حسگر تصوير در دوربين مداربسته و ارتباط بين پيکسل و کيفيت تصوير
حسگر تصوير در دوربين مداربسته يا (Image Sensor) يک قطعه الکترونيکي است که تصاوير دوربين دريافت مي کند و به سيگنال هاي الکتريکي تبديل مي کند. در ادامه با ويژگي هاي يک حسگر تصوير خوب، انواع حسگرهاي تصوير و تفاوت آن و همچنين نحوه عملکرد حسگر تصوير بيشتر آشنا مي شويم.
نحوه عملکرد حسگر تصوير دوربين مداربسته
تقريبا تمام چيپ هاي تصوير کنوني از نيمه هادي حساس به نور استفاده مي کنند. اين نيمه هادي ها طوري ساخته شده اند که با برخورد نور به آنها مقداري مشخص از نور را خود عبور مي دهند.
با استفاده از قرار دادن تعداد زيادي از نيمه هادي ها – که به آنها سلول نوري مي گويند؛ در کنار هم مي توان سطحي ساخت که با برخورد نور يک تصوير به آن تصوير را به صورت سيگنال الکتريکي درآورد.
البته چيپ هاي تصوير حساسيتي به رنگ ندارند، پس تنها مي توانند تصوير سياه و سفيد را ثبت کنند. براي حل اين مشکل از راه حلي ساده استفاده شده که در ادامه به آن اشاره مي کنيم.
براي اين منظور، سه فيلتر متفاوت (براي سه رنگ اصلي سبز، قرمز و آبي) بر روي چيپ تصوير قرار داده مي شود. اين سلولهاي مختلف نوري مسئول اندازگيري رنگ هاي متفاوت در تصوير مي شوند. از کنار هم قرار دادن اين رنگ ها، يک تصوير يکپارچه و رنگي ايجاد مي شود.
ويژگي‌هاي حسگرهاي تصوير هايک ويژن
براي شناسايي يک حسگر مناسب در دوربين مداربسته بايد به ويژگي هايي همچون رزولوشن، تکنولوژي چيپ تصوير، حساسيت به نور و بازه دايناميک آن توجه نمود که در ادامه هر يک را به تفصيل شرح مي دهيم.
1. رزولوشن يا تفکيک پذيري:
مشخصه اي که احتمالا همه شما با آن آشنا هستيد، تفکيک پذيري يا رزولوشن حسگر است. رزولوشن يک حسگر نشان ميدهد که چقدر مي تواند جزئيات مختلف را دريافت کند. براي نشان دادن رزولوشن تصوير يک چيپ تصوير از واحد پيکسل يا مگا پيکسل (به معناي ميليون پيکسل) استفاده مي شود.
براي ساختن هر پيکسل حداقل به يک سلول نوري نياز است. پس هر مگا پيکسل از رزولوشن نياز به يک ميليون سلول نوري دارد. طبيعتا هرچقدر تعداد سلول هاي نوري يک چيپ تصوير بالاتر برود قيمت آن هم بالاتر مي رود.
2. تکنولوژي چيپ تصوير:
از نظر تکنولوژي ساخت يک چيپ تصوير يا مي توان CMOS باشد يا CCD. هر يک از اين دو تکنولوژي نقاط قوت و ضعف خود را دارد. تفاوت ساختار اين دو چيپ کمي تخصصي است. در مقاله اي جداگانه به تفاوت چيپ تصوير CMOS با CCD مي پردازيم.
از قديم چيپ هاي CCD از CMOSها گران قيمت تر بودند و البته کيفيت تصوير بهتري داشتند. با گذشت زمان و پيشرفت علم، چيپ هاي CMOS توانستند در رقابت برنده شوند. امروزه تقريبا تمام دوربين هاي مداربسته از چيپ CMOS استفاده مي کنند.
3. حساسيت به نور:
ميزان حساسيت به نور يک چيپ تصوير مشخص مي کند که براي ساختن تصوير به چقدر نور نياز دارد. هرقدر نور مورد نياز چيپ تصوير کمتر باشد کيفيت آن بالاتر است. اگر بخواهيد از دوربين در يک محيط کم نور استفاده کنيد، بهتر است به حساسيت چيپ تصوير آن توجه ويژه اي داشته باشيد.
بيشتر بخوانيد: هايک ويژن
4. بازه دايناميک (Dynamic range):
بازه دايناميک يک حسگر تصوير نشان مي دهد که اين چيپ مي تواند چقدر اختلاف سطح نور را دريافت کند. اين مشخصه زماني اهميت پيدا مي کند که نياز به دريافت تصوير در محيطي با اختلاف زياد سطح نور داريد.
به عنوان مثال، پارکينگي تاريک با يک ورودي خيلي پر نور. از اين رو اگر بازه دايناميک دوربين پايين باشد، محيط داخلي کاملا سياه ديده مي شود و محيط بيروني کاملا سفيد.
اندازه سنسور تصوير دوربين مدار بسته
اندازه سطح سنسور دوربين مداربسته تا حد زيادي بر روي کيفيت تصاوير آن تاثير مي گذارد. از اين رو مي توان گفت؛ هر چقدر سطح سنسور بزرگتر باشد، به تناسب آن کيفيت تصوير نيز بهتر خواهد بود. رايج ترين سايز سنسور در دوربين هاي مداربسته “1.3 است.
انواع سنسور تصوير دوربين مداربسته
معمولا در دوربين هاي مداربسته از دو نوع سنسور تصوير CMOS و يا CCD استفاده مي شود. از اين ميان عموما از چيپ CMOS در دوربين هاي پيشرفته و از چيپ CCD غالبا در دوربين هاي معمولي استفاده مي شود.
دوربين هاي مداربسته هايک ويژن از چه چيپ تصويري استفاده مي کنند؟
دوربين هايک ويژن امروزي عمدتا از چيپ هاي تصوير CMOS با روزولشن هاي متفاوت، حساسيت هاي مختلف نسبت به نور و بازه هاي دايناميک متفاوت استفاده مي کنند. بسته به نيازي که از دوربين داريد مي توانيد يکي از دوربين ها را با مشخصه هاي مورد نيازتان انتخاب کنيد.
ارتباط بين پيکسل و کيفيت تصوير
بي شک هر زمان سخن از کيفيت تصوير در ميان باشد، کلمات کليدي همچون رزولوشن و يا مگاپيکسل به گوشتان خورده، در اين مقاله به بحث و بررسي ارتباط کيفيت تصوير با پيکسل خواهيم پرداخت .
فرمول پيکسل‌ها = رزولوشن = کيفيت، هميشه صحيح نيست، چرا که عوامل ديگري مانند نور پايين محيط، نور شديد محيط، کيفيت لنز و … بر کيفيت تصوير نهايي تأثير مي‌گذارند.
با اين حال پيکسل‌ها کيفيت بالقوه‌ي تصوير را مشخص ميکنند. در اين يادداشت، توضيح خواهيم داد که چرا با پي بردن به اين موضوع قادر خواهيد بود تصميمات آگاهانه‌تر و بهتري اتخاذ کنيد.
اثبات اين مثال با چند تصوير
? تصوير زير تصويري با کيفيت و رزولوشن بالا است:
اين تصوير مربوط به بخش کوچکي از بدن به اندازه‌ي ? تا ? فوت است و ??? پيکسل عرض دارد. نرخ پيکسل بر فوت (PPF) اين عکس بالا و چيزي در حدود ??? است. حال تصوير فوق را با تصوير کم‌کيفيت و کم‌رزولوشن زير مقايسه کنيد:
در ادامه
? عرض اين تصوير ? پيکسل است و در مجموع ?? پيکسل دقيقاً مساحتي معادل با تصوير پيشين را پوشش مي‌دهند (براي اينکه بتوانيد اين پيکسل‌ها را ببينيد تصوير بزرگنمايي شده است). اين عکس به وضوح کيفيت پاييني دارد. در اين عکس پيکسل‌ها وادار به پوشش‌دهي بخش‌هايي عريض‌تر از جزئيات مورد نظر شده‌اند. اين مسئله از شطرنجي بودن تصوير مشهود است. اين بلوک‌ها حدود پيکسل‌ها را مشخص ميکنند.
الزاما رزولوشن بالا با کيفيت بالا يکي نمي باشد و اين يک باور غلط رايج و شايع مي باشد که با مطالعه ي اين مقاله اصلاح مي گردد .
در تصوير فوق ? پيکسل از مجموع ?? پيکسل جدا شده‌اند، اما مي‌توانيد تمامي پيکسل‌ها را به صورت مجزا تفکيک کنيد. حال تعداد پيکسل‌ها / رزولوشن اين تصوير را افزايش مي‌دهيم:
اين بار جزئيات بيشتري آشکار ميشوند، چرا که تعداد پيکسل‌ها از مجموع ?? پيکسل به ??? پيکسل افزايش يافته‌اند و هر پيکسل ناحيه‌ي کوچک‌تري را پوشش ميدهد. با مقايسه‌ي دو تصوير اخير مشخص مي‌شود که جزئيات کليدي در تصوير بهبود يافته‌اند:
در تصوير اول، چشم‌هاي فرد، بزرگتر از پيکسل‌ها هستند ، لذا در تصوير مشخص نيستند. اين در حالي است که در تصوير دوم، چون پيکسل‌ها ناحيه‌اي کوچک‌تر از چشم شخص را پوشش داده‌اند، امکان ضبط تصوير چشم‌ها به صورت دو نقطه‌ي سياه رنگ فراهم آمده است.
اکنون تعداد پيکسل‌ها را از ??? به ??? افزايش مي‌دهيم:
چون هر پيکسل مساحت کوچک‌تري را پوشش ميدهد، ويژگي‌هاي بيشتر ، لب‌ها، گوش‌ها و … آشکار ميشوند و جزئيات بيشتري از چشمان فرد ظهور مي‌يابند (ابروها، مردمک چشم و …).
نهايتاً در تصوير زير ? نمونه آورده شده است که در آنها ?? تا ???? پيکسل مساحت يکساني را پوشش مي‌دهند:
بديهي است با افزايش پيکسل‌هاي اختصاص يافته، جزئيات ريز بيشتري را مي‌توان ضبط کرد. تصاويري با تعداد پيکسل کمتر، صرف نظر از ميزان «خوب بودن» دوربين يا انکدر، قادر به ضبط جزئيات بيشتر نيستند، زيرا پيکسل‌ها در اين تصاوير ناحيه‌ي به مراتب بزرگتري را پوشش مي‌دهند. منظور ما از بيان اينکه پيکسل‌ها پتانسيل کيفيت را مشخص ميکنند دقيقاً همين است.
پيکسل ها کيفيت را محدود مي کنند
دوربين ? مگاپيکسلي هرگز جزئيات ريز صورت شخص را در ميدان ديد ?? اينچي ضبط نخواهد کرد. اين دوربين آشکارا از اين توان بي‌بهره است، زيرا پيکسل‌ها ناحيه‌ي بيش از اندازه بزرگي را (?? پيکسل در هر فوت) نسبت به اندازه‌ي صورت شخص در همان موقعيت پوشش مي‌دهند.
اين در حالي است که دوربين ? مگاپيکسلي، که همان ميدان ديد ?? اينچي را پوشش ميدهد، ميتواند جزئيات بيشتري را پوشش دهد. اين دوربين پتانسيل بالايي دارد، زيرا پيکسل‌هاي نواحي به حد کافي کوچکي را (?? پيکسل در هر فوت) پوشش مي‌دهند.
اين پتانسيل حد تئوريک پيشينه‌اي است که با عوامل بسيار مهمي محدود مي‌شود:
? قابليت تصويربرداري در صحنه‌هاي کم‌نور (که بسياري از دوربين‌هاي بيش از ? مگاپيکسلي مشکل حادي با اين مسئله دارند)
? توانايي مديريت صحنه‌هايي با بازه‌ي ديناميکي گسترده (WDR)
? کيفيت لنزها، دقت فوکوس و حذف هرگونه مشکل DoF
? به حداقل رساندن مشکلات جانبي فشرده‌سازي/ از دست رفتن کيفيت
? زاويه‌ي برخورد تصوير با دوربين (اگر دوربين در ارتفاع بيش از اندازه بالا نصب شود يا شخص نسبت به دوربين مايل ايستاده باشد، پيکسل‌هاي بيشتر کمکي به بهبود کيفيت نخواهند کرد).
کيفيت در برابر پيکسل ها
در نهايت، کيفيت تصوير تحت تأثير مجموعه‌اي از عوامل قرار دارد. در حالي که چگالي/ تعداد پيکسل کيفيت بالقوه و حداکثر جزئيات قابل دست‌يابي را تعيين ميکنند، آن عوامل که اغلب در محاسبات PPF ناديده گرفته ميشوند، اغلب کيفيت واقعي و قابل حصول تصوير را محدود مي‌سازند.
نتيجه گيري
در صورتي که کيفيت خاص براي تصوير برداري مدنظرتان مي باشد بايد پيکسل ها و رزولوشن هاي متفاوت را از هم بشناسيد و در نظر داشته باشيد تنها برند هاي معتبر مداربسته همان رزولوشن و تراکم پيکسلي را ارائه مي دهند که در روي برگه راهنما ، مشخصاتشان موجود مي باشد ولي برند هاي متفرقه اين مهم را اغلب رعايت نمي کنند .
بيشتر بخوانيد: دوربين مداربسته دوربين مداربسته تي وي تي نصب دوربين مداربسته
