Глава 6 (Учебник - информационные системы), страница 8

Существенным недостатком современных ПЗС камер является их меньшие, по сравнению с ЭЛТ, чувствительность и разрешающая способность. Самые чувствительные ПЗС камеры, по аналогии с В называемые «ночными», способны работать при уровнях освещенности до 0,005 … 0,00004 лк, что соответствует освещенности от звезд, частично закрытых облаками. Что касается разрешения, то телекамера стандартного разрешения с числом элементов по строке около 500 имеет реальную разрешающую способность всего 380 твл. Это значение, получается умножением числа элементов матрицы ПЗС на технологический коэффициент 0,75. Однако даже такое значение превосходит разрешающую способность большинства стандартных видеомагнитофонов. ПЗС камеры высокого разрешения с 760 элементами на строке имеют разрешающую способность примерно 570 твл.

Формат телекамеры непосредственно связан с размером используемого объектива. Самыми распространенными и дешевыми являются черно-белые ПЗС камеры стандартного разрешения и форматом 1/3". Четвертьдюймовые камеры используются в системах видеонаблюдения. Для телекамер форматом 1/2" характерно более высокое отношение сигнал/шум, достигающее при дневной освещенности значения 55 … 60 дБ.

Примеры выпускаемых телевизионных ПЗС камер представлены в табл. 6.11.

Таблица 6.11. Примеры промышленных ПЗС камер

Примечание. Модели SSC-M370 и WAT разработаны фирмами Sony и Watec, Япония.

Самая маленькая цифровая фотокамера, разработанная фирмой Sony, весит 26 г., имеет ОЗУ емкостью 64 МБ и способна хранить около 1000 фотографий.

Различные системы на основе ПЗС матриц и линеек нашли широкое применение в самых различных областях. Не рис. 6.27 в качестве примера показано использование ПЗС линейки в системе управления оптическим фокусом видеокамеры. Схема этого устройства похожа на схему устройства автофокусировки головки наведения (рис. 5.78). В одном из наиболее известных решений, известных как TCL (Thro­ugh the Camera Lens), луч света прошедший сквозь о бъектив направляется полупрозрачным зеркалом на датчик - линейку ПЗС. При этом из пучка лучей, образующих изображение объекта апертурной маской выделяются два крайних, которые разделительными линзами фокусируются в плоскости ПЗС датчика. Разница между полученным сигналом и опорным, записанным в па­мяти микропроцессора камеры, является сигналом уп­рав­ления приводом объектива.

Подведем итоги. Достоинствами телевизионных ПЗС камер являются: высокое быстродействие (малая инер­ци­он­ность), возможность фиксации (запоминания) изо­бра­же­ния, высокая линейность по полю, устойчивость к внешним возмущающим воздействиям, а также малые габариты и вес. Недостатками - меньшая чувствительность и разрешаю­щая способность, чем у вакуумных трубок и геометрический шум.

6.3.3. Фотодиодные матрицы

Наряду с телекамерами на ПЗС структурах нашли распространение и фотодиодные матрицы (ФДМ), также работающие на принципе накопления зарядов. Их главным достоинством является возможность поэлементной адресации и параллельного вывода данных. В основе работы ФДМ лежит свойство p-n перехода, находящегося под обратным потенциалом накапливать заряд, пропорциональный падающему на переход потоку электронов. ФДМ широко используются в оптических преобразователях, сканерах, принтерах и др.

О сновой ФДМ является ячейка, содержащая фотодиод и три МОП-транзистора V₁, V₂ и V₃ (рис. 6.28). В начале цикла записи на транзистор V₁ поступает импульс стирания U_ст открывающий транзистор в результате чего барьерная емкость фотодиода заряжается напряжением по цепи +E_см - E_п. После закрытия V₁ барьерная емкость разряжается фототоком, причем, чем выше освещенность ячейки, тем быстрее происходит разряд. Если через определенный промежуток времени t_нак. на транзистор V₂ подать адресный импульс U_а (режим вывода сигнала), то по цепи V₃ - V₂ потечет ток от источника -Е_п. Величина этого тока зависит от степени открытия V₃ потенциалом на емкости фотодиода (т.е. от остав­шегося через время t_нак заряда на фотодиоде). Таким образом, выходной сигнал ячейки зависит от ее освещенности , а совокупность сигналов ФДМ дает информацию о распределении света на ее чувствительной поверхности (рис. 6.28).

Новый цикл записи начинается подачей очередного импульса стирания от внешнего формирователя на общую (для всех ячеек шину), при этом полностью заряжаются емкости фотодиодов, «сти­рая» сохранившиеся на них потенциалы. Время t_нак определяет накопленную ячейкой энергию светового потока Ф и, сле­довательно, ее фоточувствительность.

К ак уже отмечалось, функция преобразования фотодиода близка к линейной (рис. 6.29).

Схема телекамеры на основе ФДМ представлена на рис. 6.30. Основной режим работы телекамеры - «счи­ты­ва­ние с накоплением». В этом режиме, после короткого импульса стира­ния U_ст, в течение ин­тервала времени t_нак про­исходит «запись» распределения освеще­н­ности на ячейках, после чего на выбранную стро­ку поступает адре­сный им­пульс и на выходных ши­нах одновременно во­з­ни­ка­ют потенциалы яче­­ек этой строки. Таким образом, организуется параллельно-после­дова­те­ль­ное считывание инфо­р­мации. (Па­рал­лель­но - эле­менты строки, последовательно - строки, причем в произвольном порядке).

Частота вывода кадров f_к в этом режиме определяется величиной t_нак и варьируется в диапазоне 200 ... 5000 Гц. Задающий генератор устанавливает частоту следования управляющих импульсов, а схема уп­равления определяет режим работы камеры. Дешифратор-формиро­ватель адреса устанавливает амплитуду и длительность адресных импульсов и ра­спределяет их по адресным входам ФДМ в соответствие с заданным порядком считывания (по­­добно считыванию из ОЗУ). Данные из яче­ек поступают через уси­лители считывания и АЦП в буферное устро­й­ство, используемое для согласования после­довательности и ско­рости вывода данных из камеры и их ввода в процессор обработки изображений.

Фотодиодные телекамеры используются в специальных задачах робототехники. Достоинствами ФДМ являются возможность поэлеме­нтной адресации, высокое быстродействие, малые масса и габариты, высокая механическая прочность и надежность. К недостаткам ФДМ следует отнести в первую очередь, малую разрешающую способность, а также геометрическую неоднородность (вслед­ст­вие различия фотоэлектрических ха­рак­теристик отдельных ячеек).

Рассмотренные выше три типа телевизионных датчиков являются базовыми при построении СТЗ. В табл. 6.12 представлены их некоторые сравнительные характеристики.

Таблица 6.12. Сравнительные характеристики отечественных датчиков СТЗ

6.4. Устройства ввода и хранения изображений

Рассмотренные выше вопросы преобразования информации в СТЗ были посвящены принципам получения изображений в видеодатчике СТЗ - телекамере. Этот этап, называемый восприятием, выполняется, вообще говоря, безо всякого участия вычислительных средств. Остальные же этапы (предварительная обработка, сегментация, описание и т.д.) пред­пола­гают использование вычислительных ресурсов СТЗ. В этой связи, особое значение приобретает правильное построение ус­тройств ввода изображений (фремграбберов, от англ. framegrabber - «захват изображения»), осу­щест­вляющих ввод и фильтрацию видеоинформации, и определяющих форму представления и способ обработки дан­ных в процессоре СТЗ. (Первый промышленный фрейм­граб­бер выпустила фирма Data Translation, США).

К онструктивно устройство ввода обычно выполняется в виде печатной платы, установленной на шине компьютера СТЗ, на входной разъем которой поступает стандартный видеосигнал. Выходная информация зависит от назначения и сло­жности устройства ввода. В ряде случаев это просто интерфейс между телекамерой и компьютером, в других - блок предварительной обработки, выполняющий значительную долю функций СТЗ (рис. 6.31). Структура интерфейса, а также объем требуемой памяти для хранения изображений в значительной мере определяются видом представляемой информации (строка, бинарный массив, полутоновое или цветное изображение), а также типом телевизионного датчика. Хотя в большинстве случаев выходным сигналом датчика является стандартный видеосигнал, характеристики интерфейса зависят от размерности кадра изображения и от того, черно-белое или цветное изображения подлежат обработке. Так, например, передача одного кадра бинарного изображения сравнительно небольшого формата 256256 в стандартном телевизионном режиме требует ввода в память около 3,3 10⁶ элементов изображения в секунду, а обработка цветного изо­бражения того же формата требует пропускной способности канала не менее 10 Мбайт/c. Для современных неспециализированных ком­пьютеров такая задача в реальном времени тру­дно выполнима. Для ее упрощения довольно часто используется буферизация (и «медленный ввод», например, по половине кадра), либо аппаратная выборка графического (контурного) изображения, при которой из полного массива выбирается только самая необходимая информация. Другими словами, ввод видеоинформации, а также и другие эта­пы преобразования (реализуемые программными средствами) могут рассматриваться как последовательное уменьшение размерности информационного массива, т.е. сжатие информации.