Leírás

CCD és CMOS kamerák

A videokamerákban alkalmazott CCD és CMOS képérzékelők

feladata, hogy a külvilág felől a kamera objektívjén keresztül érkező fényt digitális jelekké alakítsák. Mintegy fél évszázados kutatás eredményeként születtek meg a ma használatos képérzékelők. Alkalmazási területüket tekintve számos ágazatban kerültek felhasználásra, mint például a csillagászat, fényképészet, űrkutatás, orvosi diagnosztika, méréstechnika stb. A széles felhasználási lehetőségek hatására azonban csak részleteiben változtak meg az egyes érzékelő típusok, működési elvük azonos maradt.

Mielőtt belevágunk a CCD és CMOS érzékelők részletesebb leírásába, ismerkedjünk meg a pixel fogalmával. Nézzük meg ez mit is jelent, és honnan származik maga a szó!

A pixel fogalma

A digitális képek és képfeldolgozás óta ismerjük és használjuk a pixel kifejezést. A pixel az angol picture element szóból származtatható, ahol a pix a picture, az el az element rövidítése, jelentése pedig nagyjából ’képelem’ vagy ’képpont’.

Maga a pixel egy önálló képelem, ami egyszínű pontként vagy négyzetlapként jelenik meg magán a képen. Egy kétdimenziós négyzetrács, vagyis egy mátrix mentén található, tovább nem osztható, tehát ez a legkisebb alkotóelem, egyben egy minta is a „nagy” képből. Ebből következik az is, hogy minél több képpontból áll egy kép, annál nagyobb felbontást kapunk. Magának a pixelnek nincs saját fizikai mérete, mert az a megjelenítő eszköztől függ. Egy pixel kinyomtatva kb. 0,01 cm-nek felel meg.

Egy-egy pixel információtartalmát a színe mutatja meg, melyet a vörös, a kék és a zöld színekből additív színkeveréssel kaphatunk meg a képernyőn. Nyomtatásban viszont szubsztraktív színkeveréssel kapjuk meg ezt az információt, a türkizkék, a bíbor, a sárga és a kulcsszín, azaz a fekete keverésével.

Képérzékelő típusok: CCD és CMOS

Ha az anyagokat fény hatásának tesszük ki, akkor a fényt alkotó fotonok energiája bizonyos körülmények között képes elektronokat kiszabadítani belőlük. Egyes félvezető anyagokban, különösen a szíliciumban ezek a körülmények létrehozhatóak. A megvilágítás hatására kiszabaduló elektronok töltései villamos feszültséggé alakíthatóak ─ ezt a jelenséget fotoelektromos effektusnak nevezzük. A félvezetős kamerákban ezért alkalmaznak olyan szilícium alapú képérzékelőket, ahol a pixelnyi méretű fotodiódákból egy érzékelő mátrixot alakítanak ki. A megvilágítás fokozása növeli a fotodiódákon átfolyó áramot, és egyúttal a fotodiódákkal sorba kapcsolt, a szilíciumlapka felületén kialakított kondenzátorok töltését. Ezek a beeső fénnyel arányos töltéscsomagok az érzékelő lapkán a kamera objektívje által leképezett képnek megfelelő töltésképet hoznak létre.

A képérzékelőknek két fő fajtáját különböztetjük meg ─ a CCD-t és a CMOS-t ─, mivel a többi technológia is valamilyen szinten e két csoportba sorolható be. Valójában ez a két típus nem igazán is igazán két különböző érzékelő fajtát jelöl, hanem egy-egy gyártástechnológiát, azon belül is a CMOS egy kapcsolástechnika, a CCD pedig egy működési folyamat elnevezése. Mivel ez a pontatlan szóhasználat mára a szakirodalomban is elterjedt, ennek megfelelően mi is érzékelő típusként fogunk beszélni róluk. A CCD és CMOS érzékelők működésüket tekintve teljesen azonos alapokra épülnek, mindkettő a fent leírt fotoelektromos effektust alkalmazza. A hasonlóság itt véget is ér, hiszen a töltéskép-kiolvasás módja, a jelfeldolgozó áramkörök kialakítása, a színszűrési módszer, a félvezető technológia már jelentős technikai és gyártástechnológiai eltéréseket mutat. Fontosnak tartjuk kihangsúlyozni, hogy a töltéscsomagok léptetéséről, a töltéscsatolásról csak a CCD érzékelő esetében beszélhetünk.

Kalibrált mérőkamera

Általános leírás:

Ahhoz, hogy a digitális képeken mérést végezhessünk, egy koordináta rendszerre van szükségünk. Kézenfekvő, hogy ezt a koordinátarendszert a képeket alkotó pixelek szintjén definiáljuk. Általában a pixel koordináta rendszer kezdőpontját a kép bal felső sarkába vagy a bal felső pixel középpontjába helyezik. Minden pixelnek van x,y irányban kiterjedése (ideális esetben a pixel alakja négyzet), így a pixelkoordináta a pixel törtrészét is tartalmazhatja, melyet tizedes számmal fejezhetünk ki.

A digitális fotogrammetria számára a digitális képeket elő kell állítani. A képek előállítása történhet közvetlenül digitális kamerákkal, szenzorokkal vagy közvetve, analóg felvételek letapogatásával (szkennelésével). Ebben a fejezetben ezeket az előállítási módokat tekintjük át.

A digitális mérőkamerák kizárólag fotogrammetriai célokat szolgálnak. Pontosságuk, felbontásuk, megbízhatóságuk nagyobb, mint az amatőr kameráké, belső adataik és hibáik pontosan ismertek. E kamaratípusok további sajátossága lehet még, hogy felvételeket több spektrális tartományban is képesek egy időben készíteni.