Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Получение видеоизображения – неотъемлемая составляющая современных информационных технологий. При кодировании изображения происходит фотоэлектрическое преобразование, накопление и усиление сигналов. В канале передачи производится согласование параллельного (многомерного) потока фотонов с одномерным каналом, в котором сигнал является функцией времени и формирование минимального количества информации при заданном уровне её качества. В основе видеосистем – ПЗС-матрица (CCD array) и блок обработки аналогового видеосигнала (АЦП с различными дополнениями), отработанные принципы построения и технологии.

КМОП датчики изображения. Реальной альтернативой ПЗС являются КМОП датчики изображения, совмещающие на одном кристалле светочувствительную матрицу и полную обработку аналогового сигнала (включая АЦП). В настоящее время рынок телевизионных камер на КМОП сенсорах стремительно обгоняет рынок телекамер матричных ПЗС [1]. Первоначально КМОП датчики изображения разрабатывались для космических программ NASA. Телекамеры на КМОП фотоприёмниках имеют большие перспективы развития, так как именно они наиболее подходят для процесса объединение каналов связи и систем на кристаллах, т.е. реализации задачи кодирования источника и кодирования канала на одном кристалле. Во-первых, это реализация непосредственно в кристалле докоммутационного усиления изображений. Во-вторых, кодирование источника изображения, и кодирование канала передачи c возможностью специальной обработки видеоинформации непосредственно на том же кристалле, на котором расположен фотоприёмный массив элементов.

Видеосистемы на кристалле. Сейчас существуют видеосистемы на кристалле, осуществляющие преобразование потока фотонов в поток координат объектов. Возможно скорое появление видеосистем на кристалле, объединяющих фотоприёмную матрицу большого формата (телевидение высокой чёткости) и кодер источника (т.е. устройство сжатия изображения) в одном из перспективных стандартов. Сейчас наиболее популярны MPEG-2 и MPEG-4.[2] Так же существуют видеосистемы на кристалле, сочетающие в себе первый этап кодирования источника (накопление и усиление сигналов) с кодированием канала, ориентированным на компьютерные сети.

Из областей применения КМОП датчиков изображения рассмотрим те, которые развиваются в странах СНГ: системы видеонаблюдения/системы безопасности; медицинские приборы; биометрические системы идентификации; системы технического зрения; автомобили.

На рисунке приведен внешний вид телевизионной камеры, разработанной НПК «ЕС Экспертс» на основе 3-х мегапиксельного КМОП сенсора фирмы Micron, имеющей интерфейс USB 2.0 и программное обеспечение для ввода изображений в компьютер [1].

Телекамера на КМОП фотоприёмниках НПК«ЕС Экспертс»

В автомобилях КМОП датчики изображения применяются в ряде систем: предупреждения пересечения разделительной полосы; ночного видения; контроля фар; управления подушками безопасности, панорамном зеркале; и др.

Одними из приоритетных разработчиков КМОП датчиков изображения для стран СНГ являются фирмы OmniVision, Agilent [3].

Фирма OmniVision работает в направлении создания функционально завершенных изделий CameraChips™, состоящих из датчика изображения, схемы обработки видеосигнала и интерфейса на одном кристалле. В таблице приведены технические характеристики некоторых из разработанных систем.

Однокристальные КМОП датчики изображения CameraChips™ [3]

OV7930 – цветная камера с полным видеосигналом NTSCна выходе, что позволяет подключать ее непосредственно на VCR TV монитор (питание +5 В). Диапазон применения от систем видеоконференций, видеофонов до систем видеонаблюдения, безопасности, идентификации по отпечаткам пальцев, медицинского и стоматологического оборудования. И все это в 28-выводном корпусе CLCC-28 или PLCC-28.

Если необходим не только NTSC видеосигнал, но и PAL, то для этого подойдет OV7910/OV7411 (цветная/черно-белая), которая работает с S-video. Основное назначение этих камер (по рекомендации OmniVision) – автомобили. Но они отлично подходят и для различных систем видеонаблюдения.

Особенностью камер OV8610, OV9620/OV9121 (1,3 миллиона пикселей) является возможность изменять размер окна матрицы изображений, что увеличивает степени свободы разработчика при создании различных биометрических устройств, систем машинного зрения.

На базе OV2610 с разрешением 1600х1200 пикселей (2 миллиона пикселей) делать обычную систему наблюдения возможно излишне, однако она отлично подходит для видеонакопителей и камкодеров покадровой съемки.

Структуру и основные принципы работы можно рассмотреть на примере цветной камеры OV7640.

OV7640 (цветная) CameraChips™ – КМОП датчик изображения с напряжением питания 2,5 В. Состоит из полнофункциональной VGA камеры (с разрешением 640х480 пикселей) и процессора обработки видеосигнала (на одной подложке) [3,4]. Эта камера создает полноформатное, 8-разрядное изображение дискретным методом или по методу организации окна в различных форматах. Управление OV7640 осуществляется через интерфейс SCCB (Serial Camera Control Bus – последовательная шина управления камерой).

Матрица изображения работает со скоростью до 30 кадров в секунду, пользователь имеет возможность полностью управлять качеством изображения, форматированием и передачей данных. Все необходимые функции обработки изображения :регулировка экспозиции, контрастность, баланс белого, цветонасыщение, регулировка цветового тона и т.д., – программируются через интерфейс SCCB. Кроме того, в CameraChips™ используется технология OmniVision улучшения качества изображения за счет снижения или устранения дефектов изображения (размывание, ореол и пр.). В состав OV7640 входит: матрица изображения (620х480 пикселей); тактовый генератор; блок аналоговой обработки сигнала; аналого-цифровые преобразователи; блок форматирования выходного сигнала; цифровой видеопорт; интерфейс SCCB.

Выводы. КМОП телекамеры обладают потенциальными характеристиками чувствительности, разрешающей способности, динамического диапазона, быстродействия, надёжности и компактности, позволяющими им стать главными видеоинформационными приборами. КМОП датчики изображения позволяют создавать видеосистемы с малым потреблением, минимумом внешних элементов, высоким качеством изображения. Простота подключения к персональному компьютеру (через USB порт) значительно упрощает создание видеосистем любой сложности.