وضوح تصویر دوربین مداربسته – حسگر دوربین مداربسته

حسگر دوربین

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 .

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 .

وضوح تصویر

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

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) .

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 .

وضوح تصویر

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

تصویر

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)

دوربین

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 .

نسبت تصویر

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 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.

 

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *