Čip, který snímá obrazy

Jakmile fotony zasáhnou snímací prvek CCD, dojde k uvolnění elektronů, jehož důsledkem je nabití příslušných pol


Jakmile fotony zasáhnou snímací prvek CCD, dojde k uvolnění elektronů, jehož
důsledkem je nabití příslušných polí CCD. Čím více fotonů na zařízení dopadne,
tím více elektronů se uvolní, a výsledkem tak je vznik náboje, který je úměrný
k intenzitě světla. Pomocí 2D CCD takto dokážete zachytit obraz. Každý snímací
prvek CCD reprezentuje jeden obrazový bod pixel. V dnešní době mají
nejmodernější digitální fotoaparáty senzory běžně obsahující až 6 milionů bodů.
Jakmile je obraz ve formě náboje uložen v CCD, je třeba jej přečíst tak, aby
mohlo dojít k jeho digitalizaci. Proto se každý detektor CCD (nebo, chcete-li,
pixel) skládá ze tří transparentních polykřemíkových bází nad skrytým
kolektorem naplněným fotosenzitivním křemíkem, jenž je zdrojem náboje. Kolektor
je po stranách opatřen párem "zarážek", které náboj zachycují, resp. blokují
jeho další posun.
Snímání a digitalizace konkrétního prvku CCD jsou zajištěny tak, že se náboj
nejprve posouvá mezi jednotlivými bázemi a posléze dolů do kanálku k dalším
pixelům, až se dostane na konec jejich řady. Odtud je načten do sériového
registru a nakonec odeslán do analogově digitálního převodníku. Celý proces si
lze představit jako řadu věder, které postupně přelévají vodu, a tak se voda z
prvního vědra postupně dostane až na konec řady do posledního vědra. Přenos
náboje probíhá s efektivitou větší než 99,9 % na jeden pixel. Sekvence, při
které náboj přechází z jedné brány do druhé, se nazývá propojení (coupling),
proto tedy ona zkratka CCD charge-coupled devices.

Jak docílit barevnosti
Po všem, co již bylo řečeno, se nyní zaměřme na skutečnost, že snímané pole CCD
je citlivé pouze na intenzitu světla, nikoli na barvu. Jednou z metod, jak
zachytit barevný obraz, je použít tři pole CCD, z nichž každé je zakryto
filtrem (filtr se obvykle vytvoří jednoduchým překrytím povrchu CCD barvou),
který obsahuje jednu ze základních barev červenou, zelenou nebo modrou.
Elektronika na základní desce fotoaparátu sloučí výstupy z těchto základních
komponent do jednoho barevného pixelu. Protože však tento postup snímání barvy
vyžaduje tři pole CCD, setkáte se s ním pouze ve špičkových fotoaparátech a
videokamerách. Méně nákladnou metodou je použití speciální barevné mřížky,
známé pod označením Bayer Pattern (BP). Tou se překryje snímané pole. V mřížce
se střídají červeno-zelené a zeleno-modré barevné kombinace filtrů, což
umožňuje jednodimenzionálnímu CCD zachytit barevný obraz. Polovina filtrů v
tomto modelu je zelených, neboť lidské oko je nejvíce citlivé právě na tuto
barvu. Procesor pro zpracování digitálního signálu interpoluje dvě chybějící
komponenty pixelu tím, že převezme průměr od sousedních pixelů, které tyto
komponenty mají. V praxi to znamená, že máme-li prvek CCD s červeným filtrem,
procesor zrekonstruuje své zelené a modré komponenty tak, že kombinuje a
zprůměrňuje hodnoty z přilehlých prvků se zelenými nebo modrými filtry.
Použití modelu BP umožňuje tvořit zařízení s jednoduchým designem, nelze ale
opomíjet ani jeho nevýhody. Za prvé: Některé informace se nám ztratí, což má za
následek výsledné zhoršení rozlišení. Za druhé: Tato metoda předpokládá
postupné změny v intenzitě světla na dané scéně. V případě snímků s ostrými
přechody světla dochází při interpolaci k vytváření falešných míst barevných
odstínů, které v originále neexistují.
Některé snímací prvky CCD používají k vytvoření barvy odlišnou barevnou
šablonu. Především některé digitální fotoaparáty značky Canon obsahují jemně
odstíněnou barevnou šablonu s azurovými, žlutými, zelenými a fialovými poli a
využívají pak samozřejmě rozdílný interpolační algoritmus. Vývoj
Prvek CCD vynalezli v roce 1969 George Smith a Willard Boyle v Bellových
laboratořích (nyní součást Lucent Technologies). Prvek CCD byl původně zamýšlen
jako zařízení pro ukládání počítačových dat. Tento úkol však později převzaly
rychlejší a výkonnější technologie. V roce 1975 se začaly prvky CCD používat v
televizních kamerách a ve stolních skenerech. V dalším desetiletí se CCD
objevují v prvních digitálních kamerách. V dnešní době se již tyto prvky
používají ve velkém měřítku, a to přesto, že vykazují některé nedostatky.

Konkrétně se jedná o:
Blednutí: Přestože je proces přenosu náboje vcelku výkonný, způsobuje jeho
přesun v řadě několika stovek nebo tisíců pixelů znatelnou ztrátu obsahu pixelu.

Přetečení barev: Jestliže zasáhne prvek CCD příliš mnoho fotonů, začne být
přeplněný a určitá část jeho obsahu přeteče do sousedních pixelů.

Stíny: Jestliže světlo zasáhne senzor v momentě, kdy probíhá transfer náboje,
může dojít k určité ztrátě dat a výsledkem jsou pak stíny za jasnými plochami
na obraze.

Finanční náročnost: CCD vyžadují zvláštní výrobní proces, který je odlišný od
výroby počítačových čipů (jako jsou jednotky CPU a paměťové čipy apod.). Je
tedy třeba specializovaných výrobních linek.
1 1332 / pen









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.