izolant. CCD snímače pracujú

v niekoľkých častiach.

Pod pixlami sa nachádzajú elektródy. V prvej časti sa k nim privedie kladné

napätie. Na snímač sa nechá pôsobiť svetlo. Fotóny dopadajú na atómy kremíku.

Ak na CCD dopadne viac svetla, sú zdanlivé oblasti pixlov, v ktorých sa uvoľnilo

viac elektrónov. Uvoľnené elektróny sú priťahované uţ kladne nabitými

elektródami. Po uvoľnených elektrónoch ostávajú v polovodiči tzv. diery

s kladným nábojom.

Obr.5.1 uvoľnenie elektrónov v polovodiči

V druhej časti vzniká presun elektrónov po jednotlivých elektródach. Na

elektródach s číslom dva sa začne zvyšovať napätie, naopak na elektródach

s číslom jedna naproti predchádzajúcej časti nastane pokles napätia. Vďaka tomu

sú elektróny priťahované pod elektródy kde sa zvyšuje napätie tzn. Elektródy

s číslom 2. Táto procedúra sa opakuje, mení sa len číslo elektródy na elektródach

s číslom 3 sa zvýši napätie a na 2 sa zníži ). Takto sa elektróny pohybujú po

riadkoch CCD. Náboj sa musí presúvať po ploche snímača. Ak by sa tak nedialo

diery s kladným nábojom by dosiahli takých hodnôt, aţ by pretiekli.

Obr.5.2 presun elektrónov medzi elektródami

Nasleduje tretia časť kde sa elektróny pohybom dostanú aţ k výstupu. Tu je

zabudovaný prevodník. Keď sa náboj dostane na okraj snímača prevodník ho

prevedie na napäťový signál.

Pri tomto presúvaní náboja však nastáva problém a síce, ţe ak by CCD snímač snímal

obraz aj počas prechodu náboja k prevodníku mohol by ho ovplyvniť. Preto by mal byť

CCD snímač clonený. Existujú tri princípy clonenia:

FF – Full Frame - pri tomto spôsobe snímania sa svetlu vystaví celá plocha

snímača a zosníma sa obraz – vtedy sú svetlu vystavené všetky pixle. Následne sa

celý snímač zakryje clonou. Vtedy nastane prechod náboja zo snímača.

FT – Frame Transfer – pri tomto spôsobe má snímač dve časti. Prvou je plocha

na ktorú dopadá svetlo stále, to znamená, ţe pixle na tejto ploche sú v neustálom

kontakte zo svetlo. Druhá plocha je trvalo zaclonená. Do tejto zaclonenej plochy

sa prehráva náboj z kaţdého osvetleného pixla. Pokiaľ sa zosníma ďalší obrázok,

táto clonená časť snímača odvedie náboj aby sa pomocou nej mohol presúvať

ďalší. Tento princíp sa označuje ako elektronická clona.

IT – Interline Transfer – tento princíp sa veľmi

podobá princípu FT. Rozdiel je v tom, ţe svetlo

citlivá a svetlo necitlivá plocha sú rozdelené na

stĺpiky a usporiadané striedavo vedľa seba.

Z kaţdého necloneného stĺpika po dopadnutí svetla

a sa náboj presunie vedľa do svetlo necitlivej

plochy snímača odkiaľ sa posúva k prevodníku. Obr.5.3 matica snímača

Zatiaľ sa nasníma ďalší obraz.

Jednou z výhod CCD snímačov v porovnaní s ľudským okom je schopnosť akumulovať

náboj na dlhú dobu. To znamená, ţe tieto snímače sú schopné nahromadiť dostatok svetla

i z veľmi slabých svetelných zdrojov.

5.3. Kategórie CCD prvkov

Lineárne CCD

Pouţívajú sa na snímanie jednorozmerného obrazu. Pomocou týchto snímačov

pracujú skenery alebo faxy, kde sa obraz sníma po riadkoch. Lineárny CCD je tvorený

jednou radou pixlov. Dvojrozmerný obraz môţeme taktieţ snímať pomocou lineárneho

snímača. Objekt sa pohybuje a obraz sa tvorí snímaním po jednotlivých riadkoch. Tento

princíp sa pouţíva u skenerov, druţicových kamerách.

Plošné CCD

Pomocou kamery či fotoaparátu by sme mali snímať

dvojrozmerný obraz. Konštrukcia dvojrozmerného CCD je

jednoduchá. Stačí spojiť viacero lineárnych CCD na jednom

čipe. Rozdiel je v tom, ţe namiesto do výstupného

zosilňovača na konci riadku náboj smeruje do ďalšieho

lineárneho CCD, ktoré sú umiestnené kolmo. Aţ v

nasledujúcom kroku náboj postupuje do zosilňovača. Tento Obr.5.4 plošné

CCD

snímač sníma celý obraz naraz. Obrazové body akumulujúce

svetlo sú usporiadané v tomto snímači do stĺpcov. Zmenami napätia na elektródach sa

posúva obraz pozdĺţ stĺpcov vţdy o riadok niţšie aţ do horizontálneho registra. Tento

register je ďalej posúvaný pomocou horizontálnych elektród do zosilňovača.

5.4. Konštrukcia

Na to, aby CCD snímač správne fungoval musí mať základný polovodič oblasti

s rôznymi prímesami. Takisto bunky obsahujú pomocné elektródy tvorené

z naparovaného hliníku. Vplyvom týchto elektród sa zmenšuje citlivosť na svetlo pretoţe

citlivé sú len tie plochy na snímači, nad ktorými sa nenachádzajú tieto elektródy. Na

odstránenie tohto nedostatku sa pridávajú k bunkám snímača šošovky.

V snímači je rozdielny počet pouţitých buniek a celkový počet buniek snímača.

Tento rozdiel je z dôvodu ochranného pásma snímača.

5.5. Vlastnosti, nedostatky CCD snímačov

dynamický rozsah – udáva rozsah medzi odtieňom čiernej a bielej, ktorú je ešte

moţné snímačom zachytiť. Je limitovaný vlastným šumom a kapacitou prvku

CCD

citlivosť – udáva sa ako ISO citlivosť (veličina, používa sa pre citlivosť filmového

materiálu ). Zvýšením citlivosti sa zvýši aj šum.

rozlíšenie – udáva sa v megapixloch

šum – základným predpokladom je tepelný pohyb mrieţky polovodiča. Pri tomto

pohybe sa môţe uvoľniť elektrón bez pomoci fotónu. Tento elektrón sa

pripočítava k hodnote danej bunky. K odstráneniu šumu sa pouţíva napríklad

zväčšenie plochy bunky CCD snímača, pretoţe môţe zachytiť viac svetla

a minimalizovať šum. Ďalším spôsobom je chladenie kde sa odstráni tepelný

pohyb mrieţky.

vinetácia - jav, ktorý sa prejavuje stmavenými plochami na okrajoch obrazu.

Vzniká z toho dôvodu, ţe maximum svetla dopadajúceho na snímač je v kolmom

smere. V inom smere je účinnosť zmenšená. Hlavným dôvodom, je konštrukčná

chyba, alebo zle zvolený filter.

blooming – jav, pri ktorom dôjde k pretečeniu pixlov. Deje sa to preto, lebo na ne

dopadne príliš veľké mnoţstvo svetla.

Tieto prvky vypĺňajú sortiment medzi drahými polovodičovými súčiastkami s vyšším

príkonom a ekonomickými súčiastkami s nízkym príkonom.

5.6 Farebný filter

Ak chceme zosnímať farebný obraz, musíme snímať tri farby zvlášť. Sú to zelená

, červená a modrá. Snímač CCD je citlivý na všetky farby a dokonca je schopný snímať

určité zloţky aj mimo spektra. K detekcii poţadovanej farby pouţívame filtre.

Tento filter slúţi k odfiltrovaniu časti spektra a prepúšťa len určité frekvencie.

Napríklad modrý filter prepúšťa len to svetlo, ktoré má vlnovú dĺţku modrej farby.

Ostatné vlnové dĺţky pohltí. Takto pracuje aj červený a zelený filter. Základným filtrom

je RGB filter. Tento zaznamená dopadajúce svetlo. Základom pre tento filter je fakt, ţe

kaţdá farba sa skladá z modrej, zelenej a červenej farby. Farebný obraz sa sníma dvoma

spôsobmi.

Prvým spôsobom je moţnosť exponovať samostatné snímky

s monochronným čipom cez červený, zelený a modrý filter. Tento spôsob má

však nevýhodu v tom, ţe expozícia farebného obrazu zaberie určitý čas. Je

nevýhodné pouţiť ho pri snímaní rýchlo sa pohybujúcich objektov.

Druhou moţnosťou je aplikácia filtrov priamo na CCD snímače. Tento

spôsob nám umoţní získať farebný obraz pomocou jednej expozície.

Nevýhodou pri tomto spôsobe oproti prvému je niţšie rozlíšenie a citlivosť

snímača.

Kaţdý zo spomenutých spôsobov má určité výhody aj nevýhody. Preto je vhodné

pouţívať tieto filtre podľa situácie, resp. prispôsobiť filter snímanému obrazu. V dnešnej

dobe takmer všetky zariadenia pouţívajú detektory s farebnou maskou. V minulosti

pracovali tieto snímače so stĺpcom pixlov, ktorý bol zakrytý jednou farebnou maskou.

Stĺpce boli usporiadané v tomto poradí. Prvý bol červený, druhý zelený a posledný stĺpec

bol modrý. Toto poradie sa opakovalo. Pri

takomto spôsobe usporiadania bol obrazový

bod obsahujúci úplnú farebnú informáciu

tvorený z troch susedných bodov.

Dnešné CCD snímače pouţívajú Bayerove

masky. K tomu, aby sme mohli získať

informáciu o farbe svetla stačí pouţiť správnu

skladbu svetla. Keďţe akúkoľvek farbu sme

schopný získať pomocou zloţenia z troch

základných zloţiek. Na snímači je teda pred

kaţdým elementom u loţený farebný filter

tak, ako to je moţné vidieť na obrázku. Keď Obr. 5.5 farebný filter

teraz svetlo dopadá na snímač, najprv prechádza cez filter. Kaţdý z týchto troch filtrov

prepúšťa len určité spektrum. Modrý napríklad prepustí modrú časť spektra a zvyšné

zloţky odrazí. Dôjde k pohlteniu fotónov a získaniu elektrického náboja. Jeho veľkosť

teraz však nezávisí iba na intenzite dopadajúceho svetla, ale aj na farebnom rozloţení.

Výsledná farba sa potom skladá zo štvorice zloţiek, ktorá určuje výslednú farbu jedného

obrazového bodu. Pri snímaní sa najčastejšie pouţíva farebná hĺba 24 bitov. Keďţe máme

tri farebné zloţky znamená to, ţe na kaţdú nám pripadá 8 bitov. Z toho vyplýva, ţe pre

danú farbu môţeme dostať 256 odtieňov ( 28). Ich interpoláciou teda môţeme dostať

16 777 216 rôznych farebných odtieňov (256x256x256).

5.7. Binning

Binnig , po našom zlievanie je jednou z dôleţitých vlastností CCD snímacích čipov. Je to

zlievanie okolytých pixlov. Náboj nachádzajúci sa vo výstupnom uzle je potom vlastne

súčtom osvetlenia pixelov, ktoré sú zliate dohromady. Tieto pixli môţeme zlievať

vertikálne aj horizontálne. Vertikálne zlievanie nastáva ak sa obraz vertikálne posunie do

horizontálneho registra bez toho, aby bol medzi jednotlivými posunmy vyčítaný

horizontálny register.

Ak kombinujeme horizontálny a vertikálny binning, za výsledok dostaneme bod obrazu,

ktorý je vytvorený z obdĺţnika alebo štvorca susediacich pixelov ( 2x2-kombinácia dvoch

vertikálnych a dvoch horizontálnych binningov). Maximálny počet zliavaných bodov

závisí od samotnej kamery. V konečnom dôsledku binning prináša menšie zlo za cenu

väčšieho dobra. Zníţi rozlíšenie výsledného obrazu, ale naproti tomu výrazne rastie

citlivosť snímača. Taktieţ je výhodný ak sú obrazové body kamery menšie ako najmenší

detail, ktorý dokáţe zobraziť. V takomto prípade sa zvyšuje citlivosť, zrýchľuje sa

digitalizácia a zmenšuje objem dát.

5.8. Snímanie jedným čipom – 1CCD

Pouţíva sa hlavne v amatérskych videokamerách. Na jednotlivých pixloch CCD

snímača sú nanesené farebné filtre. Prevaţne usporiadanie pri týchto filtroch je

bayerovské usporiadanie.

Ľudské oko je najcitlivejšie na ţltozelenú farbu. Práve toto

je vyuţité pri snímaní jedným čipom. CCD snímač obsahuje viac

zelených buniek ako modrých a červených. Výsledné farby obrazu

vzniknú zloţením jednotlivých farieb, ktoré pochádzajú

z najbliţších pixlov jednotlivých farieb RGB.

Obr.5.6 vznik výslednej farby

5.9. Snímanie troma čipmi – 3CCD

Oproti predchádzajúcej časti sa tento systém pouţíva v poloprofesionálnych

a profesionálnych kamerách.

Poskytuje veľmi presné

snímanie farieb a umoţňuje

krátke expozičné časy. Svetlo

dopadá na sústavu dvoch

polopriepustných zrkadiel.

Tieto zrkadlá sú pokryté

tenkou vrstvou kovu čo

spôsobí, ţe odráţajú polovicu

svetla a ďalšiu polovicu Obr.5.7 rozloženie svetla v 3CCD

prepúšťajú. Keď svetlo dopadne na plochu zrkadla časť z neho sa odrazí k filtru

číslo 1 a časť svetla prechádza k druhému zrkadlu kde sa rozdelí a smeruje k farebnému

filtru číslo 2 a 3. Takto sa svetlo rozdelí k trom farebným filtrom. Kaţdý z týchto filtrov

je určený pre jeden CCD snímač.

6. CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

6.1. História

CMOS snímače sa začali vyvíjať paralelne s CCD snímačmi. V roku 1963

skonštruoval prvý CMOS obvod Frankem Wanlassem. Boli zvolené ako lacné

a nenáročne riešenie snímača. Pre riadiacu elektródu bol pôvodne pouţitý hliník, no

neskôr ho nahradili poly silikónom, pretoţe tento materiál je odolnejší voči vysokým

teplotám. Vďaka svojej vnútornej konštrukcii majú niţšiu spotrebu elektrického prúdu.

CMOS technológia sa pouţíva aj pre niektoré analógové obvody ako napríklad dátové

prevodníky.

6.2. Princíp

Technológia CMOS pouţíva ako základný obvod kombináciu P-kanálového a N-

kanálového tranzistora. Jeden tranzistor je zatvorený a druhý je otvorený. Oproti CCD

snímaču, kde sa signál prevádza za snímačom, v CMOS čipe sa optický signál prevádza

na elektrické napätie priamo v pixli. Snímacia plocha pixlu je menšia a nad kaţdým

pixlom je uloţená šošovka. Prevodník je teda integrovaný priamo v snímači. Keďţe

kaţdá bunka má svoj vlastný výstup, dáta z CMOS snímača vystupujú naraz. Tým je

zapríčinená aj menšia doba na spracovanie jedného obrazu zo snímača. Na rozoznávanie

farieb pri CMOS snímači slúţi RGB filter. Tento filter je priradený ku kaţdej bunke.

Šošovka umiestnená nad pixlom usmerňuje dopadajúce svetlo do tých miest, ktoré sú

svetlo citlivé. Táto plocha zaberá asi polovicu pixla, a to vďaka tomu, ţe sa podarilo

skonštruovať snímač, ktorý vyţaduje len tri tranzistory na pixel.

Nedostatkom tejto technológie je nízka maximálna pracovná frekvencia, asi 10

MHz. Táto hranica sa stále zvyšuje s technickým rozvojom.

Výhodou je naopak malá citlivosť na vonkajšie rušenie.

6.3. Typy CMOS snímačov

Jednoduchou verziou sú pasívne snímače ( PPS – Passive pixel sensors).

Tieto generujú elektrický náboj priamo úmerne energii dopadajúceho

svetla. Náboj sa následne zosilňuje v zosilňovači a pokračuje do A/D

prevodníka podobne ako u CCD. V Praxi tieto snímače nedosahujú

uspokojivú kvalitu obrazu

Aktívny CMOS ( APS – Active pixel sensor) obsahuje pri kaţdej svetlo

citlivej bunke doplnok v podobe obvodu, ktorý vyhodnocuje šum

a eliminuje ho.

Novinkou je Organický CMOS má tri priehľadné vrstvy ( modrú,

červenú, zelenú ) uloţené na sebe. Medzi nimi sú postupne umiestnené

stĺpce, ktoré zbierajú elektrický náboj a odvádzajú ho na elektródy.

Obr.6.1 princíp CMOS a organického CMOS snímača

Ľudské oko je najcitlivejšie na zelenú farbu. Menej citlivé je na

červenú a najmenšiu citlivosť má na modrú farbu. Preto sa

pouţíva rovnako ako u CCD aj u CMOS snímačov permanentný

farebný filter, Bayerov filter.

Obr.6.2 Bayerov filter

6.4. Konštrukcia

Snímače s technológiou CMOS sú označené jedným číslom. Predstavuje

priemernú veľkosť prvku na snímači. Čím je menšia veľkosť tým menšie napätie je

moţné pouţiť a teda sa zniţuje spotreba snímača.

Obvod sa skladá z dvoch častí:

NMOS

PMOS

Obe z týchto častí sú negáciou tej druhej.

6.5. Technológia

CMOS snímače sa vďaka pokroku vedy priblíţili kvalitou obrazu k CCD

snímačom. Avšak ani v dnešnej dobe nie sú vhodné pre tie videokamery od ktorých

očakávame maximálnu kvalitu obrazu. Nedostatkom je stále nedostatočná citlivosť na

svetlo. Nie je to problémom, ak s kamerou pracujeme v dobre osvetlenom prostredí.

V prostredí s nedostatočným osvetlením však môţe nastať zreteľný rozdiel v kvalite

obrazu. Výsledný obraz bude zašumený a tmavý. CMOS snímače k svojej prevádzke

vyuţívajú polovodičové súčiastky riadené elektrickým poľom. Ich spotreba je veľmi malá

a technológia výroby pomerne lacná. Vyrábajú sa podobne ako väčšina integračných

obvodov.

6.6. CMOS logika

Pouţíva sa tu novšia technológia, ktorá je zaloţená na pouţívaní

komplementárnych tranzistorov. Tieto tranzistory vykonávajú logické funkcie. Na

tieto operácie však nespotrebujú takmer ţiaden prúd. CMOS brány sú zaloţené na

základnom prevodníku. Sú tu pouţité dva tranzistory. Jeden tranzistor N – kanál je

uzemnený a P – kanál na druhom tranzistore je spojený so zdrojom napätia. Brány týchto

tranzistorov sú spojené a tak tvoria vstup, ich výpusty naopak spolu tvoria výstup. Sú

navrhnuté tak, aby mali prispôsobené charakteristiky, a takto sú komplementárne sebe

navzájom. Pri vypnutí je ich odpor nekonečne veľký, no pri zapnutí sa odpor v kanáli

pohybuje okolo 200Ω. Vtedy je brána v zásade otvorená a výstupné napätie bude rovnaké

ako uzemnenie alebo napájacie napätie, v závislosti od toho,

na ktorom tranzistore sa operácia vykonáva.

Pokiaľ je vstup A uzemnený (logická 0) , N- kanál nie

je zosilnený. Jedná sa o otvorený okruh, výstup je odpojený od

zeme. V tom istom čase P- kanál je polarizovaný, teda je

zosilnený. Kanál ma odpor pribliţne 200Ω. Výstupný obvod

má kladné napätie, čo znamená logickú 1.

Obr.6.3 polarizovaný P kanál

Pri ďalšom zapojení sú vyuţité funkcie

NOR a NAND. Na obrázku vidíme príklad

CMOS 2-vstupnej NOR brány. V tomto obvode

sú obidva vstupy nízke, oba P- kanály budú

zapnuté, tak budú spojené s +V. Oba N- kanály

budú vypnuté, nebudú spojené zo zemou. AK

sa jeden zo vstupov zvýši, kanál sa vypne a odpojí

sa výstup od +V. N- kanál bude zapojený zo Obr.6.4 NOR a NAND funkcie

uzemňovacím výstupom.

Táto štruktúra môţe byť zmenená ako je vidieť na

obrázku. Sú tu pouţité dva vstupy NAND brány, kde

logická 0 na vstupe dotlačí výstup k logickej 1, ale

logická 1 na obidvoch vstupoch spôsobí logickú 0 na

výstupe. Táto štruktúra je menej limitovaná neţ by bol

dvojpólový ekvivalent, sú tam však určité

uskutočniteľné limity. Jednou z nich je aj

kombinovaný odpor z MOSFETU v sérií. Brány

s viac ako štyrmi vstupmi sú budované skôr ako

kaskádové štruktúry neţ ako jednoduché Obr.6.5 NAND brány

štruktúry. Logika je však stále platná. Štruktúra však

spôsobuje určité problémy pri určitých aplikáciách. Tento problém bol vyriešený

a ochránený B- sériou CMOS brány.

Je zapracovaný člen NAND s párom

prevodníkov. Výstup bude riadený

tranzistorom, vrátane P- kanála alebo

N- kanála. Následne sú prispôsobené,

výstupný odpor bude nemenný,

správanie signálu je viac

predvídateľné. Jedným z hlavných

Obr.6.6 NAND s párom prevodníkov problémov CMOS brán je ich rýchlosť.

Nemôţu operovať veľmi rýchlo, kvôli ich neodmysliteľnej vstupnej kapacite.

6.7. Kompresia

CMOS snímače pouţívajú novšiu technológiu Focus Plane Image Compression. Táto

technológia sa pouţíva prevaţne vo fotoaparátoch na zníţenie spotreby pri spracovávaní

obrazovej informácie. Vyuţíva diskrétnu kosínusovú kompresiu, tá kladie extrémne

poţiadavky na mikroprocesor. Toto spracovávanie spotrebuje oproti predchádzajúcim len

1% energie.

Diskrétna kosínusová kompresiu

Je to stratová kompresia. Bola vyvinutá pre obrázky, v ktorých sa nevyznačujú skupiny

pixlov opakovaním.

Skladá sa z: transformácie farieb

redukcie farieb

doprednej diskrétnej kosínusovej transformácie

kvantovania koeficientov

kódovania

Transformácia farieb: jpeg sa zakladá na farebnom modely YCbCR. Musíme teda

obrázok transformovať do tohto modelu, kde jednotlivé zloţky predstavujú jas a farby.

Jednotlivé hodnoty Y, CB, CR, sú v rozsahu 0 – 255, potrebujú na uloţenie farby 3 byty

pre jeden pixel.

Redukcia farieb: touto redukciou sa robí prvá kompresia. Tá však nie je veľmi výrazná.

Keďţe oko je na zmenu jasu citlivejšie ako na zmenu farby, jasová zloţka Y ostáva

zachovaná a menia sa farebné zloţky CB a CR. Spriemerujú sa farebné zloţky pre

niekoľko susedných pixlov a nahradia sa vypočítanou priemernou hodnotou. Redukcia

spôsobí mierne zhoršenie kvality obrazu, pre ľudské oko je to však nebadateľné.

Dopredná diskrétna kosínusová transformácia: obrázok sa rozdelí na štvorce

o veľkosti 8x8 pixlov. Farba z kaţdého pixlu vo štvorci môţeme napísať ako lineárnu

kombináciu hodnôt vo všetkých pixloch štvorca.

7

0

7

0 16

)12(cos

16

)12(cos),()()(

4

1),(

u v

vyuxvuFvCuCyxf

Kde f(x,y,) je farba pixlu . Tento vzťah nazývame inverzná diskrétna kosínusová

transformácia. V tejto transformácií sú neznáme F(u,v). Farbu pixlu by sme si mohli

zapamätať, ak by sme tieto neznáme poznali. Robíme to však tak, ţe pomocou F(u,v)

zrekonštruujeme pôvodné farby podľa uvedeného vzorca.

Koeficienty F(u,v) následne vypočítame:

Ide o vzťah diskrétnej kosínusovej transformácie. Pre kaţdý štvorec teda dostaneme

maticu koeficientov F(u,v). Koeficienty sa v absolútnej hodnote postupne zmenšujú (

F(7,7) je menší neţ F(0,0) )

Obr.6.7 matica koeficientov

Kvantovanie koeficientov: pri tomto kroku dochádza k najradikálnejšej kompresii dát.

Úroveň kompresie je daná pouţívateľom. Kaţdý koeficient z danej matice sa pri

kvantovaní delí určitým kvantizačným činiteľom. Výsledok sa zaokrúhľuje. Kvantizačné

činitele sú tým vyššie čím vyššia je úroveň kompresie. Mnohé koeficienty sa tak môţu

zaokrúhliť na 0.

Obr.6.8 kvantovanie koeficientov

inde

vuprevCuC

1

0,21)(),(

7

0

7

0 16

)12(cos

16

)12(cos),()()(

4

1),(

x y

vyuxyxfvCuCvuF

)7,7(......)1,7()0,7(

)7,1(......)1,1()0,1(

)7,0(......)1,0()0,0(

FFF

FFF

FFF

Kódovanie: tabuľku s kvantovanými koeficientmi musíme následne uloţiť. Keďţe

v tabuľke sa nachádza veľké mnoţstvo núl, ukladáme len najnutnejšie informácie.

Nenulové prvky sú usporiadané v jednej časti tabuľky, preto postupujeme tak, aby sme sa

postupne dopracovali k takej línií, kde sú uţ len nulové koeficienty. Pri tom to ukladaní

sa koeficienty kódujú z toho dôvodu, aby sa zvýšil kompresný pomer.

Obr.6.9 postup kódovania

Dekódovanie: tu postupujeme v opačnom poradí. To znamená, ţe najprv dekódujeme

zakódované koeficienty, následne prebehne rekonštrukcia matice kvantovaných

koeficientov. Po mocou inverznej kosínusovej transformácie z nich získame farby pixlov.

Mnohé koeficienty sa mohli pri kvantovaní vynulovať a neboli vôbec uloţené a tak

zrekonštruovaná farba nemusí presne zodpovedať farbe pôvodnej. Preto sa tejto

kompresií hovorí stratová.

Obr.6.10 rozdiel pri jednotlivých typoch kompresií

7. Snímače vo fotoaparátoch.

Samotný fotoaparát sa skladá zo snímača a prevodníka, procesora, optiky,

zobrazovacej časti, pamäte, napájania, vonkajšieho plášťa, elektronickej časti

a príslušného softwaru.

Z týchto častí sa snímač fotoaparátu sa taktieţ skladá ako pri videokamerách

z buniek, ktoré sú schopné odmerať svetlo. A/D prevodník sa postará o samotnú

digitalizáciu dát a následne elektronika prevedie softwarovú úpravu získaného obrazu.

7.1. CCD snímač

CCD snímače sa vo pouţívajú vo väčšine fotoaparátov. Výstup z tohto čipu je

analógový preto za ním musí nasledovať uţ spomínaný A/D prevodník. Snímanie týmito

snímačmi dosahuje u prístrojov vysoko kvalitný obraz.

Progresívny CCD snímač: jednotlivé riadky či stĺpce svetlo citlivých buniek sa

napájajú na zbernicu. Následne pri snímaní obrazu sa odvádza a ukladá jeden

riadok po druhom. Celá táto operácia je realizovaná po jednej zbernici.

Prekladaný CCD snímač: naproti progresívnym snímačom sa riadky svetlo

citlivých buniek nenačítavajú samostatne ale po blokoch. Kaţdý riadok má

pridelený svoj vlastný register a konečné hodnoty sa od týchto registrov nakoniec

odčítajú. Tento spôsob je o niečo rýchlejší.

7.2. Super CCD snímač

Tento typ snímačov sa konštrukčne veľmi podobá

CCD snímačom. Svetlo citlivé bunky sú realizované do

šesťuholníkového alebo osemuholníkového tvaru a sú

usporiadané bliţšie pri sebe. Nad kaţdým svetlo citlivým

bodom sa taktieţ nachádza šošovka, ktorá nám zaistí

lepšie vyuţitie dopadajúce ho svetla, čím sa zvyšuje

citlivosť snímača. Vďaka tomuto usporiadaniu môţeme

dosiahnuť vyššie rozlíšenie.

Obr.7.1 super CCD snímač

7.3. CMOS snímač

Je konštrukčne zloţitejší ako CCD. Pouţíva sa prevaţne v mobilných telefónoch,

z dôvodu veľkej úspory energie. V tomto čipe výstup dát prebieha naraz. Kaţdá bunka

snímača má svoj vlastný výstup a nad kaţdou bunkou je umiestnený RGB filter s malou

šošovkou, ktorá usmerňuje dopadajúce svetlo do miesta citlivého na svetlo. Nevýhodou

týchto snímačov je však ich náchylnosť na šum.

7.4. Foveon snímač

Je to nová technológia snímačov. Sú to trojvrstvové

silikónové snímače, ktoré vyuţívajú vlastnosti silikónu a ten

pohlcuje rôzne zloţky svetla rôzne . Takto získa kaţdá zo svetlo

citlivých zloţiek informácie o všetkých troch farebných zloţkách

naraz

Obr.7.2 foveon snímač

7.5. Rozlíšenie snímačov

Vo väčšine prípadov pouţívaných fotoaparátov je moţné rozoznať určitý počet

bodov. Spravidla je moţné nastaviť niekoľko základných úrovní.

Mpx obrazu Rozlíšenie obrazu Foto pri 300 dpi

2 1600x1200 13x10 cm

3 2000x1500 17x13 cm

4 2500x1600 21x14cm

5 2800x1800 24x15cm

6 3000x2000 25x17cm

8 2500x2300 30x20cm

Tab.7.1 Počet bodov pri určitom rozlíšení obrazu

Takisto platí, ţe menšie senzory sú lacnejšie. Čím je však senzor menší tým horšiu

kvalitu obrazu nám poskytne a prejavujú sa všetky chyby objektívov

Tab.7.2 Rozmery snímačov

obr.7.3 veľkosti senzorov

7.6. Šum

Spôsobuje ho elektromagnetický šum v priestore okolo nás. Zdrojom môţu byť

mobilné telefóny, transformátory, počítače... Nie kaţdý fotoaparát má rovnaký šum. Ten

je charakteristický pre kaţdý digitálny fotoaparát. Sú to v podstate farebné body, ktoré

môţeme vidieť na obraze. Šum je tým menší, čím je snímač väčší, alebo čím je väčší

kaţdý snímací bod. Taktieţ platí, ţe je šum tým menší, čím je niţšia citlivosť snímača.

Môţe narásť aj pri dlhých expozíciách alebo ak softwarovo spracovávame a upravujeme

fotografie.

8. A/D prevodník

Toto zariadenie slúţi na prevádzanie analógového signálu na digitálny. Nachádza

v snímacích čipoch a slúţi na zdigitalizovanie hodnôt, ktoré sú získané zo svetlo citlivých

bodov snímačov. Na premenu signálu pouţíva niekoľko metód:

1/ 2,7“ 5,3x4,0 mm Konika Minolta

DIMAGE

2/ 3“ 8,8x6,6 mm Nikon Coolpix 8700

APS-C 22,2x14,8 mm Canon EOS 350 D

fullframe 24x36 mm

kinofilm 24x36 mm

8.1. Integračná metóda

Prvá doba tohto prevodníka je

konštantná a daná časom, ktorý je

potrebný na zaplnenie čítača, to

znamená, ţe doba trvá kým sa nenačíta

2n impulzov. Integrátor sa následne

odpojí k Vref. Nastane pokles a táto doba

sa skončí. Komparátor ukončuje proces.

Nasleduje ďalšia doba, ktorá sa meria

počtom impulzov, ktoré čítač načíta

v tejto dobe. Je to vlastne merítkom

signálu Vx. Pred konverziou je S1

zopnutý, na výstupe je nulové napätie.

Obr.8.1 integračná metóda

Keď sa spínač otvorí na výstupe narastá napätie s nasledujúcou strmosťou:

Keď sa načíta počet impulzov o veľkosti 2n čítač sa nuluje a spínač S1 sa prepína na Vref.

Následne napätie na výstupe začne klesať so strmosťou:

Pri tomto kroku sa počas klesania napätia čítajú hodinové impulzy aţ do nulového napätia

na výstupe integrátora. Ich počet je stanovený vzťahom:

8.2. Metóda vyuţitia medziprevodu napätia na frekvenciu

Zariadenia, ktoré pracujú na tomto princípe sa skladajú z prevodníka napätia na

frekvenciu, generátora hodinového signálu, komparačného AND hradla a čítača

frekvencie.

Napätie sa najprv prevedie v prevodníku napätia na frekvenciu. Následne sa signál

privedie na porovnávacie hradlo AND. Tento signál má frekvenciu, ktorá je závislá na

vstupnom napätí. Na druhom vývode hradla AND je hodinový signál. Signál na výstupe

sa navzorkuje pomocou čítača a podáva sa ďalej.

obr.8.2 metóda využitia medziprevodu U na f

8.3. Aproximačná metóda

Prevodníky s postupnou aproximáciou

autonómne generujú signál. Tento signál sa

porovnáva s vstupným. Digitálne

kombinácie, ktoré sú potrebné na

generovanie analógového signálu čerpajú

z binárneho stromu.

Aproximačný register je na začiatku

vynulovaný. Jednotka sa do tohto registra

zapíše ako najvyšší byt a ostatné byty sú obr.8.3 aproximačná metóda

nulové. Generuje sa signál, porovnáva sa so vstupným. Porovnávanie rozhodne o tom, či

je platná jednotka alebo sa nahradí nula, ta vtedy, ak je signál niţšej úrovne. Toto sa

opakuje aţ dovtedy, pokiaľ nie je navzorkovaný daný počet bitov.

8.4. Metóda zaloţená na sledovaní vstupného signálu

Podobajú sa aproximačným, pouţívajú však vratný čítač namiesto pamäte. Časťami

prevodníka sú komparátor, vratný čítač, n-bit DA prevodník. Signál z prevodníka je

privedený na vstup komparátora. Výstup z komparátora sa inkrementuje alebo

dekrementuje podľa vratného čítača, na ktorý je pripojený.

8.5. Metóda paralelného vzorkovania

Tieto prevodníky sú najrýchlejšie. Dokáţu navzorkovať binárne slovo naraz.

Rozkladajú úroveň vstupného signálu na rade rezistorov. Na spojoch medzi dvoma

rezistormi sa sníma napätie. Je opakom paralelného A/D prevodníka. Najväčšou

nevýhodou tohto typu prevodníka je jeho zloţitosť. Na n-bitov totiţ treba 2n-1

komparátorov a 2n rezistorov. Pouţívajú sa veľmi často hlavne kvôli svojej rýchlosti.

obr.8.4 metóda paralelného vzorkovania

9. CCD vs CMOS

Pomocou CCD technológie sa vytvára je moţné transportovať akumulovaný

náboj bez skreslenia. Tu je potrebná vysoká kvalita snímača, po stránke reprodukčnej

vernosti i citlivosti k svetlu. Keďţe technológia CMOS pouţíva postupy zhodné

s postupmi výroby mikroprocesorov môţeme popísať určité rozdiely medzi týmito

druhmi snímačov.

CCD a CMOS sú dve rôzne technológie určené pre snímanie obrazu digitálnou

formou. Kaţdý z nich má svoje silné i slabé stránky, ktoré poskytujú výhody pri rôznych

prípadoch.

V CCD snímači je kaţdý pixel prenášaný cez obmedzený počet výstupných uzlov,

ktoré sú prevádzané na napätie a odoslané ako analógový signál. Naproti tomu v CMOS

senzore má kaţdý pixel svoj vlastný prevodník na napätie a často tieţ zahŕňa zosilňovače.

Pri kaţdom pixli sa teda robia vlastné konverzie.

Obidva typy, CCD aj CMOS, môţu ponúknuť uţívateľovi vynikajúci výsledok

zosnímania obrazu ak sú navrhnuté správne. CCD snímače tradične pouţívajú

predovšetkým vo fotografickej sfére, pri vedeckých a priemyselných projektoch, ktoré

vyţadujú najvyššiu kvalitu obrazu. CMOS však ponúkajú viac integrácie ( funkcií ),

niţšiu spotrebu a to vďaka tomu, ţe snímače CMOS sú schopné pracovať s jednou

napäťovou úrovňou oproti CCD kde sú potrebné na posun získaného náboja dve

napäťové úrovne. Nízka spotreba energie je výhodou vo všetkých typoch zariadenia.

Tieto snímače sú predovšetkým pre ich nízku spotrebu pouţívané v mobilných telefónoch

ako integrované fotoaparáty, pretoţe sa ľahko miniaturizujú a vyrábajú vo veľkom

mnoţstve. Návrhári pri navrhovaní CMOS snímačov venovali intenzívne úsilie na

dosiahnutie vysokej kvality obrazu. Pri CCD snímačoch boli zníţené poţiadavky na

spotrebu energie. S týmto súvisí u CCD aj niţšia produkcia úbytkového tepla, ktorá sa

stala hlavným problémom týchto snímačov. U CCD aj CMOS platí, ţe čím viac sa snímač

zohreje, tým viac produkuje šumu. Tak sa zniţuje celková kvalita obrazu.

CMOS snímače sa jednoduchšie vyrábajú vo väčších, ale aj v extrémne malých

rozmeroch. Pri produkcii je moţné badať malé problémy s chybovosťou či spotrebou

kremíka. Naproti tomu výhodou tejto technológie snímania obrazu je rýchlosť prenosu

zaznamenaného náboja na prevodník a následná príprava snímača na ďalší záznam.

CMOS ťaţí hlavne zo schopnosti odviesť náboj naraz zo všetkých svetlo citlivých buniek

a nezdrţovať sa postupným posunom náboja ako je to pri CCD snímačoch.

Pomocou CCD technológie je moţné transportovať akumulovaný náboj

bez skreslenia. Tu je potrebná vysoká kvalita snímača, po stránke reprodukčnej vernosti

i citlivosti k svetlu. Keďţe technológia CMOS pouţíva postupy zhodné s postupmi

výroby mikroprocesorov môţeme popísať určité rozdiely medzi týmito druhmi snímačov.

CCD vytvárajú obraz vysokej kvality, a to len s nízkym šumom. CMOS majú väčší sklon

k šumu. Kaţdý pixel pri CMOSe má určité transformátory umiestnené blízko seba, preto

je citlivosť na svetlo niţšia. Veľa z fotónov dopadá na tranzistory a nie na fotodiódy. Sú

vyrábané na základe silikónového sortimentu, čo zapríčiňuje ich ekonomickú stránku voči

CCD. Pri CMOS snímačoch si ich výrobcovia cenia výhody, no technológia pri nich

radikálne nijako nepostúpila.

V konečnom dôsledku sú snímače CCD pouţívané pri práci kde sa poţadujú

kvalitné snímky, a kde je potrebná zvýšená citlivosť na svetlo. CMOS pouţívame

prevaţne v priemyselných kamerách. Majú niţšiu obrazovú kvalitu, citlivosť na svetlo

a aj rozlišovaciu schopnosť. CMOS kamery môţu vyţadovať menej komponentov

a niţšiu spotrebu, ale vo všeobecnosti vyţadujú čipy pre optimalizáciu kvality obrazu. To

zvyšuje náklady. CCD snímače sú menej zloţité zariadenia ako CMOS snímače, to sa

podpisuje aj na cene týchto snímačov.

10.TEST – PRAKTICKÁ ČASŤ

Sony HDR-HC9E Panasonic SDR –H280 JVC GZ-MG20E

Tab.10.1 Porovnanie obrazu kamier

Test kamier spočíval v zosnímaní obrazu troma rôznymi typmi videokamier a digitálnym

fotoaparátom. Boli pouţité:

1CCD kamera – JVC GZ-MG20E

3 CCD kamera – Panasonic SDR-H280

1 CMOS kamera – Sony HDR-HC9E

digitálny fotoaparát – Nikon L10P

Obraz bol snímaný v jednom prostredí, avšak pri rôznej svetelnosti a nastavení kamier.

Snímaný obraz bol pri ţiarovkovom svetle, pri šere a pri dennom svetle. Kamery pritom

snímali tento obraz pri clone 6dB a takisto pri clone 18dB. Zo zosnímaného obrazu sa

objektívne porovnával vzniknutý šum a svetelnosť kamier.

Riadok č.1 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 18dB, ţiarovkové svetlo

Riadok č.2 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, ţiarovkové svetlo

Riadok č.3 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 18dB, šero

Riadok č.4 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, šero

Riadok č.5 – rýchlosť uzávierky 1/50, clona 6dB, denné svetlo

Charakteristika videokamier:

Sony HDR-HC9E

Jednočipová CMOS videokamera so záznamom na Mini DV kazety, MS DUO karty, MS

PRO karty. Celkové rozlíšenie videokamery je 3,2 Mpix. Veľkosť snímača je 1/ 2,9 palca.

Svetelnosť objektívu je 1,8 aţ 2,9.

JVC GZ-MG20E

Jednočipová CCD videokamera so záznamom na HDD. Rozlíšenie videokamery je

0,8Mpix. Veľkosť snímačov je 1/6 palca. Minimálna rýchlosť uzávierky je 1/4000 sec.

Panasonic SDR-H280

Snímanie obrazu 1/6“ 3CCD snímačom. Clona F1.8 aţ F2.8. Ohnisková vzdialenosť je

od 3 do 30mm. Pouţíva kompresiu MPEG-2, pre zvuk je to Dolby Digital.

10.1.Ţiarovkové svetlo

JVC

Obr.10.1. JVC

žiarovkové svetlo

Panasonic

Obr.10.2.Panasonic

žiarovkové svetlo

Sony

Obr.10.3. Sony

žiarovkové svetlo

Zo subjektívneho hľadiska sa najlepšie prejavila videokamera Panasonic SDR-H280. Na

obrázku č.10.1 je snímok z videokamery JVC GZ-MG20E, ktorý sa javí ako neostrý

a jemne šumivý. Na obrázku č10.2. sa nachádza snímok z videokamery Panasonic SDR-

H280. Tento obrázok obsahuje minimum šumu, avšak niţšiu svetelnosť obrazu. Na

obrázku č.10.3 je snímok z videokamery Sony HDR-HC9E. Obrázok je svetlejší ako u

predchádzajúceho typu avšak vykazuje viditeľný šum.

10.2. Denné svetlo

JVC

Obr.10.4. JVC

denné svetlo

Panasonic

Obr.10.4.Panasonic

denné svetlo

Sony

Obr.10.6.Sony

denné svetlo

Pri snímaní denného svetla videokamerou JVC GZ-MG20E sa na obrázku č.10.4

prejavuje jemne neostrý a tmavý obraz. Na ďalšom obrázku č.10.5 je videokamerou

Panasonic SDR-H280zo subjektívneho hľadiska obraz jasný a jemne zrnitý. Posledným

obrázkom v tomto bode je obrázok č.10.6 snímaný videokamerou Sony HDR-HC9E

jasnejší ako u predchádzajúcej videokamery, avšak opäť sat u prejavuje o niečo väčšia

zrnitosť obrazu.

10.3. Šero

JVC

Obr.10.7. JVC

šero

Panasonic

Obr.10.8.Panasonic

šero

Sony

Obr.10.9. Sony

šero

Pri tejto časti testu sa z môjho hľadiska najlepšie umiestnila videokamera Panasonic

SDR-H280. Ako je vidieť na obrázku č.10.7 snímanom videokamerou JVC GZ-MG20E

sa opäť prejavila jemná neostrosť obrazu. Obraz je zároveň príliš tmavý. Obrázok č10.8.

bol snímaný videokamerou Panasonic SDR-H280. Obrázok je dostatočne svetelný

s minimom šumu. Posledným obrázkom je č.10.9 z videokamery Sony HDR-HC9E.

Tento obrázok je dostatočne svetelný, no prejavuje sa tu šum.

10.4. Grafické znázornenie

V ďalšej časti som hľadal nezaujatú skupinu respondentov, podľa ktorej by som vytvoril

objektívny názor na zosnímané vzorky obrazu. Respondenti boli vybraný

z profesionálneho technického, ale aj amatérskeho prostredia. Výsledky ankety sú

znázornené v nasledujúcom grafe.

Graf 10.1 Vyhodnotenie ankety na vzorke 30 respondentov

10.5. Porovnanie fotosnímačov

V tejto časti okrajovo porovnáme dva snímače rôznych druhov fotoaparátov a to

digitálneho fotoaparátu Nikon L10P a CMOS snímača, ktorý je pouţitý v mobilnom

telefóne Nokia 3110 classic.

Obraz bol zosnímaný v rovnakých podmienkach ako obraz z testovaných kamier,

to znamená v dennom svetle, v šere a taktieţ aj v ţiarovkovom svetle.

Digitálny fotoaparát Nikon L10P pouţíva na snímanie CCD snímač. Mobilný

telefón je naopak vybavený CMOS snímačom ako je to u väčšiny mobilných telefónov.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

žiarovkovédenné

šero

JVC

PANASONIC

SONY

Nikon L10P Nokia 3110 classic

Tab.10.2 Porovnanie obrazu digitálneho fotoaparátu a fotomobilu

1.riadok – šero

2.riadok – ţiarovkové svetlo

3.riadok – denné svetlo

Na zosnímaných obrazoch je zjavné, ţe snímaný obraz pomocou mobilného telefónu

obsahuje veľký šum a nedokonalé rozoznávanie farieb.

11. Záver

Počas vývoja snímacej techniky došlo od jej začiatku po súčasnosť k veľkému

pokroku. Rok čo rok prichádzajú na trh kvalitnejšie výrobky, ktoré umoţňujú konečnému

pouţívateľovi zosnímať kvalitný materiál na ďalšie spracovanie. Skvalitňujú sa jednotlivé

snímače ako aj technika spracovávajúca obraz.

Človek vníma podstatnú časť informácií zo svojho okolia okom. Na zvečnenie

záţitkov z rôznych príleţitostí, slávností, rodinných akcií, ale aj v profesionálnej sfére

slúţi práve technika snímajúca obraz. Medzi túto techniku zaraďujeme napríklad

fotoaparáty, rôzne typy videokamier, v súčasnosti sú to uţ aj mobilné telefóny, či webové

kamery.

Cieľom tejto práce bolo poskytnúť opis snímania obrazu, ako aj spracovanie

obrazu v nasledujúcich častiach snímacej techniky a tieţ podmienky pri ktorých je

moţné zosnímať kvalitný obraz.

V práci som opísal vlastnosti svetla, rozklad a vnímanie jednotlivých farebných

zloţiek svetla. Toto je základom pre zachytenie obrazu ľudským okom, podobne tak aj

videokamerou. Sú to rozpísané jednotlivé vlastnosti práce dvoch typoch snímacích čipov,

ktorými sú CCD a CMOS snímače. Okrajovo som sa dotkol práce snímačov

zabudovaných do digitálnych fotoaparátov. Pri všetkých týchto snímačoch som sa

zameral na výhody a nevýhody snímania obrazu a samotný princíp snímania obrazu. Ten

je špecifický pri kaţdom type snímača. Následne som krátko spracoval porovnanie

jednotlivých typov snímačov. V praktickom teste som porovnával tri videokamery

a digitálny fotoaparát pomocou snímok realizovaných pri rôznych svetelných

podmienkach. Vyhodnotenie testu som spracoval ako subjektívne aj objektívne

hodnotenie. Hodnotenie je prevedené v grafickom znázornení, ktoré bolo realizované na

vzorke 30 respondentov.

Práca dáva moţnosť nahliadnuť do práce snímacej techniky a pochopiť základy

pracovania jednotlivých typov tejto techniky.

Zoznam pouţitej literatúry

[1] Architektúry mikroprocesorov / Slobodan Ribarič - Bratislava : Alfa, 1988

[2] Multimédia : současnost budoucnosti / Peter Sokolowsky - Zuzana Šedivá

1. vyd. - Praha : Grada Publishing, 1994, ISBN-13 978-80-7169-081-8

Internetové zdroje

[1]http://www.chip.cz/cs/clanky/nove-obrazove-senzory-pro-krasnejsi-

fotografie.html

[2] http://www.elektrorevue.cz/clanky/03015/index.html

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter

[4] http://sk.wikipedia.org/wiki/Analógovo-digitálny_prevodník

[5] http://www.grafika.cz/art/df/CMOS-rice.html

[6] http://www.play-hookey.com/digital/electronics/cmos_gates.html

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

[8] http://www.1sg.sk/~pkubinec/farby.html

[9] http://sk.wikipedia.org/wiki/Fotoelektrick%C3%BD_jav

[10] http://www.walter-fendt.de/ph11sk/photoeffect_sk.htm

[11] http://sk.wikipedia.org/wiki/Svetlo

[12] http://en.wikipedia.org/wiki/Active_pixel_sensor

[13] www.dalsa.com/public/corp/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf

[14] www.zen118213.zen.co.uk/RFIC_Circuits_Files/CMOS%20Logic.pdf

[15] http://www.digi-foto.sk/digitalny-fotoaparat/ako-vznika-digitalny-obraz/ako-

pracuje-snimac-digitalneho-fotoaparatu/

[16]

www.hexagon.sk/subory/File/Svetelne_zdroje_a_fotografia_vyber_2007_10_27.p

df

[17] www.gjar-po.sk/studenti/informatika/02_03/prezentacia3d/rebrinsky.ppt

[18] www.dep.fmph.uniba.sk/~kundracik/polovodicove_suciastky/optoelektronika_prednaska.ppt

[19] http://www.grafika.cz/art/hw/clanek216968175.html

[20] http://cs.wikipedia.org/wiki/CCD

[21] http://www.grafika.cz/art/hw/clanek1508315895.html

Čestné vyhlásenie

Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením

vedúceho bakalárskej práce doc. Ing. Martina Vaculíka PhD. a používal som len literatúru

uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Žiline dňa............................... Podpis študenta.............................

Poďakovanie

Na záver by som sa chcel poďakovať vedúcemu mojej bakalárskej práce pánovi doc. Ing. Martina

Vaculíka PhD. za jeho rady a pomoc, ktorú mi poskytol pri vypracovaní tejto bakalárskej práce.

Taktiež by som sa veľmi rád poďakoval mojej rodine a neposlednom rade taktiež ďakujem

všetkým, ktorí mi prispeli radou, alebo pomocou k vytvoreniu tejto bakalárskej práce.

Tomáš Hanečák

Žilinská univerzita v Žiline

Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií a multimédií

CCD A CMOS SNÍMAČE VO VIDEOKAMERÁCH

PRÍLOHOVÁ ČASŤ

Tomáš Hanečák

2009

ZOZNAM PRÍLOHOVEJ ČASTI

Príloha č.1.............Technický scenár

Príloha č.2.............Popis prostredia nelineárneho strihového programu Canopus EDIUS

Príloha č.1

Poznámka: V tejto prílohovej časti sa nachádza v ľavom stĺpci popis obrazovej časti, v strednom

stĺpci dĺžka trvania záberov a v pravom stĺpci sa nachádza popis zvukovej časti mediálneho diela.

Technický scenár

exteriér, jasný deň

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická inštrumentálna hudba, fakulta, odbor multimediálne technológie, podmas počas celého uvádza bakalársky projekt, Tatranské jazerá ( 0:00 – 0:06 ) diela Zatmievačka.

Záber č.2: detail Roztmievačka ( 0:06 – 0:11 ) štebocú vtáčiky Púčik na strome komentár č.1

Záber č.3: detail Rozkvitnuté kvety na strome ( 0:11 – 0:14 ) prelínačka

Záber č.4: celok Slnko svieti cez stromy v lese ( 0:14 – 0:22 ) kukučka komentár č.2

Záber č.5: celok vrch v obklopení stromov ( 0:22 – 0:26 ) žblnkoce voda

Záber č.6: detail kameň vo vode ( 0:26 – 0:29 ) žblnkoce voda

Záber č.7: polocelok

kamene vo vode, kus snehu na brehu ( 0:29 – 0:32 ) žblnkoce voda voda žblnkoce cez kamene

Záber č.8: polocelok

potok s kameňmi, kus snehu na brehu ( 0:32 – 0:35) žblnkoce voda voda preteká cez kameň prelínačka

Záber č.9: celok švenk, vrchy s jazerom ( 0:35 – 0:44 ) komentár č.3 sprava doľava

Záber č.10: polocelok Hotel na štrbskom plese, pozade- vrch, ( 0:44 – 0:46 ) popredie – jazero

Záber č.11 : polocelok kamene v jazere, ( 0:46 – 0:49 ) obklopuje ich ľad

Záber č.12: polocelok strom, v pozadí štíty, les, ( 0:49 – 0:52 ) zamrznuté jazero

Záber č.13: detail, celok kamera odzoomuje z detailu na mostík, ( 0:52 – 0:56 ) na celok s jazerom a štítmi

Záber č.14: polocelok jazero, v popredí krovie, v pozadí les, domy ( 0:56 – 0:58 ) komentár č.4 jazero rozmŕza

Záber č.16: detail breh, kamene vo vode ( 0:58 – 1:00 ) voda rozmŕza Záber č.17: polocelok jazero, v pozadí les, hotel ( 1:00 – 1:02 ) Záber č.18: detail vetvy zo stromu, v pozadí ( 1:02 – 1:04 ) štebot vtákov štíty, les Záber č.19: polocelok jazero, v pozadí les ( 1:04 – 1:08 ) v popredí strom na pravej strane obrazu Záber č.20: detail kačka pláva na vode ( 1:08 – 1:11) Záber č.21: celok dve kačky na vode, v popredí strom ( 1:11 – 1:12) Záber č.22: detail kačka na vode, pláva zľava doprava ( 1:12 – 1:17 ) Záber č.23: detail kačka na vode, sprava doľava ( 1:17 – 1:20 ) Záber č.24: polocelok

strom, v pozadí s jazerom a kačkou ( 1:20 – 1:24 ) Záber č.25: polocelok kamene vo vode, breh, kačka na vode ( 1:24 – 1:26 ) komentár č.5 Záber č.26: detail kačka na vode ( 1:26 – 1:30 ) Záber č.27: celok kačky na chodníku, v okolí ľudia ( 1:30 – 1:33 ) Záber č.28: detail kačky na chodníku ( 1:33 – 1:35 ) Záber č.29: polocelok štít, v popredí stromy a jazero ( 1:35 – 1:37 ) stromy obklopujú obraz Záber č.30: polocelok štít, v popredí stromy, les ( 1:37 – 1:41 ) Záber č.31: celok švenk po pohorí, v popredí jazero ( 1:41 – 1:45 ) Záber č.32: polocelok turisti na chodníku ( 1:45 – 1:50 ) Záber č.33: celok turisti na brehu ( 1:50 – 1:53 ) Záber č.34: celok socha v pravej časti, v pozadí štíty ( 1:53 – 1:56 ) Záber č.35: celok dom na brehu, v popredí jazero ( 1:56 – 1:58 ) Záber č.36: polocelok skaly vo vode, stromy v pozadí ( 1:58 – 2:01 ) Záber č.37: polocelok skala s pomníkovou tabuľou ( 2:01 – 2:04 ) v pozadí stromy Záber č.38: detail pomníková tabuľa ( 2:04 – 2:07) prelínačka

Záber č.39: celok švenk sprava doľava, jazero, v pozadí les, ( 2:07 – 2:15 ) hotel na Štrbskom plese Záber č.40: detail, celok švenk z vetvy cez les na štít tatier ( 2:15 – 2:23 ) Záber č.41: detail kameň vo vode ( 2:23 – 2:26 ) tečúca voda Záber č.42: polocelok skaly, v pozadí krovie ( 2:26 – 2:28 ) tečúca voda Záber č.43: polocelok stromy, v pozadí potok, zasnežené brehy ( 2:28 – 2:31 ) tečúca voda Záber č.44: detail kameň v zurčiacej vode ( 2:31 – 2:35) tečúca voda komentár č.6 Záber č.45: detail voda steká po kameni, v popredí sú stromy ( 2:35 – 2:39 ) tečúca voda Záber č.46: polocelok švenk sprava doľava po štítoch tatier ( 2:39 – 2:42 ) tečúca voda Záber č.47: celok štíty tatier, v popredí stromy ( 2:42 – 2:46 ) tečúca voda prelínačka Záber č.48: polocelok štíty tatier, v popredí stromy ( 2:46 – 2:49) tečúca voda prelínačka Záber č.49: polocelok štít tatier obklopený stromami ( 2:49 – 2:52 ) tečúca voda Záber č.50: detail kamene vo vode, preteká cez ne voda ( 2:52 – 2:56 ) tečúca voda Záber č.51: celok štít tatier pokrytý snehom ( 2:52 – 2:59 ) tečúca voda Záber č.52: celok chata na popradskom plese, v okolí je jazero ( 2:59 – 3:02 ) tečúca voda prelínačka Záber č.53: celok chata na popradskom plese zozadu, ( 3:02 – 3:07 ) tečúca voda v pozadí štíty tatier Záber č.54: polocelok Vvda tečúca po kameňoch, v pravej časti ( 3:07 – 3:11 ) tečúca voda

strom v ľavej časti breh potoka Záber č.55: detail v dolnej časti drevené zábradlie, v pozadí ( 3:07 – 3:14 ) tečúca voda voda a zasnežený breh Záber č.55: detail vetvičky na zasneženom podklade ( 3:14 – 3:16 ) tečúca voda Záber č.56: polocelok potok, v popredí z pravej strany strom ( 3:16 – 3:19 ) tečúca voda Záber č.57: polocelok v dolnej časti potok, vlieva sa do jazera ( 3:19 – 3:21 ) tečúca voda Záber č.58: celok Jazero po ktorom sa plavia ľadové kryhy ( 3:21 – 3:27 ) Záber č.59: detail krovie v popredí z ľavej strany, v pozadí ( 3:27 – 3:30 ) tečúca voda sa trbliece voda Záber č.60: polocelok podhľad, kamera sníma vodu vlievajúcu ( 3:30 - 3:36 ) tečúca voda sa do jazera, na ľavej strane je krovie Záber č.61: polocelok švenk po zasneženom vrchu zhora dole ( 3:36 – 3:43 ) tečúca voda na potok, na brehu je krovie Záber č.62: celok tatranský štít, zasnežený, na ľavej ( 3:43 – 3:47 ) tečúca voda strane je les Záber č.63: celok švenk po tatranských štítoch zľav doprava, ( 3:47 – 3:52 ) tečúca voda nie sú zasnežené, v popredí stromy Záber č.64: polocelok zasnežený breh, v pozadí vidno potok, ( 3:52 – 3:56 ) tečúca voda tečúca voda, stromy Záber č.65: detail kamene vo vode, prskajúca voda, ( 3:56 – 4:01 ) tečúca voda v ľavej strane krovie Záber č.66: detail kamene vo vode, voda cez ne preteká, ( 4:01 – 4:04 ) tečúca voda v pozadí zasnežený breh Záber č.67: detail kameň cez ktorý preteká voda ( 4:04 – 4:07 ) tečúca voda Záber č.68: polocelok v popredí drevené zábradlie, v pozadí ( 4:07 - 4:11 ) tečúca voda potok so zasneženými brehmi Záber č.69: celok, detail

švenk zo zasneženého tatranského štítu ( 4:11 – 4:24 ) tečúca voda po hrebeni na vetvičku stromu komentár č.7 Záber č.70: celok slnko zapadá za tatry ( 4:24 – 4:33 ) Záber č.71: titulky KONIEC ( 4:35 – 4:53 ) Spracoval: Tomáš Hanečák Spolupracovali: Martina Kyčinová, Beáta Oravcová ©2009 Komentár č.1: Pod tatrami nastala jar. Jej majestátny príchod ohlasujú štebotavé vtáčiky. Komentár č.2: Prvé slnečné lúče pomaly šteklia vetvičky stromov. Komentár č.3: Kým vrchy ešte spia, okolo tatranských jazier sa začína prebúdzať život. Komentár č.4: Slnečné lúče už stihli rozmraziť čo sa dalo. Komentár č.5: Pomaly rozmŕzajúce jazerá. Ktoré prilákali kačky a nie len ich, ale aj množstvo turistov, či už starších, alebo mladších, ktorí si nenechajú ujsť prechádzku v nádhernom prostredí. Komentár č.6: Zurčiaca voda, ktorá pomaly zmýva posledné stopy snehu a nádherné spiace hory vzbudzujúce rešpekt nad touto veľmocou. Komentár č.7: Tatry otvorili návštevníkom svoju náruč dokorán.

Príloha č.2

Popis prostredia nelineárneho strihového programu

Canopus EDUS

Obr.11. Prostredie Canopus EDIUS

Rozloţenie prostredia:

- V ľavom hornom rohu sa nachádza menu

- Pod menu sa nachádzajú dva okná s ovládaním obsahujúce aktuálne videá

- Pod oknami sa nachádza časová os obsahujúca video stopy, audio stopy a master VA

stopu

- V pravej hornej časti sa nachádza Bin window. V tomto okne máme v náhľade všetky

videá s ktorými potrebujeme pracovať

- Pod Bin window sa nachádza paleta s efektmi. Obsahuje video a audio efekty, taktieţ

prechody a efekty titulkov.

- V pravej dolnej časti sa nachádza okno s nastavení, jednotlivého efektu

65