TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH...ZOZNAM SKRATIEK Skratka Anglický ekvivalent Slovenský...

ŽILINSKÁ UNIVERZITA E L E K T R O T E C H N I C K Á F A K U L T A KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ

SNÍMANIE OBRAZU

ING. RÓBERT HUDEC, PHD.

2007

OBSAH

1 ZÁKLADY TELEVÍZIE ................................................................................................. 1 1.1 FOTOMETRIA ....................................................................................................... 2

1.1.1 Fotometrické veličiny ................................................................................. 3 1.2 ĽUDSKÉ OKO........................................................................................................ 5

1.2.1 Vlastnosti ľudského oka.............................................................................. 6 1.2.1.1 Skotopické a fotopické videnie ........................................................... 6 1.2.1.2 Jasové prispôsobenie oka .................................................................... 6 1.2.1.3 Farebné prispôsobenie oka .................................................................. 7 1.2.1.4 Ostrosť videnia.................................................................................... 8 1.2.1.5 Zotrvačnosť videnia ............................................................................ 8 1.2.1.6 Farebná metaméria .............................................................................. 8 1.2.1.7 Farebná rozlišovacia schopnosť .......................................................... 9

1.3 KOLORIMETRIA ................................................................................................... 9 1.3.1 Miešanie farieb ......................................................................................... 10

1.3.1.1 Grassmanove zákony ........................................................................ 10 1.3.1.2 Subtraktívne (rozdielové) miešanie farieb......................................... 11 1.3.1.3 Aditívne (súčtové) miešanie farieb.................................................... 12

1.3.2 Teleso farieb ............................................................................................. 13 1.3.3 Neskutočné primárne farby....................................................................... 14 1.3.4 Sýtosť a farebný tón farieb........................................................................ 16 1.3.5 Základné farby farebnej televízie.............................................................. 18 1.3.6 Normalizované svetlá................................................................................ 18

1.4 FAREBNÉ PRIESTORY ......................................................................................... 19 1.4.1 Primárne lineárne a nelineárne farebné priestory...................................... 20

ii Obsah

1.4.1.1 Farebný priestor CIE XYZ (1931) .................................................... 20 1.4.1.2 Farebný priestor CIE YUV (1960).................................................... 20 1.4.1.3 Farebný priestor CIE YU’V’ (1976) ................................................. 21 1.4.1.4 Farebné priestory CIE L*u*v* a CIE L*huvcuv ................................. 22 1.4.1.5 Farebné priestory CIE L*a*b* a CIE L*habcab .................................. 23

1.4.2 Farebné priestory televízie a pridružené nelineárne priestory................... 24 1.4.2.1 Európsky farebný priestor Y’U’V’ (EBU)........................................ 25 1.4.2.2 Americký farebný priestor Y’I’Q’ .................................................... 26 1.4.2.3 Farebný priestor SMPTE-C RGB ..................................................... 26 1.4.2.4 Farebný priestor Y’CbCr (ITU.BT-601) ............................................ 27 1.4.2.5 Farebný priestor HDTV-Y’CbCr (ITU.BT-709)................................ 27 1.4.2.6 Farebný priestor Y’PbPr (SMPTE-240M) ......................................... 28 1.4.2.7 Farebný priestor HSV ....................................................................... 29 1.4.2.8 Farebný priestor HMMD................................................................... 31

2 PRVKY SNÍMANIA OBRAZU..................................................................................... 33 2.1 MECHANICKÉ SNÍMANIE OBRAZU ...................................................................... 33

2.1.1 Nipkowov kotúč........................................................................................ 34 2.2 VÁKUOVÉ SNÍMACIE ELEKTRÓNKY.................................................................... 35

2.2.1 Ikonoskop, Superikonoskop...................................................................... 36 2.2.2 Disektor..................................................................................................... 39 2.2.3 Ortikon, Superortikon ............................................................................... 40 2.2.4 Vidikon ..................................................................................................... 42 2.2.5 Odvodené vákuové snímacie elektrónky .................................................. 44

2.3 SNÍMACIE PRVKY PEVNEJ FÁZY.......................................................................... 46 2.3.1 Fotodiódové snímacie prvky..................................................................... 48 2.3.2 CCD snímacie prvky................................................................................. 50

2.3.2.1 Klasifikácia CCD snímacích prvkov................................................. 50 2.3.2.2 Princíp činnosti CCD prvku .............................................................. 51 2.3.2.3 Princípy prenosu náboja v lineárnych CCD snímačoch .................... 53 2.3.2.4 Princípy prenosu náboja v plošných CCD snímačoch....................... 54

Obsah iii

2.3.2.4.1 Plošný FT CCD snímač ............................................................. 55 2.3.2.4.2 Plošný FFT CCD snímač........................................................... 56 2.3.2.4.3 Plošný IT CCD snímač .............................................................. 57 2.3.2.4.4 Plošný FIT CCD snímač............................................................ 58

2.3.2.5 Prúd za tmy CCD snímača ................................................................ 60 2.3.2.6 Šumy vytvárané v CCD snímači ....................................................... 61 2.3.2.7 Saturačný náboj CCD snímača.......................................................... 62 2.3.2.8 Dynamický rozsah CCD snímača...................................................... 63 2.3.2.9 Rozlíšenie CCD snímača................................................................... 64 2.3.2.10 Škvrny a defekty CCD snímača ...................................................... 65 2.3.2.11 efekt presvetlenia ............................................................................ 66 2.3.2.12 Spektrálna citlivosť CCD snímačov................................................ 68

2.3.3 CID snímacie prvky .................................................................................. 70 2.3.4 CCPD snímacie prvky............................................................................... 74 2.3.5 CMOS snímacie prvky.............................................................................. 74

2.3.5.1 PPS snímacie prvky........................................................................... 76 2.3.5.2 APS snímacie prvky.......................................................................... 76 2.3.5.3 DPS snímacie prvky.......................................................................... 77

3 PRINCÍPY SNÍMANIA FAREBNÉHO OBRAZU ..................................................... 78 3.1 MOZAIKOVÉ SNÍMANIE ...................................................................................... 79

3.1.1 Pásikové optické farebné filtre.................................................................. 81 3.1.1.1 Pásikový vzor s pevným počtom susedných pixelov ........................ 81 3.1.1.2 Pásikové filtre s pseudonáhodnými vzormi....................................... 83

3.1.2 Optické farebné filtre typu Bayer.............................................................. 83 3.1.2.1 Vzor Bayer s pevným počtom susedných pixelov ............................ 84

3.1.2.1.1 Interpolácia pixelov vzoru Bayer .............................................. 86 3.1.2.2 Pseudonáhodné vzory typu Bayer ..................................................... 87

3.2 TROJSNÍMAČOVÉ SNÍMANIE ............................................................................... 88 3.2.1 Trojsnímačové snímanie s optickou konverziou....................................... 89

3.2.1.1 Snímanie celoplošnými CFA filtrami................................................ 89

iv Obsah

3.2.1.2 Snímanie dichroickými zrkadlami/filtrami........................................ 90 3.2.1.3 Snímanie trojbokým hranolom.......................................................... 91

3.2.2 Foveon® X3TM........................................................................................... 92 3.2.2.1 Spektrálna citlivosť snímačov Foveon® X3TM .................................. 93

3.3 TROJZÁBEROVÉ SNÍMANIE................................................................................. 97 4 ZARIADENIA NA SNÍMANIE OBRAZU................................................................... 99

4.1 FILMOVÁ KAMERA............................................................................................. 99 4.2 TELEVÍZNA KAMERA........................................................................................ 102

4.2.1 Televízna štúdiová kamera...................................................................... 102 4.2.2 Kamkordér .............................................................................................. 105

4.2.2.1 Videoformáty kamkordérov ............................................................ 107 4.2.2.1.1 BetaMax, BetaCam, BetaHifi, SuperBeta ............................... 108 4.2.2.1.2 VHS, VHS HiFi, VHS-C, S-VHS , S-VHS-C......................... 110 4.2.2.1.3 Video8, Hi8, Digital8 .............................................................. 113 4.2.2.1.4 DV, MiniDV, HDV ................................................................. 115 4.2.2.1.5 MicroMV................................................................................. 119 4.2.2.1.6 DVD, MiniDVD, HD DVD, Blu-ray Disc .............................. 119 4.2.2.1.7 HDD ........................................................................................ 123 4.2.2.1.8 Nasledujúce formáty................................................................ 124

4.3 DIGITÁLNY FOTOAPARÁT ................................................................................ 124 4.4 DIGITÁLNY SKENER ......................................................................................... 127 4.5 ŠPECIÁLNE SNÍMACIE ZARIADENIA .................................................................. 129

LITERATÚRA................................................................................................................. 130

ZOZNAM SKRATIEK

Skratka Anglický ekvivalent Slovenský ekvivalent

1-D One dimensional Jednorozmerný

2-D Two dimensional Dvojrozmerný

3-D Three dimensional Trojrozmerný

AAF Anti-Aliasing Filter Filter potláčajúci rozmazanie

AC3 Audio Coding 3 Kompresný format spoločnosti Dolby Laboratories, Inc.

ADMA Adaptive DMA Adaptívny DMA

AFM Audio Frequency Modulation Frekvenčná modulácia audio signálu

APS Active Pixel Sensor Snímač s aktívnym pixelom

AVC Advanced Video Coding Vylepšené videokódovanie

BCCD Buried Charge Coupled Devices Štruktúra s ponoreným kanálom

BD Blu-ray Disc Disk s modrým lúčom

BI Bilinear Interpolation Bilineárna interpolácia

BSI CCD BackSide Illuminated CCD Snímače s osvetlením zadnej strany

CC Cubic Convolution Kubická konvolúcia

CCD Charge-Coupled Devices Nábojovo viazané prvky

CCIR Comité Consultatif International des Radiocommunications

Medzinárodný rádiokomunikačný poradný výbor

CCPD Charge-Coupled PhotoDiodes Nábojovo viazané fotodiódy

CFA Color Filter Array Plocha s farebným filtrom

CID Charge- Injection Devices Nábojovo injekčné prvky

CIE Commision Internationale de L'Eclairage

Medzinárodné združenie pre osvetlenie

CIF Common Intermediate Format Spoločný vnútorný formát

CIM Charge Imaging Matrix Nábojová zobrazovacia matica

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

Komplementárny konštrukčný prvok s vrstvami kov-oxid-polovodič

CMOSD Complementary Metal Oxide Semiconductor Devices

CMOS prvky

vi Zoznam skratiek

CMY Cyan Magenta Yellow Farebný priestor

CRT Cathode Ray Tube Katódová obrazovka

CTD Charge Transfer Device Zariadenie na prenos náboja

CTF Contrast Transfer Function Prenosová funcia kontrastu

DCDO Dual-Channel Dual-Output Snímač s prenosom „dvojitý kanál – dvojitý výstup“

DCSO Dual-Channel Single-Output Snímač s prenosom „dvojitý kanál – jeden výstup“

DCT Discrete Cosine Transform Diskrétna kosínusová transformácia

DM Dual Mode Duálny mód

DMA De-Mosaic Algorithm De-mozaikový algoritmus

DPS Digital Pixel Sensor Snímač s digitálnym pixelom

DPI Dots Per Inch Body na palec

DR Dynamic Range Dynamický rozsah

DRAM Dynamic Random Access Memory Pamäť s dynamickým náhodným prístupom

DSP Digital Signal Processing Číslicové spracovanie signálov

DTS Digital Theater System Systém digitálneho kina

DVD Digital Versative Disc Digitálny univerzálny disk

DZ1 - Dichroické zrkadlo

EBU European Broadcasting Union Európska rozhlasová únia

ED Extended Definition Rozšírené rozlíšenie

EMI Electrical and Musical Industries Elektrotechnická spoločnosť

ENG Electronic News Gathering Príprava elektronických správ

EP Extended Play Rozšírený čas prehrávania

ESI Edge Sensing Interpolation Hranovo citlivá interpolácia

FFT Full Frame Transfer Snímač s plne snímkovým prenosom

FIT Frame Interline Trensfer Snímač so snímkovo-medziriadkovým prenosom

FM Frequency Modulation Frekvenčná modulácia

FOP Fiber Optic Plate Pole optického vlákna

FOS Fiber Optic with x-ray Scintillator Optické vlákno s röntgenovým scintilátorom

FSI CCD FrontSide Illuminated CCD Snímače s osvetlením prednej strany

FT Frame Transfer Snímač so snímkovým prenosom

FTRC Farnsworth Television and Radio Corporation

Elektrotechnická spoločnosť

FTV - Farebná TeleVízia

FWC Full Well Capacity Kapacita plnej potenciálovej jamy

GEC General Electric Company Elektrotechnická spoločnosť

Zoznam skratiek vii

GI Gradient Interpolation Gradientná interpolácia

HCI Hue Chroma Intensity Farebný priestor

HD High Definition Vysoké rozlíšenie

HD DVD High Density DVD DVD s vysokou hustotou

HDD Hard Disk Drive Pevný disk

HDTV High Definition TeleVision Televízia s vysokou rozlišovacou schopnosťou

HDV High-Definition Video Video s vysokým rozlíšením

HFWC Horizontal FWC Saturácia horizontálneho posuvného registra

Hi-Fi High-Fidelity Vysoká kvalita reprodukcie

HLS Hue Saturation Lightness Farebný priestor

HMMD Hue Min Max Diff Farebný priestor

HRM High-Resolution Mode Mód vysokého rozlíšenia

HSB Hue Saturation Brightness Farebný priestor

HSI Hue Saturation Intensity Farebný priestor

HSV Hue Saturation Value Farebný priestor

HVD Holographic Versatile Disc Holografický univerzálny disk

ICC Interpolation with Color Correction Interpolácia s farebnou korekciou

IDCT Inverse DCT Inverzná diskrétna kosínusová transformácia

IR InfraRed Infračervený

ISO International Organization for Standardization

Medzinárodná organizácia pre štandardizáciu

IT Interline Transfer Snímač s medziriadkovým prenosom

ITU International Telecommunication Union

Medzinárodná telekomunikačná únia

JPEG Joint Photographic Experts Group Skupina expertov pre statický obraz

L Left Ľavý

LCD Liquid Crystal Display Displey z tekutých kryštálov

LOD Lateral Overflow Drain Postranný odtok

LP Long Play Dlhý čas prehrávania

LPDA Linear PhotoDiode Array Lineárna fotodiódová plocha

MAPS Monolithic Active Pixel Sensors Monolitický senzor s aktívnym pixelom

MCA Marconi Corporation of America Elektrotechnická spoločnosť

MIS Metal-Insulator-Silicon Polovodičová štruktúta s vrstvami kov-izolant-kremík

MOS Metal Oxide Semiconductor Polovodičová štruktúta s vrstvami kov-oxid-polovodič

MP2 MPeg-1 audio layer 2 Druhá zvuková vrstva štandardu MPEG-1

viii Zoznam skratiek

MPEG Motion Picture Experts Group Skupina expertov pre pohyblivý obraz

MS Mosaic Sensing Mozaikové snímanie

MTF Modulation Transfer Function Modulačná prenosová funkcia

NADMA Non-Adaptive DMA Neadaptívne DMA algoritmy

DSN Dark Shot Noise Výstrelový šum za tmy

FPN Fixed Pattern Noise Šum pevnej mriežky

NNR Nearest Neighbour Replication Replikácia najbližšieho suseda

RN Readout Noise Čítací šum

SN Shot Noise Výstrelový šum

NTSC National Television System Committee

Výbor pre národný televízny system

OLPF Optical Low-Pass Filter Optické dolnopriepustné filtre

PAL Phase Alternating Line TV sústava

PC Personal Computer Osobný počítač

PCD Protein-Coated Disc Proteínom potiahnutý disk

PCM Pulse Code Modulation Pulzná kódová modulácia

PCMD PhotoConductive Mode Detector Snímače vo fotovodivom móde

PDA PhotoDiode Arrays Fotodiódové prvky

PEMD PhotoEmissive Mode Detector Snímače vo fotoemisnom móde

PMI Pattern Matching Interpolation Interpolácia s prispôsobovaním vzorov

PPC CID Preamp Per Column CID CID snímač s predzosilňovačom stĺpca

PPR CID Preamp Per Row CID CID snímač s predzosilňovačom riadka

PPS Passive Pixel Sensor Snímač s pasívnym pixelom

PRI Pattern Recognition Interpolation Interpolácia s rozpoznávaním vzorov

PVMD PhotoVoltaic Mode Detector Snímače vo fotoelektrickom mode

R Right Pravý

RA CID Random Access CID Náhodný prístup na CID snímač

RAW RAW Formát statického obrazu

RCA Radio Corporation of America Elektrotechnická spoločnosť

RGB Red Green Blue Farebný priestor

SCSI Small Computer System Interface Rozhranie pre malé počítačové systémy

SCSO Single-Channel Single-Output Snímač s prenosom „jeden kanál – jeden výstup“

SD Standard-Definition Štandardné rozlíšenie

SDTV Standard Definition TeleVision Televízia so štandardným rozlíšením

SECAM SÉquenciel en Couleur Avec TV sústava

Zoznam skratiek ix

Mémoire

SFWC Summing FWC Sumočná saturácia

SHT Smooth Hue Transition Vyhladenie farebných prechodov

SP Short Play Krátky čas prehrávania

SQPB Super Quasi-PlayBack Super kvázi prehrávanie

SSIS Solid State Image Sensor snímacie prvky pevnej fázy

SSS Single-Shot Sensing Jednozáberové snímanie

S-VHS Super VHS Videoformát kamkordérov

SVOD Stacked Volumetric Optical Disk Objemový optický disk

TCHS Three-Chip Sensing Trojsnímačové snímanie

Tek HVC Tek Hue Value Chroma Farebný priestor

TIFF Tagged Image File Format Formát statického obrazu

TSS Three-Shot Sensing Trojzáberové snímanie

USB 2.0 Universal Serial Bus Univerzálne sériové rozhranie

UV Ultraviolet Ultrafialový

VCR Video Cassette Recorder Videokazetový rekordér

VFWC Vertical FWC Saturácia vertikálneho posuvného registra

VHS Video Home Service Videoformát kamkordérov

VHS-C Compact VHS Videoformát kamkordérov

VM Video Mode Video mód

VOD Vertical Overflow Drain Vertikálny odtok

VPS™ Variable Pixel Size Variabilná veľkosť pixelu

x Zoznam skratiek

ZOZNAM TABULIEK

Tab. 2.1 Dynamický rozsah CCD snímača .........................................................................64 Tab. 4.1 Dominantné videoformáty ..................................................................................107 Tab. 4.2 Kapacita DVD diskov .........................................................................................120 Tab. 4.3 DVD videoformáty .............................................................................................120 Tab. 4.4 Oficiálne dovolené zvukové stopy DVD formátu...............................................121 Tab. 4.5 Kapacita HD DVD diskov ..................................................................................122

ZOZNAM OBRÁZKOV

Obr. 1.1 Priemerná svetelná účinnosť (citlivosť oka) ...........................................................3 Obr. 1.2 Ľudské oko..............................................................................................................5 Obr. 1.3 Vnímané jasové rozdiely pri skutočnom jase..........................................................7 Obr. 1.4 Jas, tón a sýtosť farieb ............................................................................................9 Obr. 1.5 Miešanie farieb, a) rozdielové, b) súčtové ............................................................12 Obr. 1.6 Doplnkové farby ...................................................................................................13 Obr. 1.7 Trichromatické jednotky pre izoenergetické spektrum pre skutočné farby RGB .14 Obr. 1.8 Chromatický diagram v priestore, a) CIE XYZ, b) CIE XYZ s označením farieb15 Obr. 1.9 Trichromatické jednotky pre izoenergetické spektrum pre neskutočné farby XYZ.............................................................................................................................................16 Obr. 1.10 Sýtosť, farebný tón, normalizované svetlá a oblasť dosiahnuteľných farieb v chromatickom diagrame CIE XYZ...................................................................................17 Obr. 1.11 Farebné priestory ................................................................................................19 Obr. 1.12 Chromatické diagramy pre priestory, a) CIE YUV, b) CIE YU’V’....................21 Obr. 1.13 Farebný priestor CIE L*a*b................................................................................24 Obr. 1.14 Farebný priestor HSV .........................................................................................29 Obr. 1.15 Farebný priestor HMMD ....................................................................................31 Obr. 2.1 Nipkowov kotúč s 18 apertúrami (riadkami) ........................................................35 Obr. 2.2 Ikonoskop .............................................................................................................37 Obr. 2.3 Superikonoskop ....................................................................................................38 Obr. 2.4 Disektor ................................................................................................................39 Obr. 2.5 Ortikon..................................................................................................................41 Obr. 2.6 Superortikon .........................................................................................................42 Obr. 2.7 Vidikon .................................................................................................................43 Obr. 2.8 Snímacie prvky pevnej fázy..................................................................................47

xiv Zoznam obrázkov

Obr. 2.9 Princíp činnosti fotodiódového snímacieho poľa..................................................49 Obr. 2.10 Princíp vytvárania obrazového signálu CCD snímačom.....................................52 Obr. 2.11 Prenos elektrického náboja v CCD snímačoch ...................................................53 Obr. 2.12 Lineárny snímač a) SCSO, b) DCSO, c) DCDO ................................................54 Obr. 2.13 Plošný FT CCD snímač ......................................................................................55 Obr. 2.14 Plošný FFT CCD snímač ....................................................................................57 Obr. 2.15 Plošný IT CCD snímač .......................................................................................58 Obr. 2.16 Plošný FIT CCD snímač .....................................................................................59 Obr. 2.17 Závislosť prúdu za tmy od teploty ......................................................................60 Obr. 2.18 Frekvenčná závislosť čítacieho šumu NR............................................................62 Obr. 2.19 Závilosť MTF od vlnových dĺžok dopadajúcich fotónov ...................................65 Obr. 2.20 LOD štruktúra.....................................................................................................67 Obr. 2.21 VOD štruktúra ....................................................................................................68 Obr. 2.22 Spektrálna citlivosť niekoľkých typov CCD snímačov ......................................69 Obr. 2.23 Konštrukčné usporiadanie CCD snímača, a) FSI CCD, b) BSI CCD.................69 Obr. 2.24 Spektrálna citlivosť FSI a BSI CCD snímačov...................................................70 Obr. 2.25 X-Y adresácia v CID snímači .............................................................................71 Obr. 2.26 Štruktúra CID snímacieho prvku ........................................................................72 Obr. 2.27 CMOS snímacie prvky a) PPS, b) APS, c) DPS.................................................75 Obr. 2.28 Štruktúra APS CMOS snímača...........................................................................76 Obr. 3.1 Snímanie farby lineárnymi snímačmi ...................................................................79 Obr. 3.2 Mozaikové snímanie farebného obrazu ................................................................80 Obr. 3.3 Pásikový filter s pevným vzorom, a) horizontálnym, b) vertikálnym, c) diagonálnym ........................................................................................................................82 Obr. 3.4 Pásikový filter s pevným verikálnym vzorom, a) R-G-B primárne farby, b) C-Y komplementárne farby .........................................................................................................82 Obr. 3.5 Pásikové filtre s pseudonáhodným vzorom ..........................................................83 Obr. 3.6 Relatívna spektrálna citlivosť snímačov s CFA filtrom typu Bayer .....................84 Obr. 3.7 Filter typu Bayer s pevným vzorom, (a) symetrickým, (b) diagonálnym .............85 Obr. 3.8 Bilineárna interpolácia susedných pixelov rovnakej farby, (a) R, (b) G, (c) B.....87 Obr. 3.9 Filtre typu Bayer s pseudonáhodnými vzormi a rôznymi jadrami ........................88

Zoznam obrázkov xv

Obr. 3.10 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu celoplošnými CFA filtrami ............90 Obr. 3.11 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu dichroickými zrkadlami .................91 Obr. 3.12 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu trojbokým hranolom.......................91 Obr. 3.13 Snímanie farby, (a) Bayer, (b) Foveon® X3TM....................................................92 Obr. 3.14 Absorpcia v kremíku ako funkcia hĺbky a vlnovej dĺžky....................................93 Obr. 3.15 Relatívna spektrálna citlivosť snímačov Foveon® X3TM, (a) bez filtrov, (b) s UV a IR filtram...........................................................................................................................94 Obr. 3.16 Porovnanie spektrálnych citlivostných charakteristík čapíkov ľudského oka a snímača Foveon® X3TM........................................................................................................95 Obr. 3.17 Konfigurácie VPS , (a) 1x1, (b) 4x4, (c) 1x2......................................................96 Obr. 3.18 Trojzáberové snímanie farebného obrazu ...........................................................98 Obr. 4.1 Filmová kamera ..................................................................................................100 Obr. 4.2 Filmový snímač ..................................................................................................101 Obr. 4.3 Bloková schéma televíznej „štúdiovej“ monochromatickej kamery...................103 Obr. 4.4 Bloková schéma televíznej farebnej kamery.......................................................104 Obr. 4.5 Blokové zapojenie digitálnej kamery (kamkordéra) ...........................................105 Obr. 4.6 DV formáty, a) neprekladané riadkovanie, b) prekladané riadkovanie...............117 Obr. 4.7 Blokové zapojenie digitálneho fotoaparátu.........................................................126 Obr. 4.8 Blokové zapojenie digitálneho skenera...............................................................128

PREDHOVOR

Odborná knižná publikácia s názvom „Snímanie obrazu“, ktorú ste práve otvorili patrí do tématického celku: televízna technika. Kniha je hlavne určená pre štundentov bakalárskeho a magisterského štúdia zameraných na oblasť telekomunikácií.

Kniha je rozdelená do štyroch kapitol. Prvá kapitola je venovaná základom televízie, v ktorej sú obsiahnuté princípy fotometrie, kolorimetrie, vlastnosti ľudského oka a najčastejšie používané farebné priestory. Druhá kapitola popisuje princípy mechanického snímania obrazu, snímania obrazu vákuovými elektrónkami a snímačmi pevnej fázy. Princípy snímania farebných obrazov sú obsiahnuté v tretej kapitole. Posledná kapitola je venovaná zariadeniam na snímanie obrazov s dôrazom na snímanie obrazu televíznymi kamerami a kamkordérmi.

Na záver by som chcel poďakovať svojej rodine a hlavne manželke Lucke za všestrannú pomoc, pohodu a toleranciu bez ktorej by táto kniha nevznikla. Rovnako by som chcel poďakovať aj doc. Ing. Jánovi Dúhovi, PhD. za odbornú a tiež pravopisnú korekciu rukopisu.

1 ZÁKLADY TELEVÍZIE

Televízia v takej forme ako ju poznáme v dnešnej podobe prešla niekoľkými vývojovými stupňami a to od mechanickej až po digitálnu. Jej počiatky siahajú do roku 1884, kedy neznámy dvadsaťštyriročný nemecký študent z Berlína Paul G. Nipkov (1860-1940) navrhol a dal si patentovať na svete prvý systém mechanickej televízie. Svoj patent pomenoval „Electric Telescope“ a pozostával z kotúča v ktorom boli diery v tvare špirály. Obraz bol snímaný fotónkou a na prijímacej strane zrekonštruovaný rovnakým „Nipkovovým“ kotúčom, ktorý bol sychonizovaný s vysielacou stranou. Ďalším experimentátorom s mechanickou televíziou bol Charles F. Jenkins (1867-1934), ktorý v Toronte v roku 1920 uviedol svoj vynález „prismatic rings“ ako náhradu uzáveru filmového projektora, čím položil základy rádiového prenosu obrazu. Prvý úspešný verejný prenos jednoduchej ľudskej tváre uskutočnil 25. marca 1925 škótsky inžinier John L. Baird (1888-1946). Svoju ukážku „televízie“ predviedol v Londýne a na snímanom obraze bolo vidieť iba siluety. Na základe Bairdovho zariadenia začala 30. septembra 1926 BBC (British Broadcasting Corporation) s experimentálnym televíznym vysielaním.

Za otca elektronickej televízie je považovaný Vladimir K. Zworykin (1889-1982). Bol študentom Borisa Rosinga, ktorý patril k prvým experimentátorom s katódovými elektrónkami. V roku 1919 emigroval do USA a v roku 1923 si dal patentovať elektronickú snímaciu elektrónku ikonoskop. V roku 1927, prevratný vynálezca Philio T. Farnsworth (1906-1971) už vo svojich 21 rokoch, navrhol po prvýkrát na svete plne elektronický televízny systém. Podobne ako John L. Baird, aj Farnsworth mal problémy s financovaním svojich experimentov a jeho veritelia v roku 1929 od neho požadovali, aby svoj televízny systém predstavil spoločnosti RCA (Radio Corporation of America). RCA bola pôvodne presvedčená, že televízny systém sa môže zaobísť bez Franswortovej snímacej elektrónky, avšak jej základy nakoniec poslúžili k vývoju Zvorykinovho ikonoskopu. Zvorykin po svojom ikonoskope ďalej pracoval v oblasti fotoelektroniky a na zdokonalení prijímacej elektrónky a 18. novembra 1929 predviedol plne elektronický televízny prijímač, ktorý používal prijímaciu elektrónku pod názvom kineskop. Toto viedlo k sporu o licenciu medzi RCA a FTRC (Farnsworth Television and Radio Corporation), ktorá sa pokúsila

2 Základy televízie

Fransworthov návrh odkúpiť, s čím Fransworth nesúhlasil. Nakoniec v septembri 1939 sa obidve spoločnosti dohodli na vzájomnom poskytnutí si licencie, čím sa začala éra elektronickej televízie v severnej Amerike.

Základy priemyselnej televízie položil vynálezca a výrobca televíznych zariadení Allen B. DuMont (1901-1965). V roku 1931 opustil spoločnosť De Forest Radio Company a založil si vlastnú, ktorá vylepšila katódové elektrónky zväčšením rozmeru ich obazoviek, vyššou spoľahlivosťou a životnosťou. V roku 1938 začala spoločnosť Paramout Pictures investovať do jeho firmy, čím expandoval jeho tevízny výskum a znamenal začiatok priemyslovej výroby vysielacích a prijímacích zariadení. DuMontove laboratóriá už v tom roku ponúkali televízny prijímač s uhlopriečkou obrazovky 14", zatiaľ čo spoločnosť RCA iba 12". Tesne po skončení druhej svetovej vojny už dokázala jeho spoločnosť vyrobiť televízny prijímač s uhlopriečkou až 30".

V roku 1915 David Sarnoff (1891-1971) upozornil svojho zamestnávateľa MCA (Marconi Corporation of America) na potenciál organizovaného rádiového vysielania pri predaji ich prijímačov. Jeho nápad viedol k jeho povýšeniu na viceprezidenta spoločnosti RCA. Sarnoff ako prezident RCA v 30-tych a 40-tych rokoch finančne podporoval výskum v oblasti elektronickej televízie. Pod Sarnoffovým vedením RCA v rokoch 1930 až 1939 preinvestovala do tohto odvetvia 13 miliónov dolárov a v nemalej miere podporil aj Zworykina pri vývoji jeho plne elektronickej televízie. Bez Sarnoffovej prorockej vízie by bola komerčná televízia dnes v podstate iná.

1.1 FOTOMETRIA

Fotometria je časť optiky (geometrickej), ktorá sa zaoberá meraním veličín charakterizujúcich svetlo, špeciálne veličín, ktoré kvantitatívne určujú svetelné žiarenie v závislosti na jeho účinku na ľudské oko. Jedným z prvých vedcov, ktorý sa začal zaoberať svetlom, bol anglický fyzik Isaac Newton. Pri svojich pokusoch so svetlom zistil, že biele svetlo prechádzajúce trojbokým hranolom, sa rozloží na farebné spektrum a ďalej sa už nedelí. Tieto farebné svetlá nazývame monochromatické a spojito prechádzajú (obr. 1.1) od fialovej ( nm380≈λ ) až po červenú ( nm780≈λ ) [McIl60, Vít97].

Ľudské oko nevníma všetky spektrálne svetlá rovnomerne aj keby mali rovnakú energiu. Ak sú monochromatické žiarenia vyžarované rovnakou energiou, potom citlivosť oka alebo tiež pomerná svetelná účinnosť má charakteristiku zobrazenú na obr. 1.1. λS

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

Základy televízie 3

Obr. 1.1 Priemerná svetelná účinnosť (citlivosť oka)

Ako je vidieť z obr. 1.1, najväčšia citlivosť oka je pri vlnovej dĺžke 555 nm (žltozelená). Začiatky infračerveného a ultrafialového žiarenia sa oku javia ako tmavé. Z tohto dôvodu sa citlivosť oka považuje za psychofyzikálnu veličinu.

1.1.1 FOTOMETRICKÉ VELIČINY

Vlastnosti žiarenia definuje niekoľko energetických veličín, ale iba niektoré z nich majú vzťah k televíznej fotometrii. K základným veličinám televíznej fotometrie patria hlavne tieto: žiarivý (svetelný) tok, žiarivosť (svietivosť), intenzita ožiarenia (ožiarenie, osvetlenie), jas, a pod. [Ševč91, Vít97]. Rozdiel medzi žiarivým a svetelným pomenovaním veličín súvisí s šírkou spektra. Kým žiarivé veličiny definujú parameter v celom spektre, svetelné veličiny iba vo viditeľnej časti spektra.

Svetelný tok – je výkon žiarenia prenášaný žiarením a vnímaný a zhodnotený ľudským okom za 1 sekundu. Jednotkou svetelného toku je 1 lumen [lm]. Ekvivalentom svetelného toku ako rádiometrickej veličiny je žiarivý tok eΦ [W; Ws, s].

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


dtdQv

v =Φ . (1.1)

1 lumen je ekvivalentom 1,464 mW žiarivej elektromagnetickej energie s λ=550nm (f=540THz) a predstavuje svetelný tok vyžarovaný do priestorového uhla 1 steradiánu bodovým zdrojom, ktorého svietivosť sa vo všetkých smeroch rovná 1 cd.

Svietivosť – je svetelný tok vyžarovaný do jednotkového priestorového uhla bodovým zdrojom. Jednotkou svietivosti je 1 candela [cd]. Ekvivalentom svietivosti ako rádiometrickej veličiny je žiarivosť [Wsr-1; W, sr-1] eI

ΩΦ

=ddI v

v . (1.2)

Osvetlenie – je fotometrická veličina charakterizujúca účinky svetla dopadajúce na jednotku plochy. Je to teda podiel svetelného toku a plošného obsahu plochy ožiarenej týmto svetelným tokom. Jednotkou osvetlenia je 1 lux [lx]. Ekvivalentom osvetlenia ako rádiometrickej veličiny je ožiarenie [Wm-2; W, m-2] eE

dSdE v

vΦ

= . (1.3)

Lux je teda osvetlenie plochy, pri ktorom na každý m2 plochy dopadá rovnomerne rozdelený svetelný tok 1 lm.

Jas (merná svietivosť) – je svietivosť zdroja vztiahnutá na jednotkový povrch zdroja. Jednotkou jasu je 1 candela/m2 [cd/m2] alebo 1 nit [nt]. Ekvivalentom jasu ako rádiometrickej veličiny je merná žiarivosť [Wsr-1m-2; Wsr-1, m-2] eL

Θ=

cosdSdIL v

v . (1.4)

Jas je odvodená fotometrická veličina, určená podielom rovnomerne rozdelenej svietivosti zdanlivého povrchu svetelného zdroja a veľkosti tohto povrchu. Zdanlivý povrch svetelného zdroja je veľkosť priemetu skutočného povrchu zdroja do roviny kolmej na smer šírenia.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


1.2 ĽUDSKÉ OKO

K najdôležitejšiemu orgánu, ktorý potrebujeme k vnímaniu svojho okolia, patrí ľudské oko. Zrakový vnem je založený na princípe podráždenia oka, ktoré vyvoláva určité spektrum elektromagnetického vlnenia. Toto podráždenie je vyhodnocované ľudským mozgom ako videnie. Vnímaná informácia o predmete pozostáva z jasovej zložky (luminancie) a farebnej zložky (chrominancie).

Televízna technika využíva nedokonalosti ľudského oka, ktoré súvisia so zrakovým vnemom. Prierez ľudského oka je znázornený na obr. 1.2 [WEB22].

Obr. 1.2 Ľudské oko

Očná buľva je zložená z troch vrstiev. Vrchná vrstva oka sa nazýva očné bielko (sclera), ktoré vpredu prechádza do priehľadnej rohovky (cornea). Strednú vrstvu tvorí tzv. cievnatka, ktorá zásobuje oko krvou a vpredu prechádza do ciliálneho svalu, ktorého úlohou je meniť tvar šošovky tak, aby vnímaný obraz bol presne zaostrený na sietnicu. Ciliálny sval taktiež prechádza na vnútornej strane šošovky do dúhovky, ktorá podľa intenzity dopadajúceho svetla mení priemer dúhovky a slúži ako clona. Vnímané svetlo prechádza v osi oka cez rohovku a šošovku do oka. Priestory pred a za šošovkou sú vyplnené priehľadnou komorovou tekutinou (sklovcom). Tretiu vrstvu tvorí sietnica (retina), ktorá je tvorená bunkami citlivými na svetlo. Na sietnici sa nachádzajú dva druhy

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


týchto buniek. Bunky, ktoré sú citlivé na jasovú zložku, sa nazývajú tyčinky a bunky citlivé na farebnú zložku sa nazývajú čapíky. Tieto čapíky sa nachádzajú asi 6° od osi oka a ďalej sa delia podľa toho, na ktorú časť farebného spektra sú citlivé. Delíme ich na R (Red), G (Green) a B (Blue) a to podľa toho, či sú citlivé na červené, zelené alebo modré svetlo. Tyčinky sú najhustejšie rozmiestnené medzi 10° - 20° od ústrednej jamky a takmer úplne chýbajú v jej okolí. Vzruchy, ktoré tyčinky alebo čapíky zaregistrujú, sú vedené nervovými vláknami do centra videnia v mozgu. V mieste výstupu očného nervu z oka sa nenechádzajú žiadne svetlocitlivé bunky.

1.2.1 VLASTNOSTI ĽUDSKÉHO OKA

1.2.1.1 SKOTOPICKÉ A FOTOPICKÉ VIDENIE

V oku je značný nepomer medzi počtom tyčiniek a čapíkov. Tyčiniek je asi 120 miliónov a čapíkov len asi 6 miliónov. Tak ako je nepomer medzi ich počtom, je nepomer aj medzi ich citlivosťou, t.j. tyčinky sú asi 200 tisíckrát citlivejšie než čapíky. Táto výhoda tyčiniek umožňuje vidieť aj za šera (tzv. skotopické videnie). Čapíky reagujú pri dennom svetle (tzv. fotoskopické videnie). Naviac tyčinky ďaleko rýchlejšie reagujú na zmeny svetla ako čapíky. V oku na sietnici sa nachádza aj tzv. slepá škvrna, kde sa nenachádza ani jeden druh zo spomínaných buniek, avšak zrakový vnem to dokáže doplniť. Do mozgu prichádzajú signály z oboch očí súčasne a keďže každé oko vidí predmet z iného uhla, vytvára sa v mozgu tretí rozmer predmetu, čím vidíme plasticky. Zrak nepracuje staticky, to znamená, že oči sa stále pohybujú a zrakový vnem vzniká s oneskorením [Vít97].

1.2.1.2 JASOVÉ PRISPÔSOBENIE OKA

Ľudské oko je schopné rozlišovať jas vo veľmi veľkom rozmedzí, t.j. od 0,0001 až 10 000cd/m2, ale nie súčasne. Oko sa prispôsobuje na strednú geometrickú hodnotu vnímaného jasu, okolo ktorej oko rozlišuje čiernu a maximálnu bielu. Rozdiel jasov sa definuje ako kontrast a ako je vidieť na obr. 1.3, pri menších stredných jasoch je menší aj kontrast [McIl60, Vít97].

Rovnaký rozdiel zrakových vnemov zodpovedá rovnakému pomeru jasu. V televízii sa využíva táto vlastnosť oka tak, že sa prenáša obraz s rovnakým pomerom jasu bez

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


rozlišovania absolútneho jasu. Naviac, oko rýchlejšie reaguje na zvyšovanie ako na znižovanie stredného jasu.

Pozorovaný kontrast závisí od množstva okolitého svetla, to znamená, že ak pozorujeme televízny obraz za úpnej tmy, je maximálny pozorovaný jas absolútny. Avšak ak vnímame ten istý jas pri osvetlenom okolí bez jeho priameho dopadu svetla na tienidlo obrazovky, zdá sa maximálny jas menší. Pri takomto vnímaní je oko menej namáhané, pretože sa nemusí až v takej miere prispôsobovať strednému jasu, aj keď je kontrast menší. Preto by sa mala televízia sledovať pri takom nepriamom osvetlení okolia, pri ktorom sa jeho jas približne rovná strednej hodnote jasu na obrazovke.

Pri nízkych úrovniach osvetleniach sa oko môže súčasne prispôsobiť v rozsahu 10:1. V interiéroch napr. pri sledovaní televízie môže byť tento pomer 100:1 a pre exteriéry až 1000:1.

Obr. 1.3 Vnímané jasové rozdiely pri skutočnom jase

1.2.1.3 FAREBNÉ PRISPÔSOBENIE OKA

Podobne sa oko prispôsobuje aj pri vnímaní chromaticity predmetov. Ich farebnosť závisí od zloženia a energetického spektra dopadajúceho svetla na čapíky očnej sietnice. Pre rôzny obsah týchto spektrálnych zložiek si oko vytvára vnímanú farbu podľa zvyku,

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


pokiaľ nie sú rozdiely spektra veľké. To znamená, že farebný odtieň predmetu vnímame v závislosti od druhu osvetlenia. Ako príklad môže poslúžiť rôzne vnímanie bieleho papiera pri dennom svetle a pri osvetlení žiarovkou. Naviac je vnem farby ovplyvňovaný aj jasom dvoch susedných farebných plôch [McIl60].

1.2.1.4 OSTROSŤ VIDENIA

Ostrosť videnia je definovaná ako minimálny zorný uhol, pod ktorým je ešte možné rozlíšiť dva body s rôznym kontrastom. Priemerná ostrosť videnia je do jednej uhlovej minúty a vzťahuje sa prevažne na vnem farby. Pre čiernobiele vnímanie je ostrosť minimálna, respektíve, pri stmievaní sa zorný uhol zväčšuje. Pri sledovaní televízie nie je vhodný malý, ale ani veľký pozorovací uhol [Vít97]. Optimálna vzdialenosť je 4-6 násobok výšky obrazu.

1.2.1.5 ZOTRVAČNOSŤ VIDENIA

Aby oko vnímalo dynamický obraz ako plynulý, musí byť rýchlosť projekcie minimálne 20 obrázkov za sekundu. Vyplýva to z ďalšej typickej vlastnosti oka, akou je zotrvačnosť videnia. Aby sa v čo najväčšej miere zmenšil doprovodný efekt blikania pri tomto zdanlivom pohybe, je nutné zvýšiť ich počet až na 80 obrázkov za sekundu [McIl60, Vít97]. V televízii sa používa 25 (SECAM, PAL) resp. 30 (NTSC) snímok za sekundu. Zobrazovanie scény na tienidle obrazovky sa uskutočňuje elektrónmi dopadajúcimi na luminofór obrazovky a zasvitnuté body potrebujú určitý čas na dosvit. Toto spôsobuje väščie blikanie obrazu pri televízii v porovnaní s filmom. Z tohto dôvodu boli v televízii zavedené polsnímky, a to 50 pre sústavy SECAM a PAL, resp. 60 pre sústavu NTSC, čím sa blikanie zmenšilo. Stupeň blikania so zvyšujúcim sa priemerným jasom, zorným uhlom, úrovňou jasu a plochou obrazovky narastá.

1.2.1.6 FAREBNÁ METAMÉRIA

Prenos a reprodukcia farebného obrazu v televízii sú založené na metamernom vneme oka. Akékoľvek farebné svetlo je možné zložiť z rôznych farieb s presne určeným jasom. Podobne aj farebná metaméria využíva tento princíp, t.j. nahradenín originálneho spektra svetla vhodným počtom a pomerom základných farieb. Vyvolaný vnem je potom pri

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


rovnakých pozorovacích podmienkach na prijímacej strane zhodný s pôvodným svetlom na vysielacej strane, aj keď s iným spektrálnym zložením [Vít97].

1.2.1.7 FAREBNÁ ROZLIŠOVACIA SCHOPNOSŤ

Táto vlastnosť oka sa vzťahuje na ostrosť vnímania farebných kontrastov (pomer sýtostí farieb) dvoch farebných bodov a v porovnaní s kontrastom ich jasov je menšia. Ak sa pozeráme na predmet, ktorý pozostáva z malých farebných detailov z veľkej diaľky, tieto detaily sa nám budú javiť ako šedé. Treba pripomenúť, že farebné rozlíšenie nie je rovnaké pre všetky farby. Väčšie je napríklad pri detailoch s modrou alebo oranžovou farbou, než so zelenou alebo purpurovou farbou [Vít97].

1.3 KOLORIMETRIA

Trojboký hranol rozkladá biele svetlo na základné spektrálne farby. Pri ich delení s menším krokom vlnovej dĺžky dostávame farby sýte, t.j. so 100% sýtosťou. Spektrálne farby sú definované svojou vlnovou dĺžkou, ktorá je vo svojom okolí dominantná. Rozdielny vnem farebnosti sa nazýva tón farby. Okrem týchto sýtych farieb je možné získať pomocou miešania farieb aj dalšie sýte farby, ktoré sa v spektre nevyskytujú. Vtedy hovoríme o farbách purpurových. Miešaním sýtych farieb s bielym svetlom sa získavajú farby menej sýte, ktoré nazývame pastelové.

a) b)

Obr. 1.4 Jas, tón a sýtosť farieb

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


Pri definovaní farebného svetla teda udávame tón (t.j. dominantnú vlnovú dĺžku) a sýtosť (t.j. stupeň zriedenia s bielym svetlom). Biela, všetky stupne šedej a čierna farba majú nulovú sýtosť a preto im hovoríme nepestré farby (obr. 1.4) [Vít97].

Tretím parametrom, ktorý definuje farbu je jej jas, ktorý vychádza z energetického obsahu farebného svetla vyhodnoteného citlivosťou oka. Pri nepestrých farbách sa zmena jasu prejavuje prechodom stupňami od čiernej cez stupne šedej k bielej farbe. Všetky veličiny definujúce farbu sa dajú odhadnúť aj zo spektrálneho rozloženia jej farieb, tak ako to je vidieť aj na obr. 1.4. Treba ešte pripomenúť, že rôznofarebné plochy s rovnakým činiteľom odrazu izoenergetického svetla nevníma zrak ako plochy s rovnakým jasom. Ich intenzita je závislá od vnemu podľa obr. 1.1, t.j modrá plocha sa zdá najtmavšia a zelenožltá najsvetlejšia. Pri prenose televízneho signálu sa prenáša spoločný jas, ale jasové príspevky od jednotlivých farieb sa musia upravovať podľa citlivosti oka.

1.3.1 MIEŠANIE FARIEB

Pojem farba predstavuje silne subjektívny ľudský vnem a opísanie reakcií mozgu na vizuálne stimuly je veľmi ťažké. Nemecký profesor H. Grassmann viedol v tejto oblasti rozsiahly výskum a dospel k základným princípom a zákonom hlavne z oblasti miešania farieb. Stanovil 3 základné zákony miešania farieb a štvrtý ako domnienku, ktoré boli neskôr po ňom pomenované.

1.3.1.1 GRASSMANOVE ZÁKONY

Ľubovoľnú farbu je možné vyjadriť ako lineárnu kombináciu troch rôznych základných farieb (Color Primaries, napr. RGB, CMY), pričom ani jedna z týchto troch farieb nesmie byť lineárnou kombináciou ostatných farieb. Toto je základ kolorimetrie a nazýva sa 1. Grassmanov zákon miešania farieb (1.5). To znamená, že napr. v prípade základných farieb RGB môže byť farba C namiešaná pomocou jednotiek červenej, jednotiek zelenej a jednotiek modrej farby [McIl60, Ford98].

cR cG

cB

( ) ( ) ( )BBGGRRC ccc ++= . (1.5)

2. Grassmanov zákon hovorí o miešaní dvoch farieb C1 a C2. Farebné zložky výslednej farby sa získajú súčtom odpovedajúcich farebných zložiek jednotlivých farieb.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


)](21[)](21[)](21[)2(2)1(1)3(3

BBBGGGRRRCCCCCC

+++++==+=

. (1.6)

3. Grassmanov zákon hovorí o tom, že pri zmiešaní dvoch farieb s rovnakým jasom sa vytvorí tretia s rovnakým jasom

)2(2)1(1)3(3 CkCCkCCkC += . (1.7)

1.3.1.2 SUBTRAKTÍVNE (ROZDIELOVÉ) MIEŠANIE FARIEB

Ak samotný predmet nesvieti, tak je pre jeho farbu rozhodujúce odrazené svetlo. Pritom môže byť časť svetla dopadajúceho na predmet pohltená a časť odrazená. Ak je napríklad farebný povrch osvetlený bielym svetlom, tak niektoré frekvencie svetla spôsobia rezonančné kmity elektrónov v atómoch na povrchu. Je to podobné, ako rezonančné rozozvučanie ladičky dopadajúcim zvukom. Elektróny konkrétnych atómov majú často úzky rozsah frekvencií kmitania. Svetelné zložky z tohoto rozsahu frekvencií sú takto najskôr pohltené, no vzápätí sú vyžiarené, čo sa navonok prejaví ako odraz týchto zložiek svetla. Ostatné frekvencie sa po pohltení premenia na teplo a zvýšenú vnútornú energiu predmetu a už sa nevyžiaria vo viditeľnej oblasti svetla. Toto je princípom rozdielového (subtraktívneho) miešania farieb. Od bieleho svetla sa odčítavajú jeho pohltené farebné zložky a výslednú farbu tvoria zvyšné zložky (obr. 1.5a). Môžeme si to tiež predstaviť ako filtráciu bieleho svetla farebnými filtrami, ktoré prepustia iba časť spektra. Ak sa zmieša farba žltá s modrou, vznikne farba zelená. Pri zmiešaní alebo filtrácii bieleho svetla žltým, modrým a zeleným filtrom súčasne, sa všetko svetlo pohltí a na výstupe bude nulový jas (čierna farba).

Rozdielové miešanie farieb v sústave CMY pozostáva z týchto základných farieb:

modrozelená C-CYAN,

purpurová M-MAGENTA,

žltá Y-YELLOW.

Tento druh miešania farieb sa najčastejšie používa pri tlači, kde sa pomocou 3 farieb získava aj čierna.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


1.3.1.3 ADITÍVNE (SÚČTOVÉ) MIEŠANIE FARIEB

Ak svietime reflektormi základných farieb na biele plátno, dochádza k takzvanému aditívnemu skladaniu farieb a vzniká biela farba (obr. 1.5b). Tak isto sa vytvára aj vnem farby v našom oku. Pri rovnakej stimulácii všetkých troch typov čapíkov vzniká biela farba, pri iných kombináciách stimulácie vznikajú iné farby. Rovnaký princíp sa využíva napríklad aj pri farebných televízoroch či monitoroch, kde jednotlivé „body“ obrazovky tvorí vlastne trojica bodov svietiacich červeno, zeleno a modro.

Súčtové miešanie farieb v sústave RGB pozostáva z týchto základných farieb:

červená R-RED,

zelená G-GREEN,

modrá B-BLUE.

Tento druh miešania farieb sa používa hlavne v zobrazovacích systémoch.

a) b)

Obr. 1.5 Miešanie farieb, a) rozdielové, b) súčtové

Dá sa ukázať, že biele svetlo nevzniká len kombináciou základných farieb, ale aj iných, takzvaných doplnkových farieb (obr. 1.6) [Vít97]. Doplnkové farby sa tvoria zmiešaním dvoch základných farieb a výsledná farba spolu s treťou primárnou farbou tvoria bielu farbu. To nie je nič prekvapujúce, lebo súčasné pôsobenie červenej a zelenej farby vyhodnocuje mozog ako žltú farbu. Keďže žltá farba stimuluje červené a zelené čapíky, tieto spolu s modrou farbou stimulujúcou modré, a spolu vytvoria vnem bielej.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


Obr. 1.6 Doplnkové farby

1.3.2 TELESO FARIEB

Vnem farby patrí bez rozporu k rýdzo psychologickým čiže individuálnym vlastnostiam zraku. Všetky farby môžu byť znázornené trojrozmerným spôsobom, ktorý ich jednoznačne určuje. Tento spôsob určovania farby slúži k určovaniu istých farieb, a pomocou neho je možné pri aditívnom miešaní farieb predvídať jeho výsledok. Je dôležitým princípom pri návrhu televíznej sústavy pri vytváraní správnych farebných obrazov. Jeho základom je trojfarebná podstata videnia a tiež aj v Grassmanových zákonoch miešania farieb, pretože lineárna povaha farebného videnia dovoľuje určovať výslednú farbu súčtom vektorov jednotlivých farieb.

Vo vektorovom vyjadrení farieb sa jednotkové vektory farieb označujú písmenami (R), (G), (B) a nemusia byť na seba kolmé. Farba je potom definovaná množstvom jednotlivých jednotkových vektorov primárnych farieb, pričom jej zmena je výsledkom zmeny množstva jednej alebo viacerých primárnych farieb. Teleso farieb znázorňuje farby troma zvolenými smermi osí, ktoré sú zvolené ľubovoľne, ale vzájomne zvierajú rovnaké uhly. Jednotkové vektory zodpovedajú spektrálnym farbám (R)-700nm, (G)-546,1nm a (B)-435,8nm. Tieto jednotkové vektory boli zvolené tak, aby pre kolorimetrické vyrovnanie porovnávacieho bieleho svetla boli potrebné rovnaké veľkosti všetkých vektorov pre

KEMT

Zvýraznenie


všetky úrovne jasu. Z toho vyplýva, že biele svetlo má v každej časti spektra energiu rovnakú a vektory šedej farby sú rovnako vzdialené od vektorov primárnych farieb.

V jednotkovej rovine modelu telesa farieb je možné zakresliť krivky čisto spektrálnych farieb, k čomu je však potrebné kolorimetricky vyrovnať zvolené spektrálne farby s príslušnou kombináciou troch primárnych farieb. Toto je nutné uskutočňovať s veľkou presnosťou a musí to byť vztiahnuté na priemerného pozorovateľa podľa definície CIE (Commision Internationale de L'Eclairage). Závislosti trichromatických jednotiek pre jednotkovú žiarivosť každej spektrálnej farby sú zobrazené na obr. 1.7 a ich hodnoty sú vztiahnuté na izoenergetické biele svetlo [McIl60, Ševč91, Vít97].

Obr. 1.7 Trichromatické jednotky pre izoenergetické spektrum pre skutočné farby RGB

Ako je vidieť na obr. 1.7, sú niektoré hodnoty záporné, čo znamená, že v telese farieb sa musí merať v zápornom smere a to rovnobežne k príslušnej osi.

1.3.3 NESKUTOČNÉ PRIMÁRNE FARBY

Keďže pomocou primárnych farieb RGB (skutočné primárne farby) nie je možné namiešať niektoré farby ich jednoduchým sčítaním (červená zložka nadobúda aj záporné hodnoty), je nutné ich transformovať na iné primárne farby s rýdzo kladnými hodnotami.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


Takúto novú sústavu nazývame CIE XYZ (neskutočné primárne farby). Je definovaná tak, že všetky viditeľné farby môžu byť určené len koeficientami s kladnými hodnotami a hodnotou jasu, pričom primárne farby X,Y a Z sú samé o sebe neviditeľné. Rovnako ako v sústave skutočných farieb, aj v tejto sústave sú volené také ich množstvá, aby ich zmes vytvárala izoenergetické biele svetlo pri jednotkových násobiteľoch.

Sústava CIE XYZ je definovaná nasledujúcimi vzťahmi

ZYXXx++

= , (1.8)

ZYXYy++

= , (1.9)

pričom zložka z môže byť definovaná tiež, ale je redundantná, pretože . Rovnice (1.8-1.9) predstavujú transformáciu 3-D farebného priestoru do 2-D farebného priestoru a definujú tzv. chromatický diagram znázornený na obr. 1.8a. Je to vlastne priemet jednotkovej roviny XYZ do roviny XY a nazýva sa trojúholník farieb.

1=++ zyx

a) b)

Obr. 1.8 Chromatický diagram v priestore, a) CIE XYZ, b) CIE XYZ s označením farieb

Na obr. 1.8b je zobrazený tento diagram s označením regiónov farieb podľa K. L. Kellyho. Primárne spektrálne farby RGB sa nachádzajú na podkovitej čiare spektrálnych farieb a spojnica modrej a červenej určuje tzv. nespektrálne farby.

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie

KEMT

Zvýraznenie


Pri kolorimetrickom meraní je možné merať iba skutočné farby RGB, ktoré sa transformujú do farebného priestoru XYZ pomocou nasledovnej transformačnej matice

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

BGR

ZYX

5943.50565.00000.00601.05907.40000.11300.17518.17690.2

. (1.10)

Tieto rovnice platia pre všetky farby a podobne ako pre skutočné farby v sústave RGB, aj v sústave neskutočných farieb XYZ je možné určiť normalizované spektrálne trichromatické jednotky x , y , z pre rovnaké výkony všetkých spektrálnych farieb (obr. 1.9). Ich priebehy nemajú záporné hodnoty a krivka y je zhodná s krivkou citlivosti ľudského oka [McIl60, Ševč91, Vít97].

Obr. 1.9 Trichromatické jednotky pre izoenergetické spektrum pre neskutočné farby XYZ

1.3.4 SÝTOSŤ A FAREBNÝ TÓN FARIEB

Pri určovaní sýtosti farieb v chrominančnom diagrame je treba rozlišovať farbu sýtu (100%), súradnicovú sýtosť (sýta farba zriedená bielym svetlom) a kolorimetrickú sýtosť (skutočný vnem sýtosti farby). Súradnicová sýtosť, ako už bolo spomenuté, je definovaná stupňom zriedenia sýtej farby bielym svetlom a v chrominančnom diagrame to zodpovedá


pomeru vzdialeností sýtej farby nachádzajúcej sa na čiare spektrálnych farieb a zriedenej farby od izoenergetického svetla W. Keďže sa jedná o dve farby s rovnakým tónom (dominantná vlnová dĺžka), menej sýta farba sa preto nachádza na priamke tvorenej sýtou farbou a svetlom W. Z toho vyplýva, že všetky priamky vedené z čiary spektrálnych farieb do izoenergetického svetla W tvoria sústavu čiar rovnakých farebných tónov. Krivky rovnakej súradnicovej sýtosti a čiary rovnakých farebných tónov sú zobrazené na obr.1.10.

Obr. 1.10 Sýtosť, farebný tón, normalizované svetlá a oblasť dosiahnuteľných farieb v chromatickom

diagrame CIE XYZ

Kolorimetrická sýtosť vyjadruje skutočný vnem premenlivej sýtosti a určuje sa ako pomer zložiek y menej sýtej farby k farbe sýtej a tento podiel sa vynásobí súradnicovou sýtosťou. Pri vnímaní farebného tónu je treba podoknúť, že vnímanie zmeny farebného tónu nie je v priestore CIE XYZ rovnaké pre všetky farby. Najmenej vnímateľný rozdiel je v oblasti zelenej farby a najväčší v oblasti modrej. Úlohou farebného priestoru je preto zabezpečiť rovnaké vnímanie zmeny farby nezávisle od miesta v chrominančnom


diagrame, čím by sa stali euklidovskými. Bolo navrhnutých množstvo farebných priestorov, ktoré sa približujú k euklidovskému priestoru alebo sa za také považujú. Jedným z používaných je napríklad transformácia z CIE XYZ do CIE YUV. Nielen táto sústava, ale aj iné budú popísané v nasledujúcich kapitolách.

1.3.5 ZÁKLADNÉ FARBY FAREBNEJ TELEVÍZIE

Tri základné spektrálne farby RGB s vlnovými dĺžkami uvádzanými v kapitole o telese farieb, nie je možné použiť pri zobrazovaní farebnou obrazovkou, pretože je problematické vyrobiť luminofóry s pomerne rovnakou účinnosťou. Aby bol tento problém technologicky dobre zvládnuteľný a s čo najväčším obsiahnutím tónov farieb a ich sýtostí, boli spektrálne farby (hlavne kvôli technologickým obmedzeniam pri výrobe tienidiel farebnej obrazovky) RGB nahradené novými, označovanými ReGeBe. Spolu s ich súradnicami sú zobrazené na obr. 1.10 a trojuholník, ktorý tvoria, určuje oblasť reálne reprodukovateľných farieb farebnou obrazovkou.

1.3.6 NORMALIZOVANÉ SVETLÁ

Okrem izoenergetického svetla W existujú aj iné tzv. normalizované svetlá označované písmenami A, C a D [Vít97]. Sú to zdroje svetla, ktoré sa od seba líšia teplotou. Na obr. 1.10 je zobrazená krivka teplotných zdrojov. Normalizovanému svetlu A prislúcha teplota 2854K, svetlu C 6770K a svetlu D 6500K. Tieto zdroje sa označujú aj napr. D6500 alebo D65. Môžeme si všimnúť krivku spájajúcu normalizované svetlá, ktorá má počiatok v bode Re a so zvyšujúcou teplotou smeruje do oblasti Be. Je známe, že napr. plameň ohňa má farbu červenú a so zvyšujúcou sa teplotou sa mení jeho farba do modra.

Základné farby farebnej televízie ReGeBe sa musia vyrovnávať na normalizované svetlo C, ktoré však nie je izoenergetické. Jeho súradnice v sústave CIE XYZ sú určené na

316.0,310.0 == CC yx .

Pre určenie neskutočných farieb XYZ pomocou ReGeBe platí táto transformačná matica

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

e

e

e

BGR

ZYX

1120.10662.00000.01140.05870.02990.02000.01740.06080.0

, (1.11)


a pre biele svetlo C pri jednotkových hodnotách násobiteľoch ReGeBe je hodnota jasu rovná jednej

1114.0587.0299.0 =++=Y . (1.12)

Z tejto rovnice je vidieť, že pomer základných televíznych farieb ReGeBe na celkovom jase je v pomere 30% k 59% k 11% a tento pomer je dôležitý pri prenose signálu FTV (Farebná TeleVízia) pre vytvorenie spoločného jasového signálu.

1.4 FAREBNÉ PRIESTORY

Pri vytváraní farebného priestoru je nutné nájsť vhodný spôsob opisu farieb, ktorý by ich jednoznačne definoval a slúžil by k výmene informácií o farbe medzi ľuďmi, alebo strojmi. CIE definovala systém výpočtu troch zložiek, ktoré určujú matematické súradnice farebného bodu. Každý systém (sústava) definujúci farby musí byť úzko spojený s normou CIE. Všetky normy farebných priestorov sú založené na norme CIE XYZ. Číselné vyjadrenie farebného odtieňa a sýtosti bolo tiež štandardizované pomocou CIE, ale nie je vhodné na určenie farby [Ford98, Poyn97a-b, Manj02, Keit05].

Lineárny trojvnem

(x,y) Chromaticita

Rovnomerný vnem

Tek HVC

Systémy kódovania obrazu

Lineárny RGB

Nelineárny R’G‘B‘

Nelineárny Y‘CBCR

3•3

3•3

CIE L*a*b

CIE L*u*v CIE xyY

CIE XYZ CIE L*huvcuv

CIE L*habcab

HLS, HSB

Založené na farebnom odtieni

Projekčná transformácia

Projekčná transformácia

Nelineárna transformácia

Prenosová funkcia



Polárne

pravoúhle

Transformácia súradníc

Polárne

pravoúhle

Kalibrované polárne

pravoúhle

↓

↓

↓

Obr. 1.11 Farebné priestory

Farebný priestor je systém špecifikácie, vytvárania alebo zobrazovania ľubovoľnej farby. Tak ako oko využíva na rozpoznanie farby tri druhy buniek, aj farba môže byt


definovaná pomocou troch súradníc (Tristimuli), ktoré popisujú jej polohu v použitom farebnom priestore. Farebné priestory je možné rozdeliť takto [Poyn97b]:

1. Primárne lineárne a nelineárne farebné priestory

CIE XYZ, CIE YUV, CIE YU’V’, CIE L*u*v*, CIE L*a*b*.

2. Farebné priestory počítačovej grafiky a farebnej tlače

RGB pre počítače, CMY, CMY(K).

3. Farebné priestory definované farebným odtieňom

HSL (Hue Saturation Lightness), HSV (Hue Saturation Value), HSI (Hue

Saturation Intensity), HSB (Hue Saturation Brightness), HCI (Hue Chroma

Intensity), CIE L*huv*cuv*, CIE L*hab*cab, Tek HVC .

4. Farebné priestory televízie a pridružené nelineárne priestory

RGB, európsky Y’U’V‘, americký Y’I’Q’, Y’Cb Cr, Y’Cb Cr pre HDTV, Y’Pb Pr,

Kodak Photo YCC.

1.4.1 PRIMÁRNE LINEÁRNE A NELINEÁRNE FAREBNÉ PRIESTORY

1.4.1.1 FAREBNÝ PRIESTOR CIE XYZ (1931)

CIE XYZ (1931) je základnou sústavou kolorimetrie a bola popísaná v predchádzajúcej kapitole. K už spomenutým transformačným vzťahom treba podotknúť, že chromatický diagram je silne nelineárny, vektor hodnôt reprezentujúci rozdiel dvoch farieb nie je jednotkový a jeho predstava je tiež abstraktná. Každá farba je v tomto systéme definovaná ako Yxy [McIl60, Poyn97a-b, Ford98, Vít97, Keit05].

1.4.1.2 FAREBNÝ PRIESTOR CIE YUV (1960)

Je to lineárna transformácia Yxy, ktorá má zabezpečiť taký chromatický diagram, v ktorom vektor jednotkovej veľkosti (rozdiel dvoch bodov reprezentujúcich dve farby) je rovnaký pre všetky farby (1.13-1.14). Pri konverzii XYZ do Yxy zostáva Y nezmenená.


Rozdiel nerovnomerností vnemu farby je značne redukovaný, ale nie dostatočne [Poyn97a-b, Ford98, Keit05]. Podobne aj tretia súradnica je opäť redundantná a na obr. 1.12a je zobrazený jeho chromatický diagram

)5.16(2+−

=xyxu , (1.13)

)5.16(3+−

=xyyv . (1.14)

1.4.1.3 FAREBNÝ PRIESTOR CIE YU’V’ (1976)

Táto sústava predstavuje ďalšiu lineárnu transformáciu priestoru Yxy. Rozdiely nerovností vnemu farby sú síce menšie než pri sústave CIE YUV, avšak stále nepostačujúce. Aj v CIE YU’V’ zostáva Y nezmenené a taktiež aj tretia súradnica je redundantná [Poyn97a-b, Ford98, Keit05]. Transformačné vzťahy sú tieto

)5.16(2'+−

==xyxuu , (1.15)

)5.16(5.45.1'+−

==xy

yvv . (1.16)

a) b)

Obr. 1.12 Chromatické diagramy pre priestory, a) CIE YUV, b) CIE YU’V’


Na obr. 1.12b je zobrazený chromatický diagram farebného priestoru CIE YU’V’.

1.4.1.4 FAREBNÉ PRIESTORY CIE L*U*V* A CIE L*HUVCUV

Táto sústava je založená na CIE Yu’v‘ (1976) a je ďalším pokusom linearizovať vnem jednotkového vektora farebných rozdielov. Je nelineárnym farebným priestorom, ale konverzie sú vratné. Farebná informácia je v sústave sústredená okolo bielej farby, označeného indexom n. Väčšina televíznych systémov používa biely bod označovaný D65 zobrazený na obr.1.10. Nelineárny vzťah Y* je použitý na priblíženie sa k logaritmickej odozve oka a pri transformácii z primárneho farebného priestoru RGB do priestoru CIE CIE L*u*v* je nutné najprv vykonať transformáciu do XYZ nasledovne

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

BGR

ZYX

950.0119.0019.0072.0715.0213.0180.0358.0412.0

. (1.17)

Ďalej sa vypočítajú pomocné premenné u ′ a v′ , podľa vzťahov (1.18)

ZYXYv

ZYXXu

3159,

3154

++=′

++=′ . (1.18)

V ďalšom kroku sa pomocou predchádzajúcich vzťahov a hodnôt a pre referenčnú bielu farbu získajú vzťahy definujúce priestor CIE L*u*v*

nu′ nv′

nnn ZYX ,,

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧>−⋅

=∗

inak3.903

008856.0/ak16116 3

n

nn

YY

YYYY

L , (1.19)

( )nuuLu ′−′= ∗∗ 13 , (1.20)

( )nvvLv ′−′= ∗∗ 13 . (1.21)

Priestor CIE L*u*v* sa používa na zistenie tzv. prahu farebného rozdielu (Just Noticeable Difference), čo je minimálna hodnota farebného rozdielu ktorú je schopné ľudské oko zaregistrovať [Ford98]. Pre priemerného pozorovateľa je stanovený na

a vypočíta sa nasledovne 9.2≅∆ ∗uvE


( ) ( ) ( )222 ∗∗∗∗ ∆+∆+∆=∆ vuLEuv . (1.22)

L* sa pohybuje v rozmedzí od 0 do 100 pre relatívny jas , ktorý je v rozsahu . Vnem ľudského oka je v porovnaní s karteziánskymi súradnicami lepšie vystihnutý

použitím polárnych súradníc (1.23-1.25)

nYY /10 ÷

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ += ∗∗ 22

vucuv , (1.23)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∗

∗

uvhuv arctan , (1.24)

∗=Lcs uv

uv , (1.25)

kde cuv je farebnosť (Műnsellova sýtosť), huv farebný odtieň a suv psychometrické nasýtenie. Takýto farebný priestor sa potom označuje ako CIE L*huvcuv.

1.4.1.5 FAREBNÉ PRIESTORY CIE L*A*B* A CIE L*HABCAB

Táto sústava je priamo založená na CIE XYZ (1931) a rovnako ako L*u*v* sa pokúša linearizovať vnem jednotkového vektora farebných rozdielov. Znovu je to predstaviteľ nelineárneho priestoru a konverzie sú stále vratné. Aj tu je farebná informácia vztiahnutá k bielemu bodu sústavy. Nelineárne vzťahy pre L*, a* a b* (1.26-1.29) sú podobné ako pre sústavu CIE L*u*v* a sú určené pre napodobnenie logaritmickej odozvy oka. Chromatický diagram sústavy je zobrazený na obr. 1.13 [Ford98].

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

≤

>−⋅=∗

008856.0/ak3.903

008856.0/ak16116 3

nn

nn

YYYY

YYYY

L , (1.26)

( ) ( )( )nn YYfXXfa //500 −=∗ , (1.27)

( ) ( )( )nn ZZfYYfb //200 −=∗ , (1.28)


⎪⎩

⎪⎨⎧

≤+⋅>=

008856.0ak116/16787.7008856.0ak)(

3

tttttf . (1.29)

Aj pri tomto farebnom priestore sa L* pohybuje v rozmedzí 10 ÷ . Naviac pri jeho vyjadrením v polárnych súradniciach nasledujúcimi vzťahmi

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ += ∗∗ 22

bacab , (1.30)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

∗

∗

abhab arctan , (1.31)

sa získa farebný priestor označovaný ako CIE L*habcab.

L=100 Biela

ČiernaL=0

- b Modrá

+ b Žltá

- a Zelená

+ a Červená

Obr. 1.13 Farebný priestor CIE L*a*b

1.4.2 FAREBNÉ PRIESTORY TELEVÍZIE A PRIDRUŽENÉ NELINEÁRNE PRIESTORY

Všetky televízne štandardy používajú nelineárne signály prispôsobené nelineárnej prenosovej charakteristike CRT (Cathode Ray Tube) obrazovkám. Klasická televízna


obrazovka má nelineárnu funkciu prevodu napätia na svetlo definovanú výkonovou funkciou, označovanou gamma. Jej teoretická hodnota je 2.5, ale napríklad pre NTSC (National Television System Committee) prenosovú sústavu má hodnotu 2.2, pre PAL (Phase Alternating Line) televíznu sústavu 2.8 a pre reálne obrazovky má hodnotu približne 2.35. Signál, ktorý bol korigovaný hodnotou gamma, nadobúda nové primárne zložky Y’, R’, G’ a B’ [Ford98]. Nevykonaním gamma korekcie budú signály lineárne, čo nie je pravda, pretože signál Y’ nesúvisí priamo so signálom CIE Y.

1.4.2.1 EURÓPSKY FAREBNÝ PRIESTOR Y’U’V’ (EBU)

Európske televízne sústavy PAL a SECAM (Sequential Couleur Avec Mémoire) používajú zložky Y’U’V’, kde Y’ predstavuje vnímaný jas, zložky U’, V’ sú bipolárne a predstavujú informáciu o farbe [Vít97, Ford98]. Treba však podotknúť, že symboly U a V nemožno spájať s U a V farebného priestoru CIE YUV (1960). EBU (European Broadcasting Union) definovalo šírku pásma Y’ na 5 MHz a U’, V’ na 2.5 MHz. Ako už bolo spomenuté, v týchto sústavách sa používa gamma rovná 2.8 a súradnice bieleho bodu sú definované pomocou D65. Súradnice R, G a B farieb sú tieto

329016.0312713.0:060.0150.0:600.0290.0:330.0640.0:

========

nn

BB

GG

RR

yxWyxByxGyxR

. (1.32)

Transformačná matica pre transformáciu nelineárnych signálov z má tvar

VUYBGR ′′′→′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

BGR

VUY

100.0-515.0-615.0436.0289.0-147.0-114.0587.0299.0

, (1.33)

a pre inverzný prevod BGRVUY ′′′→′′′ má matica nasledovný tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

VUY

BGR

0029.21581.0-396.0-1

140.101. (1.34)


1.4.2.2 AMERICKÝ FAREBNÝ PRIESTOR Y’I’Q’

Americká televízna sústava NTSC používa zložky Y’I’Q’. Aj v tejto sústave Y’ zodpovedá vnímanému jasu, zložky I’ a Q’ nesú informáciu o farbe a získavajú sa otáčaním vektora U’V‘ o 33 stupňov. Signál Y’ má pri 525 riadkoch šírku pásma 4.2 MHz. Signály I’ a Q’ prvých NTSC noriem používali rôzne šírky pásma (0.5 a 1.5MHz), ale súčasné systémy NTSC majú jednotnú šírku pásma (1 MHz), ktoré sa používa aj v systémoch so 625 riadkami (NTSC625) [Poyn97b]. Gamma je rovná hodnote 2.2 s bielym normalizovaným svetlom C. Súradnice R, G a B farieb sú tieto

316158.0310063.0:080.0140.0:710.0210.0:330.0670.0:

========

nn

BB

GG

RR

yxWyxByxGyxR

. (1.35)

Transformačná matica pre transformáciu nelineárnych signálov z QIYBGR ′′′→′′′ má tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

BGR

QIY

0.3110.523-0.2120.322-0.274-0.5960.1140.5870.299

, (1.36)

a pre inverzný prevod BGRQIY ′′′→′′′ má matica nasledovný tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

QIY

BGR

702.1105.1-1647.0-272.0-1621.0956.01

. (1.37)

1.4.2.3 FAREBNÝ PRIESTOR SMPTE-C RGB

SMPTE-C je súčasný farebný štandard používaný pri televíznom vysielaní na americkom kontinente [Ford98]. Starší štandard NTSC sa už nepoužíva v takej miere ako kedysi, pretože jeho parametre sa v podstatnej miere nelíšili od EBU. SMPTE-C je v podstate upravená sústava NTSC. Gamma je rovná hodnote 2.2 a biely bod je definovaný pomocou D65. Súradnice R, G a B farieb sú tieto


329016.0312713.0:070.0155.0:595.0310.0:340.0630.0:

========

nn

BB

GG

RR

yxWyxByxGyxR

. (1.38)

Transformačná matica pre transformáciu nelineárnych signálov z RGBCSMPTEBGR −→′′′ má rovnaký tvar ako pri transformácii QIYBGR ′′′→′′′ (1.36).

Podobne aj inverzná transformácia BGRRGBCSMPTE ′′′→− je identická s inverznou transformáciou BGRQIY ′′′→′′′ (1.33).

1.4.2.4 FAREBNÝ PRIESTOR Y’CBCR (ITU.BT-601)

Táto sústava je predstaviteľom medzinárodného štandardu pre digitálne kódovanie televíznych snímok s 525 a 625 riadkami [Ford98, Keit05]. Nezávisí na použitom štandarde snímania a primárnych parametroch, preto nemá definované ani súradnice farieb RGB ani CIE XYZ a nezaoberá sa ani súradnicami bieleho bodu, či hodnotou gamma. Zaoberá sa len digitálnym vyjadrením R’G’B’ signálov v tvare Y’CbCr. Jeho transformačná matica je definovaná len pre transformáciu rbCCYBGR ′→′′′ (predchádzajúce farebné priestory bolo možné transformovať medzi sebou)

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

BGR

CCY

r

b

0.081-0.419-0.5000.5000.331-0.169-0.1140.5870.299

, (1.39)

a pre inverzný prevod BGRCCY rb ′′′→′ má matica nasledovný tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

r

b

CCY

BGR

0773.11714.0-344.0-1

403.101. (1.40)

1.4.2.5 FAREBNÝ PRIESTOR HDTV-Y’CBCR (ITU.BT-709)

Táto sústava je definovaná len ako dočasný štandard pre štúdiovú produkciu HDTV. Bola definovaná v roku 1998 CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications) teraz ITU (International Telecommunication Union). Jej primárne zložky R a B boli prevzaté z EBU a zložka G, bola zvolená ako kompromis medzi


sústavami SMPTE-C a EBU [Ford98, Keit05]. Hodnota gammy bola stanovená na hodnotu 2.2 a súradnice bieleho bodu zodpovedajú normalizovanému bielemu bodu D65. Pre súradnice farieb R, G, B a bieleho bodu sú tieto

329016.0312713.0:060.0150.0:600.0300.0:330.0640.0:

========

nn

BB

GG

RR

yxWyxByxGyxR

. (1.41)

Transformačná matica pre transformáciu nelineárnych signálov z

rbCCYHDTVBGR ′→′′′ má tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

BGR

CCY

r

b

0.0459-0.4556-0.50160.50000.3855-0.1145-0.07210.71540.2215

, (1.42)

a pre inverzný prevod BGRCCYHDTV rb ′′′→′ má matica nasledovný tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

r

b

CCY

BGR

08556.114664.0-1870.0-1

5701.101. (1.43)

1.4.2.6 FAREBNÝ PRIESTOR Y’PBPR (SMPTE-240M)

Táto sústava je jednou z vyvíjaných sústav na kódovanie zložiek televíznej sústavy NTSC, v ktorej sa mení len primárna B zložka a poloha bieleho bodu. Gamma bola stanovená na 2.2 a biely bod pomocou D65 [Ford98]. Súradnice primárnych farieb sú definované nasledovne

329016.0312713.0:060.0150.0:710.0210.0:330.0670.0:

========

nn

BB

GG

RR

yxWyxByxGyxR

. (1.44)

Transformačná matica pre transformáciu nelineárnych signálov z rbPPYBGR ′→′′′ má tvar


⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

BGR

CCY

r

b

0.0549-0.4451-0.50000.50000.3838-0.1162-0.08650.70130.2122

, (1.45)

a pre inverzný prevod BGRPPY rb ′′′→′ má matica tvar

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡ ′

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

′′′

r

b

CCY

BGR

08270.115000.02253.0-15756.101

. (1.46)

1.4.2.7 FAREBNÝ PRIESTOR HSV

Farebné priestory HSV (Hue Saturation Value) alebo HSB (Hue Saturation Brightness) sú nelinárnymi transformáciami farebného priestoru RGB [Ford98, Manj02, Keit05]. HSV je farebným priestorom blízkym ľudskému vnímaniu, pretože zachytáva tie charakteristiky farby, ktoré sú bližšie k intuitívnemu popisu farieb človekom a využíva sa pri popise multimediálnych dát deskroptormi MPEG-7. HSV definuje farbu OP tromi zložkami: hue – farebný tón v rozsahu hodnôt od 0° do 360° prípadne v normalizovaných hodnôt od 0-100% alebo od 0-1, saturaion – sýtosť v rozsahu od 0-100% alebo 0-1, value – jas farby od 0-100% alebo 0-1

⟩⟨∈°⟩°⟨∈

1,0,,,,360,0BGRVS

H. (1.47)

Obr. 1.14 Farebný priestor HSV


Na obr. 1.14 je priestorové zobrazenie priestoru HSV vo forme pravidelného 6-bokého ihlanu. V jeho vrchole je počiatok súradnicovej sústavy a reprezentuje čiernu farbu. Podstava je v jednotkovej výške, v jej rohoch sú umiestnené základné farby R, G, B, C, M a Y so 100% sýtosťou a v geometrickom strede biela farba W.

Transformácia farebného obrazu z priestoru RGB do HSV sa realizuje pomocou týchto vzťahov

⎪⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

<∧=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

≥∧=+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=

=

BMAXakMINMAXGR

GMAXakMINMAXRB

BGRMAXakMINMAXBG

BGRMAXakMINMAXBG

MINMAXaknénedefinova

H

,24060

,12060

,36060

,060

,

, (1.48a)

⎪⎩

⎪⎨⎧

−

== inak

MAXMIN

MAXakS ,1

0,0, (1.48b)

MAXV = , (1.48c)

a spätná transformácia do RGB sa vykonáva týmito vzťahmi

( ) ( ) ( )( )SfVtfSVqSVp

HHfHH ii

−−=−=−=

−=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

11,1,160

,6mod60 , (1.49a)

qBpGVRHakVBpGtRHakVBqGpRHaktBVGpRHakpBVGqRHakpBtGVRHak

i

i

i

i

i

i

===→====→====→====→====→====→=

,,5,,4,,3,,2,,1,,0

. (1.49b)


Farebný model HSV má aj niekoľko nedostatkov, ktoré súvisia s definovaním farby s konštantnou hodnotou sýtosti S. Tento nedostatok rieši napríklad model HLS, kde sú šesťuholníkové rezy nahradené kruhovými a rovnako môže byť využitý pri návrhu viackanálových filtrov s podmieneným zoradením viacrozmerných dát.

1.4.2.8 FAREBNÝ PRIESTOR HMMD

Štandard MPEG-7 definuje vlastný farebný priestor HMMD (Hue-Max-Min-Diff), ktorý je blízky ľudskému vnímaniu farieb a jeho priestorové zobrazenie je znázornené na obr. 1.15.

Obr. 1.15 Farebný priestor HMMD

HMMD je veľmi podobný farebnému priestoru HSV a je definovaný takto [Manj02]:

MAX: vyjadruje mieru zriedenia farby čiernou, čiže jej černosť.

MIN: vyjadruje mieru zriedenia farby bielou, čiže jej belosť.

DIFF: vyjadruje čistotu farby, alebo jej vzdialenoť od farby rýdzej .

SUM: vyjadruje jas farby.

HUE: rovnako ako u HSV vyjadruje farebný tón.

Parametre definujúce farebný priestor HMMD môžu nadobúdať tieto hodnoty

⟩⟨∈°⟩°⟨∈

1,0,,,360,0

SUMDIFFMINMAXHUE

, (1.50)


a vypočítajú sa pomocou týchto vzťahov

),,max( BGRMAX = , (1.51)

),,min( BGRMIN = , (1.52)

MINMAXDIFF −= , (1.53)

( )2

MINMAXSUM += , (1.54)

( ) ( )( ) ( )

( )

( ) MAXBakMINMAXGR

MAXGakMINMAXRB

BGMAXRakMINMAXBG

BGMAXRakMINMAXBG

DIFFak

HUE

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

≤−∧=+−−

>−∧=−−

=

=

460

260

036060

06000

. (1.55)

2 PRVKY SNÍMANIA OBRAZU

Televízne snímacie systémy (kamery) sú zariadenia, ktoré v zjednodušení pozostávajú zo šošovky (šošoviek) a fotocitlivej vrstvy, ktorá je schopná transformovať rôzne zmeny intezity svetla na elektrický náboj alebo prúd. V počiatkoch televízneho vysielania sa predpokladalo šírenie televízneho obrazu po jednotlivých bodoch a to každý samostatným obvodom. Takýto princíp prenosu obrazu navrhol v roku 1875 George Carey (USA). Okolo roku 1880 bol pre všetky formy televízie prijatý spoločný princíp a to prenos každého obrazového bodu postupne, riadok po riadku a snímka po snímke. Spolu ho navrhli W. E. Sawyer (USA) a Maurice LeBlanc (F), ktorí sa naviac spoliehali aj na zotrvačnosť ľudského oka. To umožnilo vysielať obrazový signál jednoduchým obvodom a jedným prenosovým kanálom [WEB02].

2.1 MECHANICKÉ SNÍMANIE OBRAZU

Keď bola v 1873 objavená závislosť elektrickej vodivosti selénu od veľkosti jasu zdalo sa, že už nič nebráni rozvoju televízie. Pokiaľ sa však nezačala rozvíjať televízia založená výhradne na elektronickom snímaní obrazu, všetky dovtedy navrhnuté televízne systémy používali mechanické sekvenčné snímacie metódy (napr. zrkadlové válce, šošovkové kotúče a pod.) založené práve na Nipkowovom kotúči.

Systémy mechanickej televízie boli charakteristické nízkou citlivosťou a malým počtom snímaných riadkov a tým aj jej rozlíšením. Swinton definoval televízny obraz s dobrou kvalitou pre obraz s minimálne 100 000 obrazovými bodmi. Pretože je počet obrazových bodov približne kvadratickým násobkom počtu riadkov, je ktorýkoľvek systém používajúci do 100 riadkov nevhodný. Minimálny počet riadkov je preto pre akýkoľvek systém snímania 300. Mechanická televízia nebola schopná pracovať s veľkým počtom riadkov, pretože už obraz s 200 riadkami jej spôsobovali neprekonateľné technické problémy. Aj toto obmedzenie prispelo k presadzovaniu sa elektronickej televízie.

34 Prvky snímania obrazu

2.1.1 NIPKOWOV KOTÚČ

Prvým na svete pracujúcim zariadením na snímanie obrazu do formy vhodnej na prenos navrhol Paul Nipkow (DE) v roku 1884 [Brit04, Broo06]. Na snímacej strane pozostával z rotujúceho disku, na ktorom bolo v tvare špirály umiestnených niekoľko dier (apertúr). Tak ako sa kotúč otáčal, špirála s 18 apertúrami snímkovala obraz zhora nadol, čím vznikol elektrický signál s 18 riadkami. Keď jedna apertúra dosnímala riadok až do konca, nasledovala po nej v poradí v špirále ďalšia apertúra, ktorá snímala riadok pod predchádzajúcim riadkom. Keďže sa kotúč neustále otáčal, snímali sa vždy pod sebou nasledujúce riadky, pokiaľ sa nenasnímal celý obraz. Proces sa neustále opakoval, snímal sekvencie po riadkoch a po snímkach. Detailnejší obraz bolo možné dosiahnuť zvýšeným počtom snímacích apertúr, čím sa zvýšil počet snímaných riadkov. Svetlo prechádzajúce cez apertúry dopadá na fotoelektrickú bunku, ktorá prevádza sekvencie dopadajúceho svetla na zodpovedajúcu sekvenciu elektrických hodnôt. Pomocou jednoduchého obvodu sa nasnímaná sekvencia prenáša do prijímača. Veľkosť hodnoty elektrického impulzu spôsobí adekvátne rozsvietenie zdroja polychromatického svetla, pričom sa jeho svetlo cez povrch disku premieta podobne ako pri snímaní. Kotúč sa musel otáčať presne v synchronizácii s vysielacou stranou a v rovnakom smere. Nasnímané hodnoty jasu sa takto na prijímacej strane znova zložili na ich pôvodných pozíciách, čím sa vytvoril snímaný obraz. Toto je však možné len za predpokladu vhodnej rýchlosti rotácie kotúčov a zotrvačnosti ľudského oka, ktorý vníma obraz ako celok a nie len ako sériu pohyblivých bodov. Nipkowov kotúč potreboval presnú synchronizáciu rýchlosti medzi snímacou a reprodukčnou časťou, čo predstavovalo základný problém nielen pre mechanickú televíziu, ale aj pre všetky nasledujúce televízne systémy. Ako fotocitlivý materiál fotoelektrickej bunky sa používal selén, ktorý mal však veľký nedostatok. Jeho odpoveď na zmeny jasu bola veľmi pomalá. Tento nedostatok fotoelektrickej bunky bol v roku 1913 nemeckými vedcami odstránený. Bola potiahnutá draselným hybridom, čím sa pri snímaní aj zobrazovaní zväčšila jej citlivosť a schopnosť sledovať rýchle zmeny jasu. Touto úpravou sa stal tento systém vhodný aj pre verejné šírenie televízneho signálu. Nipkovov kotúč mohol prenášať len 4000 obrazových prvkov (pixelov) za sekundu a je zobrazený na obr. 2.1.

Prvky snímania obrazu 35

Obr. 2.1 Nipkowov kotúč s 18 apertúrami (riadkami)

2.2 VÁKUOVÉ SNÍMACIE ELEKTRÓNKY

Princípy mechanického snímania sa používali až do doby, pokiaľ ich boli schopné nahradiť elektronické. V období medzi rokmi 1900 až 1920 sa začalo experimentovať s prvými verziami snímacích elektrónok, metódami zosilnenia elektrického signálu a princípmi elektronického snímania obrazu. Tieto elementárne problémy sa neskôr stali základmi modernej televízie. V roku 1926 ako prvý John L. Baird predviedol televízny systém vysielajúci obrazy nasnímané elektronicky [Brit04, Broo06].

Ako prví na svete, ktorí dokázali vyrobiť snímaciu elektrónku generujúcu elektrický signál snímaného obrazu, boli Vladimir K. Zvorykin a Philo T. Farnsworth. Zvorykin objavil ikonoskop a neskôr jeho vylepšenú verziu označovanú ako superikonoskop (Image Iconoscope) a Farnsworth svoj disektor (Image Dissector). Obidva sa však museli používať len v dobre nasvietených štúdiách. Pri snímaní scén pri nízkom osvetlení (štandardne nasvietené izby a haly) sa používajú snímacie elektrónky s vysokou citlivosťou ako sú ortikon alebo vidikon.


Televízna snímacia elektrónka je elektronické zariadenie, ktoré prevádza snímaný obraz na sekvenciu elektrických impulzov, čím vytvára obrazový signál. V súčasnosti sa už snímacie elektrónky nepoužívajú,pretože boli plne nahradené snímačmi pevnej fázy. Snímacie elektrónky sa od seba líšia svojou konštrukciou, avšak niektoré časti majú spoločné:

fotocitlivý povrch - konvertuje snímaný obraz na odpovedajúce hodnoty

elektrického náboja,

spôsob ukladania obrazu - spôsob akumulácie elektrického náboja v priebehu

niekoľkých stotín sekundy medzi nasnímanými riadkami obrazu,

elektrónový lúč - tvorený v elektrónovom dele a podľa vzoru vychyľovaný cez

celý snímaný elektrický obraz,

spôsob vytvárania elektrického prúdu alebo napätia - je úmerný čiastkovému

elektrickému náboju nahromadenému v bode prechodu elektrónové lúča.

Počas spätného behu, kedy sa obrazový signál negeneruje, by mala byť snímacia elektrónka schopná zhášať snímací lúč. Existujú však aj televízne snímacie zariadenia, ktoré neakumulujú elektrický obraz a nazývajú sa „snímač s bežiacim lúčom“ (flying spot scanner).

2.2.1 IKONOSKOP, SUPERIKONOSKOP

V roku 1932 predstavila RCA (Radio Corporation of America) plne elektronický televízny systém, ktorý na snímacej strane používal elektrónku ikonoskop. Bol kľúčovou časťou celého systému, pretože CRT obrazovky boli predstavené už v roku 1905. Ikonoskop bol navrhnutý a patentovaný v roku 1923 Vladimírom Zvorykinom. Bola to snímacia elektrónka, ktorá sa po svojom objavení používala len krátky čas, pretože v porovnaní so superortikonom mala malú citlivosť a v nasnímaných obrazoch sa objavovalo množstvo náhodných tieňov a svetlých plôch. Avšak vzhľadom na spôsob snímania a tvorby obrazu elektrónmi, predstavovala základ pre vývoj modernejších snímacích elektrónok [Brit04, Broo06, WEB06-07].


Vo vnútri ikonoskopu sa nachádzala tenká plocha sľudy, ktorá bola z jednej strany pokrytá mozaikou tvorenou stotisícami malých zrniečok striebra (mozaika sa vyrábala nanášaním pary cézia a kyslíka, takže povrch kažného zrniečka bol tvorený nielen striebrom, ale aj céziom) a z druhej strany kovovým povrchom označovaným signálová doska (obr. 2.2). Snímaný obraz sa premietal na mozaiku, ktorá pozostávala zo zrniečok fotoemisného materiálu. Na mozaike sa vytváral obraz pozostávajúci z nábojov, ktorých veľkosť zodpovedala množstvu fotoelektrónov emitovaných každým zrniečkom v závislosti od veľkosti jeho osvetlenia. Každé zrniečko spolu s vodivou plochou umiestnenou za mozaikou vytvárali malé kondenzátory so spoločným uzemnením. Snímací lúč sa generoval v elektrónovom dele, ktorý bol dvomi vychyľovacími cievkami po mozaike vo vertikálnom aj horizontálnom smere relatívne pomaly vychyľovaný, čím vzniklo štvorcové snímacie pole. Tento vysokorýchlostný snímací elektrónový lúč snímal mozaiku a tým spôsoboval vybíjanie elementárnych nábojov kondenzátorov. Výsledné zmeny potenciálu na signálovej doske vytvárali obrazový signál, ktorý sa ešte externým zosilňovačom zosilňoval.

Obr. 2.2 Ikonoskop

Ikonoskop mal asi 1000 krát vyššiu citlivosť ako disektor (Image Dissector), pretože pre akumuláciu elektrónov emitovaných fotokatódou a dopadajúcich na sľudový terčík využíval tzv. jav snímania („gathering effect“). Hoci poskytoval dobré rozlíšnie, na jeho dosiahnutie sa musela snímaná scéna snímať v štúdiu a to s relatívne silným nasvietením (~5500 lx). Aj z tohto dôvodu sa používal len na snímanie v dobre osvetlených štúdiách [Brit04, WEB06-07].


Ikonoskop mal niekoľko nevýhod. Okrem silného nasvietenia scény to bola hlavne generácia degradovaného obrazu falošnými svetlými miestami a tmavými škvrnami. Spôsobovali ich sekundárne elektróny vznikajúce z vysokopotenciálového snímacieho lúča, ktoré náhodne dopadávali na mozaiku a vytvárali elektrónový mrak. Aj z tohto dôvodu sa preto musela neustále a manuálne nastavovať úroveň signálu.

Zvorykin pokračoval v práci na vylepšení ikonoskopu, čo viedlo v roku 1939 k predstaveniu superikonoskopu (obr. 2.3), ktorý mal vyššiu citlivosť a riešil niektoré inherentné problémy ikonoskopu. Superikonoskop obsahoval tenkú vrstvu priehľadnej fotokatódy, ktorá sa nachádzala na jej vnútornej strane oproti snímanému obrazu. Emitované a urýchlené elektróny z katódy potenciálom niekoľkých stoviek elektrónvoltov boli zaostrené na terčík signálovej dosky externým magnetickým poľom. Superikonoskop mal citlivosť vylepšenú až na 1000 lx.

Obr. 2.3 Superikonoskop

Pretože bol snímaný obraz zaostrený na rovnakú stranu signálovej dosky ako obraz tvorený nábojmi, bolo nutné umiestniť elektrónové delo a vychyľovacie cievky mimo optickej osi tak, aby sa zabránilo jeho ovplyvňovaniu. Keďže elektrónové delo snímalo nábojový obraz z mozaiky pod 45º uhlom, musela sa uskutočnovať korekcia vertikálneho vychyľovania pri prechodoch lúča medzi susednými riadkami.

Obidva typy ikonoskopov mali nelineárnu charakteristiku prevodu intenzity svetla na elektrický signál, pretože bola pre vysoké úrovne intenzity komprimovaná a pre nízke úrovne roztiahnutá. Keďže jej tvar spolu s exponenciálnou krivkou prevodu elektrického signálu na jas CRT obrazoviek vytvárali približne lineárnu charakteristiku, reprodukovaný šedý obraz mal kvalitu fotografickej snímky.


Oveľa väčší pokrok priniesol Rieselov ikonoskop. Rieselova elektrónka obsahovala ďalšiu fotocitlivú katódu vo forme krúžku umiestnenú v blízkosti terčíka, z ktorej na už spomínaný terčík tiekol konštantý tok elektrónov (tzv. Riesel Dripping). Tento princíp sa stal novou metódou pri kompenzácii tieňov v obraze. Rieselov ikonoskop sa používal iba v Anglicku a bol asi 10 krát citlivejší ako ikonoskop.

Zvorykinov televízny systém spôsobil rapídny rozvoj modernej televízie ako zábavného alebo vzdelávacieho média. A hoci bol ikonoskop bezprostredne nahradený ortikonom alebo superortikonom, stal sa základom pre vývoj modernejších snímacích elektroniek. Zvorykin tiež navrhol aj systém farebnej televízie, ktorý si dal v roku 1928 patentovať. Okrem televízie sa venoval aj výskumu elektrónového mikroskopu, systémom pre nočné videnie, radarovým systémom a iným.

2.2.2 DISEKTOR

Keď si v roku 1923 dal Zvorikin patentovať ikonoskop, Philo Tayler Farnsworth predviedol svoj disektor (patent z roku 1927). Disektor sa používal hlavne na snímanie diapozitívov a to hlavne kvôli svojej nízkej citlivosti. Keďže na získanie elektronického obrazu vhodného na prenos potreboval silné nasvietenie scény, nebol vhodný pre mimoštúdiové snímanie [WEB06].

Disektor je snímacia elektrónka, ktorá sa len príležitostne používala v priemyselných snímacích systémoch, pretože ako už bolo spomenuté, bola relatívne necitlivá. Jeho principiálna schéma je zobrazená na obr. 2.4.

Obr. 2.4 Disektor


Disektor obsahoval podobnú fotokatódu ako superortikon, ktorá podľa intenzity dopadajúceho svetla emitovala elektróny a pomocou ostriacej cievky a ostriacimi elektródami (urýchľovacie krúžky) boli urýchľované z fotokatódy na protiľahlú stranu elektrónky. Obraz tvorený elektónmi potom prechádzal celým priestorom elektrónky a bol zaostrený na plochu (anódu), ktorá prechádzala apertúrou. Vychyľovacie cievky vychyľovali celý obraz, ale na apertúru bol namierený len aktuálne snímaný bod. Počet elektrónov zodpovedujúcich intenzite jasu snímaného bodu sa v elektrónovom násobiči zvýšil a táto časť obrazu (vychýlená cez apertúru) tvorila videosignál. Zvyšok emitovaných elektrónov, ktoré neboli vychýlené na apertúru sa anódou odčerpávali. Násobič elektrónov obsahoval v priemere asi 11 dynód, ktoré boli umiestnené hneď za apertúrou. Disektor bol použiteľný iba pri snímaní silne nasvietených scén (viac ako 2200 lx).

2.2.3 ORTIKON, SUPERORTIKON

Orthicon bola priamym nástupcom ikonoskopu. V roku 1938 ho navrhli Harley Ambrose Iams a Alberts Rose, a hoci mal teoreticky jednoduchší dizajn, jeho výroba bola oveľa zložitejšia. Ortikon sa vyznačoval relatívne pomalým snímacím elektrónovým lúčom (obr. 2.5) [Brit04, WEB06]. Aby bol elektrónový lúč dostatočne úzky, musel byť naviac aj magneticky ostrený. Citlivosť ortikonu bola asi 3000 lx a už dva roky po jeho objavení sa uskutočnilo prvé TV vysielanie.

Snímaný obraz bol zaostrený na signálovú dosku, ktorý cez ňu prechádzal až na mozaiku a na ktorej sa vytváral nábojový obraz. Mozaika bola podobná ako pri ikonoskope, ale obsahovala precíznejšie vytvorenú vrstvu fotocitlivého materiálu, ktorá sa naparovaním nanášala na priehľadný podklad a z druhej strany ju tvorila už spomínaná signálová doska. Snímací lúč sa generoval v elektrónovom dele, ktorý bol štandardne vychyľovaný po celej mozaike. Elektróny, ktoré boli urýchľované nízkym napätím s nízkou rýchlosťou dopadávali na mozaiku a preto neuvoľňovali veľké množstvo sekundárnych elektrónov. Namiesto toho záporné elektróny elektrónového lúča kompenzovali nahromadené kladné náboje a tým bezprostredne vytvárali záporné náboje. Od mozaiky odrazené elektróny sa vracali späť k elektrónovému delu. Odčerpávali sa kladne nabitou elektródou (zberacia elektróda-anóda), ktorá obkolesovala elektrónové delo. Vytvorená zmena elektrického potenciálu, podobne ako pri ikonoskope, bola kapacitne prenášaná na signálovú dosku, kde sa vytváral elektrický signál obrazu a nasnímaný obraz sa ešte pred vysielaním musel zosilňoval externým zosilňovačom.


Obr. 2.5 Ortikon

Pretože ortikon používal pomalý snímací lúč, odstraňoval hlavné nedostatky ikonoskopu. Jeho názov bol odvodený z princípu snímania terčíka pod pravým uhlom (Orthogonal Icon). Snímaný obraz mal vysoké rozlíšenie so správnym rozložením stupnice šedej.

V r. 1943 bol ortikon pod názvom superortikon vylepšený. Jeho princíp je zobrazený na obr. 2.6, pričom bol veľmi podobný ortikonu. Podobne sa u neho vytváral nábojový obraz a modulácia snímacieho elektrónového lúča nábojmi terčíka, ale okrem toho obsahoval zosilňovač s veľkým ziskom pracujúci na princípe násobiča elektrónov.

Sklenená tuba superortikonu bola na snímacej strane rozšírená a tu sa nachádzala fotokatóda, terčík a spomaľovacia elektróda. Snímaný obraz bol zaostrený na fotocitlivú vrstvu, kde úroveň osvetlenia spôsobila úmernú emisiu elektrónov. Uvoľnené elektróny tiekli z fotocitlivého povrchu umiestneného na sklenenej doske s potenciálom asi -450V cez mriežku na terčík (tenká a rovnomerná doštička skla) s asi nulovým potenciálom. Tok elektrónov vyvolával v jeho sklenenom povrchu sekundárnu emisiu elektrónov, ktoré sa sústreďovali na jemnom sitku (mriežke) umiestneným pred terčíkom, čím ho chránil. Výsledné zmeny elektrického potenciálu vyvolané emisiou sekundárnych elektrónov sa prenášali na opačnú stranu terčíka, kde takto vytvorený nábojový obraz bol, podobne ako pri ortikone, snímaný elektrónovým lúčom. Elektrónový lúč bol tesne pred dopadom na terčík spomaľovacou elektródou spomalený a aj preto vznikalo len nepatrné množstvo sekundárnych elektrónov. Keď elektróny snímacieho lúča zasiahli terčík, neutralizovali pozitívny náboj rovnako ako pri ortikone. Odrazený spätný lúč pri svojom návrate prechádzal cez zosilňovací systém, ktorý značne zlepšoval citlivosť superortikonu. Tvoril ho nieľkoúrovňový elektrónový násobič pozostávajúci z niekoľkých kovových krúžkov. Ich povrchy boli konštruované tak, aby keď na nich dopadajú elektróny spätného lúča emitovali


viac sekundárnych elektrónov. Tento efekt elektrónového násobenia sa niekoľkokrát opakoval čím sa získala vhodná úroveň obrazového signálu.

Obr. 2.6 Superortikon

Image Orthicon znamenal veľký krok vpred, pretože jeho citlivosť bola asi 200 lx. Často sa používal pri verejnom šírení televízneho vysielania, pretože jeho nízka hodnota citlivosti je pod hodnotou osvetlenia štandardne používanou v interiéroch alebo exteriéroch. Vyznačoval sa aj tým, že namiesto generácie obrazového signálu zo signálovej dosky skleneného terčíka sa získaval zo spätného lúča.

Priemer Image Orthiconu bol asi 75mm (3") a fotokatódy len asi 40mm, čo je asi dvojnásobok 35mm filmu. Výroba 3" Image Orthiconov bola v krátkom čase rozšírená na 4,5". Tiež bol rovnako citlivý, omnoho väčší než staršie typy ale veľmi drahý (500-1000£).

2.2.4 VIDIKON

Iným typom snímacích elektroniek používaných v súčasných kamerách je vidikon a patrí medzi základné typy snímacích elektroniek. Prvýkrát bola použitá na začiatku 50-tych rokov dvadsiateho storočia. Bola to prvá snímacia elektrónka, ktorá výstupný videosignál generovala pomocou fotoelektrického vodivého povrchu a nie prostredníctvom napr. emisie elektrónov. Jeho prvé verzie snímali obraz pomaly (obraz bol viditeľne rozmazaný) a preto bolo jeho použitie obmedzené [Brit04, Broo06, WEB06]. Avšak postupom času sa aj tento ich problém odstránil. V súčasnosti sa ešte v malej miere používajú. Vidikon bol podstatne menší než superortikon a preto aj z tohto dôvodu bol vhodnejší pre bežné používanie hlavne v prenosných zariadeniach. Vo všeobecnosti sa vidikon vyznačuje dobrým


rozlíšením, malým skreslením, malými rozmermi, relatívne dobrou citlivosťou (približne 500 lx) a nízkou cenou.

Jeho princíp (obr. 2.7) spočíva v projekcii snímaného obrazu na fotoelektrický vodivý terčík, čo obyčajne bola tenká vrstva zlúčeniny sulfid antimónu (Sb2S3). Táto zlúčenina sa vyznačovala rôznou vodivosťou, ktorá sa v závislosti na intenzite svetla zväčšovala. Nanášala sa na priehľadnú elektródu, ktorá slúžila ako signálová doska a vzhľadom na zdroj elektrónového lúča bola kladne nabitá. Štandardne vychyľovaný elektrónový lúč snímal zadnú stranu fotoelektricky vodivej vrstvy, čím neutralizoval kladný náboj každého bodu snímaného obrazu. Výsledná zmena potenciálu sa kapacitne prenášala na signálovú dosku, z ktorej bol generovaný obrazový signál.

Obr. 2.7 Vidikon

Od veľkosti prierezu elektrónového snímacieho lúča závisela veľkosť detailov obrazu a už pre obraz vhodný na TV vysielanie (200.000 a viac pixelov) ho bolo možné získať z fotocitlivej plochy menšej než 1,3 štvorcového centimetra. Naviac to umožňovalo použitie malých a lacných šošoviek s odpovedajúcou veľkosťou hĺbky zaostrenia. Vnútorná štruktúra elektrónky bola veľmi jednoduchá a jej malé rozmery jej dovoľovali použitie v širokom rozsahu aplikácií.

Pôvodným zámerom návrhárov vidikonov nebolo nahradiť superortikony, ale vyrábať kvalitné snímacie elektrónky ekonomickejšie. Vidikony boli prednostne používané asi do roku 1970, kedy sa objavili prvé CCD snímače. V súčasnosti sa vidikony alebo vidikonom podobné snímacie elektrónky stále používajú hlavne v priemysle či armáde a niektoré typy sa špeciálne používajú aj v medicíne pri fluóroskopických vyšetreniach. Firma Philips ju naviac vylepšila a navrhla jej tri verzie pre snímanie R, G a B zložiek pre farebnú TV kameru.


2.2.5 ODVODENÉ VÁKUOVÉ SNÍMACIE ELEKTRÓNKY

V súčasnosti existuje niekoľko druhov moderných snímacích elektroniek, ktoré kvôli svojim vlastnostiam našli uplatnenie zväčša v medicínskych zariadeniach. Patria medzi ne emitron (Emitron), fotikon (Photicon), plumbikon (Plumbicon), novikon (Newvicon), kvantikon (Kvanticon), ledikon (Leddicon), satikon (Saticon), trinikon (Trinicon), pasekon (Pasecon), chalnikon (Chalnicon), resistron (Resistron), primikon (Primicon), x-kon (X-con) a mnoho iných.

Emitron, superemitron, emitron CPS

Pri prvom celosvetovom televíznom vysielaní z Alexandra Palace v Londýne v r. 1936 bola v snímacej kamere použitá snímacia elektrónka emitron. V roku 1934 ju navrhli Tedham a McGee z EMI (Electrical and Musical Industries) a svojou konštrukciou bola podobná ikonoskopu

Superemitron, ktorý si dali v roku 1936 patentovať Lubszinsky a Rodda (UK), nevytváral obraz bezprostredne pomocou fotoemisie, ale pomocou voľných elektrónov emitovaných fotokatódou umiestnenou pred terčíkom pri jej osvetlení. Táto elektrónka bola oveľa citlivejšia ako pôvodný ikonoskop.

Podobnou elektrónkou bola aj snímacia elektrónka emitron CPS (Cathode-Potential Stabilized target scanning), ktorá sa svojou konštrukciou podobala ortikonu.

Plumbikon

Plumbikon je verzia vidikonu navrhnutá v Holandsku pod ochrannou známkou firmy Philips okolo roku 1968. Je to typ vidikonu a ako už z názvu vyplýva (Plumbum-Olovo), snímací povrch bol tvorený oxidom olova (PbO). Poskytovali obraz s vysokým rozlíšením a s nízkou zotrvačnosťou. Je čiastočne vhodná pre röntgenové systémy a angiografické aplikácie. Plumbikony sú typické malou výstupnou kapacitou pri veľkom pomere signálu k šumu.

Novikon

Novikon je snímacia elektrónka s registrovanou ochrannou známkou firmy Matsushita. Jej fotocitlivá vrstva je na báze ZnSe alebo ZnCdTe. Pôvodne však bola navrhnutá firmou Philips ako istá forma vylepšeného vidikonu. Novikon je charakteristický


vysokou citlivosťou a špeciálnou spektrálnou odpoveďou fotocitlivej vrstve presahujúcou až do infračervenej oblasti.

Chalnikon

Snímacia elektrónka chalnikon, ktorú vyrábala firma Hamamatsu, mala vysokú citlivosť v celom rozsahu viditeľného spektra. Tieto elektrónky majú typicky väčšiu zotrvačnosť ako novikon, avšak poskytujú vyššie rozlíšenie.

Pasekon

Pasekon je registrovaná ochranná známka firmy Heimann divízie EG&G pre snímaciu elektrónku s povrchom CdSe. Je to veľmi citlivá snímacia elektrónka s nízkym prúdom za tmy, s vyrovnanou signálovou charakteristikou a vysokým rozlíšením.

Satikon

Snímacia elektrónka satikon bola pôvodne navrhnutá a vyrábaná firmou Hitachi. Licenčne však bola vyrábaná niekoľkými firmami ako Thomson alebo Heimann a snímací povrch bol zo zlúčeniny SeAsTe. Saticon je vysokokvalitná snímacia elektrónka s vysokým rozlíšením a výborným kontrastom. Jej zotrvačnosť je o niečo väčšia ako pri plumbikone, no i napriek tomu je veľmi vhodná hlavne pre prenosné kamery, kde je nutné snímať rýchlo sa pohybujúce obrazy.

Resistron

Resistron je typ vidikonovej snímacej elektrónky a je to ochranná známka firmy Heimann. Je vhodná pre bežné medicínske diagnostické procedúry, pretože poskytuje vysoký kontrast s výborným rozlíšením.

Primikon

Primikon je vysokokvalitná snímacia elektrónka s ochrannou známkou firmy Thomson. Podobne ako resistron aj primikon je určený pre medicínke účely hlavne kvôli vysokej rozlišovacej schopnosti a nízkej zotrvačnosti.

Trinikon

Trinikon bola snímacia elektrónka vyrábaná firmou Sony, ktorá používala špeciálny prúžkový vertikálny filter farieb.


X-kon

Označenie x-kon je ochrannou známkou firmy Teltron a má podobné vlastnosti ako novikon.

2.3 SNÍMACIE PRVKY PEVNEJ FÁZY

V súčasnej dobe existujú dva základné princípy konverzie optického obrazu na elektrický signál. Prvým z nich je snímanie obrazu vákuovými snímacími elektrónkami (kap. 2.2). Druhým, historicky mladším princípom, je snímanie obrazu polovodičovými snímacími prvkami, tiež známe ako snímacie prvky pevnej fázy (Solid State Image Sensor).

Tak ako existuje veľké množstvo snímacích materiálov, existujú aj rôzne konštrukcie snímačov. Materiály fotónových snímačov môžu byť použité v niektorom z týchto troch základných módoch [Incz00]:

Snímače vo fotovodivom móde - PCMD (PhotoConductive Mode Detector).

Absorbované fotóny spôsobujú zmenu elektrickej vodivosti, ktorá je úmerná

zmenám osvetlenia.

Snímače vo fotoelektrickom móde - PVMD (PhotoVoltaic Mode Detector).

Absorbované fotóny vytvárajú zmenu napätia potenciálovej bariéry vytvorenej

P-N priechodom alebo indukovaným elektrickým poľom so štruktúrou MIS

(Metal-Insulator-Silicon).

Snímače vo fotoemisnom móde - PEMD (PhotoEmissive Mode Detector). Fotóny sú

absorbované kremíkovou elektródou a len malá vybudená časť sa emituje cez

Schottkyho bariéru do polovodiča. Takto vytvorený náboj v elektróde sa potom

prenáš do čítacej časti.

Snímače pevnej fázy okrem použitého princípu detekcie fotónov obsahujú aj zariadenia na ich prenos/čítanie. Medzi ne patria CCD, spínané čítanie MOSFET/CMOS, elektronické čítacie zariadenia CID a CIM (Charge Imaging Matrix). Avšak pre snímanie obrazov vo viditeľnej oblasti spektra sú kremíkové detektory obmedzené len na fotoelektrický mód pomocou fotodiód alebo MOS (Metal Oxide Semiconductor) kondenzátorov.


MOS kondenzátor Fotodióda

IT CCD FIT CCD

CCPD

FF CCD FT CCD

APS CID CID PDA

X-Y CMOS čítanie so ziskom CCD čítanie X-Y MOS spínané čítanie

Obr. 2.8 Snímacie prvky pevnej fázy

Ako už bolo spomenuté, pre snímanie vo viditeľnej časti spektra sú použiteľné dva typy detektorov (fotodiódy a MOS kondenzátory) a dva základné princípy čítania nasnímaných hodnôt (CCD a X-Y adresácia). Ich kombináciou je možné získať základné snímacie prvky pevnej fázy, ktoré sú zobrazené na obr. 2.8. Patria sem

Fotodiódové prvky - PDA (PhotoDiode Arrays); štruktúra je tvorená fotodiódou

s X-Y čítaním.

Nábojovo viazané prvky - CCD (Charge-Coupled Devices); štruktúra je tvorená

MOS kondenzátorom s CCD čítaním.

Nábojovo injekčné prvky - CID (Charge-Injection Devices); štruktúra je

tvorená MOS kondenzátorom s X-Y čítaním.

Nábojovo viazané fotodiódy - CCPD (Charge-Coupled PhotoDiodes); štruktúra

je tvorená fotodiódou s CCD čítaním.

CMOS prvky - CMOSD (Complementary Metal Oxide Semiconductor

Devices).

Snímač s pasívnym pixelom - PPS (Passive Pixel Sensor) ; štruktúra je tvorená fotodiódou

alebo MOS kondenzátorom s CMOS X-Y čítaním bez zisku.


Snímač s aktívnym pixelom - APS (Active Pixel Sensor); štruktúra je tvorená fotodiódou

alebo MOS kondenzátorom s CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) X-Y

čítaním so ziskom.

Snímač s digitálnym pixelom - DPS (Digital Pixel Sensor); štruktúra snímača je

porovnateľná s PPS alebo APS snímačmi, ale každý pixel obsahuje A/D prevodník.

Použitia snímačov pevnej fázy

Digitálna fotografia

o CMOS snímače: pre nízko a stredne kvalitné snímanie.

o CCD, snímače Foveon X3: pre vysokokvalitné snímanie.

Astronómia

o CCD snímače: rovnako môžu byť použité aj v aplikáciách termovízie.

Nočné videnie

o CCD snímače: niekedy využívajúce mikrokanálové doštičky. Takéto

snímače sa označujú ako ICCD (Intensified CCD).

Priemyselné využitie

o CCD, CID snímače: používajú sa v prostrediach s vysokým jasom alebo

vysokou radiáciou (navádzanie rakiet, rozpoznávanie polovodičových

štruktúr, a pod.).

2.3.1 FOTODIÓDOVÉ SNÍMACIE PRVKY

Snímacie fotodiódové pole pozostáva z niekoľkých fotodiód zoradených do riadku. Počet fotodiód sa obyčajne pohybuje v rozmedzí 128-1024, ale dostupné sú aj PDA s 4096 fotodiódami [Incz00, Jeti05]. Tieto snímacie prvky sa najčastejšie využívajú ako detektory UV-VIS spektrometrov (UltraViolet and VISible Absorption Spectroscopy). Svetlo dopadajúce na fotodiódy spôsobuje fotoelektrický prúd, ktorý sa vytvára integračným


obvodom pripojeným k danej fotodióde (obr. 2.9). Počas snímania posuvný MOS register postupne prepája každý kondenzátor s výstupom, čím sa vytvára analógový videosignál.

Obr. 2.9 Princíp činnosti fotodiódového snímacieho poľa

Existujú dva rozdielne typy PDA snímačov, ktoré sa líšia typom výstupného signálu.

PDA s prúdovým výstupom – dopadajúce fotóny vytvárajú nabíjací prúd,

pomocou ktorého sa znovunabíja kapacita ochudobňovacej vrstvy a preto

nepotrebujú dodatočný integračný člen. Pretože vzťah medzi špičkovou

hodnotou prúdu a integrálom nie je priamoúmerný, preto čítacie elektroniky

založené na čítaní špičkových hodnôt sú nížšej kvality. Špeciálne pri nízkych

saturačných nábojoch je obtiažne merať výstupnú hodnotu správne. Pri hodnote

1pC ktorý sa rovná 107 elektrónom pripadá pri 16-bitovom rozlíšení na LSB iba

1000 elektrónov [Jeti05].

PDA s napäťovým výstupom – obsahujú interný integračný člen, ktorého

výstupné napätie je priamoúmerné dopadajúcemu toku fotónov, čo spôsobuje

menej problémov spojených hlavne s čítacou elektronikou.


2.3.2 CCD SNÍMACIE PRVKY

Ako snímače obrazovej informácie sa vo svete jednoznačne presadili snímacie prvky s nábojovo viazanými štruktúrami označované ako CCD. V roku 1969 ich objavili Willard Boyle a George Smith v laboratóriách firmy Bell. V porovnaní s klasickými snímacími elektrónkami sa vyznačovali dlhou životnosťou a spoľahlivosťou, malými rozmermi, nízkym príkonom a hmotnosťou, vysokou stabilitou vlastností z hľadiska mechanickej odolnosti proti nárazom a vibráciám, stabilitou pri vysokých a veľmi nízkych teplotách, odolnosťou proti ovplyvňovaniu vonkajšími magnetickými poliami a proti vonkajším elektrickým poliam, zanedbateľným geometrickým skreslením obrazu daným presným rozmiestnením bodov na čipe, vysokou citlivosťou, spektrálnou charakteristikou posunutou do infračervenej oblasti a ďalšími vlastnosťami.

2.3.2.1 KLASIFIKÁCIA CCD SNÍMACÍCH PRVKOV

CCD snímacie prvky je možné roztriediť na základe niekoľkých ich vlastností, akými sú: snímané spektrum vlnových dĺžok, spôsob snímania alebo prenosu nasnímaných hodnôt, typu hradlových elektród, tvaru snímacej prochy, typu kanála, typu riadenia a pod.

Podľa spektra vlnových dĺžok:

Snímače viditeľného spektra.

Snímače infračerveného spektra.

Snímače ultrafialového spektra.

Snímače röntgenového žiarenia.

Podľa tvaru snímacej plochy:

Lineárny CCD snímač - fax, skener, kopírovací stroj a pod.

Plošný CCD snímač - digitálny fotoaparát, digitálna videokamera a pod.


Podľa spôsobu snímania:

Snímač s prekladaným snímaním - snímanie nepárnych a párnych riadkov

osobitne (dynamický obraz).

Snímač s postupným snímaním - snímanie celej snímky (statický obraz).

Podľa spôsobu prenosu:

Lineárne CCD snímače

Snímač s prenosom „jeden kanál – jeden výstup“ - SCSO (Single-Channel Single-Output).

Snímač s prenosom „dvojitý kanál – jeden výstup“ - DCSO (Dual-Channel Single-Output).

Snímač s prenosom „dvojitý kanál – dvojitý výstup“ - DCDO (Dual-Channel Dual-

Output).

Plošné CCD snímače

Snímač so snímkovým prenosom - FT (Frame Transfer).

Snímač s plne snímkovým prenosom - FFT (Full Frame Transfer).

Snímač s medziriadkovým prenosom - IT (Interline Transfer).

Snímač so snímkovo-medziriadkovým prenosom - FIT (Frame Interline Transfer).

Z ďalších delení CCD snímačov je ešte zaujímavé delenie podľa použitého typu kanála. Preferovanými sú snímače využívajúce N-kanál, pretože v porovnaní s P-kanálom majú elektróny vyššiu pohyblivosť.

2.3.2.2 PRINCÍP ČINNOSTI CCD PRVKU

Principiálna bloková schéma činnosti CCD snímača pozostáva z prvkov schopných premeniť svetelnú energiu na adekvátne množstvo elektrických nábojov, ktoré sa môžu, ale nemusia, ukladať v pamäťových registroch. Nakoniec sa čítacími registrami získa


analógový videosignál, ktorý sa ešte zosilňuje. Aby bola jeho činnosť od snímania až po vytvorenie signálu plynulá, musí sa celý systém digitálne synchronizovať a riadiť. Na obr. 2.10 je zobrazená principiálna schéma vytvorenia obrazového signálu CCD snímačom.

Obr. 2.10 Princíp vytvárania obrazového signálu CCD snímačom

CCD prvky využívajú potenciálovú jamu, ktorá sa vytvára externým napätím pripojeným na hradlo elektródy. Štruktúra CCD prvku pracuje na princípe MOS (Metal Oxid Semiconductor) kondenzátora. Hradlové elektródy P1, P2 a P3 sa obyčajne vyrábajú z vysoko vodivého materiálu akými sú kov alebo polykryštalický kremík. Vrstva oxidu je tvorená SiO2 a prenosový kanál samotným polovodičom (P-kanál). Princíp vytvorenia a prenosu elektrického náboja je znázornený na obr. 2.11 [East94, Chen03, Hama03, Broo06].

Elektrický náboj, ktorý je ekvivalentný intenzite dopadajúceho svetla, sa hromadí v potenciálovej jame pod kovovou elektródou P1 (obr. 2.11a). Potenciálová jama sa pod elektródou vytvorí vždy, keď sa na ňu pripojí kladné napätie. Po pripojení kladného potenciálu na elektródu P2 sa aj pod ňou vytvorí potenciálová jama a spolu s petenciálovou jamou pod P1 vytvoria jednu spoločnú (obr. 2.11b). V tom istom čase začne nahromadený potenciál potenciálovej jamy pod P1 pretekať do novovytvorenej časti spoločnej potenciálovej jamy, pokiaľ sa nedosiahne jeho rovnomerné rozloženie v jej oboch častiach (obr. 2.11c). Po odpojení kladného potenciálu elektródy P1 začne ňou vytvorená potenciálová jama kolabovať a jej náboj začne pretekať do potenciálovej jamy vytvorenej pod P2 (obr. 2.11d). Po zaniknutí potenciálu na P1 úplne zanikne aj potenciálová jama pod ňou, a všetok potenciál sa zhromaždí v potenciálovej jame pod P2, a tým sa cyklus prenosu elektrického potenciálu zavŕši (obr. 2.11e).


a) b) c)

d) e)

Obr. 2.11 Prenos elektrického náboja v CCD snímačoch

CCD prvky patria do rodiny zariadení CTD (Charge Transfer Device), ktoré využívajú tzv. potenciálovú jamu na prenos elektrického náboja v polovodiči. Množstvo súčasne vyrábaných CCD prvkov obsahuje naviac štruktúru s ponoreným kanálom (Buried Charge Coupled Devices), v ktorých je prenosový kanál ponorený do substrátu.

V súčasnosti sú najväčšími výrobcami CCD snímačov firmy ako Fairchild Imaging, Sony, Texas Instruments, Toshiba a iné.

2.3.2.3 PRINCÍPY PRENOSU NÁBOJA V LINEÁRNYCH CCD SNÍMAČOCH

Lineárne CCD snímacie prvky principiálne predstavujú medziriadkový prenos náboja tak ako pri plošných IL CCD snímačoch. Medziriadkové CCD sa podľa princípu činnosti posuvného registra a konfigurácie výstupu delia na 3 typy tak, ako boli spomenuté v kapitole 2.3.2.1 a sú zobrazené na obr. 2.12 [Jeti05].

Lineárny CCD snímač pozostáva z fotocitlivej časti obsahujúcej fotodiódy zoradené do riadka. Elektrický náboj vytvorený fotoelekrickou konverziou v každej fotodióde sa pomocou ich vnútorných kapacít v nich akumuluje. Premena svetelnej energie na elektrický náboj a jeho akumulácia sa vykonáva synchrónne a akumulovaný náboj sa prepínaním prenosového hradla prenáša do posuvného registra. Náboje všetkých fotodiód sa do posuvného registra prenášajú naraz. Náboj každého obrazového bodu sa potom sekvenčne prenáša na výstup, kde sa prevádza na hodnoty napätia a tým vzniká výstupný analógový videosignál.


a)

b)

c)

Obr. 2.12 Lineárny snímač a) SCSO, b) DCSO, c) DCDO

2.3.2.4 PRINCÍPY PRENOSU NÁBOJA V PLOŠNÝCH CCD SNÍMAČOCH

Ako už bolo spomenuté, existujú 4 metódy prenosu snímaného obrazu plošnými CCD snímačmi. Ale len 3 z nich (FT, IT a FIT) sa používajú v TV kamerách, pretože FFT metóda svojím spôsobom prenosu náboja nie je pre ne vhodná [Kuba00, Hama03, WEB04,


WEB21, Broo06]. FFT CCD snímače sa preto používajú hlavne v meracích aplikáciách akou je aj napr. spektrofotometria, kde je nutné získať snímky s vysokým rozlíšením.

2.3.2.4.1 PLOŠNÝ FT CCD SNÍMAČ

FT CCD snímače sú CCD snímače so snímkovým prenosom (Frame Transfer CCD), ktoré pozostávajú z dvoch vertikálnych posuvných registrov a jedného horizontálneho. Jeden vertikálny register slúži na snímanie (fotocitlivá časť), druhý na uchovávanie (pamäťová časť) a horizontálny register ako časť generujúca výstupný videosignál. Jeho principálna schéma je zobrazená na obr. 2.13 [Hama03, WEB04, Broo06].

Obr. 2.13 Plošný FT CCD snímač

Fotocitlivú vrstvu tvoria priehľadné elektródy obyčajne z polykryštalického kremíka, ktoré sa spravidla používajú ako kovové elektródy. Svetlo dopadajúce cez priehľanú elektródu na CCD polovodič spôsobí ekvivalentný elektrický náboj, ktorý sa hromadí v potenciálovej jame pod elektródou. Nahromadené náboje každej snímky sa počas


vertikálneho zatemňovacieho impulzu vysokou rýchlosťou prenášajú do pamäťovej časti. Z toho vyplýva, že vertikálny snímací posuvný register FT CCD snímačov slúži ako fotoelektrický prevodník. Pamäťová časť spolu s horizontálnym posuvným registrom zabezpečuje prenos signálu na jeho výstup, pričom fotoelektrický prevod a akumulácia nábojov sa uskutočňuje v snímacej časti. Akumulované náboje tvoriace videosignál v riadkoch pamäťovej časti, sa počas horizontálneho zatemňovacieho impulzu prenášajú do horizontálneho posuvného registra.

FT CCD snímače majú podobnú architektúru ako FF CCD snímače, len s tým rozdielom, že FT CCD snímače majú rovnako veľký register pre uchovávanie náboja ako snímacia časť, ktorá však nie je fotocitlivá. Ich princíp spočíva v rýchlom prenesení naakumulovaného náboja zo snímacej do pamäťovej časti. Výhodou tejto architektúry je to, že sa rýchlym prenosom zabraňuje vzniku blikania v snímanom obraze, ale na druhej strane to spôsobuje efekt rozmazania. FT CCD snímače majú nízke rozlíšenie a vysokú cenu, pretože je pri ich výrobe nutná dvojitá vrstva kremíka.

2.3.2.4.2 PLOŠNÝ FFT CCD SNÍMAČ

FFT CCD snímače sú CCD snímače s plne snímkovým prenosom (Full Frame Transfer CCD) [Hama03, WEB04, Broo06]. Majú podobnú štruktúru ako FT CCD snímače, ale neobsahujú časť pre ukladanie nahromadených nábojov. Pretože mu chýbajú tieto pamäťová časti, ich funkciu nahradzuje externá mechanická uzávierka. Aj z tohto dôvodu (technické obmedzenia) sa nepoužívajú vo videokamerách. Princíp FFT CCD snímača je zobrazený na obr. 2.14.

Princíp prenosu náboja je podobný ako pri FT CCD snímčoch. Náboje sa hromadia v potenciálových jamách fotocitlivej časti v čase otvorenej externej uzávierky, ktoré sa v čase zavretej externej uzávierky presúvajú na výstup cez horizontálny posuvný register. Keďže FFT CCD snímače neobsahujú pamäťovú časť, môžu sa takéto prvky vyrábať s veľkým počtom snímacích bodov rovnakej veľkosti, alebo s veľkými aktívnymi plochami jednotlivých bodov. Tieto možnosti FFT CCD snímačov ich predurčujú na použitie vo vedeckých aplikáciách, pretože sa pri nich vyžaduje nízka snímacia rýchlosť.


Obr. 2.14 Plošný FFT CCD snímač

FF CCD snímače sa vyznačujú jednoduchou architektúrou, jednoduchým výrobným procesom a vytváraním videosignálu.

2.3.2.4.3 PLOŠNÝ IT CCD SNÍMAČ

IT CCD snímače sú CCD snímače s medziriadkovým prenosom (Interline Transfer CCD). Pozostávajú z fotocitlivej časti, ktorú tvoria fotodiódy a MOS diódy umiestnené oddelene od prenosovej časti [Hama03, WEB04, Broo06]. Súčasné snímače používajú fotodiódy ponorené do substrátu, čím sa dosahuje nízka hodnota prúdu za tmy. Vertikálne posuvné registre sa nachádzajú podĺž stĺpcov fotodiód, zo strán obklopujú každú fotodiódu a ich výstup je spojený s horizontálnym posuvným registrom. Principiálna schéma IT CCD snímača je zobrazená na obr. 2.15.

Elektrický náboj vytvorený foelektrickou konverziou vo fotodiódach sa uchováva v kapacitách ich p-n priechodov. Uchované náboje sa potom v čase zatemňovacieho impulzu pomocou prenosových hradiel presúvajú do vertikálnych posuvných registrov. Prenosové hradlá sú analógové prepínače medzi vertikálnymi posuvnými hradlami a fotodiódovým poľom. V porovnaní s FT CCD snímačmi je prenos pri IT CCD snímačoch rozdielny v tom, že prenos náboja z fotodiód do vertikálnych posuvných registrov prebieha súčasne. Nasledujúce operácie sú rovnaké ako pri FT CCD snímačoch, takže náboje každého riadku sa v čase horizontálneho zaťemňovacieho impulzu presúvajú do horizontálneho posuvného registra. Rovnako ako pri FT CCD snímačoch sa kvôli


zabráneniu ovplyvňovaniu vytvoreného náboja fotodiódami všetky plochy okrem fotodiód pokrývajú nepriehľadnou vrstvou kovu akým je napr. hliník.

Obr. 2.15 Plošný IT CCD snímač

IT CCD snímače odstraňujú nevýhody FT CCD snímačov spôsobené oddelenými časťami pre snímanie a čítanie. Počas čítania snímky sa snímacej časti vytvára nasledujúca snímka, čím sa získava nepretržité snímanie s vysokosnímkovou rýchlosťou. Vďaka takejto architektúre snímania sa významne redukuje efekt rozmazávania. Tento nepriaznivý jav nemôže byť úplne odstránený, pretože fotóny môžu po stranách migrovať z fotodiód do vertikálneho posuvného registra. Kvôli lepšiemu potlačeniu tohto efektu bola navrhnutá FIT architektúra snímania, naviac, aj v súčasne vyrábaných IT CCD snímačoch je ešte stále tento jav badateľný.

2.3.2.4.4 PLOŠNÝ FIT CCD SNÍMAČ

FIT CCD snímače sú CCD snímače so snímkovo-medziriadkovým prenosom (Frame Interline Trensfer CCD) a boli navrhnuté kvôli odstráneniu nevýhod, ktoré mali IT CCD snímače [Hama03, WEB04, Broo06]. FIT CCD snímače obsahujú v porovnaní s IT CCD dodatočnú pamäťovú časť a ich jednoduchá štruktúra je zobrazená na obr. 2.16.

Nahromadený náboj vo FIT CCD snímačoch sa presunie do do vertikálnych posuvných registrov a hneď potom začnú fotodiódy znova akumulovať ďalší náboj. Snímanie veľkej intenzity svetla v blízkosti vertikálnych posuvných registrov spôsobuje


ovplyvňovanie signálu v ich vnútri. Tento fenomén je známy ako rozmazávanie. Je to nežiaduci efekt a na reprodukovanom obraze sa prejavuje ako veľmi jasný prúžok svetla vo vertikálnom smere. Aby sa tento problém čo najlepšie potlačil, musia FIT CCD snímače čo najrýchlejšie presunúť náboje z fotodiód do pamäťovej časti. Tým sa v nich v porovnaní s IT CCD redukuje tento efekt rozmazania.

Obr. 2.16 Plošný FIT CCD snímač

FIT CCD snímače majú pamäťovú časť rovnakú ako FT CCD snímače, takže naakumulovaný náboj nie je nutné počas sériového čítania riadkov udržiavať vo vertikálnych posuvných registroch. Z tohto princípu vyplýva už spomínané potlačenie efektu rozmazávania. Najväčšie nevýhody IT a FIT architektúr sú spojené s ich zložitosťou, čo viedlo k ich vysokým cenám a nízkej citlivosti.


2.3.2.5 PRÚD ZA TMY CCD SNÍMAČA

CCD snímače sú charakteristické tým, že na ich výstupe sa vytvára nízkoúrovňový signál aj keď na ich povrch nedopadá žiadne svetlo. Táto úroveň výstupného signálu sa nazýva prúd za tmy alebo výstup za tmy (Dark Current resp. Dark Output) [Hama03, Broo06]. Obyčajne sa vyjadruje v ampéroch, A/cm2, alebo voltoch, avšak iba pri vedeckých aplikáciách sa vyjadruje v e-/pixel/sekunda. Takto definovaná jednotka určuje počet vygenerovaných elektrónov na jeden pixel za jednotku času. Prúd za tmy je spôsobovaný hlavne:

1. Tepelnou generáciou a difúziou v neutrálnej oblasti.

2. Tepelnou generáciou v ochudobnenej oblasti.

3. Tepelnou generáciou na rozhraní vrstiev Si a SiO2.

Obr. 2.17 Závislosť prúdu za tmy od teploty

Dominantná generácia elektrónov vzniká práve na rozhraní vrstiev Si - SiO2, pričom jej stupeň je silne závislý od teploty s ktorou je silne korelovaný. Na jeho zníženie sa používa tzv. MPP (Multi Pinned Phase) mód CCD snímača, pretože sa pri zvýšení teploty o 5-7°C jeho hodnota zdvojnásobuje. Krivka závislosti prúdu za tmy od teploty môže mať napríklad tvar zobrazený na obr. 2.17 (CCD čip spoločnosti HAMAMATSU - model S7010).


Chladenie CCD snímača pracujúceho v móde MPP je pri potláčaní veľkých hodnôt prúdu za tmy veľmi efektívne a to hlavne pri jeho vedeckých aplikáciách.

2.3.2.6 ŠUMY VYTVÁRANÉ V CCD SNÍMAČI

V CCD snímači existuje niekoľko zdrojov generujúcich šumy, ktoré v sebe zahŕňajú aj šumy spôsobené vonkajšími faktormi akým je napr. kozmické žiarenie a pod. Šumy vznikajúce výlučne vo vnútri CCD snímača je možné rozdeliť na tieto štyri typy [Hama03]:

Statický šumový obrazec, NF - FPN (Fixed Pattern Noise): je to šum spôsobený

rôznou citlivosťou dvoch susedných pixelov. Ich rôznu citlivosť zapríčiňuje

nehomogénnosť apertúry a tenkej vrstvy povlaku vznikajúca pri výrobe CCD

čipu. Pri veľkých úrovniach signálu je FPN šum úmerný dĺžke expozície.

V prípade jedného pixelu je NF=0.

Výstrelový šum, NS - SN (Shot Noise): je spôsobený štatickými zmenami

v počte dopadajúcich fotónov na CCD snímač. Podobne ako v CCD snímačoch,

vzniká takýto šum aj v ostatných typoch snímačov s Poissonovou distribúciou.

Dôsledkom SN šumu je tzv. prúd za tmy.

Výstrelový šum za tmy, ND - DSN (Dark Shot Noise): je to šum úmerný druhej

odmocnine z množstva elektrónov vygenerovaných za tmy. Miera jeho

potlačenia spočíva v minimalizácii púdu za tmy.

Čítací šum, NR - RN (Readout Noise): je to druh elektrického šumu

pozostávajúci z tepelného šumu (je spôsobený MOSFET súčiastkami z ktorých

sú vyrobené výstupné zosilňovače) a zo šumu čítacích obvodov. RN šum

stanovuje dolnú detekčnú hranicu CCD snímača. Keďže sa tento šum vzťahuje

len na operácie spojené s čítaním nábojov, je konštatný a nezávisí od veľkosti

signálu. Na druhej strane je predsa len závislý frekvenčne.

Výsledný šum je tvorený všetkými predchádzajúcimi typmi šumu a vypočíta sa nasledovne:


[ ]rmse2222 −+++= RDSFT NNNNN . (2.1)

Za predpokladu, že sa technologicky docieli dostatočne nízka hodnota prúdu za tmy a súčasne sa zníži počet falošne detekovaných nábojov, je veľkosť šumu definovaná ako počet elektrónov vytvorených hlavne čítacím šumom NR. Krivka závislosti čítacieho šumu od frekvencie môže mať napríklad tvar zobrazený na obr. 2.18 (HAMAMATSU - model S8655).

Obr. 2.18 Frekvenčná závislosť čítacieho šumu NR

2.3.2.7 SATURAČNÝ NÁBOJ CCD SNÍMAČA

Saturačný náboj CCD snímačov je rovný počtu elektrónom tvoriacich elektrický signál, ktoré môžu byť prenesené do susednej potenciálovej jamy a označuje sa skratkou FWC (Full Well Capacity) [Hama03, Broo06]. Saturačný náboj alebo FWC sa hlavne pre vedecké účely vyjadruje ako počet elektrónov, čiže e-. FWC pre CCD snímače je určená týmito štyrmi faktormi:

1. Saturácia vertikálneho posuvného registra - VFWC (Vertical FWC).

2. Saturácia horizontálneho posuvného registra - HFWC (Horizontal FWC).

3. Sumačná saturácia - SFWC (Summing FWC).

4. Saturácia výstupnej časti.


Pretože v CCD plošných snímačoch je náboj každého pixelu na výstupe samostatne, úroveň saturácie závisí len od saturácie vertikálneho posuvného registra. Na druhej strane je saturácia horizontálneho posuvného registra oveľa vyššia ako vertikálneho VFWC a nastavuje rozlíšenie radka (tzv. Line Binning), t.j. kombinácia nábojov všetkých pixelov v konkrétnom stĺpci umožňuje použitie 2D/plošného CCD snímača ako 1D/riadkového CCD snímača, napr. spektrometer. Sumačná FWC vzniká na sumačnom hradle a jej hodnota je vyššia ako HFWC. Celkové saturačné napätie VSAT výstupného signálu sa všeobecne definuje takto:

[ ]VVSAT SFWCV ×= , (2.2)

kde SV je koeficient prevodu náboja na napätie.

2.3.2.8 DYNAMICKÝ ROZSAH CCD SNÍMAČA

Termín „dynamický rozsah CCD snímača“ definuje rozsah detekčných úrovní v ktorom je snímač alebo detektor schopný detekovať signál správne. V tomto zmysle udáva dynamický rozsah DR (Dynamic Range) CCD snímača pomer maximálnej detekovanej a minimálnej detekovanej úrovne DL (Detection Limit) signálu. V tab. 2.1 je uvedený vzťah medzi počtom bitov použitých na uchovanie informácie, počtom úrovní šedej v obraze a zadpovedajúcou hodnotou dynamického rozsahu v dB mierke. Dynamický rozsah je tiež saturačný náboj FWC podelený čítacím šumom NR. Z toho vyplýva, že minimálna detekčná úroveň DL závisí tak od výstrelového šumu za tmy ND ako aj od čítacieho šumu NR a dynamický rozsah závisí od pracovných podmienok, akými sú teplota a integračný čas náboja. Dynamický rozsah stanovuje čítací šum pri stanovených pracovných podmienkach, kde je CCD čip chladený a šum ND môže byť zanedbaný. V katalógoch sa pod označením DR uvádza optimálny rozsah s maximálnou účinnosťou. DR sa vypočíta takto:

[ ]−= RNFWCDR / (2.3a)

alebo

( ) [ ]dB/log20 RNFWCDR ×= . (2.3b)


Tab. 2.1 Dynamický rozsah CCD snímača

BITOVÉ ROZLÍŠENIE FARBY [bit] ÚROVNE ŠEDEJ DYNAMICKÝ ROZSAH [dB]

1 2 6 dB

2 4 12 dB

3 8 18 dB

4 16 24 dB

5 32 30 dB

6 64 36 dB

7 128 42 dB

8 256 48 dB

9 512 54 dB

10 1 024 60 dB

11 2 048 66 dB

12 4 096 72 dB

13 8 192 78 dB

14 16 384 84 dB

16 65 536 96 dB

18 262 144 108 dB

20 1 048 576 120 dB

2.3.2.9 ROZLÍŠENIE CCD SNÍMAČA

Na určenie rozlíšenia CCD snímača sa často používa modulačná prenosová funkcia MTF (Modulation Transfer Function), ktorá vyjadruje kontrast pre stanovenú priestorovú frekvenciu (f/fn) scény. Aktívna oblasť CCD snímača je tvorená oddelenými pixelmi, čo v konečnom dôsledku spôsobuje obmedzenie rozlíšenia, ktoré je dané Nyquistovou hranicou založenou na diskrétnom vzorkovacom teoréme. Ideálna MTF funcia má takýto tvar:

( ) ( )[ ]nf2/f ××= πSincMTF (2.4)

kde f je priestorová frekvencia scény a fn Nyquistova priestorová frekvencia scény. Ako testovací obrazec sa obyčajne používa optický obdĺžikový priebeh, pretože sa obtiažne vytvára optický sínusový priebeh. V takomto prípade je priestorová frekvenčná odpoveď


definovaná funkciou CTF (Contrast Transfer Function) a líši sa od MTF. CTF môže byť pomocou Fourierovej transformácie prevedená na MTF.

Obr. 2.19 Závilosť MTF od vlnových dĺžok dopadajúcich fotónov

Rozlíšenie súčasných CCD snímačov je dané rozsahom difúzie, ktorá vznikala pred začiatkom hromadenia náboja v kremíku. Po absorpcii dopadnutých fotónov v ochudobnenej oblasti nevzniká difúzia vytvoreného náboja, ale zostane nahromadený v príslušnom pixeli. V dôsledku toho sa rozlíšenie CCD snímača nezhoršuje. Inými slovami, rozlíšenie závisí od hĺbky absorpcie dopadajúcich fotónov v kremíku. Z toho teda vyplýva, že dopadajúce fotóny s väčšími vlnovými dĺžkami zhoršujú rozlíšenie (obr. 2.19, HAMAMATSU - model S7010).

2.3.2.10 ŠKVRNY A DEFEKTY CCD SNÍMAČA

Pod pojmom škvrny CCD snímačov sa chápu „biele body“, ktoré sa objavujú pri snímaní tmavej scény a opačne, „čierne body“ pri s snímaní svetlej scény. Tieto biele a čierne body sa tiež označujú ako defektové body alebo defekty pixelov [Hama03, WEB04]. Biele body sú často spôsobené defektami mriežky v materiále substrátu, kovovými nečistotami a pod. Na zníženie ich počtu sa používa metóda nazývaná „gettering“, čiže getrovanie alebo odplynovanie, ale je veľmi ťažké ich odstrániť úplne. Naopak čierne body vznikajú pri zlom odraze dopadajúcich fotónov na povrch CCD snímača spôsobené prachom, alebo čiastočným poškodením povrchovej izolačnej vrstvy


CCD snímača. Z tohto dôvodu musí byť povrch CCD snímača vždy čistý, aby sa minimalizoval počet vzniknutých čiernych bodov. Pretože množstvo výrobcov používa pri klasifikácii defektov v CCD snímačoch vlastnú metodiku, je možné defekty ako také rozdeliť takto:

1. Bodové defekty: patria sem defekty samostatných pixelov (biele a čierne body).

2. Zhlukové defekty: tieto typy defektov sú tvorené 2-9 súvisle spojenými bielymi

alebo čiernymi bodmi. Často sa objavujú ako súvislé stĺpcovité pásy, ale môžu sa

vyskytovať aj vo forme 2D škvŕn.

3. Stĺpcové defekty: tieto typy defektov tvoria 10 a viac súvisle spojených bielych

alebo čiernych bodov. Svojím rozsahom sú obyčajne oveľa väčšie ako zhlukové

defekty a rovnako sa môžu vyskytovať ako veľké defektné 2D plochy.

Vo všeobecnosti je možné CCD snímače s malou aktívnou oblasťou vyrobiť bez defektov. Relatívne veľké defekty v nasnímanom obraze sa objavujú pri CCD snímačoch vyrábaných spolu s FOP (Fiber Optic Plate) alebo s FOS (Fiber Optic with x-ray Scintillator), ktoré snímajú röntgenové žiarenie a nasnímaný obraz ešte konvertujú do oblasti viditeľného spektra vlnových dĺžok. V týchto typoch CCD snímačov môžu vznikať aj defekty priamo nespôsobené CCD snímačom, a z tohto dôvodu sa vzniknuté defekty môžu od seba líšiť veľkosťou a/alebo tvarom.

2.3.2.11 EFEKT PRESVETLENIA

Presvetlením CCD snímača je označovaná chyba snímania obrazu, pri ktorej sa prekročí maximálne prípustné množstvo dopadajúcich fotónov na pixel (na snímač dopadá priveľké množstvo svetla, ktoré sa vo forme náboja prenesie aj do susedných potenciálových jám) alebo kapacita presunu náboja. V závislosti typu prenosu náboja je tento efekt viditeľný iba v jednom smere (vertikálnom alebo horizontálnom) [East94].

Na potlačenie presvetlenia riadkov alebo stĺpcov sa do štruktúry CCD snímača pridáva dodatočný prvok označovaný ako „odtok“, ktorý nadbytočné elektróny z preplnenej potenciálovej jamy odčerpá. Existujú dva typy odtokov

Postranný odtok - LOD (Lateral Overflow Drain),


Vertikálny odtok - VOD (Vertical Overflow Drain).

V štruktúre LOD je vedľa potenciálovej jamy (obr. 2.10) umiestnené tzv. protipresvetľovacie hradlo, ktorým sa riadi odčerpávanie prebytočného náboja. Po odčerpaní náboja sa elektróda hradla jednoducho uzemní a potenciálová jama pre prebytočný náboj sa vyprázdni. Priestorovým usporiadaní LOD riešenia je zavedenie dodatočnej štruktúry na snímacej ploche snímača, ktorá znižuje efektívnu snímaciu plochu pixela asi o 30%.

Obr. 2.20 LOD štruktúra

Naopak protipresvetľovacie štruktúra VOD (obr. 2.21) je umiestnená priamo pod potenciálovou jamou a neznižuje snímaciu plochu CCD snímača. VOD štruktúra je založená na inom epitaxnom raste štruktúry ako LOD. Využíva kontrolované rozdelenie implantovaných iónov vo vnorenom kanále tak, aby náboj mohol prechádzať do substrátu. Keď náboj kumulovaný v potenciálovej jame dosiahne saturačnú úroveň, nadbytočné elektróny prejdú do oblasti kde sa uzemnia. Pretože si toto riešenie vyžaduje veľmi tenkú aktívnu vrstvu, CCD snímač sa stáva menej citlivým v IR oblasti. Na obrazoch nasnímaných súčasnými CCD snímačmi už efekt presvetlenia nie je pozorovateľný


Obr. 2.21 VOD štruktúra

2.3.2.12 SPEKTRÁLNA CITLIVOSŤ CCD SNÍMAČOV

Kvantová účinnosť CCD snímača je definovaná ako počet vytvorených a úspešne čítaných párov elektrón-diera k počtu dopadajúcich fotónov. Vyššie účinnosti sú dôležité hlavne pre aplikácie snímajúce obraz pri nedostatočných svetelných podmienkach. Účinnosť CCD snímača ale nie je na všetkých vlnových dĺžkach rovnaká. Na obr. 2.22 sú zobrazené spektrálne citlivosti niekoľkých druhov CCD snímačov [Hama03]. V porovnaní s kvantovou účinnosťou ľudského oka je účinnosť CCD snímačov oveľa vyššia.

CCD snímače sa konštrukčným usporiadaním fotodiódovej snímacej plochy a substrátu delia na:

Snímače s osvetlením prednej strany - FSI CCD (FrontSide Illuminated

CCD),

Snímače s osvetlením zadnej strany - BSI CCD (BackSide Illuminated

CCD).

Od tohto usporiadania závisia parametre CCD snímača, ale hlavne jeho spektrálna citlivosť. Štandardné CCD snímače sú zväčša typu FSI (obr. 2.23a), ktoré sú citlivejšie na zelenú a červenú oblasť spektra, t.j. v rozmedzí 550÷900 nm.


Obr. 2.22 Spektrálna citlivosť niekoľkých typov CCD snímačov

Pretože klasický film má vyššiu cilivosť v oblasti spektra modrých farieb, boli pre vedecké aplikácie vyvinuté tzv. „Blue+“ CCD snímače, ktoré majú vylepšenú spektrálnu citlivosť v oblasti spektra modro-zelených farieb. Táto citlivosť sa dosahuje jedinečným fosforovým pokrytím hradiel (Lumogen). Je to spôsobené generáciou dodatočných fotónov od 500-580 nm v prípade, ak na snímací čip dopadajú fotóny s vlnovými dĺžkami od 120-450 nm. Pre svetlo s vlnovými dĺžkami nad 450 nm je vrstva priehľadná a neabsorbuje ho.

a) b)

Obr. 2.23 Konštrukčné usporiadanie CCD snímača, a) FSI CCD, b) BSI CCD


CCD snímače typu BSI úplne eliminujú straty spôsobené štruktúrou hradla, to znamená, že sú schopné naakumulovať a čítať väčšie množstvo dopadnutých fotónov ako FSI CCD snímače. Porovnanie spektrálnych citlivostí BSI a FSI CCD snímačov je zobrazené na obr. 2.24. Pri BSI štruktúre dopadajú fotóny na fotodiódovú plochu cez zadnú tenkú časť CCD snímača. Je to do substrátu vyleptaná 10-15 µm tenká vrstva. Pretože je technologicky výroba takéhoto CCD snímača kvôli jemným štruktúram veľmi náročná, používa sa iba vo veľmi kavitných vedeckých prístrojoch. BSI CCD snímače obsahujú na zvýšenie kvantovej účinnosti aj antireflexnú vrstvu, ktorá ale nie je účinná v celom viditeľnom spektre. Naviac môže byť kvôli niektorým aplikáciám vyžadujúcim snímanie v UV časti spektra CCD snímač pokrytý UV vrstvou, ktorá vylepší spektrálnu citlivosť FSI alebo BSI CCD snímačov v tejto oblasti tak ako je to zobrazené na obr. 2.24.

Obr. 2.24 Spektrálna citlivosť FSI a BSI CCD snímačov

2.3.3 CID SNÍMACIE PRVKY

CID snímacie prvky sa začali používať už od 1970, ale až v niekoľkých posledných rokoch po zvládnutí technológie sa našli aplikácie, kde by sa dali ich vlastnosti naplno využiť. Princíp CID snímačov bol pôvodne navrhnutý vedcami z GEC (General Electric Company) pri konštruovaní polovodičového pamäťového čipu. Využívajúc fotocitlivé


vlastnosti kremíka navrhli jednoduchú X-Y adresovateľnú plochu fotocitlivých kondenzátorov, a na základe týchto znalostí v roku 1972 vyvinuli prvú CID kameru. Počas 70-tych a 80-tych rokov 20. storočia pokračovali v ďalšom výskume, čo vyústilo do podania asi 30 patentov popisujúcich základnú štruktúru a čítacie techniky.

Obr. 2.25 X-Y adresácia v CID snímači

CID prvky sa svojou štruktúrou, princípom fungovania a spôsobom čítania nahromadených nábojov zásadne líšia od CCD snímačov. Ako už bolo spomenuté, sú tvorené fotocitlivými prvkami (MOS kondenzátory) s X-Y čítaním (obr. 2.25) [Back96, Batc97]. Každý pixel v CID snímači je počas čítania samostatne adresovaný systémom karteziánskych súradníc, pričom je možné čítanie jedného, viacerých alebo len niektorých riadkov alebo stĺpcov. Každý pixel obsahuje pár ortogonálnych polykryštalických elektród, ktoré sú tvorené dvomi zviazanými MOS kondenzátormi v n-dopovanom kremíku pre uchovanie fotoelektrického náboja a na čítacej strane sú pripojené k ostatným pixelom riadka alebo stĺpca (obr. 2.26).


Obr. 2.26 Štruktúra CID snímacieho prvku

Vyrábajú sa ako tenká priehľadná polykryštalická kremíková matica umiestnená na snímacom povrchu. Tenký prúžok kovu, ktorý sa nachádza na vrchu riadkov polykryštalického kremíka redukuje šum spôsobený samotným čítaním. Jeho nevýhodou ale je to, že tvorí prekážku dopadajúcemu svetlu.

K lepšiemu potlačeniu šumu pri čítaní sa v niektorých CID snímačoch používa jednoduchý predzosilňovač, ktorý je pripojený k jeho riadkom alebo stĺpcom. Podľa toho kde je tento predzosilovňovač umiestnený, sa ďalej delia na CID snímače s riadkovými predzosilňovačmi PPR (Preamp Per Row) alebo so stĺpcovými predzosilňovačmi PPC (Preamp Per Column) CID snímače. V súčasných CID snímačoch sa veľkosť jedného CID pixelu pohybuje v rozmedzí desiatok µm.

Zatiaľ čo pri CCD snímačoch sa náboje pri čítaní prenášajú (dôsledkom toho je zmazanie nábojov v snímači), v CID snímačoch sa neprenášajú. Vzhľadom na to, že po čítaní naakumulovaný náboj nezaniká, je možné ho ďalej čítať alebo pomocou neho adaptívne meniť mieru expozície. Z toho vyplýva, že čítanie v CID snímačoch (resp. vo všetkých snímačoch s X-Y vyčítavaním) je nedeštruktívne. Na druhej strane sa však pri snímaní novej snímky musia kvôli odstráneniu nábojov čítacie elektródy riadkov a stĺpcov pripojiť k zemi, alebo sa musia náboje injektovať do substrátu. Pretože X-Y čítanie je nedeštruktívne, je možné s CID snímačmi dosiahnuť extrémne veľké expozičné časy hlavne pri snímaní statických scén s nízkou svietivosťou. Pri zrušení vybíjania nábojov pri snímaní novej scény je možné vytvoriť obraz z niekoľkých snímok, čím sa získa obraz s optimálnou expozíciou. Expozícia môže trvať od niekoľkých milisekúnd až do niekoľkých hodín. Z toho vyplýva, že CID snímače sú špeciálne vhodné pre astronomické snímania a podobné aplikácie, pri ktorých sa snímajú obrazy s veľmi nízkou svietivosťou.


Ako už bolo spomenuté, každý pixel CID môže byť individuálne adresovateľný, a preto na čítanie nahromadených nábojov sa môže aplikovať tzv. progresívne čítanie. Tento princíp čítania nábojov umožňuje spracovanie obrazov v reálnom čase, pretože sa eliminuje oneskorenie spôsobované napr. prenosom náboja do pamäťových častí čipu. Riadky sa čítajú sekvenčne (1, 2, 3, atď.) čo umožňuje procesoru spracovávať jeden riadok videosignálu pri súčasnom čítaní nasledujúceho riadka. Progresívne snímanie umožnilo zavádzanie nových funkcií do kamier s CID snímačmi. Jednou z nich je tzv. „Frame Reset“ čiže vymazanie snímky, ktorá dovoľuje používateľovi znížiť vertikálny rozmer snímky v aplikáciách, kde sa nevyžaduje plné rozlíšenie ale je nutná vysoká rýchlosť snímania. Tá sa dosahuje tým, že sa číta len niekoľko riadkov z CID snímača (t.j. menší obraz sa číta rýchlejšie). Ďaľšou je tzv. „Rapid Scan“ alebo rýchle snímanie, ktoré umožňuje snímanie niekoľkých malých izolovaných častí obrazu, ktoré sa ďalej spracovávajú. Nevyužíva sa celá snímacia kapacita CID prvku a preto sa dosahuje vysoká rýchlosť čítania spolu s vysokou redukciou prenášaných dát. Táto funcia sa využíva aj pri sledovaní niekoľkých objektov jedným CID snímačom, ktoré sú od seba nezávislé (napr. sledovanie expiračných údajov a iných dát na liekoch, fľašiach a pod.).

Náhodný prístup na CID snímač (Random Access CID) umožňuje kvôli zabezbečeniu maximálnej snímacej rýchlosti adresáciu len niektorých pixelov a to v akejkoľvek sekvencii. Čítanie je riadené softvérovo. RACID snímanie sa úspešne presadilo pri snímaní pozícií hviezd alebo pri navigácii pomocou nich. V takom prípade sa snímajú len hviezdy nutné na určenie pozície, ktorých zmena polohy slúži na určenie pozičných vektorov.

Jednotná topologická štruktúra snímačov poskytuje homogénnu citlivosť na koherentné osvetlenie, ktoré je veľmi vhodné pre diagnostické zariadenia. CID snímače poskytujú spektrálnu odpoveď od 200nm do 1100nm, dovoľujúcu snímať obrazy od ultrafialového UV (Ultra Violet) až po infračervenú IR (Infra Red) časť spektra. Použitá PMOS štruktúra znižuje v porovnaní s NMOS štruktúrou (CCD snímače) vplyv radiácie. Obyčajne sa používajú v priemyselných röntgenových, vedeckých, vesmírnych alebo vojenských aplikáciách.

Kvôli efektívnosti pri spracovávaní obrazov na PC (Personal Computer) zariadeniach je vhodné, aby CID snímače mali veľkosť snímacieho formátu odvodenú od binárnych čísel a teda boli podobné veľkostiam pamätí (1024x1024, 512x512, 256x256 a pod.). Keďže ich pixely sú štvorcové, zjednodušujú výpočtové algoritmy a tým redukujú aj výpočtovú zložitosť.


CID snímače majú nízky prúd za tmy, ale na druhej strane majú v porovnaní s CCD prvkami väčší šum, ktorý súvisí s princípom vyčítavania naakumulovaných nábojov. Jeho vznik je zapríčinený hlavne parazitnými kapacitami a odpormi samotných prívodov a preto aj z tohto dôvodu sa CID snímače až v takej miere nepoužívajú. Sú odolné voči veľkým hodnotám osvetlenia a preto nespôsobujú efekt presvetlenia snímača (smear alebo blooming efekt). Samotné fotodetektory sú umiestnené na celom čipe, takže maximálne využívajú jeho plochu na snímanie obrazu.

V súčasnosti sú najväčšími výrobcami CID snímačov firmy ako Thermoelectron, Spectra-Physics/Photonics, Hamamatsu Corporation a iné.

2.3.4 CCPD SNÍMACIE PRVKY

Nábojovo viazané fotodiódové snímače pozostávajú z fotodiód s CCD čítaním a niekedy sa označujú ako hybridné [Batc97]. CCPD snímače dosahujú vďaka CCD čítaniu nízky šum a vysokú snímaciu rýchlosť. Na druhej strane fotodiódy im zabezpečujú zasa dobrú spektrálnu odozvu hlavne v oblasti modrých vlnových dĺžkach. Väčšina 2D IT a FIT CCD používa ako snímací prvok fotodiódy namiesto MOS kondenzátorov a rovnako aj niektoré PDA snímače majú rovnakú štruktúru ako CCPD snímače. V podstate sa pre ne používa spoločné označenie PDA a obyčajne sa vzťahuje na lineárne snímače s MOS alebo CCPD štruktúrou. Rovnako ich možno označiť aj ako lineárne fotodiódové snímacie plochy LPDA (Linear PhotoDiode Array).

2.3.5 CMOS SNÍMACIE PRVKY

CMOS snímače tak ako CCD snímače premieňajú intenzitu svetla na adekvátne množstvo elektrického náboja rovnakým spôsobom, ale princíp fungovania majú spoločný s fotodiódovými prvkami. Ako primárne fotocitlivé elementy môžu obsahovať tak fotodiódy ako aj MOS kondenzátory [Chen03]. Fotodiódy sú obyčajne citlivejšie v oblasti spektra modrých farieb, čo je dôležité hlavne pri snímaní farebnými kamerami, a preto sú pri CMOS snímačoch uprednostňované. V súčastnosti sa presadili hlavne ako snímacie prvky webových kamier.

V niektorých CMOS snímačoch sú zosilňovače umiestňené na vrchu každého stĺpca pixelov, pričom každý pixel obsahuje jeden tranzistor, ktorý sa používa ako nábojové


hradlo a naakumulovaný náboj spína s nábojovým zosilňovačom. Takýto typ CMOS snímačov sa preto označuje PPS CMOS a pracujú podobne ako analógové pamäte s dynamickým náhodným prístupom DRAM (Dynamic Random Access Memory). Druhým typom CMOS snímačov sú tzv. APS CMOS snímače, ktoré majú zosilňovače implementované v každom pixeli a každý z nich obsahuje minimálne 3 tranzistory. APS snímače majú v porovnaní s PPS snímačmi nízky šum, ale nižšiu hustotu integrácie. Posledným typom CMOS snímačov je DPS CMOS snímač, ktorý v porovnaní PPS alebo APS CMOS snímačmi (analógové videosignály) produkuje výstupný videosignál v digitálnej forme [Chen03]. Principiálne schémy všetkých typov CMOS snímačov sú zobrazené na obr. 2.27.

a) b) c)

Obr. 2.27 CMOS snímacie prvky a) PPS, b) APS, c) DPS

CMOS snímače majú v porovnaní s inými tieto vlastnosti:

malý príkon,

veľký šum,

vysoká snímacia rýchlosť,

nízka kvalita nasnímaných obrazov (v porovnaní s CCD snímačmi),

kompresia dát,

snímanie a spracovávanie priamo na čipe,

schopnosť integrácie ďalšej elektroniky na čipe (napr. A/D prevodník a pod.).

V súčasnosti sú najväčšími výrobcami CMOS snímačov firmy ako Micron (Photobit), Omnivision, ST (VLSI Vision), Mitsubishi, IBM a iné.


2.3.5.1 PPS SNÍMACIE PRVKY

CMOS snímacie prvky s pasívnym pixelom patrili medzi prvé snímacie prvky používané už v 60-tych rokoch dvadsiateho storočia. V pasívnych CMOS snímačoch sa snímaný obraz fotocitlivou plochou prevádzal na elektrický náboj. Zaznamenaný náboj sa potom zo senzora čítal a externým zosilňovačom zosilňoval. Tieto snímače boli malé, pretože ich tvorili iba fotocitlivé plôšky a ich kontakty. Ich najväčším nedostatkom však bol šum, ktorý vznikal v pozadí snímaného obrazu. Práve na jeho potlačenie sa museli používať dodatočné techniky spracovávania signálov, čo kládlo na takéto zariadenia ďalšie náklady.

2.3.5.2 APS SNÍMACIE PRVKY

APS snímače sú vytvorené CMOS technológiou, kde pri každom pixeli je integrovaný zosilňovač, čím sa odstraňujú problémy CID snímačov spojené s parazitnými kapacitami a odpormi prívodov. Čítanie je typu CMOS X-Y a v prípade APS zaberá veľkú časť bunky celého pixelu (v niektorých snímačoch to je až 75%). Táto nevýhoda je kompenzovaná už spomínaným lepším potlačením šumu, ale pretože je efektívna fotocitlivá plocha malá, vyžaduje sa dodatočné zvýšenie citlivosti celého snímača.

Obr. 2.28 Štruktúra APS CMOS snímača

APS CMOS snímače potláčajú šum, ktorý sa v PPS CMOS snímačoch generuje hlavne pri čítaní naakumulovaných nábojov. V súčasnosti umožňujú snímať obrazy pri veľkom rozlíšení (rádovo desiatky megapixelov) a sú aj veľmi vhodné ako lineárne snímače. APS CMOS snímače sa vyrábajú rovnakou technológiou ako konvenčné CMOS súčiastky, takže je ich výroba lacná a naviac umožňuje integráciu ďalších funkcií akými sú A/D prevodník, časovacia/synchronizačná logika, detekcia hrán, prahovanie, detekcia


pohybu, priestorová filtrácia a pod. Štruktúra APS CMOS snímača je zobrazená na obr. 2.28.

Zaujímavosťou pri APS CMOS snímačoch sú aj mikrošošovky, ktoré zaostrujú dopadajúce svetlo z elektroniky zosilňovača a vyčítavacích obvodov na fotocitlivú časť snímača, takže väčšina optických častí je navrhnutá pre dopadajúce svetlo pod špecifickými uhlami a vlnovými dĺžkami. Aj z tohto dôvodu nie sú mikrošošovky vhodné pre rýchle alebo vysoko kvalitné optické systémy.

Donedávna boli APS CMOS snímače vyrábané len ako monolitické senzory s aktívnymi pixelmi MAPS (Monolithic Active Pixel Sensors) CMOS snímače, v ktorých boli fotodiódy aj CMOS spínacie obvody umiestnené na jednom polovodiči. V posledných rokoch sa však komerčne presadili hybridné APS CMOS snímače, v ktorých boli obidve časti od seba oddelené ale navzájom prepojené. Obidva prístupy však majú veľký nedostatok, ktorý súvisí s rôznym zosilnením zosilňovačov pre jednotlivé pixely. Z tohto dôvodu sa APS CMOS snímače zatiaľ používajú iba v hračkách alebo v nízkokvalitných zariadeniach a s najväčšou pravdepodobnosťou sa v najbližších rokoch ani nebudú vo vysoko kvalitných snímacích zariadeniach používať. Aj napriek tomuto faktu je táto technológia snímačov veľmi perspektívna, pretože je veľmi lacná, má nízku spotrebu, pomocou nej sa vyrába množstvo iných súčiastok a umožňuje vytvoriť snímacie polia s veľkým počtom pixelov.

2.3.5.3 DPS SNÍMACIE PRVKY

V DSP CMOS snímačoch obsahuje každý pixel A/D prevodník. Všetky prevodníky pracujú paralelne a po prevode do digitálneho tvaru sa dáta uchovávajú v pamäti. Z nej sa potom čítajú rovnako ako pri iných typoch pamätí. DPS architektúra CMOS snímačov má v porovnaní s analógovými PPS a APS snímačmi niekoľko výhod. V prvom rade je to lepšia adresácia, ktorá spolu s CMOS technológiou redukuje požiadavky na analógové obvody a tým eliminuje šumy spojené s čítaním nábojov. Naviac A/D prevodníky a pamäte umiestnené v každom pixeli dovoľujú masívne a veľmi rýchle paralelné čítanie nasnímaných obrazov/nábojov, a preto sa môžu používať aj v aplikáciách s pohybovou estimáciou. K ich nevýhodám patrí veľká snímacia plocha pixelu, ktorá je zapríčinená hlavne zväčšeným počtom tranzistorov na jeden pixel.

3 PRINCÍPY SNÍMANIA FAREBNÉHO OBRAZU

V predchádzajúcej kapitole boli opísané základné prvky snímania šedého (monochromatického) obrazu. V súčasnosti sa až na niektoré aplikácie (napr. priemyselné, medicínske a pod.) sníma obraz vo farbe. Tak ako bolo spomenuté v kap. 1.3, záznam/reprodukciu akejkoľvek farby je možné získať lineárnou kombináciou troch základných farieb, pričom ani jedna z nich nemôže vzniknúť lineárnou kombináciou ostatných. Snímanie farby sa preto môže relizovať v 3 základných farbách (RGB, CMY alebo ich kombináciou) alebo 4 farbách (3 základné farby doplnené o bielu alebo o primárnu farbu s posunutou spektrálnou citlivosťou). Pri výbere optimálneho kolorimetrického spôsobu snímania sa posudzujú niektoré technické a fyzikálne parametre akými sú: odolnosť voči farebným artefaktom a moiré efektu, vplyv použitého vzoru farebných filtrov na nedokonalosti snímača, jednoduchý princíp rekonštrukcie farby, odolnosť voči optickému/elektrickému rušeniu medzi susednými pixelmi a pod.

Principiálne existujú iba 3 možnosti ako zosnímať farebný obraz [Kuya05]:

1. Mozaikové snímanie - MS (Mosaic Sensing).

2. Trojsnímačové snímanie - TCHS (Three-Chip Sensing).

3. Trojzáberové snímanie - TSS (Three-Shot Sensing).

Jednosnímačové a aj trojsnímačové snímacie zariadenia realizujú snímanie jedným záberom. Okrem nich sem patria aj tzv. dvojsnímačové systémy snímania. Dvojsnímačové systémy snímajú chrominanciu (farba) jedným snímačom (obyčajne obsahuje filtre pre snímanie R a B primárnych farieb) a luminanciu (jas) druhým snímačom (bez filtra alebo s filtrom snímajúcim G zložku), pričom sa chýbajúce R a B pixely musia interpolovať. Interpolačné algoritmy sú podobné jednosnímačovým systémom snímania (istou výhodou

Princípy snímania farebného obrazu 79

sú snáď nižšie nároky na výpočtový výkon pri interpolácii chrominančných zložiek), ale samotný princíp snímania je rovnaký ako pri trojsnímačovom snímaní.

Špeciálnym prípadom snímania farebného obrazu sú tzv. lineárne snímače. Lineárne snímače existujú len vo forme snímačov pevnej fázy (PDA, CCD, CID, CCPD a CMOS), pretože sa pre vákuové snímacie elektrónky (napr. riadkové snímače) nenašlo uplatnenie. Najčastejšia aplikácia lineárnych snímačov s farebnými optickými filtrami (Color Filter Array) je vo vedeckých prístrojoch akými sú napr. spektrometre.

Na obr. 3.1 sú zobrazené základné princípy snímania farby lineárnymi (1D) snímačmi [Jeti05]. Vytváranie R-G-B signálov v zmysle mozaikového snímania je zobrazené na obr. 3.1b, kde sa obraz sníma len jedným snímačom. Naopak, ekvivalentami trojsnímačového snímania sú snímania zobrazené na obr. 3.1a, c.

Obr. 3.1 Snímanie farby lineárnymi snímačmi

3.1 MOZAIKOVÉ SNÍMANIE

Pri profesionálnom snímaní farebných obrazov s vysokým rozlíšením sa používajú trojsnímačové alebo trojzáberové systémy snímania. Vo väčšine komerčných aplikáciách sa používa iný prístup tzv. Filtre CFA (Color Filter Array), ktoré sa umiestňujú bezprostredne na ploche snímača (obr. 3.2) [Baye76, Gunt05, Hube04, Chen03, Kuya05, Luki04, Lyon02, Malv04, Rama02, WEB01, WEB09-12].

Mozaikové snímanie rovnako ako trojzáberové snímanie využíva na snímanie farebných obrazov jeden snímač. Na druhej strane, s trojsnímačovým snímaním ich spája

80 Princípy snímania farebného obrazu

princíp tzv. jednozáberového snímania (Single-Shot Sensing). V súčasnosti existuje niekoľko spôsobov rozkladu dopadajúceho svetla použitím filtrov CFA. Vo všeobecnosti existujú dva typy CFA vzorov a to pásikové (Stripe) alebo Bayerové (s pevným počtom susedných pixelov), ktoré boli navrhnuté pre riadkové/stĺpcové, čiže lineárne snímače, ale aj pre plošné snímače. Špeciálnym prípadom mozaikových CFA filtrov sú pseudo-náhodné CFA filtre s veľkým jadrom (dá sa povedať, že sa jedná o pásikové CFA, kde pásik tvorí presne definované štvorcové jadro) a pseudonáhodné CFA s malým Bayerovým jadrom (jadro CFA filtrov nie je štvorcové, ale presne ohraničené).

Obr. 3.2 Mozaikové snímanie farebného obrazu

Všetky CFA mozaikové filtre (pásikové aj Bayerové s pevným počtom susedných pixelov) môžu byť jednoznačne definované počtom susedných pixelov ostatných farieb umiestnených okolo centrálneho pixelu (každý pixel má štyri susedné pixely, tj. k ich popisu sa využíva len horizontálny a vertikálny smer, pretože pixely umiestnené v diagonálach majú len veľmi nízky vplyv na centrálny pixel). Od tvaru CFA vzoru závisia jeho parametre, z ktorých najdôležitejšími sú spektrálna odozva, úroveň presluchov medzi R-G-B kanálmi, miera straty chrominančných zložiek signálu a pod.

Výhody mozaikového (jednosnímačového) snímania

veľmi nízke výrobne náklady,

malé rozmery a z nich vyplývajúca aj nižšia hmotnosť,

lepšia citlivosť pri snímaní scény s nízkym osvetlením v porovnaní

s trojsnímačovým snímaním.


Nevýhody mozaikového (jednosnímačového) snímania

pri rekonštrukcii farby sa musí používať zložitejšia elektronika a interpolačné

algoritmy,

nižšie priestorové rozlíšenie (o 35% v horizontálnom a o 20% vo vertikálnom

smere),

vznik farebných moiré efektov a iných farebných artefaktov hlavne pri vzoroch

Bayer,

nepresná reprodukcia farieb.

3.1.1 PÁSIKOVÉ OPTICKÉ FAREBNÉ FILTRE

3.1.1.1 PÁSIKOVÝ VZOR S PEVNÝM POČTOM SUSEDNÝCH PIXELOV

Najjednoduchším princípom rozkladu farebného obrazu R-G-B zložky je pravidelné rozloženie farebných filtrov s pevným vzorom v riadku, stĺpci alebo diagonále (obr. 3.3). Označujú sa ako „Stripe“ CFA alebo pásikové optické farebné filtre a obyčajne sa používajú pri CCD snímačoch so snímkovým prenosom.

Vertikálne a horizontálne pásikové vzory s pevným počtom susedných pixelov sú definované rovnako a od seba sa líšia iba orientáciou (obr. 3.3a-b). V okolí každého R pixelu sú umiestnené dva ďalšie pixely R a po jednom pixeli G a B. V prípade diagonálneho pásikového CFA filtra (obr. 3.3c) susedí každý R pixel s dvoma G aj B pixelmi.

Aby bol farebný snímač čo najviac odolný voči farebným artefaktom a moiré efektu, musia byť pre každý pixel všetky R-G-B zložky signálu čo najlepšie zrekonštruované. Toto je možné len vtedy, ak sa v okolí každého pixelu jednej farby nachádzajú všetky ostatné zložky. Z pásikových CFA filtrov sú preto najvhodnejšie vertikálne a diagonálne vzory. Ako už bolo spomenuté, pásikové CFA filtre sa najčastejšie používajú v FT CCD snímačoch, pričom práve vertikálny vzor je pre ne najvhodnejší. Na druhej strane, z pohľadu eliminácie defektov snímača je lepší diagonálny pásikový vzor. Jadro


diagonálneho pásikového vzoru má rozmer 3x3 obrazových bodov. Pretože tvar usporiadania farebných filtrov kopíruje hlavnú diagonálu, vytvárajú sa artefakty v hlavnej diagonálne a tolerujú sa vertikálne a horizontálne defekty snímača.

(a) (b) (c)

Obr. 3.3 Pásikový filter s pevným vzorom, a) horizontálnym, b) vertikálnym, c) diagonálnym

Inou variáciou pásikových CFA filtrov je snímanie obrazu komplementárnymi farebnými filtrami C-Y (obr. 3.4b) [WEB03, McGr05]. Predstavuje to istú výhodu, pretože na snímanie stačia iba dva filtre. Tretí zelený filter sa získa preložením C-Y filtrov komplementárnych farieb. Ďalšou výhodou je získanie vysokofrekvenčných zložiek obrazu z G-signálu (tzv. vysokofrekvenčná zelená). Ich nevýhodou je však nutnosť použitia dodatočného spracovania komplementárnych videosignálov, pomocou ktorých sa počítajú R-G-B signály.

(a) (b)

Obr. 3.4 Pásikový filter s pevným verikálnym vzorom, a) R-G-B primárne farby, b) C-Y komplementárne farby


3.1.1.2 PÁSIKOVÉ FILTRE S PSEUDONÁHODNÝMI VZORMI

Sú to CFA vzory s veľkými jadrami R-G-B filtrov, ktoré sú náhodne rozmiestnené na snímači. Niektoré vzory sú veľmi vhodné pri potláčaní moiré efektov (artefaktov), ktoré vznikajú ako interferencie z opakujúcich sa CFA vzorov. Pseudonáhodné a podobné opakovacie vzory majú jednu veľkú nevýhodu a to tú, že nie každý R pixel má rovnaký počet susedných G a B pixelov (obr. 3.5) [WEB11]. Tento fakt spôsobuje vzájomné ovplyvňovanie pri vnímaní farby, pretože výsledná farba pixelu nezávisí bezprostredne len od jeho vlastnej farby, ale aj od farieb susedných pixelov. Je zrejmé, že sa pozorovateľovi bude javiť výsledná farba inak, ak sa pri sebe budú nachádzať R a G pixely a inak pri R a B pixeloch. Pri týchto pseudonáhodných vzoroch sa počet susedných pixelov rovnakej farby mení. Z tohto dôvodu bude v snímaných obrazoch vidieť vzor priestorovej chrominancie, ktorý sa v niektorých prípadoch bude zdať až neznesiteľný. Toto je nepochybne hlavný dôvod, prečo sa doteraz pseudonáhodné vzory s veľkými jadrami až v takej miere nepoužívajú.

Obr. 3.5 Pásikové filtre s pseudonáhodným vzorom

3.1.2 OPTICKÉ FAREBNÉ FILTRE TYPU BAYER

V súčasnosti sa v komerčných aplikáciách používajú hlavne CFA filtre s mozaikovým vzorom Bayer, ktoré v roku 1975 navrhol Dr. Bryce Bayer z Eastmen Kodak [Baye76]. Všetky druhy mozaikových CFA filtrov sa obyčajne umiestňujú na čip a to priamo pred fotocitlivú plochu. Rozdiel medzi pásikovými a Bayerovými vzormi je len v tom, že vzory


typu Bayer používajú naviac softvérovú interpoláciu pixelov nachádzajúcich sa medzi pixelmi ostatných farieb.

Rovnako, ako pri pásikových CFA filtroch, aj pri Bayerových CFA filtroch platí, že úroveň odolnosti snímača od moiré efektu a vzniku iných artefaktov závisí od rekonštrukcie (interpolácie) R-G-B signálov. Bayerove CFA filtre sú v súčasnosti populárnejšie ako pásikové vzory. Existujú tak v modifikáciách s pevným počtom susedných pixelov ako aj v pseudo-náhodných modifikáciách a ich relatívna spektrálna citlivosť má približne tvar zobrazený na obr. 3.6.

Obr. 3.6 Relatívna spektrálna citlivosť snímačov s CFA filtrom typu Bayer

3.1.2.1 VZOR BAYER S PEVNÝM POČTOM SUSEDNÝCH PIXELOV

Symetrický (obr. 3.7a) aj diagonálny (obr. 3.7b) Bayerov CFA filter s pevným vzorom sa od seba vizuálne líšia, avšak sú definované rovnako [Baye76, Hube04, Malv04, Rama02, WEB03, WEB09-12]. V okolí každého R a B pixelu sa nachádzajú štyri G pixely a v okolí G pixelov po dva R a B pixely. Pretože je rozmiestnenie farebných filtrov rôzne, líšia sa aj ich vlastnosti. Symetrická verzia Bayerovho filtra sa vyznačuje hustejším a symetrickým rozložením R a B filtrov na čipe snímača a je citlivejšia na vertikálne a horizontálne artefakty. Na druhej strane, jeho diagonálna verzia je citlivejšia na artefakty hlavných diagonál a preto je lepšie odolný voči nedokonalostiam snímača (defekty snímača vznikajú zvyčajne technologickou chybou, spôsobujúcou horizontálne alebo vertikálne skupiny defektov, viď. kap. 2.3.2.10).


Jadro symetrického Bayerovho vzoru má rozmer 2x2. Použitím dvoch G pixelov na každý R a B pixel sa dosiahla maximálna hodnota ostrosti jasového kanála, pretože sa vytvára hlavne z G pixelov. Nasnímaný obraz obsahuje len 50% pixelov pôvodného snímaného obrazu, a preto sa v jasovej zložke nenachádzajú všetky detaily. Rovnako sa v nasnímanom obraze nebudú nachádzať ani chrominančné detaily, pretože hustota R a B pixelov je len 25%. Na ploche snímača sa vyskytuje dvakrát viac pixelov prekrytých zeleným než červeným alebo modrým filtrom. Je to preto, lebo oko je oveľa viac citlivejšie na zelenú oblasť spektra a rovnako aj preto, že luminančný signál je tvorený všetkými R-G-B zložkami a jej najväčšiu časť tvorí práve G zložka.

(a) (b)

Obr. 3.7 Filter typu Bayer s pevným vzorom, (a) symetrickým, (b) diagonálnym

Na obr. 3.7 je v obidvoch prípadoch vidieť rozloženie vzoru do jednotlivých kanálov a tiež to, že až 2/3 dát nedokáže snímač zaznamenať. Na získanie kompletných R-G-B zložiek musia byť chýbajúce pozície R-G-B pixelov interpolované. Z toho tiež vyplýza, že ich horizontálne rozlíšenie je v porovnaní s monochromatickými snímačmi polovičné (rovnaká architektúra snímača s pásikovým filtrom má iba tretinové rozlíšenie) a rovnako aj ich vertikálne rozlíšenie je polovičné.

Bayerove CFA priniesli v porovnaní s pásikovými vzormi zlepšenie kvality nasnímaných obrazov a tiež aj zníženie ceny snímacieho systému. Na druhej strane, ak porovnávame kvalitu obrazu alebo vznik artefaktov s trojsnímačovým alebo trojzáberovým princípom snímania, je hociktorý mozaikový systém snímania už principiálne odkázaný poskytovať nižšiu kvalitu obrazu. Pretože je hustota pixelov primárnych farieb nízka, musia sa, ako už bolo spomenuté, chýbajúce pixely interpolovať. S týmto nedostatkom súvisia aj ďalšie nutné operácie s nasnímaným obrazom, medzi ktoré patria ostrenie v jasovom kanáli a chrominančných kanáloch a rovnako aj potláčanie moiré a iných artefaktov. V spojení s týmito CFA filtrami sa tiež používajú aj rôzne filtre potláčajúce rozmazanie tzv. AAF (Anti-Aliasing Filter) alebo optické dolnopriepustné filtre (Optical Low-Pass Filter), ktoré


sa používajú nielen v profesionálnych, ale aj v bežných digitálnych snímacích zariadeniach, okrem snímačov v mobilných telefónoch (hlavným dôvodom je zníženie ceny mobilného telefónu). Korekčné filtre sa zvyčajne osadzujú vo dvojici a v optickej osi tak, že jeden potláča rozmazanie v horizontálnom a druhý vo vertikálnom smere.

Najčastejšie sa mozaikové Bayerove CFA vzory používajú v IT CCD snímačoch, ktoré obyčajne využívajú maticu Bayerových filtrov usporiadananých do blokov 2x2 (symetrické jadro Bayer). Vzor symetrického filtra je usporiadaný vetikálne/horizontálne a preto aj artefakty vznikajú vo verikálnych a horizontálnych riadkoch. Rovnako je citlivý aj na horizontálne a vertikálne defekty snímača. Opakujúce sa vzory farebných filtrov s pevným počtom susedných pixelov spôsobujú vždy v niektorom smere farebné moiré vzory, ktoré sú totožné so vzormi použitého CFA filtra. Tieto efekty je skoro nemožné potlačiť, ale môžu sa čiastočne potlačiť tzv. pseudonáhodnými vzormi.

3.1.2.1.1 INTERPOLÁCIA PIXELOV VZORU BAYER

Veľmi dôležitou operáciou pri získavaní čo najreálnejšieho farebného obrazu je interpolácia chýbajúcich pixelov R-G-B farieb. Algoritmy realizujúce vytvorenie plne zložkového R-G-B obrazu z mozaikového Bayerovho CFA snímača sa nazývajú DMA algoritmy (De-Mosaic Algorithm) [Gunt05, Luki04, Malv04, Hube04, Rama02, McGr05, WEB01, WEB09-12].

DMA algoritmy je možné rozdeliť do dvoch skupín:

Neadaptívne DMA algoritmy - NADMA (Non-Adaptive DMA): NNR (Nearest

Neighbour Replication), BI (Bilinear Interpolation), CC (Cubic Convolution),

SHT (Smooth Hue Transition), a iné.

Adaptívne DMA algoritmy - ADMA (Adaptive DMA): ESI (Edge Sensing

Interpolation), ICC (Interpolation with Color Correction), GI (Gradient

Interpolation), PRI (Pattern Recognition Interpolation), PMI (Pattern Matching

Interpolation), a iné.

Jedným z najjednoduchších a robustných NADMA algorimov interpolácie chýbajúcich pixelov je bilineárna interpolácia (Bilinear Interpolation). BI interpolácia je zobrazená na obr. 3.8 a výpočet chýbajúcich pixelov sa realizuje podľa týchto vzťahov:


( )( )( )( )

( )

( )( )( ) 4/BBBBB

2/BBB2/BBB

BB

4/GGGGGGGGG

4/GGGGG

4/RRRRR2/RRR2/RRR

RR

4,44,22,42,23,3

4,22,23,2

2,42,22,3

2,22,2

4,33,43,22,33,3

3,23,2

2,22,3

3,22,32,11,22,2

3,33,11,31,12,2

3,11,12,1

1,31,11,2

1,11,1

+++=

+=

+=

=

+++=

=

=

+++=

+++=

+=

+=

=

(3.1)

Je jasné, že ostatné hlavne ADMA algoritmy sú oveľa zložitejšie, sofistikovanejšie a ponúkajú lepšiu interpoláciu farebných zložiek obrazu. Toto si ale vyžaduje vyšší výpočtový čas a naviac aj dodatočné zariadenia na ich realizáciu, čo v konečnom dôsledku zvyšuje cenu snímacieho zariadenia. Veľké množstvo lacnejších snímacích zariadení používa jednoduché interpolačné algoritmy, z ktorých je práve bilineárna interpolácia dominantná.

(a) (b) (c)

Obr. 3.8 Bilineárna interpolácia susedných pixelov rovnakej farby, (a) R, (b) G, (c) B

3.1.2.2 PSEUDONÁHODNÉ VZORY TYPU BAYER

Existuje veľké množstvo pseudonáhodných vzorov typu Bayer [Baye76, WEB11]. Od pseudonáhodných pásikových vzorov sa líšia nielen tým, že jadrá ich vzorov majú menší rozmer, ale aj tým, že G pixely filtrov sú na čipe rozmiestnené štandardne a iba R spolu s B pixelmi tvoria pseudonáhodný vzor. Na obr. 3.8 sú zobrazené dva takéto typy pseudonáhodných vzorov Bayer.


Na obr. 3.9a je zobrazený pseudonáhodný vzor Bayer s jadrom obsahujúcim 12 pixelov s pomerom R-G-B filtrov 1-2-1. Jadro tohto vzoru je definované takto: v okolí každých R a B pixelov sa nachádzajú štyri G pixely a v okolí G pixelov po dva R a B pixely. Takto definované jadro je však totožné so symetrickým Bayerovým vzorom. Rozdiel je v pravidelnom striedaní R a B pixelov v smere hlavnej diagonály, kde sa strieda pomer R a B pixelov v pomere 2:1 v nepárnych a 1:2 v párnych diagonálach. Tento vzor lepšie potláča diagonálny moiré efekt, ktorý sa dosahuje práve nerovnomerným rozložením R a B pixelov v diagonálach.

(a) (b)

Obr. 3.9 Filtre typu Bayer s pseudonáhodnými vzormi a rôznymi jadrami

Podobne na obr. 3.9b je zobrazené jadro s pseudonáhodným vzorom iba s 10 pixelmi a s pomerom R-G-B filtrov 2-2-1. V jeho jadre pripadajú na každý R pixel tri G pixely a jeden B pixel, na jeden G pixel tri R pixely a jeden B pixel. Iba okolie B pixelov je definované dvoma spôsobmi, ktoré sa pravidelne striedajú. V prvom prípade pripadajú na jeden B pixel štyri R pixely a v druhom prípade štyri G pixely. R a G pixely tak vytvárajú šachovnicový vzor doplnený pravidelným umiestnením B pixelov. Pretože dva susedné B pixely majú rôzne okolia, musia sa pri vytváraní farebného obrazu spracovávať obidva prípady odlišne. Aj napriek tomu, že hustota R a B pixelov nie je rovnaká, existujú relevantné dôvody, prečo sa takýto vzor používa.

3.2 TROJSNÍMAČOVÉ SNÍMANIE

Ako už názov napovedá, jedná sa o snímanie farebného obrazu tromi nezávislými snímačmi [Kuya05]. Princípy trojsnímačového snímania je možné rozdeliť do dvoch tried. Do prvej triedy patrí snímanie celoplošnými CFA filtrami, ďalej snímanie dichroickými zrkadlami/filtrami a nakoniec snímanie trojbokým hranolom. Všetky tieto typy sa od seba


odlišujú jedine tým, akým spôsobom dopadajúce svetlo konvertujú na zložky zodpovedajúce primárnym R-G-B farbám. Do druhej triedy, s principiálne odlišným princípom snímania farebného obrazu, patrí Foveon X3®.

Výhody trojsnímačového snímania

plné rozlíšenie farebného obrazu,

jednoduché softvérové spracovanie nasnímaných dát.

Nevýhody trojsnímačového snímania

vysoká cena snímacieho zariadenia (potreba dichroických zrkadiel alebo

trojbokého hranola a troch snímačov,

väčšie rozmery spôsobené konštrukčným rozložením dichroických zrkadiel alebo

hranola a snímačov,

väčšia hmotnosť (spôsobená predchádzajúcou nevýhodou),

vyžaduje špeciálnu optiku, ktorá je naviac drahá,

obtiažna kalibrácia medzi jednotlivými kanálmi,

horšia citlivosť pri snímaní s nízkou intenzitou osvetlenia (nízka úroveň

signálov) spôsobená delením dopadajúceho svetla do troch kanálov.

3.2.1 TROJSNÍMAČOVÉ SNÍMANIE S OPTICKOU KONVERZIOU

3.2.1.1 SNÍMANIE CELOPLOŠNÝMI CFA FILTRAMI

Snímanie CFA filtrami je podobné ako pri snímaní s CFA filtrami s jedným snímačom. Rozdiel je ale v tom, že filter každej primárnej farby pokrýva celý povrch snímača. V snímacom zariadení sa taktiež nachádza optický separátor, ktorý svetlo dopadajúce zo snímaného obrazu rozdeľuje na tri jeho identické kópie. Takýmto spôsobom sa dostáva rovnaký obraz cez príslušné celoplošné CFA filtre na snímače primárnych farieb R-G-B (obr. 3.10).


Týmto princípom snímania je možné dosiahnuť vysokú kvalitu nasnímaných farebných obrazov s plným rozlíšením snímača a s vynikajúcou reprodukciou správnych farieb. Na druhej strane, hlavne vďaka optickému separátoru a ďalšej korekčnej optiky, je tento systém drahý a objemný. Táto metóda snímania obrazu sa veľmi často používa v spojení so snímačmi pevnej fázy, kde sú CFA filtre umiestnené priamo na čipoch snímačov a tiež preto, že charakteristiky funkcií spektrálnych odoziev farebných filtrov môžu byť navrhnuté tak, aby čo najlepšie simulovali charakteristiky ľudského oka a umožnili tak snímaciemu zariadeniu chovať sa podľa modelu farebného videnia.

Obr. 3.10 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu celoplošnými CFA filtrami

3.2.1.2 SNÍMANIE DICHROICKÝMI ZRKADLAMI/FILTRAMI

Tento systém snímania farebných obrazov sa pôvodne používal pri vákuových snímacích elektrónkach. V súčasnosti sa tento princíp používa aj pri snímaní snímačmi pevnej fázy. Separácia spektra polychromatického svetla na zložky primárnych farieb sa realizuje dichroickými zrkadlami/filtrami DZ1 a DZ2 (obr. 3.11). Dichroické zrkadlo (filter) je sklenená doštička potiahnutá tenkou svetlocitlivou vrstvou, ktorá istú časť spektra dopadajúceho svetla odráža a inú prepúšťa. Kvôli zmenšeniu rozmerov snímacieho zariadenia sa používajú dodatočné zrkadlá označené ako Z1 a Z2, ktoré zabezpečujú umiestnenie snímačov v jednej osi.


Obr. 3.11 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu dichroickými zrkadlami

Aj s touto variáciou trojsnímačového snímania sa dosahuje vysoká kvalita nasnímaného farebného obrazu s plným rozlíšením a rovnako s verným záznamom skutočných farieb. Tak ako ostatné podobné princípy sú zariadenia s dichroickými filtrami drahé, veľké, ťažké a majú výhody a nevýhody uvedené už v kap. 3.2.

Na druhej strane však existuje veľké množstvo fotoaparátov a kamier, ktoré obsahujú dichroické filtre. Jednou z nich je napríklad kamera nesúca označenie „Foveon II“.

3.2.1.3 SNÍMANIE TROJBOKÝM HRANOLOM

Posledným princípom trojsnímačového snímania s optickou konverziou je snímanie trojbokým hranolom.

Obr. 3.12 Trojsnímačové snímanie farebného obrazu trojbokým hranolom


Je principiálne totožné s predchádzajúcim princípom, ale rozdiel je v tom, že v optickej osi sa nenachádzajú dichroické zrkadlá/filtre, ale trojboký optický hranol. Principiálna schéma rozdelenia spektra je zobrazená na obr. 3.12. Aj vlastnosti tohoto princípu sú podobné ako pri predchádzajúcich snímacích systémoch.

V niektorých aplikáciách z jedného zo systémov trojsnímačového snímania sa vyžaduje špeciálna spektrálna selektivita (napr. vyšetrovanie špecifických vlastností materiálov). Tá sa obvykle dosahuje tým, že sa medzi optický hranol a samotné snímače vkladajú ešte tzv. korekčné filtre.

3.2.2 FOVEON® X3TM

Po prvýkrát na svete predstavila v roku 2002 spoločnosť Foveon typ snímača s úplným snímaním farebných obrazov a jeho princíp snímania bol podobný ako pri snímaní farebného obrazu na farebný celuloidový film [Hube04, Lyon02, McGr05, WEB01]. Aj keď sa snímanie pomocou Foveon® X3TM snímača realizuje jedným monolytickým čipom a počas jednej expozície, je samotný princíp snímania trosnímačový. Tieto snímače využívajú prirodzené absorpčné charakteristiky kremíka.

(a) (b)

Obr. 3.13 Snímanie farby, (a) Bayer, (b) Foveon® X3TM

Foveon X3 sníma farebný obraz troma oddelenými vrstvami fotodetektorov vnorenými v kremíku. Je to spôsobené tým, že kremík v rôznych hĺbkach absorbuje rôzne vlnové dĺžky dopadajúceho svetla a tak každá vrstva kremíka zaznamenáva inú farbu.


Najväčšiu energiu majú fotóny v oblasti modrých vlnových dĺžok a preto sa absorbujú v blízkosti povrchu. V stredných vrstvách kremíka sa absorbujú fotóny v okolí zelených vlnových dĺžkok a nakoniec, fotóny s najnižšou energiou v oblastiach červených vlnových dĺžkach sa absorbujú v materiáli najhlbšie. Výsledkom toho je, že snímač Foveon X3 sníma R, G a B zložky pre každú pozíciu pixelu a v porovnaní s CFA snímačmi sú R, G a B snímače umiestnené na sebe.

Až do uvedenia snímačov Foveon X3 používali všetky doterajšie snímače len jednu vrstvu fotodetektorov s jedným fotodetektorom na pixel. Na získanie farebného obrazu boli usporiadané do mriežky alebo mozaiky a prekryté CFA filtrami primárnych farieb. Principiálne porovnanie oboch typov snímačov je zobrazené na obr. 3.13. Kamery so snímačmi Foveon X3 majú potenciál nahradiť kamery so všetkými ostatnými snímačmi.

3.2.2.1 SPEKTRÁLNA CITLIVOSŤ SNÍMAČOV FOVEON® X3TM

V prvom rade sa v snímačoch Foveon X3 využíva kremík ako farebný filter, pretože pri väčších vlnových dĺžkach má kremík nižší absorpčný koeficient a súčasne vyššiu penetračnú hĺbku. Spektrálna citlivosť snímačov Foveon X3 je preto závislá od absorpčných vlastností svetla v kremíku (obr. 3.14) [Lyon02].

Obr. 3.14 Absorpcia v kremíku ako funkcia hĺbky a vlnovej dĺžky


Svetlo s kratšími vlnovými dĺžkami (oblasť modrých farieb) bude s väčšou pravdepodobnosťou absorbované tesne pod povrchom, zatiaľčo svetlo s dlhšími vlnovými dĺžkami bude absorbované až približne v hĺbke 3µm. Z technologického hľadiska sa vrstva absorbujúca modrú zložku svetla nachádza medzi 0.2-0.6µm, vrstva absorbujúca zelenú časť spektra medzi 0.6-2µm a nakoniec vrstva absorbujúca červenú časť spektra medzi 2-4µm.

Tento princíp spôsobuje relatívne širšiu spektrálnu šírku pásma a v porovnaní s klasickými CFA snímačmi v nich vo väčšej miere dochádza k prekrývaniu spektra medzi jednotlivými farebnými kanálmi.

(a) (b)

Obr. 3.15 Relatívna spektrálna citlivosť snímačov Foveon® X3TM, (a) bez filtrov, (b) s UV a IR filtram

Farebná vernosť a šumové pomery môžu byť optimalizované dodatočnými filtrami umiestnenými v optickej osi snímacieho zariadenia, pretože spektrálne charakteristiky citlivostí vrstiev snímača Foveon X3 nie sú totožné so spektrálnymi charakteristikami citlivosti čapíkov ľudského oka a navyše potláčajú UV a IR časť spektra. Na obr. 3.15 sú zobrazené spektrálne citlivosti samotných snímačov Foveon X3 a rovnako aj po optimalizácii dodatočnými UV a IR filtrami [WEB13].

Úlohou každého snímača je priblížiť priebeh spektrálnej citlivosti snímača (t.j. lineárna kombinácia citlivostných charakteristík všetkých vrstiev snímača alebo jeho farebných kanálov) k priebehu spektrálnej citlivosti ľudského oka. Funkcia farebného prispôsobenia vnímania farieb ľudským okom (tzv. color-matching funkcia) je pre snímač Foveon X3 zobrazená na obr. 3.16 [Lyon02, WEB13]. Z priebehov vyplýva, že najväčšie odchýlky sú v okolí 425nm a 475nm tak v zelenom ako aj v modrom kanáli.


Úroveň vnímania detailov snímaného obrazu závisí v najväčšej miere od vnímania farieb s dominantnou zelenou farbou, ktoré tvoria najväčšiu časť jasu. Z rovnakého dôvodu obsahovali mozaikové snímače s CFA filtrami až 50% pixelov so zeleným filtrom a zvyšné boli rozdelené medzi pixely s červeným respektíve s modrým filtrom. Snímače Foveon X3 snímajú farebné zložky na všetkých 100% pozíciách pixelov, a preto v porovnaní s CFA snímačmi snímajú obraz detailnejšie a bez vznikania farebných artefaktov.

Obr. 3.16 Porovnanie spektrálnych citlivostných charakteristík čapíkov ľudského oka a snímača Foveon® X3TM

Snímače Foveon X3 nedosahujú len ostrejší a detailnejší obraz, ale pomocou VPS™ (Variable Pixel Size) vylepšujú aj vlastnosti kamery, ktoré môžu jednoducho snímať digitálne video a aj fotky bez zníženia kvality snímania. VPS umožňuje spájať susedné pixely do skupín, ktoré sa potom čítajú ako jeden veľký pixel. Tak napríklad snímač s rozlíšením 2300x1500 pixelov pozostáva z viac než 3,4 miliónov pixelov. Pri použití VPS, ktorý zoskupuje susedné pixely do blokov o veľkosti 4x4, bude snímač snímať obraz len vo veľkosti 575x375 pixelov a každý z nich bude 16 krát väčší než pôvodný. Veľkosť a konfigurácia skupín môže byť variabilná, napríklad 2x2, 4x4, 1x2, a pod. (obr. 3.17) a ovládajú sa sofistikovanou elektronikou integrovanou priamo v snímačoch Foveon X3 [WEB14].


(a) (b) (c)

Obr. 3.17 Konfigurácie VPS , (a) 1x1, (b) 4x4, (c) 1x2

Operácia zoskupovania pixelov do väčších celkov „super pixel“ zvyšuje pomer signálu k šumu a dovoľuje kamerám snímať plnohodnotné farebné snímky aj pri nízkom osvetlení a s redukciou šumu. Pri použití VPS sa zväčšuje veľkosť pixelu, znižuje sa rozlíšenie, čo umožňuje snímačom snímať snímky vyššou rýchlosťou. To dovoľuje snímať vysokokvalitné digitálne video. Len kamery obsahujúce snímače Foveon X3 ponúkajú takýto duálny mód, pretože ostatné snímače ich snímajú oddelene. Unikátny princíp snímačov Foveon X3 dovoľuje v jednej chvíli snímať vysokokvalitné video, v ďalšej vysokokvalitné fotky a medzi tým snímať vysokokvalitné statické obrazy priamo zo snímaného videa. Tieto vlastnosti umožňujú používať ich v niekoľkých módoch, akými sú videomód (Video Mode), mód vysokého rozlíšenia (High-Resolution Mode) alebo duálny mód (Dual Mode).

Schopnosť selektívne čítať zo snímača štvorcové regióny o rôznej veľkosti, známa ako okienkovanie (windowing), súvisí so schopnosťou čítať pixely individuálne, a to z hociktorej pozície na snímači Foveon X3. Okienkovanie sa ovláda priamo na čipe a dovoľuje čítať rôzne veľkosti okien na ktorejkoľvek pozícii obrazu. Z týchto dôvodov dovoľuje okienkovanie na snímači Foveon X3 digitálny zoom ktoréhokoľvek regiónu snímaného obrazu a obraz bude v porovnaní s mozaikovými CFA snímačmi dostatočne ostrý. Rovnako ponúkajú flexibilitu pri meraní parametrov scény aj v niekoľkých na sebe nezávislých okách. Okienkovanie môže byť kombinované aj s VPS a tak využívať väčšie pixely na zlepšenie vlastností, akými sú automatické ostrenie, digitálny zoom a pod.

Snímače Foveon X3 podporujú vysoko flexibilný čítací systém, zjednodušujú implementáciu a vylepšujú funkcionality digitálneho zoomu, merania parametrov scény a ďalších funkcií.


Výhody snímačov Foveon® X3TM

Vyššia ostrosť a citlivosť snímaných obrazov (kamera Foveon X3 sníma dvakrát

viac pixelov v zelenom kanáli, a práve počet pixelov v zelenom kanáli je dôležitý

pri definovaní detailov v obraze).

Zvýšená úroveň snímania farebných detailov (snímanie všetkých primárnych

zložiek pri všetkých pixeloch).

Zvýšená odolnosť proti nepredvídaným farebným artefaktom (nepoužíva sa

interpolácia nenasnímaných farebných zložiek pixelov tak ako pri snímačoch

s CFA filtrami).

V porovnaní s mozaikovými CFA filtrami dosahujú až 1,7 krát vyššie priestorové

rozlíšenie.

Redukcia požiadaviek na dodatočný hardvér, z čoho vyplýva nižšia cena kamier.

Skrátenie času medzi snímaním dvoch snímok.

Lepšie ovládanie rozlíšenia možnosťou dynamicky meniť veľkosť pixelov.

Nevýhody snímačov Foveon® X3TM

Proprietárny snímač.

Ešte celkom nezvládnutá technológia, ktorá sa musí ďalej vyvíjať.

3.3 TROJZÁBEROVÉ SNÍMANIE

Trojzáberové snímanie je zatiaľ najlepšou technikou pri snímaní kvalitného farebného obrazu (obr. 3.9) [Kuya05]. Snímanie sa realizuje len jedným čipom, avšak na zosnímanie farebného obrazu je potrebný trikrát dlhší čas, pretože sa pri snímaní R-G-B zložiek optickými filtrami alebo trojsnímačovým snímaním snímanie realizuje súčasne. Pri snímaní sa využíva celá plocha snímača a postupne sa vytvárajú jednotlivé a úplné R-G-B zložky farebného obrazu. Je založená na pohyblivých R-G-B filtroch (cyklické posúvanie jednotlivých filtrov pred snímačom) alebo LCD (Liquid Crystal Display) filtroch, ktoré sa v závislosti od použitého napätia menia. Tento princíp snímania nie je vhodný na snímanie


dynamických scén vo farbe (fakticky ich snímať môžu, ale len ako šedé sekvencie). Z tohto dôvodu sa trojzáberové snímanie obyčajne používa len v štúdiovej fotografii. Predstaviteľom trojzáberového snímacieho systému je napr. Megavision.

Obr. 3.18 Trojzáberové snímanie farebného obrazu

4 ZARIADENIA NA SNÍMANIE OBRAZU

Historicky prvý komerčný úspech zaznamenali analógové snímacie a záznamové kamery používajúce filmové záznamové médium známe ako filmové kamery. Filmová kamera bola určená hlavne na záznam dynamicky sa meniacej scény na celuloidový materiál. Pre potreby kontinuálneho vysielania, napr. televízneho vysielania, bola ale nepoužiteľná. Až nahradením mechanického princípu snímania (mechanickej uzávierky a fotocitlivého materálu) elektronickým (vákuová snímacia elektrónka umožňovala generovať elektrický signál snímaného obrazu vo forme vhodnej pre vysielanie) bolo možné realizovať televízne vysielanie.

4.1 FILMOVÁ KAMERA

Snímanie akéjkoľvek dynamickej scény je založené na nepretržitom sekvenčnom snímaní scény s čo najkratším expozičným časom. V pionierských rokoch, okolo roku 1870, bolo potrebné vyriešiť dva základné problémy. Prvým z nich bola nutnosť redukcie expozičného času na jednu stotinu až jednu tisícinu sekundy, pretože pri snímaní statických fotiek sa v tých rokoch pohyboval rádovo v hodinách. Druhým z nich bol návrh systému sekvenčného snímania scény. Britsko-americký fotograf Eadweard Muybridge v rokoch 1872 a 1877 experimentoval s dvanástimi fotoaparátmi, ktorými na dostihovej dráhe v Sacramente snímal bežiaceho koňa. Nasnímané snímky neskôr umiestnil na rotujúci disk a premietal ako „pohybujúci sa obraz“ koňa [Brit04, WEB15].

Francúz Étienne-Jules Marey v roku 1882 pri analýze veľmi rýchlych pohybov vnímaných ľudským okom ako prvý urobil sériu fotografií (let vtáka) s jedným snímacím zariadením. Marey objavil chronofotografické delo, ktoré umožňovalo záznam až 12 fotografií za sekundu. Zosnímané obrazy potom orazil na rotujúcu sklenenú dosku (neskôr na papierový filmový valec), ktoré súčasne premietal. V r. 1887 v Newarku N.J. Hannibal Goodwin ako prvý použil ako základ pre fotografickú emulziu celuloidový filmový valec, ktorý si v tom istom roku George Eastman privlastnil a začal vo svojej fabrike v Rochesteri

100 Zariadenia na snímanie obrazu

N.Y. sériovo vyrábať. Táto udalosť bola kľúčovou pre rozvoj kinematografie, pretože vďaka ohybnosti celuloidového filmu bolo možné snímať časovo dlhé udalosti s rádovo tisíckami snímok.

V roku 1877 Thomas Alva Edison vynašiel „Phonograph“, ktorý sa rýchlo stal najpopulárnejším zariadením storočia. William Kennedy Laurie Dickson v r. 1887 ako mladý laboratórny asisten Edisonovej spoločnosti vo West Orange N.J. podstatne zdokonalil Phonograph a objavil kameru pod názvom „Kinetograph“. Jeho kamera bola založená na výsledkoch Muybridgea a Mareyho a snímala 40 snímok za sekundu. V roku 1891 si ju Dickson a Edison dali patentovať a vybudovali aj vlastné kinematografické štúdio. Keď Dickson navrhol svoj „Kinetoscope“, na ktorý v roku 1894 získali patentové práva aj mimo USA, začal sa rozvíjať kinematografický trh. Predvedenie kinetoskopu na výstave v Paríži inšpirovalo Augusta a Louisa Lumiérovcov, ktorí vyvinuli prvý komerčne úspešný projektor nazývaný „Cinématographe“. Pracoval ako kamera, ale aj ako projektor so 16 snímkami za sekundu, 28. decembra 1895 bol použitý na prvom verejnom premietaní a stal sa európskym štandardom. V tých časoch si dali patentovať svoje variácie kamery napr. Louis Le Prince alebo William Friese-Greene, ale z rôznych dôvodov sa nepresadili.

Obr. 4.1 Filmová kamera

Zariadenia na snímanie obrazu 101

Až v roku 1927 bola po prvýkrát pridaná k snímanej scéne zvuková stopa. Rovnako v roku 1932 bola filmová kamera vylepšená na snímanie scény vo farbe. Pri farebnom snímaní scény sa používali tri rôzne fotocitlivé celuloidové materiály citlivé na RGB primárne farby. Pri projekcii sa všetky tri filmy premietali naraz, ktorých prekrytím sa na plátne vytvorila farebná scéna so všetkými farebnými odtieňmi. Súčasné filmové kamery zaznamenávajú farebnú scénu len na jeden celuloidový film.

V minulosti bolo navrhnutých veľké množstvo kamier, ktoré zaznamenávali snímanú scénu na políčko filmového po stranách perforovaného materiálu. Filmový materiál bol stočený na kotúčoch a po každej expozícii sa posunul o jedno políčko ďalej. Filmová kamera v podstate obsahuje systém posuvu filmu, objektív (šošovku), uzávierku, hľadáčik a samotný korpus kamery. Rýchlosť expozície sa spravidla pohybovala medzi 24-30 snímkami za sekundu so záznamom na film šírky 8, 16, 35, alebo 70 mm. Bežná rýchlosť expozície pre komerčné použitie bola 24 snímok za sekundu na film šírky 35 mm. Štandardný pomer strán bol 1.66, 1.85 a 2.39. Principiálne zobrazenie filmovej kamery je zobrazené na obr. 4.1.

Obr. 4.2 Filmový snímač

Pri televíznom vysielaní filmového záznamu sa musí záznam dodatočne filmovým snímačom prepísať do vhodnej elektronickej formy, ktorý je podobný televíznej kamere (obr.4.2) [Kuba00]. Snímaný film sa pomocou bieleho svetla po riadkoch presvecuje a riadkovými snímačmi v R, G a B osiach sa ukladá do snímkovej pamäte. Nasnímané párne riadky sa ukladajú do pamäte pre párne riadky a naopak, nepárne riadky do pamäte


pre nepárne riadky, až sa zosníma celé filmové políčko. Nasnímané políčka sa potom ďalej spracovávajú v obvodoch pre televízne vysielanie.

4.2 TELEVÍZNA KAMERA

Televízna kamera je elektronické snímacie zariadenie, ktoré generuje elektrický signál v tvare a forme stanovenej pre televízne vysielanie [Kuba00, Zett05]. Podľa miesta používania je možné rozdeliť televíznu kameru na:

štúdiovú kameru,

kamkordér.

Rovnako podľa typu snímacieho prvku môže televízna kamera obsahovať:

vákuovú snímaciu elektrónku (spravidla vidikon),

snímač pevnej fázy (spravidla CCD snímač).

4.2.1 TELEVÍZNA ŠTÚDIOVÁ KAMERA

Televízne kamery vo svojich počiatkoch obsahovali vákuové snímacie prvky (ikonoskop, ortikon či vidikon), a pretože to boli ťažké a objemné zariadenia, boli umiestnené výlučne vo vysielacom štúdiu. Každá televízna štúdiová kamera pozostáva zo samotnej kamery a kamerovej kontrolnej jednotky (obvody pre spracovanie obrazového signálu, diaľkové ovládanie kamery, súčinnosť s ostatnými kamerami umiestnenými v štúdiu a režijným zariadením), ktoré sú prepojené mnohožilovými metalickými alebo optickými káblami alebo triaxiálnym káblom. Bloková schéma štúdiovej kamery zobrazenej na obr. 4.3 štandardne obsahuje objektív (ostrenie, zoom), optickú deliacu sústavu (systémy snímania farebného obrazu kapitola č. 3, spravidla však trojsnímačové snímanie), snímač (vidicon, CCD), obvody spracovania obrazového a zvukového signálu, riadiace a synchnonizačné obvody, napájacie obvody [Brit04].

Kľúčovým blokom štúdiovej kamery je generátor synchronizačných impulzov, ktorý riadi proces snímania (zabezpečuje časovanie pre horizontálne a vertikálne vychyľovanie snímacieho lúča) a vytvára zatemňovacie impulzy (zhášanie snímacieho lúča počas spätného behu hlavne pri snímacích elektrónkach). Pri spätnom behu snímacieho lúča


počas riadkového zatemňovacieho intervalu sa vo vychyľovacích cievkach indukuje do obrazového signálu rušivý signál, ktorý je nutné potlačiť. Toto sa redukuje pridaním riadkových a polsnímkových zatemňovacích impulzov so zápornou polaritou a s takou amplitúdou, aby bolo zaručené ich posunutie do oblasti pod úrovňou čiernej. Naviac sa obmedzovacím obvodom potlačia všetky signály pod úrovňou čiernej.

Obr. 4.3 Bloková schéma televíznej „štúdiovej“ monochromatickej kamery

Kamera riadená generátorom synchronizačných impulzov generuje obrazový signál bez synchronizačných impulzov. Výstupný signál je najprv zosilnený predzosilňovačom umiestneným priamo v tele kamery a neskôr aj videozosilňovačom v riadiacom štúdiu (réžia, vysielacie štúdio), kde sa k videosignálu pripoja aj synchronizačné impulzy. Takto nasnímaný signál scény sa dodatočne kontroluje aj na monitore.

Televízne štúdiové kamery používajú ako objektív výhradne transfokátor, čo je objektív s premenlivou ohniskovou vzdialenosťou (pohybujúcimi sa optickými členmi/šošovkami) v rozsahu 1:25. Kamere to umožňuje plynule meniť uhol záberu a snímanú scénu tak priblížiť alebo vzdialiť (zoom). Zmenou ohniskovej vzdialenosti sa ale mení aj svetelnosť objektívu, t.j. pri väčších ohniskových vzdialenostiach sa znižuje svetelnosť objektívu. Niektoré súčasné kamery s napr. CCD snímačom môžu používať aj dodatočný tzv. digitálny transfokátor (digitálny zoom), ktorý ale v porovnaní s klasickým „optickým“ transfokátorom nemení ohniskovú vzdialenosť. Digitálny zoom je iba funkcia využívajúca tú časť CCD snímača, kde sa nachádza priblížená časť snímanej scény, aby ju pomocou interpolácie pixelov zväčšila na rozmer celej plochy scény. Súčasné kamery


okrem digitálneho zoomu obsahujú aj dodatočné vybavenie, akým je napr. optická stabilizácia obrazu, a pod.

Pri snímaní farebnej scény sa odrazené svetlo od snímanej scény vhodnou optickou deliacou sústavou rozdelí na primárne farby. Štandardne sa používa RGB farebná sústava, kde v optickej ceste každého kanála je umiestnená snímacia elektrónka alebo CCD snímač. Takto nasnímané obrazové signály R, G a B kanálov sa musia až do maticových obvodov prenášať s plnou šírkou frekvenčného pásma, čo je do istej miery nevýhodou. Na obr. 4.4 je zobrazená bloková schéma farebnej televíznej kamery [Brit04]. Princípy snímania farebného obrazu boli podrobnejšie vysvetlené v kapitole č. 3, pričom od použitého princípu snímania alebo deliacej optickej sústavy závisí cena a kvalita televíznej kamery.

Obr. 4.4 Bloková schéma televíznej farebnej kamery

Zosnímané RGB primárne farebné signály sa v kodéri farby prevedú na tri zložky. Jednou z nich je jasový (luminance) signál a ostatné dva sú farbonosné (chrominance) signály. Jasový signál Y sa vytvára jednoduchým pomerovým sčítaním primárnych RGB farieb v elektronickom sčítacom obvode. Takto vytvorený jasový signál predstavuje šedú (úrovne jasového signálu od bielej po čiernu s odtieňmi šedej) verziu farebného obrazu a do zmiešavača sa v porovnaní s chrominančnými rozdielovými signálmi privádza samostatne. Z primárnych RGB signálov sa ich kombináciou vytvoria dva tzv. chrominančné rozdielové signály. Tie sa cez dolnopriepustné filtre (ich šírka závisí od TV sústavy, t.j. pre NTSC má pre zložku I hodnotu 1.3 MHz a pre Q 0.6 MHz, pre PAL má pre zložku U aj V rovnakú hodnotu 1.3 MHz) privádzajú do modulátorov, ku ktorým je privádzaná chrominančá subnosná s príslušnou fázou (obr. 4.4). Amplitúda modulovaného farebného signálu je potom úmerná sýtosti (saturation) a jeho fáza farebnému odtieňu (hue) snímaného bodu scény. Subnosná farby sa generuje vo veľmi presnom oscilátore, ktorá sa podľa vysielanej


sústavy líši, t.j. pre NTSC (3.58 MHz) a pre PAL (4.43 MHz). Takto vytvorený jasový a farebný signál spolu v zmiešavači vytvoria farebný videosignál, ktorý sa vo vysielači ďalej spracováva. Podrobnejšie budú odlišnosti pre kameru v TV sústave NTSC alebo PAL vysvetlené v kapitole v niektorom z pokračovaní tejto knihy.

Štandardné digitálne kamery používajú rozlíšenia od 640x480 pxl do 2832x2128 pxl, čo je až 6 Mpxl (Megapixel).

4.2.2 KAMKORDÉR

Kamkodér je televízna kamera, ktorá v porovnaní so štúdiovou kamerou má samotnú kameru a kamerovú kontrolnú jednotku spojenú do jedného celku, a navyše obsahuje aj obvody pre záznam signálu. Bloková schéma všeobecného digitálneho kamkordéra je zobrazená na obr. 4.5 [Kuba00, WEB08].

Obr. 4.5 Blokové zapojenie digitálnej kamery (kamkordéra)

Nielen v tomto, ale aj v ostatných obrázkoch tejto kapitoly sú jednotlivé bloky farebne rozlíšené. Bloky spracovávajúce obrazový signál sú modré, bloky riadenia zelené, bloky


pamätí červené, bloky vstupných rozhraní oranžové, bloky zobrazovacích prvkov fialové a bloky analógových obvodov hnedé.

Digitálny kamkordér sníma farebnú scénu štandardne jedným snímačom a pri kvalitnejších modeloch 3 snímačmi. Dominantné sú CCD snímače, ale už sa objavili alebo sa ešte len objavia kamkordéry s inými typmi snímačov pevnej fázy alebo snímacej metódy (napr. Foveon X3). Obvody celého kamkordéra je možné rozdeliť do troch celkov. Prvý celok tvoria obvody snímania a číslicového spracovania signálov, druhý celok tvorí procesor a obvody riadenia systému a posledný celok obvody ukladania a exportu dát.

Celý kamkordér je riadený riadiacou jednotkou s mikroprocesorom, ktorá ovláda každý vstupno/výstupný hardvér, komunikáciu medzi jeho všetkými funkčnými blokmi a správne vykonávanie softvérových povelov hardvérom. Rovnako zabezpečuje synchronizáciu snímania, vnútorné prerušenia na zbernici, status systému, alokátor zdrojov, menu a pod.

Snímaná scéna sa po konverzii analógových RGB signálov do digitálnej formy v A/D prevodníkoch spracováva vo vyrovnávacích pamätiach CCD I/F modulu. Pred tým, aby sa nasnímané dáta mohli zaznamenať na nejaký typ média, musia sa podľa zvoleného formátu v obvodoch číslicového spracovania signálov/obrazov spracovať. V obvodoch pre spracovanie obrazu sa nasnímaný obraz farebne a gamma funciou upravuje, vylepšuje sa kontrast a jas, konvertuje do vhodného farebného priestoru (kapitola č. 1.4), ostrí a pod. Rovnako v obvodoch voliteľného digitálneho kódovaia sa obraz pomocou diskrétnej kosínusovej transformácie DCT (Discrete Cosine Transform) a inverznej diskrétnej kosínusovej transformácie IDCT (Inverse DCT) transformuje a spracováva do digitálnych formátov MPEG (Motion Picture Experts Group) alebo JPEG (Joint Photographic Experts Group). Pre zobrazovanie digitálnych RGB signálov na klasických televíznych prijímačoch alebo CRT zobrazovačoch sa digitálny signál pomocou kodérov kóduje do zvolenej televíznej sústavy NTSC, PAL alebo SECAM. Súčasne ale môže byť, či už v analógovej alebo digitálnej forme, ukladaný priamo na záznamové médium kamkordéra. Doteraz používané kamkordéry zaznamenávali videosignál na rôzne typy médií akými boli 3.80, 6.35, 8.00 alebo 12.7 mm magnetická páska, 8, 12 cm CD/DVD, HDD (Hard Disk Drive), compact FLASH a pod. Používateľské rozhranie sa postupom času prenieslo na dotykové LCD (Liquid Crystal Display) displeje. Preto majú súčasné digitálne kamkordéry LCD radiče, ktoré na jednom LCD displeji umožňujú prehrávať, ale súčasne aj ovládať celý kamkordér. Nasnímaný videozáznam vo formátoch MPEG/MJPEG alebo statická snímka vo formátoch JPEG, TIFF a pod. sa nakoniec môžu vysokorýchlostnými technológiami,


akými sú napr. USB 2.0 (Universal Serial Bus), IEEE 1394 (FireWire), Ethernet MACs a pod., rýchlosťami nad 400 Mbit/s ďalej distribuovať.

Štandardne používajú digitálne kamkordéry rozlíšenia od 640x480 pxl do 1360x1020 pxl s horizontálnym rozlíšením od 250 do 1080 riadkov. Avšak súčasné formáty s vysokým rozlíšením dokážu snímať video až rádovo v megapixeloch.

4.2.2.1 VIDEOFORMÁTY KAMKORDÉROV

Od roku 1976, kedy sa začali po prvýkrát predávať VHS kamkordéry, bolo navrhnutých viac ako 50 formátov, ktoré vo svojich počiatkoch snímali a zaznamenávali video na magnetickú pásku. Ich horizontálne rozlíšenie sa z pôvodnych 250 riadkov (VHS) zväčšilo až na dnešných 1080 (HDV) [WEB16-17].

Tab. 4.1 Dominantné videoformáty

TYP FORMÁT ROZLÍŠENIE MÉDIUM ROK

BetaMax 250 12.7 mm magnetická páska 1975

VHS 250 12.7 mm magnetická páska 1976

VHS-C 250 12.7 mm magnetická páska 1983

S-VHS 400 12.7 mm magnetická páska 1987

S-VHS-C 400 12.7 mm magnetická páska 1987

Video8 270 8.00 mm magnetická páska 1984

ANAL

ÓGOV

Ý

Hi8 400 8.00 mm magnetická páska 1989

Digital8 500 8.00 mm magnetická páska 1999

MiniDV 500 6.35 mm magnetická páska 1995

MicroMV 500 3.80 mm magnetická páska 2001

DVD (MiniDVD) 500 8.00 cm optický disk 2001

HDD 500 pevný magnetický disk 2005

HDV 1080 6.35 mm magnetická páska 2004

DIGI

TÁLN

Y

HD DVD (HD MiniDVD) 1080 8.00 cm optický disk 2006

V súčasnosti existuje niekoľko druhov formátov, ktoré pri zázname videosignálu kamkordéry používajú. Môžu to byť tak analógové ako aj digitálne, s rôznymi typmi záznamových médií akými sú magnetické pásky, CD/DVD nosiče, magnetické pevné disky a pod. Klasické VHS kamkordéry sa už v súčasnosti nevyrábajú, 8mm sa nahradzujú Hi8


alebo Digital8, najpopulárnejšími sú MiniDV a v budúcnosti sa pravdepodobne presadia nové typy digitálnych formátov s nosičmi akými sú miniDVD, HD DVD (High Density DVD), HDD, HDV (High-Definition Video), HVD (Holographic Versatile Disc), BD (Blu-ray Disc) a pod.

V tab. 4.1 sú uvedené dominantné typy formátov aj s ich odlišnosťami (typ nosiča, metóda záznamu, rozlíšenie a rok uvedenia na trh). Naviac od typu kamkordéra závisia aj iné parametre, akými sú kompatibilita s inými formátmi, dĺžka záznamu, horizontálne rozlíšenie a pod.

4.2.2.1.1 BETAMAX, BETACAM, BETAHIFI, SUPERBETA

Formát BetaMax bol navrhnutý spoločnosťou SONY v roku 1975. Bol prvým komerčne dostupným domácim videoštandardom, ktorý spôsobil revolúciu , ale v boji o trh prehral s o rok mladším formátom VHS spoločnosti JVC. VHS zvíťazil hlavne kvôli dĺžke záznamu BetaMax (60 minút) VHS (480 minút), VHS zariadenia boli jednoduchšie a lacnejšie. SONY síce vylepšila BetaMax na dlhší záznamový čas, ale to už bolo neskoro. BetaMax na záznam používal v tých časoch štandardnú 12.7 mm (1/2“) magnetickú pásku, na ktorú zaznamenával video dĺžky maximálne 60 minút s vertikálnym rozlíšením 250 riadkov [WEB16-17].

SONY po čase zdokonalila formát BetaMax vyvinutím profesionálneho formátu BetaCam. BetaCam sa stal jedným z najpoužívanejších formátov používaných pri príprave tzv. ENG (Electronic News Gathering), čo je príprava profesionálnych záznamov pre TV vysielanie v exteriéroch a nahradil dovtedy používaný ¾“ formát U-Matic. Na technickej úrovni sú BetaMax a BetaCam podobné v tom, že používajú rovnaké kazety s lineárnym zápisom zvukovej stopy na rovnakú časť magnetickej pásky, ale časť pre videozáznam je úplne odlišná. Rovnako magnetické pásky sú mechanicky zameniteľné, ale elektronicky nie, pretože na záznam používajú rôzne odlišné kódovacie techniky. Okrem toho BetaMax zaznamenáva snímanú scénu pri lineárnom posune pásky rýchlosťou od 4 do 1.33 cm/s a BetaCam 12 cm/s.

BetaMax bol taktiež používaný aj vo zvukovom priemysle. SONY uviedla svoj digitálny záznamový systém s pulzne kódovou moduláciou PCM (Pulse Code Modulation), ktorý bol pomocou adaptéra pripojený k rekordéru BetaMax a v 80-90 tych rokoch minulého storočia bol používaný na digitálne nahrávky v štúdiách. Okrem tohto zariadenia spoločnosť SONY pracovala aj na ďalších vylepšeniach systému BetaMax, medzi ktoré patrili BetaScan (Videola) a BetaSkipScan.


SONY tiež predávala BetaPak, čo bolo malé kompaktné zariadenie pripojiteľné ku kamere. Aby sa odstránilo množstvo prídavných zariadení, SONY navrhla zariadenie, ktoré by v sebe spájalo kameru a rekordér. Tak vznikol pojem Camcorder (CAMera/reCORDER), ktorého výsledkom bola BetaMovie. BetaMovie používala štandardnú veľkosť kazety s modifikovaným posuvom, ktorá sa pri prehrávaní musela vložiť do kompatibilného prehrávača. Toto bolo spôsobené rôznou geometriou a zapisovacími technikami, takže prehrávanie záznamu priamo v kamkordéri nebolo možné. SONY taktiež predávala verzie SuperBeta a Industrial BetaMovie.

BetaMax zaviedol Hi-Fi (High Fidelity) úroveň pre záznam audiostopy známu ako BetaHifi. Pre TV sústavu NTSC BetaHifi umiestňovala pár FM (Frequency Modulation) modulovaných signálov medzi subnosné farby a jasu. Na 1.38 MHz sa zaznamenával ľavý L (Left) kanál a na 1.68 MHz pravý R (Right) kanál. Takýmto usporiadaním sa dosiahol dynamický rozsah audio záznamu na 80 dB so skreslením menším než 0.0005%, čím sa ale musela subnosná frekvencia jasu posunúť o 400kHz vyššie. Pre TV sústavu PAL bola ale vzdialenosť medzi subnosnými farby a jasu pre umiestnenie dvoch ďalších FM subnosných zvuku nepostačujúca a preto sa to riešilo ich hĺbkovým multiplexovaním. Hĺbkové multiplexovanie spočívalo v tom, že magnetizačný signál vytvorený audiosignálom (nízky frekvenčný rozsah) umožňoval zmagnetizovať pásku oveľa hlbšie ako videosignál. Pred záznamom sa preto najpr nahrávala audiostopa a potom videostopa, ktorá zmagnetizovala iba vrchnú časť pásky a hlbšiu, kde bol zaznamenaný zvuk, neporušila.

SONY bola presvedčená, že VHS ako konkurent BetaMax-u nemôže dosiahnuť kvalitu záznamu ako BetaHifi, ale JVC predsa len uviedla rok po BetaHifi na trh systém VHS HiFi, ktorý pracoval na podobnom princípe ako BetaHifi pri TV sústave PAL.

V r. 1985 uviedla SONY formát SuperBeta, ktorý mal posunutú nosnú frekvenciu jasu o ďalších 800 kHz. Tým sa zväčšila šírka postranného pásma jasového signálu, čo umožňovalo zvýšiť vertikálne rozlíšenie na 290-300 riadkov. Videá nasnímané vo formáte SuperBeta neboli kompatibilné s prehrávačmi starších formátov, ale SuperBeta kamkordéry umožňovali nahrávať aj v starších formátoch. Niekoľko rokov po SuperBeta spoločnosť JVC uviedla na trh SuperVHS, ktorá mala vertikálne rozlíšenie 400 riadkov. Toto vylepšenie VHS formátu priviedlo SONY k vývoju ED (Extended Definition) BetaMax, ktorý mal vertikálne rozlíšenie 500 riadkov.

Niektoré typy Beta kamkordérov a rekordérov sa ešte aj dnes používajú, ale už nie na profesionálne účely.


4.2.2.1.2 VHS, VHS HIFI, VHS-C, S-VHS , S-VHS-C

VHS (Video Home Service) je historicky prvým a súčasne aj najúspešnejším analógovým formátom, ktorý sa ešte aj dnes vo verzii VHS-C (Compact VHS) kamkordérov používa [WEB16-17]. VHS a VHS-C (kompatibilný formát s VHS používajúci konštrukčne podobnú, ale menšiu kazetu) kazety sú kompatibilné s množstvom domácich VCR (Video Cassette Recorder) a so všetkými rekordérmi VHS VCR. Pretože je samotná VHS kazeta fyzicky veľká, aj VHS kamkordéry sú veľké. Obidva formáty umožňujú na štandardné VHS kazety T€-120 nahrávať len monofónnu zvukovú stopu s maximálnou dĺžkou záznamu 60 minút pri SP (Short Play), 120 minút pri LP (Long Play), pričom dnešné kazety umožňujú záznam až 480 minút pri EP (Extended Play). Predĺžený čas záznamu má ale negatívny vplyv na kvality záznamu. Rovnako v prehrávači, ak bol záznam nasnímaný pri nízkych otáčkach, aj kvalita pri reprodukcii bude nízka. Z tohto dôvodu sa len niektoré komerčné nahrávky snímali v SP móde a iba animované video doplnené o HiFi zvuk sa nahrávalo v SLP móde. Na VHS kazetu šírky 12.7 mm nahráva VHS kamkordér videosignál s vertikálnym rozlíšením 250 riadkov a zvuk vo veľmi nízkej kvalite. Výrobcami tzv. „Full-size VHS“ kamkordérov boli hlavne Hitachi a RCA.

Rýchlosť posuvu magnetickej pásky je pri NTSC 3.335 cm/s a pre PAL 2.339 cm/s. Maximálna dĺžka pásky je 430 m, čo dovoľuje zazmenať 3.5 hodíny pre NTSC a 5 hodín pre PAL pri móde SP, ale veľa z nich je omnoho kratších, lebo kvôli lepšej odolnosti proti prepisu medzi dvomi vrstvami sú hrubšie. Šírka pásma videosignálu vo VHS formáte je približne 3 MHz, čo sa dosahuje relatívne nízkou rýchlosťou posuvu pásky skrutkovicovým záznamom frekvenčne modulovaného jasového (Y-luminance) signálu s frekvenčne redukovaným farebným signálom farby (C-chromimance: sýtosť+farebný odtieň). Spolu s videosignálom sa na hornú časť pásky zaznamenáva aj nemodulovaný monofónny audiosignál s obmedzenou frekvenčnou odozvou (100 Hz – 8kHz s S/N 42 dB pri SP móde). Až v roku 1985 bol formát VHS vylepšený o stereofónny audiozáznam podobnou technikou ako pri BetaHifi, teda technikou vkladania nosných frekvencií stereokanálov medzi subnosné jasu a farby. Takto vylepšené VHS HiFi umožňovalo zaznamenať zvukovú stopu vo frekvenčnom rozsahu 20 Hz – 20 kHz s viac než 70 dB odstupom S/N pri SP móde (VHS HiFi).

Aj keď je VHS analógovým formátom, obraz sa na TV prijímači zobrazuje vo forme štvorcových diskrétnych pixelov. Pretože VHS má vertikálne rozlíšenie len 240 riadkov/pixelov, pri zobrazení na TV prijímači musí byť obraz zväčšený tak, aby počet viditeľných riadkov pre NTSC bol 486 a pre PAL 576. Zvláštnosťou VHS systémov je aj


chvenie obrazu na jeho spodnej časti, ktoré je spôsobené elektronickým prepínaním snímacích videohláv rekordéra.

Niektoré vysokokvalitné VHS a S-VHS kamkordéry a rekordéry ponúkajú audio a videodabing. Tieto zariadenia dokážu na nasnímanú pásku nahrať novú audiostopu bez porušenia videostopy a naopak. Takáto funkcia bola veľmi vhodná pri príprave TV vstupov, kde kameraman mohol veľmi rýchlo zostrihať príspevok do vysielania alebo dodatočne nahradiť nekvalitný zvukový záznam piesňou. Rovnako skracovala čas pri editácii nahrávky, pretože sa videozáznam nemusel dodatočne prehrávať na ďalšiu kazetu s novou zvukovou stopou.

Pre bežných používateľov bol od roku 1982 dostupný nový kamkordér s vylepšeným formátom VHS vo verzii VHS-C (Compact VHS). VHS-C formát sa považuje za jeden z pionierskych formátov kompaktných kamkordérov a bol konkurentom formátu Video8. VHS-C kamkordéry používajú v porovnaní s VHS kamkordérmi menšie kazety s rovnakou šírkou pásky 12.7 mm, ktoré sa dajú použitím špeciálneho kazetového adaptéra prehrávať aj na klasickom VCR rekordéri. Výhodou menších kaziet je fakt, že aj samotný kamkordér je menší, ale na úkor dĺžky záznamu. Maximálna dĺžka záznamu v SP móde je 30 minút, v LP móde 45 minút a v EP/SLP móde 90 minút. Rovnako ako VHS aj VHS-C sníma s vertikálnym rozlíšením 250 riadkov a monofónny zvuk.

Menšia veľkosť VHS-C kamkordérov vytlačila VHS kamkordéry z trhu. Neskôr bol VHS-C na základe S-VHS (Super VHS) vylepšený, čím vznikol vysokokvalitný kompaktný analógový formát S-VHS-C, ktorý konkuroval formátu Hi8 (kvalitnešia verzia formátu Video8). Uvedenie na trh lacných S-VHS-C kamkordérov viedlo k zavedeniu nových funkcií do VCR rekordérov ako SQPB (Super Quasi-PlayBack) alebo Super VHS Quasi-PlayBack, ale aj naproti tomu nemali až tak veľký vplyv na trh ako kamkordéry s formátom MiniDV. Ešte aj v súčasnoti VHS-C a S-VHS-C kamkordéry predáva jeho hlavný podporovateľ a výrobca JVC. Okrem JVC boli dominantnými výrobcami ešte Panasonic a RCA.

Po VHS a VHS-C formátoch ktoré mali vertikálne rozlíšenie len 250 riadkov prišli na trh kamkordéry s formátom S-VHS. S-VHS bol prvým formát, ktorý snímal obraz s vertikálnym rozlíšením 400 riadkov s maximálnou dĺžkou záznamu 120 minút. Horizontálne rozlíšenie S-VHS znamenalo záznam väčšieho obrazu s väčšími detailami ako napríklad analógový NTSC pre káblové TV, ktorý mal rozlíšenie iba 330 riadkov. Prvé zariadenia tohto formátu neboli spätne kompatibilné so svojimi VHS predchodcami


a záznam mohol byť prehrávaný iba S-VHS kamkordérom pripojeným k televíznemu prijímaču alebo pomocou S-VHS VCR rekordéra. Novšie verzie VHS VCR rekordérov už ponúkali funkciu SQPB. Funkcia SQPB umožňovala S-VHS ale ajS-VHS-C záznam prehrávať, aj keď len vo VHS kvalite, ale nie nahrávať.

Tak ako VHS aj S-VHS formát používa tzv. modulačnú metódu nazývanú „color under“, ktorá vylepšila rozlíšenie jasového signálu a detailov asi o 60 %. Spracovanie audiostopy v S-VHS formáte je rovnaké ako pri VHS (konvenčný analógový alebo HiFi audiozáznam). Lineárna audiostopa sotva dosahovala kvalitu AM rozhlasu. Pre HiFi zvukovú stopu sa používala už predtým spomenutá metóda hĺbkového multiplexovania audiosignálu AFM (Audio Frequency Modulation) s videosignálom, ktorého kvalita bola porovnateľná s CD nahrávkou. Niektoré profesionálne S-VHS kamkordéry a rekordéry umožňovali nahrávať audiostopu aj digitálne pomocou PCM, so vzorkovaním 48 kHz, čo bolo porovnateľné s HiFi analógovým audiosignálom.

Podobne ako VHS-C aj S-VHS-C kamkordéry sa stali kvôli svojej veľkosti veľmi populárnymi medzi bežnými používateľmi, ale nepresadili sa na trhu domáceho videa (Home Entertainment), ktoré bolo v tých časoch dominantným. Keď JVC, Panasonic a aj SONY uvoľnili pre trh bežných používateľov priemyselné a poloprofesionálne S-VHS-C prehrávače, zvýšil sa záujem o tento formát. S-VHS zariadenia používali na snímanie a ich následnú editáciu hlavne lokálne TV, káblové a nízkorozpočtové spoločnosti, ale veľké TV stanice uprednostňovali skôr formát Betamax. Veľkí výrobcovia VCR rekordérov ako Matsushita (Panasonic) a Mitsubishi začali postupne prechádzať k digitálnym videorekordérom DVR (Digital Video Recorder) rekordérom s DVD alebo HDD záznamovými médiami, ale rovnako vyrábali aj komboverzie spájajúce DVR a VCR (VHS, niektoré verzie aj s S-VHS). Tzv. „full-size“ formát S-VHS je svojím rozlíšením podobný formátu Hi8 a ešte stále sa v širokej miere, hlavne v priemyselných aplikáciách, používa.

Aj napriek technologickým vylepšeniam S-VHS systémy nemali nahradiť VHS systémy, ale získať väčší podiel na trhu. To sa im však nepodarilo z niekoľkých dôvodov. Podstatným dôvodom bolo to, že používatelia neboli ochotní platiť za zvýšenú kvalitu snímaného videa a tiež zlou politikou predaja, pretože veľké množstvo producentov filmov začalo nahrávať svoje filmy na CD/DVD disky.

Poslednou inováciou VHS systémov spoločnosti JVC bola vylepšená verzia VHS-C S-VHS-C (Super VHS-C) ako konkurent 8mm formátov hlavne Hi8. Hoci S-VHS-C kamkordér používa rovnakú kazetu ako VHS-C kamkordér, dokáže snímať obraz


s vertikálnym rozlíšením 400 riadkov. Formát S-VHS-C ponúka skoro dvojnásobnú kvalitu snímania obrazu a je spätne kompatibilný s VHS-C. To znamená, že S-VHS-C prehrávač dokáže prehrať VHS-C záznam, ale opačne to neplatí. Podobne, ako je VHS-C kazetu po vložení do špeciálneho adaptéra možné prehrať vo VHS VCR rekordéri, aj S-VHS-C kazetu možno prehrať v S-VHS VCR a výnimočne aj na niektorých VHS VCR. S-VHS-C kamkordér umožňuje nahrávať so zníženým horizontálnym rozlíšením aj na VHS-C pásky. Na jednu pásku štandardnej dĺžky pásky v SP móde je možné zaznamenať okolo 40 minút záznamu a pre optimálne prehrávanie záznamu je nutné pripojiť kamkordér k TV cez S-videovstup alebo S-VHS VCR rekordér. Hlavným výrobcom S-VHS-C kamkordérov bola spoločnosť JVC, pretože ho vyvinula ako svoje vylepšenie S-VHS formátu.

Na trhu spotrebných kamkordérov sa na úkor S-VHS-C kamkordérov presadili DV a DVD kamkordéry. Digitálne kamkordéry všeobecne vytlačili analógové, pretože ponúkli veľké množstvo vylepšení v ich parametroch. V prvom rade to je kvalita audio- a video, dĺžka záznamového času, bezstratové kopírovanie a pod. Každá verzia VHS systému v porovnaní so systémom BetaMax pri prehrávaní pomocou dvoch kolíkov vyťahuje pásku z kazety a obtáča ju okolo hlavy. Tento princíp je známy aj ako „M-lacking“, pretože navinutá páska na snímacej hlave vytvára písmeno M a je typická pre VHS systémy.

4.2.2.1.3 VIDEO8, HI8, DIGITAL8

Triedu 8 mm formátov tvotia dva analógové a jeden digitálny formát. Prvým originálnym 8 mm formátom bol formát Video8 [WEB16-17]. Neskôr bol vylepšený ďalším analógovým formátom Hi8 a rovnako aj digitálnym formátom Digital8. Boli si fyzicky veľmi podobné, pretože ako záznamový nosič používali magnetickú pásku šírky 8 mm, ale líšili sa v kvalite pásky, vo vertikálnom rozlíšení a v konečnom dôsledku v spôsobe a kvalite záznamu. Všetky tri formáty boli primárne navrhnuté pre amatérske účely, hoci sa používali aj na profesionálne účely.

Potreba kvalitnejšieho záznamu (v porovnaní s BetaMax a VHS) viedla spoločnosť SONY ako konkurenta VHS-C formátu k vývoju nového analógového formátu Video8. V roku 1984 uviedla na trh prvý kamkordér Video8, ktorý bol rozmerovo pobobný VHS-C alebo S-VHS-C kamkordérom. Kazeta nebola s domácimi VCR kompatibilná a záznam bolo možné prehrať na TV iba cez k nemu pripojený kamkordér, ale mechanicky bola podobná s BetaMax alebo VHS kazetou. V SP móde môže Video8 kamkordér zaznamenať 120 minút (90 minút pre PAL a 120 minút pre NTSC, rozdielna dĺžka záznamu pre


PAL/NTSC je spôsobená rôznou dĺžkou pásky navinutej na cievkach kazety) a v LP móde až 240 minút pri vertikálnom rozlíšení 270 riadkov.

Tak ako iné kazetové kamkordéry aj Video8 kamkordér sníma/zaznamenáva obraz videohlavou uloženou v porovnaní s páskou v ostrom uhle. Videohlava sa otáča v proti smere natáčania pásky rýchlosťou 1500-3000 rpm pre PAL a 1800-3600 rpm pre NTSC. Hoci je kazeta veľká len ako magnetofónová kazeta, kvalita zvukového záznamu vo formáte Video8 je v porovnaní s BetaMax, VHS alebo VHS-C vyššia (lineárny záznam zvuku pozdĺž pásky), pretože sa zvuková stopa zaznamenávala pozdĺž videosignálu pomocou AFM. Hoci AFM dosahovalo vyššiu kvalitu zvuku, úroveň HiFi stereozáznamu bola možná iba na niektorých profesionálnych a drahých Video8 zariadeniach.

Video8 kamkordéry mali podobne ako VHS-C alebo S-VHS-C kamkordéry veľkú výhodu v tom, že boli v porovnaní s BetaMax/VHS kamkordérmi oveľa kompaktnejšie, menšie a používateľ ich mohol držať v dlani. Napokon 10 rokov po uvedení na trh S-VHS-C či Video8 kamkordérov začali na trhu dominovať prvé digitálne kamkordéry vo formáte MiniDV, ktoré vytlačili všetky analógové formáty.

Formát Hi8 (High-band Video8) bol vylepšenou analógovou verziou formátu Video8. Podobne ako S-VHS alebo S-VHS-C formát spoločnosti JVC aj Hi8 spoločnosti SONY mal vertikálne rozlíšenie jasového signálu 400 riadkov a farebného signálu 100 riadkov. Maximálna dĺžka záznamu bola 120 minút.

Štandardne zaznamenáva Hi8 zvukovú stopu podobne ako Video8, t.j. AFM. A hoci je Hi8 analógový formát, niektoré profesionálne Hi8 kamkordéry umožňujú zaznamenať aj dodatočný digitálny PCM zvukový stereosignál na špeciálne vyhradenú stopu súčasne s AFM záznamom. Hi8 PCM zvuková stopa používa 12 bitové vzorky zvukového signálu so vzorkovaním približne 32 kHz, čo je kvalita porovnateľná s CD záznamom.

Hi8 je spätne kompatibilný s Video8, t.j. všetky záznamy nasnímané vo formáte Video8 môžu byť prehrávané v zariadeniach Hi8. Pri prehrávaní záznamu na TV prijímačoch sa musí kazeta prehrávať v Hi8 prehrávači alebo pomocou Hi8 kamkordéra pripojeného priamo k TV prijímaču, pretože formát nie je kompatibilný s VCR.

V roku 1998 urobila spoločnosť SONY posledné technologické zlepšenie formátov Video8 a Hi8 zavedením funkcie rozšíreným rozlíšením XR (extended resolution). Označenie Video8-XR a Hi8-XR umožňuje mierne vylepšenie detailov jasového signálu približne o 10% a takto vytvorený záznam je možné prehrávať aj v zariadeniach bez


funkcie XR, hoci bez tohto vylepšenia. Kamkordéry formátu Hi8 sa stali veľmi populárnymi a ich najväčšími výrobcami boli SONY, Hitachi, Canon a Sharp.

Posledným formátom používajúcim 8 mm magnetickú pásku je digitálny formát Digital8 (niekedy označovaný aj D8), ktorý bol na trh uvedený v roku 1999. Formát Digital8 je kombináciou posuvného systému navrhnutého pre formát Hi8 a DV (Digital Video) priemyselného štandardného kodeku, ktorý kladie rovnaké požiadavky tak na spracovanie video- ako aj na audiosignálov.

Kamkordér digitálneho formátu Digital8 je schopný zaznamenať videosignál s vertikálnym rozlíšením 500 riadkov. Z technického hľadiska sú formáty Digital8 a miniDV na logickej úrovni formátu nerozoznateľné. Digital8, rovnako ako Video8 a Hi8 používajú rovnaké kazety, ale tu celá podobnosť s analógovými formátmi končí. Na záznam digitálneho audio/videosignálu na kazetu Video8 sa musela páska posúvať oveľa rýchlejšie. To znamená, že na kazetu vo formáte Vhi8 bolo možné zaznamenať 120 minút v sústave NTSC a 90 minút v PAL TV, v Digital8 to bolo len 60 minút pre obidve sústavy v SP móde. Niektoré Digital8 kamkordéry ponúkali aj LP mód, ktorý predĺžil čas záznamu na 90 minút. Na druhej strane existujú kazety s dlhšou páskou, na ktorú je možné zaznamenať až 90 minút v SP alebo 135 minút v LP móde.

Tak ako predchádzajúce 8 mm formáty aj Digital8 nie je s VHS VCR kompatibilný, a pri prehrávaní na TV prijímači musí byť k nemu pripojený Digital8 kamkordér. Aj keď to formát Digital8 nevyžaduje, niektoré Digital8 kamkordéry dokážu prehrať aj analógové záznamy vo formátoch Video8 a Hi8 s analógovou zvukovou stopou.

Spoločnosť SONY udelila licenciu na Digital8 najmenej jednej ďalšej spoločnosti (Hitachi), ktorá predávala Digital8 produkty, ale v súčasnosti ich ponúka vo väčšej miere už iba SONY.

4.2.2.1.4 DV, MINIDV, HDV

Digital Video (DV) je digitálny formát z roku 1994 a jeho verzia s menšou kazetou MiniDV sa stala štandardom pre domácu a poloprofesionálnu videoprodukciu. DV kazeta má veľkosť len 1/10 veľkosti VHS kazety a v porovaní s VHS má dvojnásobné vertikálne rozlíšenie, teda 500 riadkov [WEB16-19]. A hoci DV formát využíva na zápis dát magnetickú pásku, kvalita videozáznamu je porovnateľná s DVD. Maximálny čas záznamu v SP móde je 120 minút. Zvuk DV formátu tvoria 16 bitové vzorky a jeho kvalita je porovnateľná s CD záznamom.


DV kamkordéry sú v porovnaní so svojimi predchodcami vybavené novými funkciami ako napr. medzisnímkovou kompresiou, záznamom stereozvuku, rozhraním IEEE 1394: FireWire (iLink), či vyberateľným pamäťovým médiom na záznam fotiek. Pretože MiniDV kamkordéry snímali scénu vo vysokej kvalite a v porovnaní k nej za nízku cenu, stali sa na trhu kamkordérov dominantnými. Existujú dve verzie DV štandardu a to DVCAM pre profesionálnu videoprodukciu spoločnosti SONY a DVCPRO pre profesionálnu produkciu správ spoločnosti Panasonic. DV formát používa pre záznam kazety veľkosti L označované aj ako (L-size) a MiniDV kazety veľkosti S (S-size). Podobne existujú aj kazety pre DVCPRO veľkosti M označované aj ako (M-size) alebo veľkosti XL (XL-size) DVCPRO HD. Všetky varianty DV kazet však používajú rovnakú 6.35 mm širokú magnetickú pásku.

Na DV kazetu veľkosti „L“ je možné zaznamenať približne 4.6 hodín v SP alebo 6.9 hodín v EP/LP móde. Na známejšiu kazetu MiniDV veľkosti „S“ je možné uložiť 60 minút v SP alebo 90 minút v EP/LP móde a jediným obmedzením je maximálny objem zaznamenaných dát 11GB. V súčasnosti sa vyrábajú aj MiniDV kazety s tenšou páskou a dĺžkou záznamu 80 v SP alebo 120 minút v EP/LP móde. Pretože aj DV aj HDV používajú rovnakú rýchlosť pásky (DV25), záznamový čas v HDV kvalite je identický s DV záznamom.

Vylepšením DV formátu vznikol formát s vysokým rozlíšením HDV (High-definition DV, High-Definition Video), ktorý sa od formátu DV na úrovni spracovania signálov výrazne líši, pretože na záznam používa kompresný štandard MPEG-2. HDV formát vyvinulo konzorcium spoločností Victor Company of Japan, JVC a SONY. Formát bol podporovaný konzorciom spoločností CANON, SHARP a SONY, ktoré HDV kamkordéry aj vyrábali. HDV je teda formátom, ktorý bol navrhnutý na záznam komprimovanej TV s vysokým rozlíšením HDTV (High Definition TeleVision) v pomere strán 16:9 na štandardné DV médium (DV alebo MiniDV kazetu) a s vertikálnym rozlíšením až 1080 riadkov (prekladané aj neprekladané riadkovanie).

Ako prvá na svete uviedla HDV kamkordér (GR-HD1) na trh spoločnosť JVC, ktorý umožňoval snímať scénu v DV formáte (480i) alebo HDV (720p30, 480p60). Plné vertikálne rozlíšenie HDV formátu mal až kamkordér HDR-FX1 spoločnosti SONY, ktorý snímal scénu v rozlíšení 1080i. Pretože kamkordér bol určený aj pre profesionálnu prípravu správ v TV sústavách NTSC a PAL, podporoval aj 50Hz a 60Hz záznam (pozn. označenie napr. 576i50 znamená: „576“-riadkov vertikálneho rozlíšenia, „i“-prekladané riadkovanie, „50“-počet snímok za sekundu; z toho vyplýva, že mód 576i50 bol určený na snímanie scény pre TV sústavu PAL alebo SECAM). Až v roku 2006 uviedla na trh spoločnosť


SONY kamkordér s rozlíšením 1080p. Na obrázku 4.6 sú zobrazené DV formáty s neprekladaným („p“-progressive) a prekladaným („i“-interlaced) riadkovaním.

(a)

(b)

Obr. 4.6 DV formáty, a) neprekladané riadkovanie, b) prekladané riadkovanie

Okrem HDV formátu vytvorila spoločnosť SONY aj HD formát (rozšírenie verzie DVCAM formátu DV) pod označením XDCAM HD, ktorý je HDV formátu veľmi podobný. XDCAM formát používa viaceré kompresné štandardy ako MPEG-2 (mód MPEG IMX), DV25 (mód DVCAM) a MPEG-4 (mód snímania s nízkym rozlíšením). Vo verzii XDCAM HD sa scéna sníma v HDV kvalite až do rýchlosti 35Mbit/s. Na druhej strane sa spoločnosť Panasonic venovala svojej verzii DV formátu pre profesionálnu videoprodukciu DVCPRO. V porovnaní s HDV kvalitou záznamu presadzoval DVCPRO


(DVCPRO100) formát vo vyššej kvalite označovaný ako DVCPRO HD, ktorý ale nebol totožný s rozlíšením HDV formátu.

HDV bol vyvinutý ako formát na cenovo prístupný prechod od videoprodukcie so štandardným rozlíšením SD (Standard-Definition) na videoprodukciu s vysokým rozlíšením HD (High-Definition) videoprodukciu. Tak ako DV aj HDV bol navrhnutý pre záznamovú rýchlosť 25 Mbit/s na záznamové médium MiniDV a ich najdôležitejšími prvkami sú optika a snímacia elektronika. Hoci 1080i HDV a DV majú rovnakú záznamovú rýchlosť a typ kazety, videokompresnú techniku majú rozdielnu. DV kodek používa len medzisnímkovú čiže priestorovú kompresiu (každá DV snímka sa nahráva ako nezávislý obrázok s fixnou alokáciou miesta na páske) a HDV MPEG-2 videokodeky s medzisnímkovo-priestorovou a medzisnímkovo-časovou kompresiou (medzisnímkový kompresor ukladá iba časť snímok „I snímka“ a kódujú sa iba ich zmeny). Súčasne to podľa potrieb umožňuje meniť počet HDV snímok. V HDV 1080i je každá 12-ta (25 fps) alebo 15-ta (30 fps), v HDV 1080p 12-ta (25 fps) alebo 15-ta (24 alebo 30 fps) a v HDV 720p 6-ta (24, 25 alebo 30 fps) alebo 12-ta (50 alebo 60 fps) snímka I.

MPEG-2 umožňuje HDV dosiahnuť vyššie priestorové rozlíšenie pri bitovej rýchlosti 19.7 Mbit/s (720p) a 25 Mbit/s (1080i). Pri porovnaní záznamov z oveľa drahších XDCAM HD a DVCPRO HD zariadení, obsahuje HDV záznam výraznejšie priestorové a časové (pohybové) artefakty. Naviac vďaka medzisnímkovo-časovej kompresii je editácia záznamu podstatne zložitejšia. V porovnaní s SD DV záznamom má HDV väčšie priestorové rozlíšenie, vďaka ktorému vznikajúce artefakty divák toleruje. Je to spôsobené aj malou prenosnou rýchlosťou MPEG od 2 do 4 Mbit/s. V porovnaní s veľmi nízkym kompresným pomerom pri 25 Mbit/s nastáva dobré potlačenie artefaktov už pri prenosových rýchlostiach od 6 do 8 Mbit/s.

Zvuková stopa HDV formátu používa stratový kompresný štandard MPEG-1/Layer 2 so zníženou prenosovou rýchlosťou 384 kbit/s. Naopak, pri zázname zvukovej stopy v DV formáte sa používa nekomprimovaná 16-bitová PCM s prenosovou rýchlosťou 1536 kbit/s. Z toho vyplýva, že kvalita zvuku HDV formátu je technicky na nižšej úrovni, aj keď sa MPEG-1 pri 384 kbit/s považuje za „perceptuálne bezstratový“.

HDV má definovaný pomer strán obrazu 16:9 umožňujúci rozlíšenie 720p. HDV 1080i ako aj ďalšie nové HD formáty používajú kvôli účinnejšiemu ukladaniu dát pomer strán pixelu 1.33:1. To znamená, že pri vertikálnom rozlíšení 1080i (1440x1080 pxl) sa bude obraz zobrazovať v pomere 1920x1080 pxl (1440×1.33:1080). V takomto prípade sa


redukuje horizontálne rozlíšenie, čo má za následok menej strát, pretože sa vertikálne rozlíšenie znižuje prekladaným riadkovaním. Ak sa ale zvýši rozlíšenie iba v jednom smere, táto výhoda širších pixelov sa stráca. Napriek tomu, aj pri zníženom horizontálnom rozlíšení na 1440 pxl pri 1080i, je vnem ostrosti obrazu s HDV omnoho lepší než pri DV verziách PAL alebo NTSC a to preto, že aj počet 1440 pxl je stále dvakrát vyšší než pri DV alebo DVD formátoch. Taktiež celkový počet pixelov pri 1080i (1.55 Mpxl) je približne 4.5 krát vyšší než pri DV NTSC (0.35 Mpxl) a 3.75 krát pri DV PAL (0.41 Mpxl).

4.2.2.1.5 MICROMV

Formát MicroMV vyvinula v roku 2001 spoločnosť SONY, ktorá ako jediná MicroMV kamkordéry predávala. Tento systém používa na záznam fyzicky menšiu kazetu ako formáty Digital8 alebo DV a dokonca má len 70% veľkosť MiniDV kazety. Na magnetickú pásku šírky 3.80 mm a s vertikálnym rozlíšením 500 riadkov bolo možné zaznamenať rovnako ako pri DV formáte 60 minút [WEB17]. Podobne ako DV formát nasnímané videodáta bolo možné preniesť na PC pomocou rozhrania FireWire (IEEE 1394 alebo iLink). MicroMV nepoužíva široko populárny formát DV (kompresia statických snímok), ale kompresný štandard MPEG-2 s dátovou rýchlosťou 12 Mbit/s, ktorá sa používa aj pri DVD alebo HDV kamkordéroch.

Pretože sa MicroMV formát nestal veľmi populárnym, od začiatku roka 2006 už spoločnosť SONY nevyvíjala žiadne nové verzie MicroMV kamkordérov.

4.2.2.1.6 DVD, MINIDVD, HD DVD, BLU-RAY DISC

Digitálny formát kamkordérov na digitálnych univerzálnych diskoch DVD (Digital Versative Disc) kamkordérov ako prvá na svete uviedla spoločnosť Hitachi v roku 2001 s 80 mm DVD diskom (MiniDVD). Tak ako MicroMV aj DVD kamkordéry používajú na zápis dát MPEG-2 kompresný štandard, ktorý je pri editácii oveľa zložitejší ako formáty DV alebo Digital8. Záznamovým médiom je optický DVD disk, ktorý môže byť vo verziách DVD-R (Recordable +R, -R), DVD-RW (ReWritable +RW, -RW) alebo DVD-RAM (Random Access Memory) v dvoch veľkostiach. Štandardný DVD disk má priemer 120 mm a jeho MiniDVD verzia 80 mm. Rovnako existujú aj ich ďalšie modifikácie líšiace sa počtom záznamových strán (side) a počtom záznamových vrstiev (layer). Všetky verzie DVD nosičov a ich kapacity sú uvedené v tab. 4.2 [WEB16-17, WEB20].

Najúspešnejšie DVD kamkordéry používajú MiniDVD disk, vďaka ktorému sú kompaktnejšie a rozmerovo porovnateľné s kamkordérmi formátov MiniDV alebo Digital8.


Tab. 4.2 Kapacita DVD diskov

FYZICKÝ ROZMER POČET STRÁN JEDNOVRSTVOVÉ DVD DVOJVRSTVOVÉ DVD

1 (single sided) 1.4 GB 2.6 GB 80 mm

(MiniDVD) 2 (double sided) 2.8 GB 5.2 GB


(DVD) 2 (double sided) 9.4 GB 17.0 GB

Dĺžka záznamu je závislá na maximálnom objeme dát uložených na DVD nosiči, alebo inak povedané na prenosovej rýchlosti záznamu. To znamená, že napríklad pre 1.4 GB jednostranové/jednovrstvové MiniDVD v XP kvalite je dĺžka záznamu 20 minút, v štandardnej DVD kvalite SP je to 30 minút a v LP móde 60 minút. Pretože tieto dĺžky záznamu platia pre záznam na jednostranové/jednovrstvové DVD, pri zázname na 5.2 GB dvojstranové/dvojvrstvové DVD sa dĺžka záznamu zvýši štvornásobne.

Typické rozlíšenie s maximálnou prenosovou rýchlosťou TV noriem NTSC a PAL pre záznam na DVD médium je uvedené v tab. 4.3.

Tab. 4.3 DVD videoformáty

TV SÚSTAVA H-ROZLÍŠENIE V-ROZLÍŠENIE KOMPRESNÝ ŠTANDARD PRENOSOVÁ RÝCHLOSŤ

720 576 MPEG-2 (Full D1) 9 800 kbit/s

704 576 MPEG-2 9 800 kbit/s

352 576 MPEG-2 (Half D1) 9 800 kbit/s

352 288 MPEG-2 9 800 kbit/s

PAL

352 288 MPEG-1 (VCD) 1 856 kbit/s

720 480 MPEG-2 (Full D1) 9 800 kbit/s

704 480 MPEG-2 9 800 kbit/s

352 480 MPEG-2 (Half D1) 9 800 kbit/s

352 240 MPEG-2 9 800 kbit/s

NTSC

352 240 MPEG-1 (VCD) 1 856 kbit/s

MPEG-2 DVD záznam v TV sústave PAL sa vytvára rýchlosťou 25 fps a v NTSC 29.97 alebo 23.976 fps s prekladaným riadkovaním. DVD formát štandardne podporuje všetky rozlíšenia pre pomer strán 4:3 a pre pomer 16:9 (anamorfné video) iba v rozlíšení


720x576 pre PAL alebo 720x480 pre NTSC. Typická dátová rýchlosť vrátane videosignálu, audiosignálov a titulkov sa pohybuje v rozmedzí 3-10 Mbit/s (maximálne však 10.08 Mbit/s) a je adaptívna.

Zvukové stopy DVD formátu môžu byť vo formátoch PCM, AC-3 (Dolby Digital), DTS alebo MP2 (MPEG-1 Audio Layer II). V krajinách kde sa používa TV sústava PAL musí byť nasnímaná zvuková stopa aspoň v jednom z fomátov PCM, AC-3 alebo MP2 a naopak, všetky DVD PAL kompatibilné zariadenia ich musia vedieť prehrať. Rovnako pre formát MP2 platí podobné nariadenie v krajinách s TV sústavou NTSC. Pretože bol do formátu DVD formát DTS pridaný dodatočne a niektoré staršie prehrávače ho nedokážu prehrať, je pre všetky prehrávače v obidvoch TV sústavách voliteľný a v súčasnosti dominantným formátom je AC-3. DVD záznam môže obsahovať maximálne 8 sprievodných zvukových kanálov a tento počet je spoločný pre všetky DVD audioformáty (5.1 DTS, 2.0 AC-3).

Podrobnejšie informácie o zvukových DVD formátoch sú uvedené v tab. 4.4.

Tab. 4.4 Oficiálne dovolené zvukové stopy DVD formátu

TYP VZORKOVACIA FREKVENCIA POČET ZVUKOVÝCH KANÁLOV PRENOSOVÁ RÝCHLOSŤ

PCM 48 kHz alebo 96 kHz,

16 bitová alebo 24 bitová L-PCM 2 – 6 < 6 144 kbit/s

AC-3 48 kHz 1 – 5.1 (6) < 448 kbit/s

DTS 48 kHz alebo 96 kHz 2 – 6.1 < 768 kbit/s

MP2 48 kHz 2 – 7.1 < 912 kbit/s

Štandardne je výstupný videosignál dostupný v analógovej kompozitnej forme (S-Video) alebo zložkovej forme (jasový signál + dva rozdielové farebné signály). V Európe je štandardným rozhraním SCART konektor, ktorý môže distribuovať S-Video (Y/C) a/alebo analógové RGB prekladané videosignály spolu so sprievodným stereozvukom. Analógový signál v RGB zložkách je kvalitnejší ako S-Video a identický s videosignálom tvoreným zložkami YpbPr. Súčasné digitálne zariadenia ponúkajú aj digitálny HD videovýstup prostredníctvom HDMI rozhrania, ktoré je podobné DVI rozhraniu.

Postupom času bol štandardný DVD formát vylepšený na HD DVD (High Density DVD, High-Definition DVD) formát. HD DVD je optický disk pre záznam audio-/videosignálov v HD kvalite, na ktorý je možné v porovnaní s DVD diskom uložiť viac ako


trojnásobok dát. V novembri 2003 DVD fórum podporilo vývoj HD DVD formátu ako HDTV nástupcu DVD formátu ešte pod názvom AOC (Advanced Optical Disc).

HD DVD-ROM a HD DVD-RW sú v súčasnosti vo verzii 1.0 a HD DVD-R vo verzii 0.9. HD DVD formát je svojim spôsobom novinkou, pretože HD DVD-ROM nosiče sa začali predávať len koncom roku 2006 a až od roku 2007 sa začala ich veľkoprodukcia. Od februára 2007, kedy boli na trh uvedené Blu-ray (BD) disky s maximálnym záznamom 25 GB dát, začali obidva formáty medzi sebou súperiť.

Na jednovrstvový HD DVD disk je možné uložiť 15 GB a na dvojvrstvové až 30GB dát. Podrobnejšie špecifikácie HD DVD diskov sú uvedené v tab. 4.5.

Tab. 4.5 Kapacita HD DVD diskov

FYZICKÝ ROZMER POČET STRÁN JEDNOVRSTVOVÉ HD DVD DVOJVRSTVOVÉ HD DVD


(HD MiniDVD) 2 (double sided) 9.4 GB 18.8 GB


(HD DVD) 2 (double sided) 30.0 GB 60.0 GB

V časoch keď HD DVD disky a ani HD DVD zariadnia ešte neboli dostupné, existoval dvojstranný hybridný DVD formát. Záznam mohol byť prehrávaný tak na DVD ako aj na HD DVD prehrávačoch, a vďaka tejto výhode sa ľahšie predával. HD DVD záznam môže byť prehraný aj v DVD zariadeniach s „červeným“ laserom a to s kapacitou záznamu 5, 9, 15 a 15 GB a podobne ako DVD formát aj HD DVD dáta sa nachádzajú 0.6 mm a pri Blu-ray 0.85 mm pod povrchom. Obidva nové formáty sú spätne kompatibilné a používajú rovnaký videokompresný štandard MPEG-2 VC-1 (MPEG-2 Video Codec 1) a H.264/MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding). HD DVD formát podporuje niekoľko rozlíšení videosignálu od formátov s nízkym rozlíšením ako CIF (Common Intermediate Format) a SDTV (Stanard Definition TeleVision) cez všetky rozlíšenia DVD formátu až po HDTV s vysokým rozlíšením 720p, 1080i a 1080p. Väčšina filmovej produkcie sa v súčasnosti kóduje vo VC-1 s rozlíšením 1080p s doplnkovým záznamom v rozlíšení 480i alebo 480p.

Zvukový sprievod HD DVD formátu môže obsahovať maximálne 8 zvukových kanálov (7+1) nasnímaných v niektorom z digitálnych zvukových formátov ako nekomprimovaný PCM, Dolby Digital, Dolby Digital EX, DTS alebo DTS ES. Rovnako


podporuje formát Dolby Digital Plus a bezstratové formáty Dolby TrueHD and DTS HD. Niektoré profesionálne DVD záznamy obsahujú obyčajne zvukový sprievod 5.1 a len výnimočne 6.1. Na HD DVD záznamoch sú Dolby formáty povinné, to znamená, že zvukový sprievod vo formátoch Dolby Digital, Dolby Digital Plus alebo Dolby TureHD musí byť zaznamenaný oddelene. Dôvodom bol fakt, že v budúcnosti budú všetky prehrávače obsahovať dekóder schopný spracovať všetky spomenuté formáty. Pre bezstratové formáty PCM, Dolby TrueHD alebo DTS-HD obsahuje zvukový sprievod HD DVD formátu 24 bitové vzorky so vzorkovaním 192 kHz (stereo zvuk) alebo 96 kHz (8 kanálový zvuk).

4.2.2.1.7 HDD

Kamkordéry s pevným diskom HDD (Hard Disk Drive) formátom sa po prvýkrát objavili na prelome rokov 2005/2006 a boli podporované spoločnosťami JVC a SONY [WEB17]. Ich architektúra a poskytované funkcie sa od DVD kamkordérov nelíši a jediným podstatným rozdielom je, že na záznam videa používajú interné HDD disky (označované aj ako „microdrive“ záznamové médiá pôvodne navrhnuté spoločnosťou IBM), aj keď prvé modely používali odoberateľný HDD. Štandardná kapacita HDD diskov je 20 GB, 30 GB a 60 GB a dĺžka záznamu je porovnateľná s ostatnými digitálnymi formátmi. HDD kamkordéry umožňujú napríklad na 30 GB HDD zaznamenať vyše 20 hodín v LP móde (kvalita TV vysielania) pri záznamovej rýchlosti 3 Mbit/s (4.5 Mbit/s), vyše 10 hodín v SP móde (kvalita DVD záznamu) pri rýchlosti 6Mbit/s a nakoniec skoro 7 hodín v maximálnom rozlíšení v HQ 720x576 MPEG-2 (kvalita DVD filmu) pri rýchlosti 9.8 Mbit/s. Pre zdieľanie videa v internetových aplikáciách ešte existuje aj mód so záznamovou rýchlosťou 1.5 Mbit/s (1.7 Mbit/s) a dĺžkou záznamu presahujúcou 40 hodín.

Medzi štandardné funkcie HDD kamkordérov patria: dotyková LCD obrazovka, nočné snímanie Super/NightShot Plus, digitálny fotoaparát, strih priamo v kamere a obrazové efekty, stereozvuk, stabilizácia obrazu, snímanie v širokouhlom formáte 16:9 a pod. V porovnaní s páskovými kamkordérmi obsahujú systém proti strate nasnímaných dát v prípade pádu kamkordéra. Nasnímané videozáznamy je možné exportovať priamo do PC cez univerzálne rozhranie USB 2.0 alebo zobrazovať priamo v kompozitnom alebo S-videoformáte na TVP. V porovnaní s páskovými alebo DVD kamkordérmi sú ľahšie a menšie. Niektoré HDD kamkordéry snímajú farebný obraz tromi CCD snímačmi s fyzickým rozlíšením 1.33 Mpxl alebo interpolačným rozlíšením až 5 Mpxl (snímanie statických snímok). V prípade HQ záznamu videa dokážu snímať scénu s pevnou snímacou


rýchlosťou okolo 9 Mbit/s (pri rozlíšení 720x576i50) a to vrátane rýchlosti 384 kbit/s pre záznam v Dolby Digital.

Medzi podstatné výhody DVD alebo HDD kamkordérov v porovnaní s páskovými kamkordérmi patrí schopnosť rýchlej kolalizácie požadovanej nahrávky alebo časti scény na DVD nosiči alebo HDD disku a to vďaka systému indexácie scén. Rovnako to isté platí aj pri rýchlom odstránení nepotrebných scén, editácii videa priamo v kamkordéri alebo preusporiadania scén bez toho, aby bol predošlý užitočný materiál premazaný. Nakoniec, špeciálne len pre HDD kamkordéry bola vyvinutá aj technológia vytvorenia DVD videozáznamu priamo z nahrávky kamkordérom pripojeným k PC.

4.2.2.1.8 NASLEDUJÚCE FORMÁTY

Po masívnom nástupe formátu pre zápis 2D videa v HDV kvalite sa významnejšie zmeny – principiálne (okrem záznamu 3D) neočakávajú. Nové formáty budú skôr vylepšovať záznamový čas použitím nových záznamových médií, kompresných metód a pod. Medzi potenciálne úspešné nové nosiče sa pravdepodobne zaradia optické PH-DVD s možnosťou zápisu až 100 GB videodát, SVOD (Stacked Volumetric Optical Disk) s 1TB dát, HVD (Holographic Versatile Disc) s 3.9 TB alebo PCD (Protein-Coated Disc) s neuveriteľnými 50 TB [WEB17].

4.3 DIGITÁLNY FOTOAPARÁT

Digitálny foaparát je snímacie zariadenie určené na snímanie prevažne statických obrazov. Jeho principiálna bloková schéma (obr. 4.7) je čiastočne totožná so schémou kamkordéra [WEB08, WEB21]. Ich snímacie prvky (CCD), obvody spracovávajúce a konvertujúce analógový signál do digitálneho tvaru sú identické. V obvodoch číslicového spracovania signálov DSP (Digital Signal Processing) sa ďalej digitálne RGB signály korigujú podľa gamma funkcie a farebne, nastavujú sa ich parametre jasu, kontrastu a tónovania, ostria sa a pod. Podľa zvoleného módu fotoaparátu sa volí režim snímania, od ktorého budú závisieť ďalšie operácie spracovania obrazu.

V prípade nastavenia módu na snímanie statického obrazu sa nasnímaný obraz spracováva v bloku obrazového koprocesora. Štandardným formátom pre uloženie statických obrazov je formát JPEG, ale používajú sa aj iné ako TIFF (Tagged Image File Format) alebo RAW. Najkvalitnejším formátom je TIFF, po ktorom nasleduje RAW (približne 50% objemu dát v porovnaní s TIFF) a nakoniec JPEG. Pretože je TIFF


bezstratovým formátom, používa sa hlavne pre profesionálne fotenie. Daňou za kvalitu je pomalé snímanie/ukladanie na pamäťové médium, ktoré môže trvať až niekoľko sekúnd a o sekvenčnom snímaní ani nehovoriac. Ako už bolo spomenuté, nasnímaný obraz sa v obvodoch DSP dodatočne upravuje/ukladá do TIFF alebo JPEG formátu, čiže sa nezaznamenáva obraz pôvodne nasnímaný CCD snímačom. Naviac pri subjektívnom porovnaní obrazov obidvoch formátov je rozdiel minimálny. Naopak v RAW formáte sa obraz ukladá nespracovaný, obsahuje viac pôvodných dát ako vo formáte TIFF. Nakoniec pri použití vhodného softvéru na spracovanie obrazu je možné docieliť lepší výsledok, ako by sa dosiahol obvodmi fotoaparátu. Hlavne kvôli kompresii obrazových dát a úspore dátového priestoru sa najviac presadil formát JPEG. V niekoľkých nastavenia kvality kompresie dosahuje JPEG formát približne len 5% (štandardná kvalita) alebo 20% (vysoká kvalita) z dát uložených vo formáte TIFF. Nižšia kvalita JPEG formátu je spôsobená aj zníženou farebnou hĺbkou. Ak sú napríklad na výstupe CCD snímača RGB signály s rozlíšením 12 bitov/kanál, JPEG koprocesor ich upraví na 8 bitov/kanál. Okrem bitovej degradácie JPEG koprocesor vykonáva DCT/IDCT transformácie, konverziu farebného priestoru (ak CCD snímač využíva napríklad Bayerove filtre s C-Y komplementárnymi farbami ktoré sa konvertujú na RGB), kompresiu a pod. Výstupný obraz v niektorom z formátov sa v grafickom ovládači upravuje do tvaru vhodného pre zobrazenie na LCD displeji. Rovnako pri móde snímajúcom video sa signál z grafického ovládača spracováva v bloku videokódera. Štandardným formátom pre uloženie videa je QuickTime Movie (MPEG4-MOV). Nasnímané video v obmedzenej kvalite a dĺžke môže byť uložené v norme NTSC alebo PAL TV, alebo ako kompozitný signál prehrávaný priamo na TV prijímači (aj spolu so statickými snímkami). Nasnímané obrazy alebo videá sa ukladajú priamo na interné alebo externé pamäťové médium fotoaparátu. Medzi najpoužívanejšie externé médiá patria pamäťové flash karty (CompactFlash, Memory Stick, Secure Digital a xD), HDD alebo rozhranie pre zápis na CD-R. Na export uložených dát sa podobne ako pri kamkordéroch používajú vysokorýchlostné rozhrania ako USB v2.0, IEEE 1394 (FireWire), Bluetooth, a Ethernet.

Medzi dôležité parametre digitálneho fotoaparátu patria farebné rozlíšenie (bitová hĺbka-bit/kanál), priestorové horizontálne/vertikálne rozlíšenie (počet pixelov na jeden palec-DPI), rozlíšenie CCD snímača (počet pixelov v horizontálnom a vertikálnom smere-Mpxl), farebný priestor, ohnisková vzdialenosť (f), svetelnosť objektívu (F), citlivosť ISO (International Organization for Standardization), expozičný čas a optický zoom.


Obr. 4.7 Blokové zapojenie digitálneho fotoaparátu

Ako už bolo spomenuté, súčasné digitálne fotoaparáty používajú v JPEG formáte štandardnú farebnú hĺbku 24 bitov (8 bitov/kanál), čo je 16.77 mil. fatrieb. Rozlíšenie CCD snímača bežne dostupných fotoaparátov sa pre statické obrazy pohybuje v rozmedzí od 1.3 Mpxl (1280x960) do 16.7 Mpxl (4992x3328) a s priestorovým horizontálnym/vertikálnym rozlíšením 72 bodov na palec DPI (Dots Per Inch). Existujú však aj špeciálne profesionálne fotoaparáty, ktoré obsahujú CCD čip s viac ako 35 MPxl (napríklad model s 39 MPxl). Treba však podotknúť, že nie všetky pixely CCD snímača tvoria nasnímaný obraz uložený na pamäťovom médiu (efektívny počet pixelov CCD snímača). Hodnoty rozlíšení CCD snímača pri zázname videosignálu fotoaparátom sa rozlíšenie CCD snímača redukuje na štandardne používané rozlíšenia 320x240 alebo 640x480 pixelov.

Aby bolo možné obraz snímať pri rôznych svetelných podmienkach a v relatívne rozumných expozičných časoch (doba osvetlenia CCD snímača), nastavuje sa na digitálnych fotoaparátoch stupeň citlivosti snímača. Citlivosť snímača vychádza z normy pre citlivosť klasických celuloidových filmov. Vyššia citlivosť CCD snímačov sa dosahuje vyšším ziskom zosilňovačov, ktoré ale vnášajú do nasnímaného obrazu aj zvýšený šum (kapitola 2.3.2.6). Pri rozmerovo podobných snímacích plochách CCD snímača sú pixely snímača s vyšším priestorovým rozlíšením menšie a naopak. Menšia snímacia plocha pixela však pri vyšších citlivostiach vyžaduje vyšší zisk zosilňovačov, ktoré musia a priori generovať aj zvýšený šum. V súčasných nielen komerčných ale aj profesionálnych fotoaparátoch sa citlivosť pohybuje od ISO50 do ISO1600. Vyššie ISO hodnoty znamenajú vyššiu citlivosť a pre bežné svetelné podmienky sa najčastejšie používa citlivosť ISO100.


Digitálny fotoaparát má v porovnaní s klasickým fotoaparátom nižšiu hodnotu ohniskových vzdialeností. Je to spôsobené menšími rozmermi CCD snímača, ktorý sa nachádza približne v rovnakej vzdialenosti za objektívom ako napríklad políčko 35 mm filmu. Ak napríklad na fotoaparáte je uvádzaná hodnota f=6.4-51.2 znamená to, že objektív je schopný maximálneho optického priblíženia 51.2/6.4=8 (8-násobný zoom). Ďalším parametrom charakterizujúcim objektív sú hodnoty svetelnosti objektívu F. Ak je na objektíve nastavená menšia hodnota ohniskovej vzdialenosti (menšie priblíženie), na dobré nasnímanie obrazu je potrebné menšie množstvo svetla a tiež kratšia doba expozície. Svetelnosť objektívu potom určuje schopnosť fotoaparátu snímať obraz pri rôznych svetelných podmienkach a uvádza sa v súvislosti s hodnotami ohniskových vzdialeností (pre f=6.4-51.2 je F=2.8-3.7). Čím je hodnota zodpovedajúca základnej ohniskovej vzdialenosti (bez priblíženia) nižšia, tým je možné snímať obraz za horších svetelných podmienok. Profesionálne fotoaparáty dosahujú hodnoty svetelnosti menšie než 2. Z tohto dôvodu musia mať teleobjektívy s veľkým optickým priblížením aj veľkú svetelnosť objektívu a teda aj väčší priemer.

Posledným už čiastočne spomenutým parametrom je expozičný čas, ktorý sa pohybuje v rozmedzí od tisíciny sekundy (snímanie počas slnečného dňa) až po rádovo desiatky sekúnd (snímanie počas tmavej noci). V prípade, že aj pri použití najkratšieho expozičného času je snímka presvetlená, redukuje sa intenzita svetla dopadajúceho na CCD snímač clonou.

Digitálny fotoaparát obsahuje aj dodatočné nástroje medzi ktoré patria blesk, vyváženie bielej, automatické ostrenie, optická stabilizácia obrazu, meranie expozičného času, digitálny zoom a pod.

4.4 DIGITÁLNY SKENER

Skoro všetky digitálne skenery a niekoľko vysokoprofesionálnych kamier používajú na snímanie obrazu riadkové CCD snímače. Podobný princíp snímania bol popísaný v kapitole týkajúcej sa prepisu videozáznamu z filmového pásu do digitálnej formy. Rozlíšenie nasnímaného obrazu závisí na fyzickom počte fotocitlivých snímaích prvkov a rýchlosť snímania na počte snímaných riadkov a rýchlosti prechodu medzi dvoma snímanými riadkami. Digitálne skenery, kamery alebo podobné zariadenia s riadkovým snímaním obrazu sú vhodné iba pre snímanie statických obrazov (štúdiová fotografia) alebo


videa s minimálnou pohybovou aktivitou scény. Z týchto dôvodov sa používajú v takých odvetviach priemyslu akými sú napríklad katalógová fotografia alebo tvorba produktových šotov. Na obr. 4.8 je zobrazené principiálne blokové zapojenie digitálneho skenera [WEB08].

Obr. 4.8 Blokové zapojenie digitálneho skenera

Digitálny skener sa skladá z možstva rovnakých blokov ako kamkordér. Neobsahuje však napríklad bloky analógových/digitálnych zobrazovacích radičov, alebo radiče pamäťových médií. Na druhej strane však obsahuje dodadatočné rozhrania pre vysokorýchlostný prenos dát, akými sú FireWire/iLink (IEEE 1394), WLAN (WiFi: IEEE 802.11), USB (v1.1 alebo v2.0), Home PNA, a pod.

V porovnaní s plošnými snímačmi dosahujú riadkové snímače oveľa vyššie horizontálne rozlíšenie (rádovo 10-100 násobné) a s vyššou čítacou rýchlosťou (rádovo desiatok nanosekúnd/pxl). Ich najväčším nedostatkom je synchronizácia susedných riadkov v prípade, že sa snímaná predloha posunie.

Digitálne skenery možno rozdeliť do dvoch skupín:

skenery pre bežné použitie,

vysokoprofesionálne skenery.


Skenery pre bežné použitie sú relatívne cenovo výhodné s hĺbkou snímania farebných obrazov 36 bitov respektíve 12 bitov pre snímanie šedých obrazov, s maximálnym rozlíšením 1200x2400 pxl a výstupnými rozhraniami: paralelný port, USB, SCSI. Naopak vysokoprofesionálne skenery sú cenovo nákladné. Zvýšená cena sa prejavuje najmä vo väčšej farebnej hĺbke snímania (od 24 bitov do 48 bitov), vyššom maximálnom rozlíšení (1200x3048 pxl alebo 2400x1600 pxl) a vyššej skenovacej rýchlosti. Vyššie rozlíšenie dosahujú vďaka vyššiemu počtu CCD snímačov (rádovo tisícok). Nasnímané obrazy sa exportujú cez vysokorýchlostné výstupné rozhrania USB, SCSI, FireWire (IEEE-1394), a pod.

4.5 ŠPECIÁLNE SNÍMACIE ZARIADENIA

Okrem už spomenutých komerčných zariadení sa snímacie prvky (vákuové snímacie elektrónky alebo snímače pevnej fázy) uplatnili aj vo vedeckých snímacích zariadenia. Od svojich komerčných verzií sa líšia hlavne:

snímaným frekvenčným pásmom (ultrazvukové, infračervené, ultrafialové

röntgenové, a pod.),

citlivosťou snímača (systémy pre bežné snímacie podmienky, systémy nočného

videnia, a pod.),

veľkosťou snímača,

a pod.

Pretože tvoria veľkú samostatnú kapitolu a sú určené pre aplikácie špeciálneho snímania obrazu, táto kniha sa nimi ďalej nezaoberá.

LITERATÚRA

[Back96] Backer B., Ninkov Z., Corba M.: Characterization of a CID-38 Charge Injection Device, SPIE Proceedings 2654, 2, 1996. http://www.cis.rit.edu/people/faculty/ninkov/spie96/paper96.htm

[Baye76] Bayer B.E.: Color Imaging Array, US patent no. 3,971,065, 1976.

[Batc97] Batchelor B., Hack R., Whealan P.: Robot Vision, June 3, 1997. http://www.vsg.dcu.ie/papers/hack_ency.pdf

[Brit04] Britannica Encyclopaedia, Deluxe Edition, CD version, 2004.

[Broo06] Brooker G.: Sensors and Signals, Visible Imaging and Image Intensifiers, Chapter 5., pp.: 73-90, 2006.

[East94] Eastman KODAK company – Microelectronics technology division: Application note solid state image sensors, 55 pages, 8. December 1994, Rochester NY, USA.

[Ford98] Ford A.: A. Roberts, Colour Space Conversions, August 1998, pp. 1-31. http://www.wmin.ac.uk/ITRG

[Gunt05] Gunturk B. K., Glotzbach K., Altunbasak Y., Schafer R. W., Mersereau R. M.: Demosaicking: Color Filter Array Interpolation, IEEE Signa processing magazine, pp.:44-54, January 2005.

[Hama03] Hamamatsu Photonics: Charakteristics and use of FFT-CCD area image sensors, Technical information SD-25, 27 pages. www.hamamatsu.com

[Hart00] Hartwig R. L:Basic TV technology digital and analog, third edition, ISBN 0-240-80417-1

http://www.wmin.ac.uk/ITRG

http://www.hamamatsu.com/

Literatúra 131

[Hube04] Hubel P. M., Liu J., Guttosch R. J.: Spatial Frequency Response of Color Image Sensors: Bayer Color Filters and Foveon X3; Proc. SPIE Vol. 5301, pp. 402-407, 2004.

[Chen03] Chen T.: Digital camera syste simulator and applications, Dissertation, Department of electrical engineering of Stanford university, 131 pages, 2003.

[Incz00] Inczédy J., Lengyel T., Ure A. M.: Compendium of analytical nomenclature, Definitive rules 1997, 3rd edition, The Orange Book - WEB edition, 2000. http://www.ibiblio.org/pub/academic/chemistry/iupac_nm/V_compendium/

[Jeti05] JETI: Basics of Spectral Measurement, Line Arrays for Miniaturized Spectrometers, Chapter 2., JETI Technische Instrumente GmbH 2005. http://www.jeti.com/down/basics/basics2.pdf

[Keit05] Keith J.: Video Demystified, Fourth Edition, 960 pages, Publisher: Elsevier-Newnes, Fourth edition, 2005, ISBN: 0750678224.

[Kuba00] Kuba P., Vít V.: Televizní technika – Studiové zpracování televizního signálu, BEN Technická literatúra, Praha 2000, ISBN 80-86056-88-0.

[Kuya05] Kuyatt B. L., Weaver R., Merlo P.: Image capture methods, Advanced materials & processes (Adv. Mater. Process.), 2005, vol. 163, no. 4, pp.: 25-28, ISSN 0882-7958.

[Luki04] Lukin A., Kubasov D.: High-Quality Algorithm for Bayer Pattern Interpolation, Programming and Computer Software, Vol. 30, No. 6, 2004, pp. 347–358. Translated from Programmirovanie, Vol. 30, No. 6, 2004.

[Lyon02] Lyon R. F., Hubel P.M.: Eyeing the camera: into the next century, IS&T/TSID 10th Color Imaging Conference Proceedings, Scottsdale, AZ, USA; 2002, pp. 349-355.

[Lyon04] Lyon R. F.: History and Future of Electronic Color Photography: Where Vision and Silicon Meet, 2004.

http://www.jeti.com/down/basics/basics2.pdf

132 Literatúra

http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs39j/fa04/handouts/UCB-pres.pdf.

[Malv04] Malvar H. S., He L., Cutler R.: High-quality linear interpolation for demosaicing of Bayer-patterned color images, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP 2004, Volume: 3, pp.: iii- 485-8, vol.3, ISSN: 1520-6149.

[Manj02] Manjunath B. S., Salembier P., Sikora T.: Introduction to MPEG-7: Multimedia Content Description Interface, Hardcover, 396 pages, April 2002, ISBN: 978-0-471-48678-7.

[McGr05] McGregor T.J., Jeffries B., Spence D. J., Coutts D.W.: Three Dimensional Particle Image Velocimetry using Colour Coded Light Sheets, Fourth Australian Conference on Laser Diagnostics in Fluid Mechanics and Combustion, The University of Adelaide, South Australia, Australia, 7-9 December 2005.

[McIl60] McIlwain K., Dean Ch. E.: Principy barevné televize, John Wiley&Sons, Inc., NY 1956, preklad: Beneš J., Vlach J., Redakce technické literatury, 1960.

[Poyn96] Poynton, Ch.: A technical introduction to digital video, Chapter 1. – Basic Principles, pp.: 1-31, John Wiley & Sons, 1996.

[Poyn97a] Poynton Ch.: Frequently Asked Questions about Color, pp. 1-24, May 1997.

[Poyn97b] Poynton Ch.: A Guided Tour of Color Space, pp. 1-14, August 1997.

[Rama02] Ramanath R., Snyder W. E., Bilbro G. L., Sander III W. A.: Demosaicking methods for Bayer color arrays, Journal of Electronic Imaging 11(3), pp.: 306-315, July 2002.

[Ševč91] Ševčík P., Kulla P.: Televízna technika-príručka na cvičenia, STU, 1991, ISBN 80-227-1495-X.

[Vít97] Vít V.: Televizní technika – Přenosové barevné soustavy, BEN Technická literatúra, Praha 1997, ISBN 80-86056-04-X.

http://inst.eecs.berkeley.edu/~cs39j/fa04/handouts/UCB-pres.pdf

Literatúra 133

[WEB01] Guttosch R. J.: Investigation of Color Aliasing of High Spatial Frequencies and Edges for Bayer-Pattern Sensors and Foveon X3® Direct Image Sensors, Foveon, Inc., pp. 1-8, Santa Clara, CA. http://photo.net/bboard/uploaded-file?bboard_upload_id=35988184

[WEB02] Television History – The First 75 Years: http://www.tvhistory.tv/

[WEB03] Vision Elements – ‘The Machine Vision Handbook’, 3 Chip or not 3 Chip,That is the Question! Colour Imaging Techniques for Machine Vision, pp. 1-2. http://server.firstsightvision.co.uk/download/Firstsight%20Vision/Tech%20Tips/Colour-Tech-Tip.pdf

[WEB04] Hamamatsu, Solid State Division: http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division

[WEB05] C-Arms International: http://www.c-arm.com/camera_tubes.htm

[WEB06] The Cathode Ray Tube site. http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page4.html

[WEB07] The David Sarnoff Library. http://www.davidsarnoff.org/

[WEB08] Xilinx, Inc. http://www.xilinx.com/

[WEB09] Rémi J.: Demosaicing with The Bayer Pattern. www.unc.edu/~rjean/demosaicing/demosaicing.pdf

[WEB10] Color Filter Array Designs. http://www.quadibloc.com/other/cfaint.htm

[WEB11] The color Filter Array FAQ. http://www.fillfactory.com/htm/technology/htm/rgbfaq.htm

[WEB12] Sensor Sensibility. http://www.sd9.org.uk/sensors.htm

[WEB13] Lyon R. F.: „Roots“ of Electronic Color Photography & Color Photography with the Foveon X3 Sensor Technology (slides from a couple of talks), http://www.foveon.net/article.php?a=74.

http://photo.net/bboard/uploaded-file?bboard_upload_id=35988184

http://photo.net/bboard/uploaded-file?bboard_upload_id=35988184

http://www.tvhistory.tv/

http://server.firstsightvision.co.uk/download/Firstsight Vision/Tech Tips/Colour-Tech-Tip.pdf

http://server.firstsightvision.co.uk/download/Firstsight Vision/Tech Tips/Colour-Tech-Tip.pdf

http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division

http://www.c-arm.com/camera_tubes.htm

http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page4.html

http://www.davidsarnoff.org/

http://www.xilinx.com/

http://www.unc.edu/~rjean/demosaicing/demosaicing.pdf

http://www.quadibloc.com/other/cfaint.htm

http://www.fillfactory.com/htm/technology/htm/rgbfaq.htm

http://www.sd9.org.uk/sensors.htm

http://www.foveon.net/article.php?a=74

134 Literatúra

[WEB14] Direct Image Sensors, http://www.foveon.net/article.php?a=74.

[WEB15] Mitchell L.: The Man Who Stopped Time, http://www.stanfordalumni.org/news/magazine/2001/mayjun/features/muybridge.html

[WEB16] Video formats. http://www.mediacollege.com/video/format/

[WEB17] Video storage. http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Video_storage

[WEB18] Choosing a DV Camcorder, Chapter 1. http://media.wiley.com/product_data/excerpt/01/07645436/0764543601.pdf

[WEB19] DVCAM Family. http://www.keycodemedia.com/pdf/dvcamfamily.pdf

[WEB20] Blu-ray Disc format, White paper, 37 pages, 2004. http://www.blu-raydisc.com/assets/downloadablefile/general_bluraydiscformat-12834.pdf

[WEB21] Digital Camera Fundamentals, Andor Technology, 26 pages. http://www.andor.com/pdfs/Digital%20Camera%20Fundamentals.pdf

[WEB22] Schematic diagram of the human eye. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Schematic_diagram_of_the_human_eye_en.svg

[Yin96] Yin L., Yang R., Gabbouj M., Neuvo Y.: Weighted Median Filters: A Tutorial, IEEE Transactions on Circuits and Systems-II. Analog and Digital Processing, vol. 43, no. 3, pp.: 157-192, March 1996.

[Zett05] Zettl H.: Television Production Handbook, Publisher: Wadsworth Publishing, 9 edition 2005, 576 pages, ISBN-10: 0534647278.

http://www.foveon.net/article.php?a=74

http://www.stanfordalumni.org/news/magazine/2001/mayjun/features/muybridge.html

http://www.stanfordalumni.org/news/magazine/2001/mayjun/features/muybridge.html

http://www.mediacollege.com/video/format/

http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Video_storage

http://media.wiley.com/product_data/excerpt/01/07645436/0764543601.pdf

http://media.wiley.com/product_data/excerpt/01/07645436/0764543601.pdf

http://www.keycodemedia.com/pdf/dvcamfamily.pdf

http://www.blu-raydisc.com/assets/downloadablefile/general_bluraydiscformat-12834.pdf



TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH...ZOZNAM SKRATIEK Skratka Anglický ekvivalent Slovenský...

Documents

Transcript of TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH...ZOZNAM SKRATIEK Skratka Anglický ekvivalent Slovenský...