Матрица сердце цифрового фотоаппарата

Автор: alex, 02 Сен 2009, рубрика: Фототехника

Структура ПЗС

Пиксель

Наиболее важной составляющей ПЗС является приемник света - двумерная матрица, состоящая из очень маленьких кремниевых детекторов света прямоугольной формы, называемых пикселями. Каждый пиксель работает как копилка для электронов, возникающих в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Во время экспозиции, время которой регулируется при помощи затвора, каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего на него света.

По окончании съемки столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный столбец. В нем заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем микротоки, пропорциональные этим зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и определить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Вся эта непростая технология может быть наглядно проиллюстрирована с помощью элегантной аналогии, предложенной Джеромом Кристианом (Институт Карнеги в Вашингтоне). Достаточно представить себе цепочку людей, передающих друг другу по очереди ведра с краской (количество людей в цепочке определяет разрешение по вертикали), а затем вообразить, что таких цепочек несколько, и расположены они бок-о-бок (число цепочек задает горизонтальное разрешение). В конце пути ведра ставятся на ленту транспортера (регистр сдвига) и по очереди перемещаются в хранилище (выходной усилитель и аналогово-цифровой преобразователь, АЦП).

Вот, в общих чертах, процесс формирования снимка ПЗС-матрицей.

В КМОП-матрице заряд пикселя преобразуется в напряжение прямо в пикселе, после чего может быть считан. Следуя нашим аналогиям - к каждому владельцу ведерка подведен отдельный трубопровод, куда и сливается содержимое тары.

Микролинзы

В обычной фотопленке на пластиковую основу наносятся галоиды серебра - именно они реагируют на любой свет, падающий под любым углом. В отличие них, кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы пиксели получали больший электрический заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора.

Обычно микролинзы создаются путем нанесения резистного материала на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму.

Цветные фильтры

Сенсоры - это устройства, определяющие лишь градации серого (градации интенсивности света - от полностью белого до полностью черного). Каждый пиксель несет информацию о яркости: чем больше фотонов попало, тем выше яркость и наоборот.

На рисунке, каждому пикселю соответствует числовое значение, равное количеству принятых фотонов.

3 - три фотона = низкая степень яркости;7 - семь фотонов = средняя степень яркости;10 - десять фотонов = максимальная степень яркости пикселя, на данном рисунке.

Чтобы камера могла различать цвета, на кремний накладывается массив цветных фильтров, которые помещаются между микролинзами и пикселями.

Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) будет просто поглощаться фильтром.

Как мы уже знаем, любой цвет в спектре можно получить смешением всего нескольких основных цветов. В модели RGB таких цвета три.

Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но в большинстве сенсоров цифровых камер наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). Эта технология была изобретена в 70-х годах, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.

Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза - он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такого сенсора, цвета записываются последовательно в строчках. Первая строчка должна быть RGRGRG, следующая - GBGBGB (где R - red, G - green, B - blue) и т.д. Такая технология называется последовательной RGB (sequential RGB или sRGB).

В ПЗС камерах совмещение всех трех сигналов воедино происходит не на сенсоре, а в устройстве формирования изображения (процессоре), уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой. Первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цветов соседних фильтров.

Например, чтобы определить, влияние соседних пикселей на цвет центрального при линейной интерполяции будет обрабатываться матрица пикселей размером 3х3. Возьмем, к примеру, простейший случай - три пикселя - с синим, красным и синим фильтрами, расположены в одной строчке (BRB). Предположим, вы пытаетесь получить результирующее значение цвета красного пикселя. Если все цвета равноправны, то цвет центрального пикселя вычисляется математически как две части синего к одной части красного. На самом же деле, алгоритмы даже простой линейной интерполяции намного более сложны, они учитывают значения всех окружающих пикселей. Если интерполяция происходит плохо, то получаются зубцы на границах смены цветов (или появляются цветовые артефакты).

Страниц: 1 2 3 4 5

Еще на эту тему:


:, , , , ,

  1. alex

    пятерку делим пополам? (шутка) ;) всегда рад помочь :)

  2. HuraTuB
    HuraTuB

    Отличный материал! Как раз то , что мне нужно для реферата)

ВсеСтраница 1 из 11

Ваш комментарий:

Х
Уважаемые веб-мастера и оптимизаторы! Ссылка в поле "Сайт" находится внутри тега и с параметром rel='nofollow', так же как и все ссылки внутри сообщения. Поэтому огромная просьба не флудить!
Прежде чем вписать адрес сайта прочитайте здесь

Я не робот!

Ищите что-то?

Воспользуйтесь формой поиска по сайту:

Все равно не можете найти что-то? Оставьте мне комментарий или свяжитесь со мной по !

Посетите сайты наших друзей!

  • партнерка.
  • что такое скутер.

Реклама на сайте:

Здесь бы могла быть ваша реклама...

  • !

Архивы

Все записи в хронологическом порядке...

Остальные записи: