Kodak улучшает чувствительность - цветных ПЗС-матриц
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
34 компоненты датчики Kodak улучшает чувствительность цветных ПЗС-матриц Современный рынок систем регистрации и обработки изображения предъ- являет очень жесткие требования к качеству картинки при различных условиях эксплуатации (широкий динамический диапазон, низкий уро- вень освещения, внешние помехи и т. д.). Особенно следует подчеркнуть такие ответственные области применения, как машинное зрение, про- мышленные системы контроля качества, охранная аппаратура, а также интеллектуальные комплексы отслеживания состояния на дорогах общего пользования, для которых необходимы высокая частота кадров, большое Дмитрий Соломицкий sdn@nevael.ru разрешение, считывание накопленной матрицей информации за один такт Давид Брондз (Global Shutter) и низкий уровень шумов. К ак известно, «глазами» любой аппара- из электронов, собранных в одной потенци- зоне и преобразующие его в конечном счете туры регистрации и обработки изо- альной яме, преобразуется в соответствую- в черно-белое изображение. Такой способ ва- бражения является КМОП или ПЗС- щий ему сигнал на выходе датчика изобра- жен прежде всего в аэрофотосъемке и зонди- датчик (он же сенсор и матрица). В статье жения. Обрабатывая электроникой миллио- ровании Земли с космоса. В последнем случае пойдет речь о новой технологии компании ны таких зарядов, равных числу пикселей, особенностью является большое простран- Kodak, применяемой в приборах с зарядовой в итоге мы получаем цветную картинку. ственное разрешение. В свою очередь черно- связью последнего поколения, выполнен- Описанный выше принцип работы является белые изображения, сделанные панхромати- ных по схеме строчно-кадрового переноса стандартным для всех ПЗС-матриц, произво- ческой камерой с борта геологоразведыватель- [3] (ITCCD). Именно светочувствительные димых в настоящее время. ного самолета, далее обычно преобразуются матрицы подобного типа максимально со- В 2007 году компания Kodak анонсировала в стереоскопические (используя метод нало- ответствуют всем перечисленным выше тре- новую конструкцию цветных фильтров, на- жения, получаем трехмерное изображение). бованиям. званную Truesense, основная цель которой — Основываясь на большом опыте производ- Как известно, сейчас современные техно- увеличить фотометрическую чувствитель- ства пленок и фоточувствительных матриц, логии устаревают по истечении небольшого ность прибора. Эта технология представляет а также понимая современные тенденции промежутка времени. Поэтому даже несмо- собой развитие стандартной матрицы Bayer развития рынка, компания Kodak скомпоно- тря на все преимущества ПЗС ITCCD, сфе- с добавлением в нее дополнительных пан- вала в одном приборе как обычную цветную ры его применения предъявляют с каждым хроматических пикселей. ПЗС-матрицу, так и технологию с примене- годом все новые и новые требования к каче- Сам термин «панхроматический» изна- нием панхроматических материалов. ству получаемой картинки; к примеру, ре- чально был известен благодаря технологии Рассмотрим более подробно стандартную гистрация цветного изображения в условиях производства черно-белых пленок, чувстви- матрицу Bayer. Фильтрующий элемент, рас- с малым уровнем освещенности. В настоя- тельных во всем диапазоне видимого спек- положенный над каждым пикселем, выде- щее время стандартным подходом настрой- тра. Фотографии, запечатленные на пленках ляет из общего светового потока зеленый, ки чувствительности при разных условиях данного типа, отличаются своей реалистич- красный либо синий цвета (рис. 1a). Как эксплуатации является подбор правильных ностью. Известно, что основу обычных было сказано выше основным цветом явля- значений времени экспозиции, аналогового фоточувствительных пленок составляет ется зеленый, как наиболее воспринимаемый и цифрового коэффициентов усиления. эмульсия галоидного серебра, способная хо- человеческим зрением и предоставляющий Большинство современных цветных сен- рошо поглощать световой поток УФ-диапа- 50% всей информации картины. Этот канал соров обладают матрицей Bayer с располо- зона. Немецкий химик Герман Вегель разра- цвета — основа для восстановления конеч- женными непосредственно над пикселями ботал технологию уширения спектрального ного изображения, так как он обеспечивает в определенном порядке фильтрами крас- поглощения в сторону зеленого и красного пространственную составляющую сцены, ного, зеленого и синего цветов. Впервые спектров за счет добавки светочувствитель- на которую накладываются оставшиеся два эта технология была освоена ученым ком- ной краски в эмульсию. В результате в сен- цвета. Так как зеленые, синие и красные пик- пании Kodak Брюсом Байером в 1976 году. тябре 1913 года компания Kodak представила сели разбросаны по всей матрице в опреде- Благодаря этому изобретению половина всех публике широкий ассортимент панхромати- ленном порядке, то для создания трех ша- пикселей сенсора поглощает только зеленый ческих пленок, на которые можно было за- блонов наложения используется алгоритм, свет, а другая половина поровну разделена печатлеть как динамически изменяющиеся называемый demosaicking (в дословном пере- на пиксели, поглощающие красный и си- объекты, так и сцены в условиях пониженно- воде — «разрушение структуры мозаики»). ний участки спектра. Проникая вглубь по- го освещения. В настоящее время существует большое ко- лупроводника, свет генерирует электронно- В настоящее время широкое распростра- личество различных методов по восстанов- дырочные пары, которые впоследствии нение получили панхроматические камеры, лению цветного изображения. разделяются в пространстве посредством собирающие весь отраженный свет от поверх- Теперь рассмотрим конструкцию фильтра электрических полей. Заряд, состоящий ности тела в широком спектральном диапа- Truesense компании Kodak, использующую КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2010
датчики компоненты 35 а б Рис. 1. а) Матрица Bayer; б) фильтр Truesense Рис. 2. Порядок обработки изображения для матрицы Truesense в отличие от обычной матрицы Bayer крас- пикселей в матрице Bayer. Поэтому они также о цвете несут все RGB-пиксели матрицы (со- ную, зеленую, синюю и панхроматическую со- представляют собой базис для формирования ответственно, половина всех пикселей в Kodak ставляющие (рис. 1б). Как было сказано ранее, конечного изображения. Truesense и все пиксели в матрице Bayer). В от- RGB-фильтр, являясь преградой для большей Алгоритм обработки цветного изображе- личие от обычных фильтров Bayer, матрицы, части спектра, выбирает из него только узкие ния, запечатленного через фильтр Truesense, оборудованные панхроматическим каналом, участки. Тем самым огромная составляющая такой же, как и для ПЗС с обычной матрицей обладают дополнительными возможностя- полезного (с точки зрения информации) све- Bayer. В обоих случаях яркостная информация ми по улучшению визуального восприятия тового потока теряется, а мы получаем ис- финальной сцены сгенерирована половиной сцены. Упрощенная схема обработки изобра- ключительно цветовую характеристику изо- пикселей (панхроматических в Truesense и зе- жения с использованием фильтра Truesense бражения. Панхроматические пиксели в свою леных — в RGB), в то время как информацию представлена на рис. 2. очередь поглощают весь падающий на них свет, регистрируя распределение яркостной составляющей сцены. Следует отметить, что расположение панхроматических пикселей в фильтре Truesense такое же, как зеленых Таблица. Основные технические характеристики матриц KAI-02150 Параметр Значение Строчно-кадровый перенос; Архитектура прогрессивное считывание Размер пикселя 5,5×5,5 мкм2 Число выходов 1, 2 или 4 Емкость потенциальной ямы 20 000 электронов Квантовая эффективность (500 нм) 50% Квантовая эффективность 31%, 42%, 43% R (620 нм), G (540 нм), B (470 нм) Среднеквадратическая ошибка — Шум при чтении (f = 40 МГц) 12 электронов Фотодиод: 7 электронов/с Темновой ток Вертикальный регистр: 70 электронов/с Температура, удваивающая Фотодиод: 7 °С значение темнового тока Вертикальный регистр: 9 °С Динамический диапазон 64 дБ Эффективность переноса заряда 0,999999 Подавление засветки 300-кратное Максимальная частота тактирования 40 МГц 40 Мп/с (один выход) Максимальная частота чтения 80 Мп/с (двойной выход) Рис. 3. Сравнение квантовой эффективности 120 Мп/с (счетверенный выход) КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2010 www.kite.ru
36 компоненты датчики а б Рис. 4. Сравнение двух фильтров: а) Bayer; б) Truesense Далее будет проведен сравнительный ана- На рис. 5а представлены две секции цве- камер. В итоге для достижения одинакового лиз двух одинаковых по конструкции, но раз- товых табло, запечатленные матрицами вида обеих половинок цифровой коэффици- ных по типам фильтров сенсоров KAI-02150 KAI-02150 c фильтрами Bayer и Truesense с оди- ент в матрице с фильтром Bayer должен быть (таблица): один снабжен стандартным филь- наковым уровнем яркости. Настройки оптики выше, чем в матрице с фильтром Truesense, тром Bayer, другой — Truesense. Оба прибора не менялись, в то время как цифровой и ана- что приводит также к усилению и шумовой обладают разрешением 19201080 пикселей, логовый коэффициенты усиления настраива- составляющей. оптическим форматом 2/3 дюйма и соотно- лись так, чтобы добиться уравнивания време- Теперь несколько слов о пространствен- шением сторон 16:9. Испытуемые образцы ни накопления. В итоге обе фотографии были ном разрешении. Как известно, для этих KAI-02150 выполнены по схеме строчно- сделаны оборудованием, более или менее со- целей используют испытательную табли- кадрового переноса и способны обеспечить ответствующим параметрам чувствительно- цу, некоторые ми′ ры которой были взяты на выходе частоту 60 кадров/с. сти ISO 2300. Визуальное сравнение двух цвето- для сравнения фильтров Bayer и Truesense. Квантовая эффективность является стан- вых табло в свою очередь показывает, что при При вертикальном разрешении картинки дартной мерой определения спектральной необходимом увеличении VGA-коэффициента в 1080 пикселей количество черных и белых чувствительности ПЗС-матрицы и предостав- усиления до 33,8 дБ в ПЗС с матрицей Bayer по- пар линий составляет 540 штук. ляет информацию о том, как реагирует при- является дополнительный шум. Для начала сравним качество необрабо- бор при поглощении светового потока разной На рис. 5б продемонстрированы анало- танных данных (RAW-data). Если всмо- длины волны. Этот параметр определяет соот- гичные цветовые табло, но соответствую- треться в миры, представленные на рис. 6а, ношение сгенерированных электронов к об- щие чувствительности ISO 12800. Значение то можно отметить одинаковую простран- щему числу падающих фотонов за все время аналогового коэффициента усиления обеих ственную частоту обоих типов KAI-02150. накопления. Для сравнения на рис. 3 представ- камер равнялось 36 дБ, а цифровой коэф- Необработанные данные панхроматических лены кривые квантовой эффективности ПЗС- фициент усиления выбирался таким, чтобы пикселей фильтра Truesense и зеленых пиксе- матрицы KAI-02150 в монохромном варианте, уравнять общую яркость на выходе обеих лей фильтра Bayer демонстрируют идентич- а также с фильтрами Bayer и Truesense. Для более наглядного представления а б о преимуществах новой технологии компа- нии Kodak следует взглянуть на фотографии, представленные на рис. 4. На камере слева установлена матрица KAI-02150 с фильтром Bayer, а справа — та же камера, но на базе ПЗС с фильтром Truesense. Все остальные параме- тры, такие как апертура объектива, фокусное расстояние, аналоговый коэффициент усиле- ния камер и т. д., идентичны. Следовательно, поместив обе камеры в одинаковые условия, мы можем оценить только параметры срав- ниваемых фильтров. Хорошая яркость изо- бражения, которую мы наблюдаем на фото- графии справа, является прямым следствием улучшенной чувствительности сенсора, вы- полненного на основе Truesense. Теперь рассмотрим цветошумовые ха- рактеристики обеих ПЗС-матриц согласно международному стандарту ISO 12232:2006 [4], нормирующему способы определения аналога светочувствительности ISO для кон- Рис. 5. Характеристики цвета: а) ISO 2300; б) ISO 12800 кретного типа приборов. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2010
датчики компоненты 37 а б Рис. 6. Пространственное разрешение: а) необработанных данных; б) обработанных данных а б в Рис. 7. Сравнение таблиц цветового шума в: a) ПЗС-матрице с фильтром Bayer; б) ПЗС-матрице с фильтром Truesense; в) ПЗС-матрице с фильтром Truesense и программной обработкой ное собственное разрешение, а вместе с тем на высоких пространственных частотах объ- с монохромного канала. Если приложить ал- эквивалентный в обоих случаях эффект на- екта, в то время как в фильтрах Truesense — горитмы обработки шума фильтра Truesense, ложения. на низких. Следует заметить, что на высо- то можно добиться очень хороших результа- При внедрении алгоритмов обработки ких частотах (зоны 9, 10 на рис 7а, б) фильтр тов в качестве изображения. цвета (без учета программного уменьшения Bayer показывает более выраженные цветные На рис. 8 продемонстрированы цветные шума) полученных изображений, сделанных искажения, в то время как Truesense выдает фотографии, сделанные в условиях с малым через фильтры Bayer и Truesense (рис. 6), мо- одинаковый уровень нейтральных искаже- уровнем освещенности. Меньшее значение жет наблюдаться эффект наложения частот. ний во всех областях частот. Это происходит шума на картинке справа является прямым Можно заметить, что матрицы с фильтром потому, что выходной сигнал сформирован следствием улучшенной чувствительности Bayer имеют бóльшую разрешающую спо- исключительно цветовой информацией, матрицы KAI-02150 c фильтром Truesense, собность, чем фильтр Truesense. Это объ- в то время как Truesense использует и данные что делает картинку приемлемой для визу- ясняется преимуществом в интерполяции «красного» и «синего» шаблонов, а также в правильном добавлении недостающих данных в полученную информацию зелено- го канала. При далеком расположении друг от друга в комбинации пикселей красного, синего и зеленого цветов невозможно точно угадать, какая информация была пропущена в панхроматических ячейках ПЗС-матрицы. Цветовые искажения при съемке штри- хов являются общей проблемой для лю- бого типа светочувствительных матриц. На рис. 7 представлены результаты тестиро- вания фильтров, на которых присутствуют цветовые муары, образованные в обоих слу- чаях по разным причинам. Вследствие того, что пространственное разрешение матрицы Bayer выше, чем у фильтра Truesense, цве- Рис. 8. Сравнение двух фильтров при уровне освещенности в 3 лк (ISO 204800) с обработкой всех каналов товой муар преимущественно проявляется КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2010 www.kite.ru
38 компоненты датчики ности необязательно собирать максимально возможную информацию о цветности, что- бы распознать объекты и детали сцены. Как мы неоднократно утверждали ранее, зеленый канал матрицы Bayer обеспечива- ет такое же пространственное разрешение, как и панхроматический канал фильтра Truesense, что дает нам повод рассуждать об эффективности использования обоих ва- риантов для достижения одной цели. В настоящий момент семейство Truesense включает в себя 1‑Мп, 2‑Мп, 4‑Мп и 8‑Мп ПЗС-матрицы со строчно-кадровым пере- носом: KAI-01050, KAI-02150, KAI-04050 и KAI-08050 соответственно. Также следует от- метить, что ко всей этой серии предусмотрен на- а б бор разработчика, который значительно сокра- щает сроки производства готового прибора. n Рис. 9. Характеристики при уровне освещенности в 3 лк (ISO 204800) с интерполяцией: а) зеленого канала; б) панхроматического канала Литература 1. DiBella J., Andreghetti M., Enge A., Chen W., ального восприятия в отличие от фотогра- значение цифрового коэффициента усиле- Stanka T., Kaser R. Improved sensitivity high- фии на рис. 8а. ния зеленого канала выбиралось таким, что- definition interline CCD using the Kodak Truesense На рис. 9 представлены два фотоснимка, бы яркость изображения стала идентичной Color Filter Pattern. 2010. сделанные с использованием только интер- изображению справа. Полученные при этом 2. KAI-02150 performance specification Rev 3.0 MTD/ поляции зеленого (рис. 9а) и панхроматиче- черно-белые фотографии демонстрируют PS-1066. March 29, 2010. ского (рис. 9б) каналов матриц с фильтрами отличия в области пространственных частот 3. Пресс Ф. П. Фоточувствительные приборы с за- Bayer и Truesense соответственно. При про- между ПЗС-матрицами с фильтрами Bayer рядовой связью. М.: Радио и Связь, 1991. ведении экспериментов алгоритмы интер- и Truesense. Это также доказывает тот факт, 4. www.iso.org поляции были идентичными, в то время как что в условиях с малым уровнем освещен- 5. www.nevael.ru КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2010
Вы также можете почитать