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]
|
Обозначение |
Вид изображения |
Размер изображения (пиксель) |
Чувствительность (люкс) |
Сигнал/ шум (выход) |
Стандарт |
Цифр. выход (бит) |
Аналог.. выход |
Примеч. |
|
OV7411 |
ч/б |
628×582 |
0,5 |
>48 Дб |
NTSC PAL |
+ |
Шина управл.I2C |
|
|
OV7930 |
Цвет. |
510×492 |
< 2,0 |
>46 Дб |
NTSC |
+ |
Совместим с USB |
|
|
OV7640 |
Цвет. |
640×480 |
< 3,0 |
46 Дб |
YUV422 RGB422 |
8 |
Совместим с USB |
|
|
OV8610 |
Цвет. |
800×600 |
< 3,0 |
>48 Дб |
RGB |
10 |
Совместим с USB |
|
|
OV9620 |
Цвет. |
1280×1024 |
1В/люкс-с |
54 Дб |
RGB |
10 |
Совместим с USB |
|
|
OV9121 |
ч/б |
1280×1024 |
1В/люкс-с |
54 Дб |
RGB |
10 |
+ |
Совместим с USB |
|
OV2610 |
Цвет. |
1600×1200 |
1В/люкс-с |
54 Дб |
RGB |
10 |
Совместим с USB |
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.
Библиографическая ссылка
Прокопьев А.C., Шмокин М.Н. ОТ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ К ВИДЕОСИСТЕМАМ НА КРИСТАЛЛЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – № 5-2. – С. 91-92;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=33976 (дата обращения: 19.04.2024).