حسگر دوربین مداربسته

حسگر دوربین مداربسته

وظیفه حسگر دوربین تبدیل پرتوهای نور متمرکز به سیگنال ویدئویی متغیر در زمان است و این سیگنال ویدئویی پس از تولید به وسیله ی تجهیزات مخابراتی (کابل کواکسیال ، زوج تابیده شده ، فیبر نوری و امواج رادیویی) از طریق بستر انتقال به مرکز کنترل انتقال می یابد . در این مطلب به بررسی حسگر دوربین مداربسته می پردازیم.

حسگر دوربین مداربسته

حسگرهای حالت جامد ( Solid – State ) برای تبدیل روشنایی تصویر به سیگنال ویدئویی از آرایه های سیلیکونی فوتو – حسگر (پیکسل -Pixel) استفاده می کنند . این سیگنال پس از تقویت به منظور نمایش به نمایشگر منتقل می شود .

حسگرهای حالت جامد از نظر فن آوری ساخت به چهار دسته اصلی ۱) CCD، 2) CPD، 3) CID و ۴) CMOS تقسیم می شوند . در صنعت ساخت دوربین های حفاظتی از دسته اول و چهارم استفاده می شود و توان مصرفی آنها از کسری از وات شروع و به ۸ الی ۲۰ وات برای دوربین های لوله کاتدی ختم می شود .

شارژ الکتریکی پیکسل ها در زمان شکل گیری تصویر روی حسگر دوربین به ولتاژ تبدیل می شود . این ولتاژها با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog to Digital- A/D ) ) به یک دسته عدد تبدیل می شوند و برای پردازش های بیشتر نظیر تنظیم شدت روشنایی و رنگ به واحد پردازش تصویر ارسال می شوند .

چشم انسان تصویر را یک جا نمایش می دهد اما سیگنال ویدئویی در دوربین معمولی یا مادون قرمز حرارتی پس از پیمایش نقطه به نقطه ی پیکسل های افقی و عمودی حسگرهای سیاه سفید یا رنگی تولید می شود – پیمایش از گنج بالایی سمت چپ تصویر شروع شده و در گنج پایین سمت راست خاتمه می یابد .

دوربین های رنگی با اختراع و استفاده از الگوریتم اصلاح رنگ بایر (bayer array) و سیستم تعادل رنگ سفید در ساخت دوربین ، تولید شدند . در شکل ۴-۱۳ (الف) نمونه ای از فیلتر سطری اصلاح رنگ بایر نشان داده شده است .

این فیلتر از فیلترهای آبی – سبز و قرمز سبز تشکیل شده است . به علت حساسیت زیاد چشم به رنگ سبز ، در این فیلتر رنگ سبز نسبت به رنگ های آبی و قرمز بیشتر استفاده شده است .

فیلتر دیگری که از آن برای ذخیره اطلاعات رنگی استفاده می شود . فیلتر رنگی CMYG (فیروزه ای ، گلبهی ، زرد و سبز) است (شکل ۴-۱۳ ب) . با افزایش تعداد پیکسل های حسگر جزئیات بیشتری از صحنه قابل فیلم برداری می شود .

حسگر دوربین مداربسته

شکل 4  -۱۳ (الف) الگوریتم اصلاح رنگ بایر . (ب) فیلتر رنگی CMYG (تصویر رنگی در انتهای کتاب)

حسگرهای سیاه سفید و رنگی برای تولید تصویر شفاف و بدون نویز طوری طراحی می شوند که در طی شبانه روز با تغییرات سطح روشنایی سازگار شوند . نتیجه چنین طراحی هایی ساخت دوربین های CCD ، CMOS ،  LLL ICCD و مادون قرمز حرارتی است .

بیشترین کاربرد به ترتیب متعلق به CCD  ,ICCD  ، CMOS و مادون قرمز حرارتی است . به علت حساسیت به نور نزدیک به مادون قرمز حسگرهای CCD و CMOS علاوه بر کاربری های روزانه معمولا در برخی مواقع از آنها در کاربری های شبانه هم استفاده می شود (شکل ۴-۱۴) . نقاط قوت و ضعف های موجود در فن آوری ساخت حسگرهای CCD و CMOS باعث شده است که کاربری های متفاوتی داشته باشند .

به عنوان مثال به علت فن آوری پیشرفته ی ساخت حسگرهای CCD ، این حسگرها در دوربین های صنعتی استفاده می شوند و به علت فن آوری ساخت استاندارد حسگرهای CMOS ، این حسگرها در ساخت حافظه ی رایانه های شخصی استفاده می شوند .

از حسگرهای ICCD برای کاربری شبانه و تحت شرایط روشنایی بسیار کم استفاده می گردد و در تاریکی مطلق ، مه و گرد و غبار بهترین گزینه حسگرهای مادون قرمز حرارتی هستند .

حسگر دوربین مداربسته

شکل 2-1 (الف) حسگر CCD . (ب) حسگر CMOS

فن آوری ساخت حسگرهای CCD

شارژ الکتریکی هر پیکسل در حسگر CCD از طریق تعداد محدودی گره خروجی اغلب یک گره – به مبدل ولتاژ منتقل می گردد و پس از تبدیل شدن به سطوح مختلف ولتاژی از آن میانگین گیری شده و به – صورت سیگنال آنالوگ از تراشه CCD خارج می شود .

در مرحله بعدی سیگنال خروجی تقویت شده و به وسیله ی مبدل A / D به رشته عددی تبدیل می گردد و در نهایت به بیرون حسگر ارسال می شود .

در تبدیل شدت روشنایی به سیگنال ویدئویی با استفاده از تمامی پیکسل ها یکپارچگی خروجی عاملی مهم در تعیین کیفیت تصویر) افزایش می یابد . در حسگرهای CCD ، تقویت کننده یا مبدل های A / D پیش ساخته وجود ندارند و بسیاری از مراحل بیرون از حسگر CCD انجام می شوند (شکل ۴-۱۵) .

حسگر دوربین مداربسته

شکل -۱  حسگرهای CCD و CMOS نصب شده روی مدار چاپی . به مدارات اضافی نصب شده روی مدار چاپی حسگر CCD توجه گردد .

۳۰ سال از استفاده حسگرهای CCD در ساخت دوربین های عکاسی و فیلم برداری می گذرد و کیفیت بالای آنها سبب گردیده همچنان از آنها در ساخت دوربین استفاده شود .

عموماً این حسگرها نسبت به حسگرهای CMOS حساسیت نوری بالاتر و نویز کمتری دارند و در شرایط نوركم تصاویر بهتری تولید می کنند . با این وجود این حسگرها معایبی نیز دارند . از آن جمله می توان به گرانقیمت بودن و پیچیدگی اتصالات آنها در داخل دوربین اشاره کرد .

علاوه بر این حسگر CCD می توانده ۱۰ برابر بیشتر از حسگر CMOS مشابه خود برق مصرف کند .

فن آوری ساخت حسگرهای CMOS

در تراشه CMOS آرایه پیکسلی با مبدل A / D و تقویت کننده یکپارچه شده است . در حسگرهای CMOS قابلیت ایجاد پنجره (Windowing) وجود دارد که به کاربر امکان خواندن فقط یک قسمت از آرایه پیکسلی را می دهد . از این مزیت در تولید تصاویر کیفیت بالا و PTZ دیجیتالی یا داشتن نرخ ارسال فریم بالاتر برای یک قسمت کوچک از آرایه پیکسلی استفاده می شود .

پیشرفت های اخیر در فن آوری ساخت و یکپارچه سازی قسمت های مختلف در تراشه حسگرهای CMOS باعث شده بیش از پیش کیفیت تصویر این حسگرها به حسگرهای CCD نزدیک شود و قیمت تمام شده ی دوربین ها کاهش یابد .

اتلاف توان حسگرهای CMOS در مقایسه با حسگرهای CCD کمتر و ابعاد کوچکتری دارند و می توان فرامین و ویژگی های بیشتر را در تراشه آنها يکپارچه سازی کرد . علاوه بر این به علت ارزانی حسگرهای CMOS مگاپیکسلی نسبت به حسگرهای CCD مگاپیکسلی ، تقاضای برای استفاده از آنها بیشتر است .

نکات بیشتر در مورد حسگر دوربین

علاوه بر ابعاد ، وضوح تصویر و نوع حسگر شاخصه های دیگری که در ایجاد وجه تمایز میان حسگرها وجود دارند ، عبارتند از:

  • ابعاد پیکسل
  • میزان حساسیت نوری پیکسل (شاخصه پر شدن -Fill factor)
  • حداکثر نرخ سیگنال به نویز (Signal to Noise Rate- SNR )
  • قدرت حسگر در تفکیک سطوح روشنایی (Dynamic Range)
  • الگوی ثابت نویزی

ابعاد حسگر دوربین و پیکسل در کنار هم روی کیفیت تصویر تاثیر می گذارند . به عنوان نمونه اکثر دوربین های شبکه از حسگرهای 4/1  و 3/1  اینچی استفاده می کنند و ابعاد چنین حسگرهایی بیشتر از 8/4 × 6/3 میلی متر نمی شود ، استفاده از حسگرهای بزرگتر با پیکسل های بیشتر باعث افزایش وضوح – تصویر شده و در تصاویر جزئیات بیشتری منعکس می شود .

بزرگ شدن ابعاد پیکسل باعث افزایش ظرفیت آن در ذخیره شارژ الکتریکی می شود و در شرایط روشنایی بالا حداکثر نرخ سیگنال به نویز حسگر افزایش می یابد.

شاخصه پر شدن (Fill factor) نسبت محدوده پیکسلی مورد استفاده برای جمع آوری نور به کل محدوده ی آرایه پیکسلی است و بزرگتر بودن پیکسل به مفهوم شاخصه پر شدن بزرگ تر است .

نتیجه داشتن شاخصه پر شدن بزرگ تر سطح حساسیت نوری بیشتر است . به عنوان مثال شاخصه پر شدن حسگری که از تمام پیکسل هایش برای جمع کردن نور استفاده کند ، ۱۰۰ درصد است .

هر پیکسل حسگر CMOS مدار بنادی مجزایی دارد . به همین دلیل شاخصه پر شدن این حسگرها پایین است و هنگامی که دو حسگر از نظر تعداد و ابعاد پیکسل با یکدیگر تفاوت داشته باشند ، مطمئناً از نظر وضوح تصویر و حساسیت نوری نیز با یکدیگر تفاوت دارند .

این تفاوت ها در هنگام انتخاب حسگر دوربین برای دوربین های مگاپیکسلی شاخصه های مهمی هستند که باید به آنها توجه شود .

سطوح روشنایی صحنه ( Dynamic Range) از حداکثر سطح مفید نوری تا پایین ترین سطح نویز را شامل می شود و قدرت حسگر دوربین های مختلف در تفکیک آنها متفاوت است . فقط دوربین هایی می توانند با حداقل نویر از اجسام تیره و روشن صحنه فیلم برداری کنند که قدرت تفکیک سطوح روشنایی صحنه ی بالایی داشته باشد .

اجسام پر نور در صحنه های طبیعی به ندرت وجود دارند اما دوربین به سختی می تواند از آن صحنه ها فیلم برداری کند . وجود پنجره روشن در داخل ساختمان و وجود پس زمینه روشن (آسمان روشن) یا تیره در خارج ساختمان ، نمونه هایی از چنین صحنه هایی هستند .

روش های مختلفی برای غلبه بر محدودیت سطوح روشنایی قابل تفکیک توسط حسگر دوربین حاصل از چنین شرایطی وجود دارد . بدون استفاده از این روش ها در اثر تاثیر پیکسل های تیره روی پیکسل های نزدیکشان نویز افزایش و کیفیت تصویر کاهش می یابد .

الگوی ثابت نویزی در اثر یکسان نبودن خروجی پیکسل های حسگر دوربین ایجاد می شود و الگوی ثابتی داشته و در طول زمان تغییر نمی کند . این نویز کیفیت تصویر را تحت تاثیر قرار می دهد و خود را بیشتر هنگامی نشان می دهد که دوربین برای مدت طولانی مشغول به فیلم برداری باشد .

حسگرهای مگاپیکسلی در هنگام انتخاب حسگر دوربین هماهنگی میان ابعاد حسگر ، دوربین مگاپیکسلی و پیکسل های آنها بسیار مهم است . به دلایل اقتصادی ، ابعاد بسیاری از حسگرهای مگا پیکسلی – یعنی حسگرهایی که تعداد پیکسل آنها یک میلیون یا بیشتر باشد .

هم اندازه یا کمی بزرگتر از حسگرهایی است که برای دوربین هایی با وضوح تصویر VGA( آرایه نگاره سازی ویدئویی -Video Graphics Array) یعنی ۴۸۰× 640  (۳۰۷۲۰۰) پیکسل استفاده می شوند .

فرق حسگرهای مگاپیکسلی نسبت به حسگرهای VGA در تعداد پیکسل های بیشتر و ابعاد کوچکتر حسگر مگاپیکسلی است . به عنوان مثال برای حسگرهای 3/1 اینچی ابعاد پیکسل حسگر ۲ مگاپیکسلی ، ۳میکرومتر و برای حسگر 3/1 اینچی مشابه VGA ، 5/7  میکرومتر است .

از آنجایی که ابعاد پیکسل دوربین مگا پیکسلی کوچک تر است ، نور منعکس شده از صحنه به تعداد بیشتری از پیکسل ها می رسد و به همین دلیل وضوح تصویر بالاتر می رود و جزئیات تصاویر دوربین مگاپیکسلی نسبت به دوربین VGA بیشتر می گردد .

از قابلیت بزرگنمایی لحظه ای حسگر مگاپیکسلی می توان برای اجرای فرامین PTZ بدون حرکت دادن دوربین و تولید تصاویر منظره نما یا نمای بسته ی (Close up) با کیفیت استفاده کرد . در ویدئوی ۳ لوح فشرده ی ضمیمه ی کتاب ، تفاوت بین یک دوربین آنالوگ و یک دوربین شبکه ی مگاپیکسلی توضیح داده شده است .

وضوح تصویر (قدرت تفکیک)

در دنیای آنالوگ و دیجیتال مفهوم وضوح تصویر (Resolution) – که به آن قدرت تفکیک نیز گفته می شود – شبیه به هم است ولی تفاوت های مهمی در تعریف آن در این دو دنیا وجود دارد .

از آنجایی که فن آوری ویدئوی آنالوگ از صنعت تلویزیون سرچشمه می گیرد ، تصویر در ویدئوی آنالوگ از خطوط تلویزیونی تشکیل شده است اما در سیستم دیجیتالی تصویر از پیکسل های مربعی تشکیل می شود .

وضوح تصویر NTSC و PAL

در آمریکای شمالی و ژاپن برای ویدئوی آنالوگ از استاندارد NTSC و در اروپا از استاندارد PAL استفاده می شود . وضوح تصویر استاندارد NTSC ، ۴۸۰ خط و نرخ به روزرسانی خطوط آن ۶۰ خط (۳۰ فریم) در ثانیه است که به زبان فنی به شکل 480i90 نمایش داده می شود ، در اینجا «i» نمایان گر رشته اطلاعاتی (Interlaced Scaning) است .

وضوح تصویر استاندارد PAL ، ۵۷۶ خط و نرخ به روزرسانی خطوط آن ۵۰خط (۲۵ فریم) در ثانیه است (576i50) . یادآوری می شود که کل اطلاعاتی منتقل شده توسط هردو روش در هر ثانیه برابر است .

برای عددی کردن مقادیر آنالوگ در هنگام تبدیل ویدئوی آنالوگ به دیجیتال می توان بر اساس خطوط تلویزیونی از حداکثر تعداد پیکسلی تولیدی استفاده کرد . در سیستم NTSC حداکثر ابعاد تصویر دیجیتالی شده ۴۸۰×۷۲۰ پیکسل و در سیستم PAL 576 × 720  پیکسل (D1) است .

پر کاربردترین وضوح تصویر به ترتیب قالب 4CIF : 576 × 704 (PAL) یا 480× 704 (NTSC) و بعد از آن قلاب 2CIF : 288 × 704 (PAL) یا 240 × 704 (NTSC)  می باشد . در برخی از کاربری ها از یک چهارم CIF تصویر استفاده (QCIF) می شود .

حسگر دوربین مداربسته

در شکل ۴-۲۶ انواع مختلف وضوح تصویر برای تصاویر سیستم PAL و NTSC به نمایش در آمده است .

شکل 4 -۲۶ (راست) قالب هبای وضوح تصویر سیستم NTSC و (چپ) قالب های وضوح تصویر سیستم PAL .

وضوح تصویر VGA

طراحی سیستم ویدئویی کاملاً دیجیتال با تولید دوربین های شبکه ممکن شده است . این قابلیت جدید محدودیت های سیستم های PAL و NTSC را ندارد .

امروزه قالب های وضوح تصویر متنوعی در صنعت تولید کارت های گرافیک رایانه ها ابداع شده است که همه آنها جزء استانداردهای بین المللی هستند و نسبت به قالب های قدیمی انعطاف بیشتری دارند .

اصطلاح فنی VGA مخفف آرایه نگاره سازی بصری(Video Graphics Array) است و توسط شرکت IBM برای نمایش تصاویر گرافیکی روی صفحهی رایانه های شخصی (PC) طراحی شده است .

اکثر دوربین های دیجیتال یا شبکه به جز دوربین های مگاپیکسلی از وضوح تصویر قالب VGA ( ۴۸۰× 640  پیکسل) استفاده می کنند . معمولا از آنجایی که در اکثر موارد صفحه نمایش رایانه می تواند وضوح تصویر VGA یا مضربی از آن را نمایش بدهد ، بهتر است از وضوح تصویر VGA برای دوربین های شبکه استفاده شود .

انواع مختلف قالب های وضوح تصویر VGA شبیه به ابعاد CIF بوده و در جدول ۴-۴ نشان داده شده اند .

جدول 4 – 4  قالب های وضوح تصویر VGA

حسگر دوربین مداربسته

وضوح تصویر MPEG

گروه کارشناسان تصاویر متحرک (Motion Picture Expert Group – MPEG ) یک کارگروه از سازمان بین المللی استاندارد جهانی (ISO) است و عهده دار توسعه استاندارد رمزگذاری صدا و تصویر می باشد .

در سال ۱۹۹۲ این گروه با هدف ضبط تصویر دیجیتال روی لوح فشرده (CD) تشکیل شد که نتیجه کار آنها اختراع قالب 1-MPEG بود . با استفاده از این قالب جدید می توان یک فیلم سینمایی را بر روی CD ذخیره کرد .

در سال ۱۹۹۵ قالب 2-MPEG تدوین شد و با استقبال زیادی در شبکه های کابلی و ماهواره ای و … مواجه گردید . تکنیک های MPEG برای فشرده سازی ، کدگذاری و کدبرداری اطلاعات موافقتنامه هایی ساخته است .

الگوریتم MPEG

در این روش به جای این که یک فریم به صورت کامل ذخیره شود تغییرات آن نسبت به فریم قبلی ذخیره می گردد . در قالب MPEG اطلاعات به صورت بسته های فشرده تبدیل می شود که به آسانی قابل انتقال هستند و در مقصد این بسته ها از حالت فشرده شده خارج می شوند (Decompress) .

تعداد قالب های وضوح تصویری 1-MPEG و 2-MPEG در اوائل محدوده بود و در برخی از موارد با قالب D1 یا بخشی از آن تفاوت داشت . امروزه منظور از وضوح تصویر MPEG یکی از قالب های زیر است (شکل ۴-۲۷):

  • ۷۰۴۶۵۷۶ پیکسل (PAL 4CIF)
  • ۴۸۰×۷۰۴ پیکسل (NTSC 4CIF)
  • ۷۲۰۶۵۷۶ پیکسل (D1 یا PAL)
  • ۷۲۰x۴۸۰ پیکسل (D1 یا NTSC)
حسگر دوربین مداربسته

شکل -۲۷ قالب های وضوح تصویر MPEG

وضوح تصویر مگاپیکسلی

دوربین های مگاپیکسلی برای داشتن وضوح تصویر بسیار بالا از حسگرهای مگا پیکسلی استفاده می کنند . تصاویر فیلم برداری شده توسط آنها حاوی یک یا چندین میلیون پیکسل است .

این دوربین ها به کاربر اجازه می دهد جزئیات بیشتری از صحنه را مشاهده کند . به هر میزان که پیکسل های حسگر دوربین بیشتر شود جزئیاتی تصاویر بیشتر شده و کیفیت تصویر بالاتر می رود . این مزیت در کاربری های ویدئوی حفاظتی بسیار مطلوب است . در جدول ۴-۵ قالب های مگاپیکسلی گردآوری شده اند .

وضوح تصویر دوربین

جدول 4-۵ قالب های وضوح تصویر مگاپیکسلی

بهترین روش تعیین تعداد پیکسل دوربین در طراحی سیستم های ویدئوی حفاظتی ، توجه به ویژگی های تعریف شده برای کاربری دوربین در مجموعه حفاظتی است .

به عنوان مثال در تصویر منظرهنما برای نمایش یک متر ۷۰ الی ۱۰۰ پیکسل کافی است و برای کاربری هایی که در آنها جزئیات درون تصاویری اهمیت دارد (نظیر تشخیص چهره) باید برای نمایش یک متر از ۵۰۰ پیکسل یا بیشتر استفاده شود ، یعنی برای دوربین مگاپیکسلی حداقل وضوح تصویر لازم برای تشخیص چهره افرادی که از یک محدوده ۲ در ۲ متر عبور می کنند امگاپیکسل (۱۰۰۰ × 1000 پیکسل) است .

حداکثر وضوح تصویر دوربین آنالوگ روی DVR یا کدگذار ویدئو پس از دیجیتالی شدن تصاویر  ، D1 است که معادل ۴۸۰×۷۲۰ پیکسل سیستم NTSC و 576 × 720 پیکسل سیستم PAL است (معادل ۴۱۴۷۲۰ پیکسل یا ۴/0 مگاپیکسل) . در مقابل این وضوح تصویر ، یک قالب مگاپیکسلی پرکاربرد 1024 × 1280  پیکسل (۱٫۳ مگاپیکسل) است که سه برابر وضوح تصویر دوربین آنالوگ است . در شکل ۴-۲۸ برتری دوربین مگاپیکسلی نسبت به دوربین های آنالوگ نشان داده شده است .

نسبت تصویر

نسبت تصویر (Aspect Ratio) نسبت عرض به ارتفاع تصویر است و با وضوح تصویر مگاپیکسلی می توان نسبت تصویرهای متنوع تری داشت (شکل ۴-۲۹) . متداول ترین نسبت تصویر برای نمایشگرهای تلویزیونی 3: 4  است .

حسگر دوربین مداربسته

شکل  4 -۲۸ مقایسه منظره قابل دیدن توسط              شکل 4 – 29 نسبت تصویرهای مختلف

دوربین آنالوگ و مگاپیکسلی

وضوح تصویر تلویزیون های بسیار با کیفیت

با استفاده از استاندارد دیجیتالی High – Definition TV ) HDTV ) در صفحه نمایشگرهای بسیار با کیفیت می توان در نسبت تصویر 3: 4  تصاویری با وضوح تصویر p720 (پیمایش جلورونده) یا i1080 (پیمایش محل تصویر) و در نسبت تصویر 9 : 16 تصاویری با حداقل وضوح تصویر p 540 یا  i 810 نمایش داد .

ابعاد استاندارد تصویر در قالب HDTV برای اتحادیه اروپا (EBU) و کشورهای NTSC در جدول های ۴-۶ و ۴-۷ گردآوری شده اند .

جدول 4 – 6  ابعاد استاندارد تصویر قالب HDTV در EBU

کیفیت تصویر

* نرخ ارسال رشته اطلاعات ۵۰هرتز است و از نرخ ارسال های دیگر نیز می توان استفاده کرد . پرکاربردترین نرخ های ارسال ۲۴ ، ۲۵ ، ۳۰ ، ۵۰ و fps ۶۰ هستند .

بهبود وضوح تصویر

جدول 4 -۷ ابعاد استاندارد تصویر قالب HDTV در NTSC

* نرخ ارسال رشته اطلاعات 6۰هرتز است و از نرخ ارسال های دیگر نیز می توان استفاده کرد . پرکاربردترین نرخ های ارسال ۲۴ ، ۲۵ ، ۳۰ ، ۵۰ و fps ۶۰ هستند .

دوره های کلاس آموزش نصب دوربین مداربسته شامل انتقال تصویر برای انواع دوربین ها می شود و به طور کاملا عملی در موسسه آموزشی پایتخت فناوری آموزش داده می شود.

امتیاز دهید
دیدگاه ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

تماس با آموزشگاه
تماس با آموزشگاه