VRSTE I PRINCIP RADA SENZORA

SEMINARSKI RAD

Studeni 2009.

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

Voditelj rada:Dr. sc. Maja Strgar Kurečić

Studenti:Igor ToplakAlen Vuković

Primjena digitalne fotografije u reprodukcijskim medijima

Katedra za reprodukcijsku fotografijuGrafički fakultet Sveučilišta u Zagrebu

SADRŽAJ

1. UVOD...............................................................................................................12. PIKSEL.............................................................................................................23. BAYEROV FILTER...........................................................................................34. SENZORI..........................................................................................................54.1 CCD SENZOR................................................................................................54.2 CMOS SENZOR.............................................................................................64.3 FOVEON SENZOR........................................................................................75. ZAKLJUČAK....................................................................................................96. LITERATURA.................................................................................................10

1

1. UVOD

Senzor je uređaj koji mjeri fizikalne veličine i pretvara ih u signale koje može očitavati čovjek ili in-strument. Kao primjer principa rada možemo uzeti termometar koji se sastoji od žive u staklenom cilindru. Kod promjene temperature dolazi do ekspanzije ili kontrakcije žive te se ta promjena može očitavati na oznakama kalibriranog cilindra (termometar). U digitalnoj fotografiji se umjesto filma koriste senzori koji optičku sliku pretvaraju u električni signal. Danas najveći broj digitalnih fotoa-parata koristi CCD senzore ili CMOS senzore. Malo kasnije će biti objašnjeno o čemu se radi. Cilj ovog seminarskog rada je objasniti princip rada i razlike između pojedinih vrsta senzora.

2

2. PIKSEL

Piksel (engl. pixel) ili picture element je jedna točka rasterske slike. Pikseli su najčešće poredani u dvodimenzionalnu mrežu i često se prikazuju preko točaka ili pravokutnika. Svaki je piksel je uzorak originalne slike pa tako ako imamo više uzoraka, imat ćemo i veću kvalitetu originalne slike. Svaki se piksel najčešće sastoji od tri komponente, a to su crvena (red), zelena (green) i plava (blue). Piksel je također asocijacija na jednu fotoćeliju senzora. Pikseli ne registriraju boju. Oni samo regi-striraju intenzitet svjetlosti. Da bi dobili boju, iznad površine senzora se stavljaju kolor filtri.

Slika 2.1 - Geometrija piksela

3

3. BAYEROV FILTER

To je polje kolornih filtera (color filter array). Sastoji se od RGB kolor filtera postavljenih na mrežu fotosenzora. Raspored tih filtera se koristi u većini slikovnih senzora sa jednim čipom. Oni se pak ugrađuju u digtalne fotoaparate, kamere i skenere kako bi kreirali sliku u boji. Uzorak filtera je 50% zelenog, 25% crvenog i 25% plavog (RGGB).

Svaki filtar pokriva jedan pixel. Svaka je ćelija pokrivena crvenim, zelenim ili plavim filtrom pa tako reagira samo na jednu od primarnih boja. Tako sada pixel pokriven crvenim filtrom mjeri samo crveno svjetlo dok sljedeći pixel mjeri plavo ili zeleno svjetlo. Dodatni zeleni filtar prisutan je zato što je ljudsko oko najosjetljivije na zelenu svjetlost. Kombinacijom jačine svjetla tih triju primarnih boja svaki pixel pridonosi punoj kvaliteti spektra boje na maloj površini foto senzora koji ponavlja-jući to po cijeloj površini foto senzora stvaraju kolorit cijele fotografije. Svjetloću snimka još uvijek

Slika 3.1 - Raspored kolor filtera

Slika 3.2 - Presjek senzora

4

mjeri svaki pojedini pixel tako da filtri ne utječu na opću informaciju u slici. Kako bi se svaki signal pretvorio u digitalni oblik signal se mora digitalizirati, odnosno kvantizirati. Digitalni fotoaparat obra-đuje različite jakosti signala iz pojedinačnih ćelija tako da svaki pixel slike dobije odgovarajuću vrijednost boje: za svaki se pixel na temelju podataka iz susjednih ćelija izračuna ili unese njegova vrijednost. Ta interpolacija boje ključni je korak jer omogućuje proračun o kojem ovisi konačna ka-kvoća snimljene fotografije. Poboljšanje kakvoće digitalne fotografije uz poboljšanja fotoosjetljivih senzora zasluga su usavršavanja interpolacijskih algoritama. Vrijednosti se za svaki pixel skupljaju i povezuju pa tako nastaje slikovna datoteka, a u tom se procesu određuje i format, odnosno ustroj datoteke. Neki digitalni fotoaparati nastavljaju proces obrade poboljšavanja oštrine slike, a usto i sažimaju podatke koristeći JPEG, TIFF, RAW algoritme. Nakon obrade, digitalna se fotografija pohranjuje (sprema na disk ili u memoriju). Prvi dio procesa, bilježenje slike senzorima, obično je vrlo brzo, ali obrada i pohrana traju nešto dulje. Kako bi se ubrzao taj dio procesa, mnogi kvalitetniji fotoaparati imaju mnogo RAM-a, memorije za privremenu pohranu fotografija kako obrada snimaka ne bi ometala snimanje.

5

4. SENZORI

4.1 CCD SENZOR

Najčešći foto senzor u digitalnim foto aparatima je CCD senzor (Charged Couple Device). CCD su 1969. godine izumili Willard Boyle i George Smith iz tvrtke Bell Labs. Prvi komercijalni CCD svje-tlosni senzor proizveden je 1974. na 8-inčnom teleskopu na kojem je snimljena prva elektronska astronomska snimka mjeseca. CCD je specijalizirani čip koji se danas koristi samo kao optički sen-zor za digitalne fotoaparate i kamere, dok se CMOS koristi u širokom spektru elektroničkih uređaja.CCD senzori izrađuju se za različite aplikacije kao: kamkorderi , digitalni foto aparati, industrijske kamere, filmske kamere, kamere za medicinu, istraživanje svemira , video nadzor. CCD se namet-nuo se kao primarni senzor u digitalnim kamerama. Radi se o specijalno izrađenom silicijskom čipu čija je jedna površina osjetljiva na svjetlo.

Foto-osjetljivi elementi, ili fotodetektori mogu biti formirani u tri osnovna oblika pa prema tome i razlikujemo tri osnovna tipa CCD senzora: točkasti, linijski i površinski. Ovdje se fokusira na plošni ili površinski niz fotodetektora, koji predstavljaju oblik senzora koji se susreću u digitalnim kame-rama. Znači pravokutan oblik senzora površine ispunjene sa fotoosjetljivim detektorima. Broj tih fotodetektora je ono što definira rezoluciju. Fotoosjetljiva površina se zapravo može nazvati mreža fotoćelija. Prije ekspozicije se sve fotoćelije nabiju elektronima. Za vrijeme ekspozicije, kada svje-tlosne zrake osvijetle senzor ti elektroni se, ovisno o svjetlosti, rasporede po ćelijama te se dobiveni električni impuls prenosi u pojačalo. Pojačalo ne može raditi sa milionima električnih impulsa u isto vrijeme već procesira samo jedan red piksela sa foto senzora. Nakon toga te se informacije brišu, a njihovo mjesto zauzima sljedeći red piksela. To se ponavlja dok se god ne snime podaci od svakog reda piksela. Bez obzira koliko je ovaj proces brz ipak se odvija u jednom vremenskom periodu. Ova zadrška određuje koliko slika u sekundi može snimiti digitalni aparat.

Slika 4.1 - CCD čip

6

Postoje tri tipa arhitekture CCD senzora: full frame, full frame – frame transfer i interline. Ako gore spomenuto slijedno pomicanje nije dovoljno brzo, kod full frame-a mogu se javiti vertikalne mrlje na slici jer iako je ćelija trenutno “zaposlena” pomicanjem naboja, ona i dalje nastavlja skupljati fotone. To zapravo znači da CCD ne može skupljati svjetlost za vrijeme očitavanja. No za primjenu u npr. astronomiji koristi se frame transfer CCD. On ima skrivene ćelije kojih ima isti broj koliko i izloženih svjetlu. Kad završi faza ekspozicije, naboj se premješta u taj skriveni dio i tu u miru može biti pročitan. Za vrijeme očitavanja slobodne ćelije i dalje skupljaju fotone, a to znači da se faza ekspozicije i očitavanja odvijaju paralelno. No i taj tip CCD-a ima svoj nedostatak, a to je dvostruko veći senzor.

4.2 CMOS SENZOR

CMOS (Complimentary Metal Okside Semiconductor) je 1963. godine izumio Frank Wanlass iz tvrtke Fairchild Semiconductor. Prvi integrirani sklopovi s CMOS-om pojavili su se 1968. i odmah su bili superiorni po svojoj maloj potrošnji. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzor za svaki pixel posebno ima ugrađeno pojačalo. To omogućuje da se podaci sa svih pixela obrade u istom trenutku. Ovaj proces omogućava veću brzinu pohrane zapisa pa samim time i više snimljenih slika u sekundi.

Budući da je kod CMOS senzora svakom pixelu pridruženo pojačalo, to poskupljuje proizvodnju pa se samim time takvi senzori ugrađuju u bitno skuplje polu profesionalne i profesionalne apa-rate (SLR). Zbog povećanja prodaje digitalnih aparata (masovne proizvodnje) cijena proizvodnje CMOS se smanjuje i sve više digitalnih aparata nižeg cjenovnog razreda koristi ove foto senzore. Prema nekim naznakama kamera sa istim karakteristikama bazirana kao CCD kamera na CMOS senzoru, mogla bi biti čak i do 3-4 puta jeftinija. I to je njegova najveća prednost. Jeftin i jednosta-

Slika 4.2 - CCD čip

7

van za proizvodnju. Svi podaci koji dolaze sa CCD ili CMOS senzora dolaze u analognom obliku. Kako bi mogli biti prikazani u digitalnom obliku tj, na računalu ili printeru, trebaju biti prebačeni u binarni mod. Ovo se obavlja ADC elementima (Analog To Digital Converter). Računala jedino prepoznaju dva stanja, uključeno i isključeno. Zbog toga ta stanja prikazuju se u binarnom modu kao 1 i 0. Pixel može biti pohranjen u vrijednostima od 0 - 255 što predstavlja 256 nijansi sive boje. Kako znamo da imamo pixele sa crvenim, plavim i zelenim filtrom imali bi previše podataka pa tako umjesto jednog niza od 8 bitova imamo tri niza ili 24 bita. Taj broj sadrži podatke o svjetlu i boji za jedan pixel, a o tom broju često ovisi i dubina boje. Znači da u snimci snimljenoj u 24 - bitnoj dubini imamo 16,7 miliona nijansi boje (256 x 256 x 256), a to u potpunosti odgovara nijansama boja koje ljudsko oko raspoznaje. Glavna razlika je što se kod CMOS senzora pojačanje signala odvija u fotoćeliji, dok kod CCD imamo poseban sklop za pojačanje na izlazu iz senzora.

4.3 FOVEON SENZOR

Tvrtka Foveon je 2002. godine počela proizvoditi novi Foveon senzor. Taj senzor je poseban po tome što su do tad senzori bilježili samo jednu vrstu svjetla na pojedinoj lokaciji. Individualne pikseli senzora su prikupljali informaciju samo o crvenoj ili zelenoj ili plavoj boji. Foveon senzor očitava crvenu, zelenu i plavu na svakoj foto - lokaciji (na svakom pixelu). Sigma DP2 koristi Foveon X3 senzor koji se također nalazi i u skupljoj verziji fotoaparata kao što je Sigma SD-15 DSLR. Osim ovaj senzor odlikuje mala potrošnja i mala cijena proizvodnje, on koristi i drugačije polje fotosenzi-tivnih dioda na senzoru. RGB filteri su smješteni jedan iznad drugoga. Dakle, na jednoj lokaciji su 3 pixela. Ovo mijenja računanje rezolucije u pixelima. DP2 je 14 MP fotoaparat, ali je tu vrijednost potrebno podijeliti na 3 dijela da bi dobili realnu veličinu senzora. To je zapravo 4.6 MP fotoaparat puta tri (tri sloja 4.6 MP). Uz to, radi se o velikom senzoru. Pa ipak, postoji pitanje šuma na Foveon X3 senzoru, pošto je to zapravo CMOS senzor. Neki kažu kako fotografije snimljene Foveon sen-zorom imaju više šuma od fotografija snimljenih drugim senzorima. Nejasno je to da li se problem šuma javlja zbog samog senzora ili algoritma koji procesira slike (softwarea).

Slika 4.3 - Usporedba piksela između Foveona i CCD / CMOS-a

8

Slika 4.4 - Foveon X3 senzor

Slika 4.5 - Usporedba senzora: Foveon i CCD /CMOS

9

5. ZAKLJUČAK

CMOS ima prednost da traži mnogo manje dodatnih sklopova pored samog senzora, jer daje već gotov signal, pa je proizvodnja sklopova jednostavnija, dok je sam senzor jeftiniji. To rezultira ma-njom kvalitetom slike od CCD-a. CCD pri proizvodnji zahtijeva manji stupanj integracije poluvodiča, te je i dalje nezamjenjiv u primjenama gdje se traži kvalitetna slika. Nedostatak je veći prostor koji zauzimaju dodatni sklopovi koji su potrebni za obradu signala koji izlazi iz CCD-a. CCD senzor ima veću površinu, veće osiromašeno područje, veću osjetljivost, sporiji je, ima veći napon napa-janja, nije kompatibilan s CMOS-om te ima veću potrošnju. CMOS senzor ima manju osjetljivost, manji faktor ispune, jeftiniji je, ima veću brzinu, manju potrošnju. Polje koje koristi Foveon senzor navodno eliminira kolorne artefakte koji se javljaju na senzorima sa Bayerovim filterom. Također se povećava osjetljivost na svjetlo. Na kraju, on zabilježava sva tri piksela na svakoj lokaciji što znači 3 puta više informacija u svakoj točci.

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

10

6. LITERATURA

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor (28.11.2009.)[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pixel (28.11.2009.)[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter (28.11.2009.)[4] http://electronics.howstuffworks.com/question362.htm (28.11.2009.)[5] http://mydp1.wordpress.com/2007/11/13/whats-the-big-deal-with-foveon-sensors/ (28.11.2009.)[6] http://www.popphoto.com/Reviews/Cameras/Hands-On-Sigma-SD142 (28.11.2009.)