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
