9.1. Zasada działania cyfrowej kamery wideo i jej budowa

Transkrypt

1 OPTOELEKTRONIKA OBRAZOWA LABORATORIUM Ćwiczenie 9: Pomiary kamer wideo - cyfrowej i analogowej 9.1. Zasada działania cyfrowej kamery wideo i jej budowa Budowa kamery schemat blokowy Cyfrowa kamera wideo to przenośne urządzenie optoelektroniczne służące do zapisywania sekwencji obrazów wideo na nośniku cyfrowym (takim jak kaseta minidv, płyta DVD, wbudowany dysk twardy czy karta pamięci). Przykładowy schemat blokowy przedstawiono na rys. 9.1: Siatka Bayer'a Sensor CCD/CMOS Wzmocnienie, konwersja A/C sygnału Procesor DSP Główny procesor sygnałowy Kontroler ekranu LCD LCD Karta pamięci WYJŚCIE audio/video Kontroler migawki, przysłony i AF Sensor AF Kontroler MCU Ładowarka Układ zasilania, kontroler baterii Interfejs użytkownika Rys Schemat blokowy cyfrowej kamery wideo Do podstawowych elementów składowych kamery należą; obiektyw, sensor obrazu, procesor sygnałowy, system cyfrowego zapisu obrazu, ekran LCD wraz z interfejsem użytkownika, oraz szereg systemów pomocniczych (takich jak autofocus, układ automatycznej ekspozycji, układ automatycznego balansu bieli). 1

2 Ogólna zasada działania Światło przechodzące przez obiektyw kamery jest ogniskowane w płaszczyźnie sensora, będącego matrycą pikseli (skrót od picture element element obrazu), tj. elementów przetwarzająco - akumulujących. Piksele to elementy światłoczułe, najczęściej złącza p-n lub kondensatora MOS. Pod wpływem ekspozycji (wystawienia sensora na działanie światła) w pikselach generowane są elektrony za sprawą efektu fotoelektrycznego. Każdy piksel pokryty jest warstwą barwnego fotorezystu (nazywanego filtrem) przepuszczającego tylko fragment spektrum promieniowania. Filtry ułożone są jak mozaika na powierzchni sensora i razem tworzą dyskretny filtr optyczny - DFO. Czas akumulacji generowanych elektronów nazywa się okresem integracji. Po jego upływie ładunek zgromadzonych elektronów jest konwertowany na analogowy sygnał elektryczny. Sygnał ten jest przekształcany do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika A/C. Liczba bitów przetwornika definiuje głębię bitową obrazu. Przetwornik 8-bitowy pozwala na opisanie sygnału analogowego za pomocą 2 8 =256 dyskretnych wartości. Ponieważ sygnał z sensora składa się z trzech składowych kolorowych (R, G i B) to dla zachowania takiej głębi, musi zostać opisany za pomocą 24 bitów (3*8 bitów to tzw. true color). Po przejściu przez przetwornik, cyfrowy obraz jest poddawany procesom takim jak; korekcja balansu bieli, wyostrzanie, i demozaikowanie. Obrazy są zapisywane na nośniku cyfrowym jako sekwencje wideo, najczęściej w plikach.avi. Jest to uniwersalny format pozwalający na umieszczenie w pliku strumieni audio i wideo, zakodowanych i skompresowanych w dowolny sposób. Dodatkowo, kamery wyposażone są w jedno lub kilka wyjść audio/wideo, takich jak; composite, s-video czy najnowsze HDMI. Ekspozycja to (jak już wspomniano) proces wystawienia sensora kamery na działanie światła, prowadzący do zarejestrowania obrazu. Do opisu ekspozycji używa się trzech parametrów: - stopnia otwarcia przysłony obiektywu, - czasu otwarcia migawki, - czułości ISO (tj. zdefiniowanej wg normy ISO) sensora lub błony światłoczułej. Parametry te zostaną opisane w dalszej części instrukcji. 2

3 9.2. Elementy i układy składające się na cyfrową kamerę wideo Obiektyw Obiektywy wszystkich kamer (poza najprostszymi) złożone są z kilku soczewek zwanych elementami. Ich zadaniem jest kierowanie (drogą załamania) światła tak, aby jak najwierniej odwzorować filmowaną scenę na elemencie światłoczułym (błonie lub sensorze). Celem projektantów obiektywów jest minimalizacja aberracji (błędów odwzorowania) przy użyciu jak najmniejszej liczby elementów. Przedni element obiektywu ma kluczowy wpływ na jego jakość. Jego krzywizna jest dobrana w taki sposób, aby kąt padania i kąt załamania promieni były jednakowe. Jest to łatwe do osiągnięcia w obiektywach stałoogniskowych ale bardzo trudne w obiektywach typu zoom (zmiennoogniskowych). Przedni element pokryty jest specjalnymi powłokami mającymi na celu; 1) poprawę gładkości, 2) poprawę własności transmisyjnych (powłoki antyrefleksyjne), 3) zmniejszenie podatności na flarę od słońca, 4) poprawę własności kolorystycznych. Większość dzisiejszych obiektywów jest wielokrotnie powlekana (ang. multi coated) oraz posiada element będący filtrem UV. Regulacja ostrości (ogniskowanie) polega na zmianie odległości między soczewkami a sensorem lub na zmianie odległości między poszczególnymi grupami elementów. padające światło diafragma (apertura) błona światłoczuła lub sensor cyfrowy elementy obiektywu Rys. 9.2 Budowa obiektywu. Najczęściej stosowanymi do wykonywania soczewek materiałami są; szkło, szkło kwarcowe, fluoryt, plastik i german. Plastik umożlwia formowanie elementów asferycznych, których wykonanie w szkle byłoby trudne lub nawet niemożliwe. Nie stosuje się go do wykonywania elementów przednich ze względu na podatność na zarysowania. Producenci często nazywają plastik stosowany w obiektywach 'żywicą optyczną'. Wewnątrz obiektywu znajduje się również przysłona (apertura) o zmiennej średnicy. Jest to mechanizm regulacji ilości przechodzącego przez obiektyw światła. Obecnie najczęściej stosuje się przysłonę irysową. Składa się ona z tzw. listków, których liczba świadczy często o jakości obiektywu. Większa ilość listków pozwala lepiej odwzorować pożądany, okrągły kształt apertury, co daje wysokiej jakości bokeh rozmycie tła zarejestrowanego obrazu. Rys Prostokątna przysłona widoczna wewnątrz obiektywu cyfrowej kamery video 3

4 Odległość ogniskowa (w skrócie ogniskowa): jest to odległość od płaszczyzny głównej (przedmiotowej lub obrazowej) układu soczewek do skojarzonego z nią ogniska. W sytuacji gdy obraz z kamery jest ostry, jej sensor znajduje się niemal w ognisku obiektywu. Odległość ogniskowa jest głównym parametrem obiektywu i nie zależy od rodzaju aparatu bądź kamery do której jest zamocowany. Wyrażana jest w milimetrach [mm]. Pole widzenia (ang. field of view - FOV) jest to kątowy wycinek danej sceny możliwy do zarejestrowania przez sensor kamery. Zależy od dwóch parametrów: odległości ogniskowej obiektywu oraz fizycznych rozmiarów sensora. Rys Pole widzenia kamery lub aparatu fotograficznego Pole widzenie nie jest cechą samego obiektywu i może być określone jedynie gdy znany jest rozmiar sensora. Aby opisać pole widzenia w pionie, poziomie i po przekątnej podaje się odpowiedni kąt widzenia. K FOV = 2 arctg 2 f (9.1) gdzie: K średnica, długość lub szerokość sensora, f odległość ogniskowa nominalna bądź efektywna Z wzoru (9.1) wynika, że gdy odległość ogniskowa rośnie, pole widzenia kamery maleje. Obiektywy o ogniskowej ~50mm zastosowane w aparatach z kliszą o rozmiarach 24 x 36 mm 2, nazywane są normalnymi, bowiem ich pole widzenia jest zbliżone do oka ludzkiego. Jeśli ogniskowa jest krótsza, mówi się że obiektyw jest szerokokątny, a jeśli dłuższa jest to teleobiektyw. W tabeli 9.1 zestawiono kąty widzenia w pionie, poziomie i po przekątnej odpowiadające typowym odległościom ogniskowym obiektywów. Jak już wspomniano, pole widzenia zależy również od rozmiaru sensora i wszystkie wartości w tabeli są słuszne dla tzw. aparatów małoobrazkowych (o wymiarach klatki 36 x 24mm). Tabela 9.1. Kąty widzenia małoobrazkowego aparatu fotograficznego dla wybranych odległości ogniskowych. ogniskowa [mm] Po przekątnej ( ) Pionowo ( ) Poziomo ( )

5 Ekwiwalentna odległość ogniskowa jest to ogniskowa obiektywu aparatu małoobrazkowego, przy której pole widzenia jest takie jak pole widzenia danej kamery (z innym obiektywem i sensorem). Przelicznik ogniskowej (ang. crop factor) jest to współczynnik, który pomnożony przez odległość ogniskową obiektywu danej kamery daje ekwiwalentną odległość ogniskową. przeliczni k ogniskowej = przekatna klatki kliszy aparatu maloobrazkowego przekatna danego sensora (9.2) Proporcje pojedynczej klatki kliszy aparatu małoobrazkowego (tzw. kliszy 35mm ) to 3:2 (36mm na 24mm), tymczasem wiele sensorów obecnie stosowanych w kamerach, ma proporcje 4:3, lub 16:9. Dlatego też przelicznik wyznacza się dla przekątnej. Jasność obiektywu liczba F Liczba F (określana potocznie mianem 'jasności') wyraża odległość ogniskową obiektywu w odniesieniu do średnicy przysłony (tzw. apertury). Jest wielkością bezwymiarowa opisaną wzorem: F = gdzie: f odległość ogniskowa, D średnica przysłony f D Im większa jest liczba F tym mniej światła trafia na powierzchnię sensora. Aby dwukrotnie zmniejszyć ilość padającego, średnica apertury musi zmaleć 2 =1,41 raza. Dlatego do oznaczenia obiektywów używa się standardowej skali liczb F. Jest to w przybliżeniu geometryczny szereg liczb, potęg 2 : 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, itd. Wartości są zaokrąglone w celu uproszczenia zapisu. (9.3) 1,4 2 2,8 4 5,6 8 Rys Sposób oznaczania apertury obiektywu za pomocą liczby F Jak już wspomniano, zmiana jasności obiektywu od danej wartości liczby F do sąsiedniej wartości z szeregu powoduje dwukrotną zmianę ilości padającego na sensor światła. W fotografii mówi się wtedy o zmianie o 1 EV jedną wartość ekspozycji (z ang. exposure value). 5

6 Migawka W każdej kamerze konieczna jest możliwość kontrolowania czasu ekspozycji. W przypadku aparatów fotograficznych z wyższej półki migawka jest mechaniczna i ma postać kurtyny przesuwającej się w płaszczyźnie obrazowej nad powierzchnią sensora, pozwalając precyzyjnie kontrolować czas naświetlania. W przypadku kamer cyfrowych migawka jest najczęściej elektroniczna. Czas otwarcia migawki wyraża się w normalny sposób w sekundach, jednak wartości zapisuje się w postaci ułamków zwykłych; 1/25s, 1/320s, 1/4000s. W przypadku aparatów fotograficznych czas ten dobiera się indywidualnie przed każdą ekspozycją. Kamera cyfrowa natomiast musi rejestrować sekwencje obrazów utrzymując odpowiednie tempo np. 25 klatek na sekundę. Czas otwarcia migawki nie może w tym przypadku przekroczyć 1/25 sekundy. Układ automatycznej ekspozycji kamery dobiera pozostałe parametry (aperturę obiektywu i czułość ISO sensora) w taki sposób, aby warunek ten był spełniony. W sensorach CMOS elektroniczna migawka działa w sposób następujący: kolejne wiersze sensora są resetowane jeden po drugim począwszy od góry. Gdy proces obejmie kilka wierszy (ich liczba zależy od czasu ekspozycji) rozpoczyna się odczyt w jednakowy sposób wiersze odczytywane są kolejno począwszy od góry z taką samą szybkością z jaką przebiega resetowanie. Okres integracji (akumulacji ładunków) stanowi czas ekspozycji i jest równy opóźnieniu między resetem oraz odczytem danego wiersza zatem zmieniając te dwie wartości można sterować czasem ekspozycji. Z racji tego że proces integracji przesuwa się po sensorze przez pewien okres czasu (podobnie jak dla migawki szczelinowej aparatu fotograficznego), na obrazie pojawiają się charakterystyczne zniekształcenia: Rys Skoszenie efekt uboczny działania opadającej migawki Jeśli pojazd porusza się podczas ekspozycji z dużą prędkością to jego dach może podlegać odczytowi wcześniej niż koła, co daje efekt widoczny na rysunku powyżej Sensor kamery i matryca Bayera Sensor znajdujący się w kamerze wideo, wykonany jest w jednej z dwóch technologii: CMOS lub CCD. Oba typy sensorów bazują obecnie na komórkach MOS (choć spotykane są również sensory CCD oparte na tranzystorach bipolarnych). Akumulują one w pikselach pewną ilość ładunku proporcjonalną do natężenia oświetlenia dokonując w ten sposób próbkowania obrazu. Gdy ekspozycja dobiegnie końca, w przypadku najprostszych sensorów CCD ładunek zgromadzony w danym pikselu jest przesuwany wzdłuż rejestru, do sąsiedniego piksela w następnym wierszu. Zawartość kolejnych wierszy trafia do rejestru przesuwnego tzw. wyjściowego, na wyjściu którego dokonywana jest konwersja ładunku na napięcie. W 6

7 przypadku sensora CMOS konwersja odbywa się wewnątrz każdego piksela co stanowi podstawową różnicą między obiema technologiami. CCD konwersja fotonów na elektrony CMOS konwersja ładunku na napięcie 9.7. Porównanie sensorów CMOS i CCD DFO Bayera Aby uzyskać obraz barwny na matrycę sensorów nakładany jest dyskretny filtr optyczny (DFO) w formie siatki filtrów RGB. Siatka Bayera (od nazwiska wynalazcy - dr. Bryce'a E. Bayera z firmy Kodak) przedstawiona została na rys Często nazywana jest siatką GRGB lub RGGB albo też siatką typu zielona szachownica ponieważ zawiera 50% zielonych, 25% czerwonych i 25% niebieskich filtrów elementarnych. Filtry te pokrywają całą powierzchnię aktywną sensora. Jej konstrukcja wynika z faktu, że Rys Siatka Bayera ludzkie oko jest bardziej czułe i widzi z lepszą rozdzielczością kolor zielony. Zorganizowanie siatki w ten sposób sprawia że obraz jest bardziej szczegółowy i mniej podatny na szum. Obraz prosto z sensora z siatką Bayera różni się znacznie od obrazu ostatecznego. Fakt że każdy piksel jest przykryty filtrem przepuszczającym tylko fragment spektrum oznacza, że znaczna część energii światła nie dochodzi do sensora. Ponadto, każdy piksel zawiera tylko część informacji o kolorze w danym punkcie. Resztę informacji uzyskuje się przez analizę sąsiednich pikseli. Służą do tego tzw. algorytmy demozaikujące. a) b) Rys a) obraz nieprzetworzony z sensora z siatką Bayera, b) obraz ostateczny po procesie demozaikowania. 7

8 Istnieje wiele typów algorytmów demozaikujących: najbliższego sąsiada, interpolacji dwuliniowej, interpolacji dwusześciennej itd. Różnią się one szybkością działania, jakością i zastosowaniem (np. dany algorytm może być zoptymalizowany pod kątem lepszej jakości wydruku) Układ automatycznego ustawiania ostrości (ang. AF autofocus) Dużym udogodnieniem dla operatora kamery jest układ automatycznej regulacji ostrości. ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny nadajnik odbiornik CCD układ pomiaru czasu opóźnienia obiektyw silnik ostrości układ sterowania silnika Rys. 9.10a. Schemat ultradźwiękowego układu Auto Focus. Stosowane są trzy rodzaje takiego układu: ultradźwiękowe, z wiązką promieniowania podczerwonego i z czujnikiem CCD. W układzie ultradźwiękowym, przedstawionym na rys. 9.10a, AF korzysta z typowych rozwiązań stosowanych w echosondach. Z przetwornika piezoelektrycznego, umieszczonego w małym tubusie obok obiektywu kamery, jest wysyłana skupiona wiązka fal ultradźwiękowych w środek obszaru obserwowanego przez kamerę. Fala ultradźwiękowa odbita od przedmiotu wraca z opóźnieniem do odbiornika, którym jest ten sam przetwornik. Odpowiedni układ elektryczny określa czas opóźnienia i zmienia tę informację na sygnał sterujący silnik ostrości obiektywu. Wadą tego systemu jest błędne ustawianie ostrości przy obserwacji przedmiotów znajdujących się np. za szybą, od której odbija się fala ultradźwiękowa lub też w przypadku filmowania obiektu umieszczonego nie w centralnej, ale w bocznej części kadru. Układ AF z wiązką promieniowania podczerwonego Infrared Auto-Focus" wykorzystujący zjawisko odbicia fal podczerwonych przedstawiono na rys. 9.10b. Wiązka promieniowania podczerwonego emitowana przez diodę LED Jest skierowana wzdłuż osi obiektywu kamery do przedmiotu. Po odbiciu od przedmiotu jest odbierana przez drugi obiektyw należący do odbiornika podczerwieni znajdującego się pod obiektywem kamery. Odbita wiązka pada następnie na zespół fotodiod A i B (ang. Split Photodiode). Zespół ten może przesuwać się w górę i w dół, przy czym jest mechanicznie sprzężony z pierścieniem ostrości obiektywu. Jeśli wiązka odbierana pada na jedną tylko fotodiodę, to silnik ostrości przesuwa zespół fotodiod aż do osiągnięcia jednakowego podziału tej wiązki w obu diodach A i B. Następuje zrównanie sygnałów elektrycznych z obu fotodiod i silnik zatrzymuje się. Do wzmocnienia sygnałów z fotodiod i sterowania silnika służą: wzmacniacz, komparator amplitudy oraz układ sterujący. Zaletą układu z wiązką promieniowania podczerwonego jest jego niezależność od stopnia oświetlenia przedmiotów. Pracuje on poprawnie nawet w ciemności. 8

9 odbiornik podczerwieni (fotodiody A i B) komparator amplitudy CCD silnik ostrości układ sterowania silnika nadajnik podczerwieni (dioda LED) Rys. 9.10b. Schemat układu Auto Focus z wiązką promieniowania podczerwonego. Układ AF z czujnikiem CCD zawiera 24 pary fotodiod działających na zasadzie przesuwania ładunku elektrycznego. Fotodiody są rozmieszczone szeregowo i tworzą liniowy czujnik świetlny CCD o długości 5mm. Strumień świetlny z obiektywu kamery zostaje rozdzielony na dwie części przez półprzeźroczyste lusterko, przy czym 70% strumienia dochodzi do przetwornika, a 30% do czujnika CCD rys. 9.10c. półprzeźroczyste lustro 70% CCD silnik ostrości lustro 30% czujnik CCD układ sterowania silnika mikroprocesor Rys. 9.10c. Układ Auto Focus z czujnikiem CCD. 9

10 Każda para diod jest wyposażona w mikroskopijną soczewkę skupiającą. Wyjścia fotodiod są odpowiednio połączone tworząc dwie grupy A i B (rys. 9.10d). A 1 B 1 A 10 B 10 Fotodiody czujnika CCD Rys Zespół fotodiod A i B. Działanie takiego układu jest podobne do działania optycznego dalmierza w aparatach fotograficznych, zawierającego dwa, odwrotnie ułożone względem siebie, pryzmaty. Obraz widziany w wizjerze aparatu jest przecięty na pół i przy regulacji ostrości obiektywu obie połówki obrazu schodzą się aż do zaniku przecięcia. Funkcję dwóch pryzmatów spełniają w opisywanym układzie CCD dwie grupy fotodiod (rys. 9.11). Strumień świetlny z obiektywu pada na mikrosoczewki, a stąd na fotodiody. Przy dobrze ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu leży dokładnie na powierzchni czujnika CCD i fotodiody obu grup A i B dają identyczne sygnały wizyjne powodujące w efekcie wynik zerowy na wyjściu układu. Przy źle ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu wypada przed lub za czujnikiem CCD. Powstają wówczas sygnały błędu. Sygnały te dochodzą do mikroprocesora wytwarzającego odpowiednie sygnały sterujące silnik ostrości obiektywu, który dopóty obraca pierścień ostrości, dopóki nie nastąpi zrównanie sygnałów A i B. Układ AF z czujnikiem CCD nie działa niestety prawidłowo lub w ogóle przestaje działać, jeżeli obserwowany obiekt nie zawiera żadnych szczegółów, np. gdy kamerę skieruje się na białą ścianę lub kontrastowe poziome pasy lub gdy oświetlenie jest zbyt słabe. W tych przypadkach należy przejść na ręczne sterowanie ostrością. Zaletą układu CCD jest możność stosowania go przy dowolnym obiektywie, również przy teleobiektywie. Zarówno układ AF z wiązką promieniowania podczerwonego, jak i z czujnikiem CCD działają bezpośrednio przez obiektyw kamery, stąd też spotyka się dla nich określenia TTL (ang. Through The Lens) lub TCL (ang. Through The Camera Lens). Ostatnim osiągnięciem jest układ Piezo Auto Focus CCD, w którym czujnik CCD zamocowano na płytce piezoelektrycznej. W przypadku nieostrego obrazu mikroprocesor wytwarza odpowiednie napięcie na tej płytce powodując natychmiastowe ustawienie czujnika CCD w płaszczyźnie zogniskowania. Jednocześnie mikroprocesor ustala, o jaki kąt należy obrócić pierścień ostrości obiektywu kamery, i wysyła odpowiednie napięcie sterujące do silnika ostrości, który po chwili ustawia prawidłową ostrość obrazu w kamerze. W układzie Piezo AF zamiast poszukiwania optimum, jak to było w poprzednim układzie AF z CCD, następuje jednorazowy, docelowy obrót pierścienia do położenia ustalonego przez mikroprocesor. Zwiększa to precyzję i szybkość osiągnięcia ostrości obrazu Temperatura barwowa i balans bieli Czystość bieli jest parametrem kolorowego obrazu telewizyjnego, na który wyjątkowo uczulony jest wzrok człowieka. Nawet niewielki dodatek jakiegokolwiek koloru zanieczyszczającego biel jest dostrzegalny przez obserwatora. Bardzo krytycznie jest oceniany 10

11 Tabela 9.2. Temperatury barwowe typowych źródeł światła Oznaczenie Temperatura barwowa [K] Źródło światła Czyste niebieskie niebo Zachmurzone niebo 6000 Letni dzień, południe. Lampy błyskowe Ranek lub wieczór 4000 Świetlówka fluorescencyjna Żarówki halogenowe i wolframowe Ogień, świece także kolor skóry na twarzy, rękach itp. Prawidłowe odtwarzanie bieli przez kamerę telewizyjną daje równocześnie poprawne odtwarzanie wszystkich kolorów. Główny zatem wpływ na czystość bieli w kamerze ma wyrównanie poziomów u trzech składowych sygnałów RGB. Stąd też pochodzi określenie równowaga bieli (ang. White Balance). Podobnie jak w kolorowej fotografii, uzyskanie wiernego odtworzenia kolorów oraz prawidłowej bieli zależy od zabarwienia światła oświetlającego filmowaną scenę. Parametrem charakteryzującym to zabarwienie jest temperatura barwowa. Temperatura barwowa określa odcień bieli i jest wyrażana w Kelvinach. Odpowiada ona temperaturze do której należy podgrzać ('do białości') ciało doskonale czarne aby emitowało białe światło o danym odcieniu. Nieco na przekór intuicji; wyższe temperatury barwowe (>5000K) reprezentują kolory 'chłodne', niższe natomiast ( K) ciepłe. Im jest ona niższa, tym światło pozornie białe jest bardziej zabarwione kolorem czerwonym, a im wyższa - kolorem niebieskim. Dla porównania w Tab. 9.2 podano temperatury barwowe kilku znanych ogólnie źródeł światła. Z przytoczonych przykładów widać, z jak dużą rozpiętością temperatury barwowej może spotkać się kamera telewizyjna. Aby dobrać w kamerze właściwą równowagę bieli przy aktualnym oświetleniu, stosuje się układy ręcznej lub automatycznej regulacji. Dawniej, w tanich kamerach, dla uproszczenia, używany był przełącznik np. dla 4 różnych warunków: oświetlenie żarowe, świetlówka, słońce, niebo zachmurzone. Rozwiązanie takie dawało tylko przybliżone wyniki i nie zapewniało prawidłowej równowagi bieli dla dowolnego oświetlenia. Zwiększenie dokładności ustawienia równowagi bieli zapewnia układ automatyki, który samoczynnie dobiera tę równowagę po skierowaniu kamery na białą powierzchnię, np. ścianę, kartkę papieru itp. i naciśnięciu przycisku układu automatyki równowagi bieli w kamerze. Aby zwolnić operatora kamery z obowiązku pamiętania o konieczności korygowania równowagi bieli, wprowadzono układ ACT (ang. Auto Colour Tracking) przedstawiony na rys Działa on w sposób ciągły, nawet bez konieczności przerywania nagrań przy przechodzeniu z oświetlenia np. słonecznego na elektryczne. Półprzewodnikowy czujnik kolorów ma dwie fotodiody, jedną czułą na światło o odcieniu niebieskim, a drugą, o odcieniu czerwonym. Czujnik ten analizuje nieustannie dochodzące do niego światło i przenosi dane do układu macierzowego RGB, który automatycznie koryguje równowagę bieli. Układ ACT działa podobnie jak zmysł wzroku, dzięki któremu można rozpoznawać kolory przedmiotów przy różnym zabarwieniu oświetlenia. 11

12 obiektyw U Y koder sygnału U wy CCD U R-Y U B-Y U Y U R układ macierzy RGB filtr R U B sygnały równowagi bieli mleczna szyba Filtr B Rys Automatyczny układ równowagi bieli ACT. fotodiody Czułość ISO i szum Czułość sensora kamery to miara tego jak wrażliwy jest on na światło. Skrót 'ISO' pochodzi od nazwy specyfikacji; ISO 12232:1998 opracowanej przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną. Pojęcie to funkcjonowało przez długi czas w fotografii analogowej jako szybkość filmu. Mało czułe (wolne) klisze, o małym ISO wymagają większej ekspozycji (dłuższego czasu otwarcia migawki lub większej apertury) niż klisze szybkie, żeby w tych samych warunkach zarejestrować jednakowo jasny obraz. Typowe wartości ISO to: 64, 100, 200, 400, 800, 1600 itp. Podczas gdy kiedyś wymagało to wymiany rolki filmu, współczesne kamery cyfrowe potrafią zmieniać czułość sensora na bieżąco poprzez regulację wzmocnienia sygnału z sensora. Niestety ze wzrostem czułości rośnie też ilość szumu widocznego na obrazie. W przypadku klisz fotograficznych obecność szumu wynikała z faktu, że ziarna srebra musiały być większe dla klisz o większej czułości. Natomiast w przypadku kamer i aparatów cyfrowych można wyróżnić dwa rodzaje szumu: Typ I (szum stały): wynikający z różnych odpowiedzi poszczególnych pikseli, Typ II (szum losowy): wynikający z fluktuacji czułości danego piksela w czasie. 12

13 ISO 100 ISO 400 R G B R G B Rys Wpływ czułości ISO na szum w składowych R,G i B obrazu cyfrowego Szum stały Wynika z różnej czułości poszczególnych pikseli na światło. Jest najbardziej widoczny przy dłuższym czasie ekspozycji i dużym wzmocnieniu (wysokim ISO), dlatego też przeszkadza w filmowaniu scen nocnych. Ten rodzaj szumu jest superpozycją dwóch składowych; jedna przypomina ziarno kliszy fotograficznej i posiada stosunkowo małą amplitudę, druga składa się z jasnych, rozproszonych 'pików' określanych mianem 'gorących pikseli'. Nie należy ich mylić z martwymi pikselami, które są defektami sensora i występują niezależnie od czasu ekspozycji. W fotografii szum stały jest zwalczany przez odjęcie 'czarnej klatki' (utworzonej bezpośrednio po właściwej ekspozycji przy zamkniętej migawce) od właściwego zdjęcia. Nie jest to możliwe w przypadku kamery cyfrowej gdzie ekspozycje następują jedna po drugiej. Szum losowy Szum losowy jest obecny zawsze, niezależnie od czasu ekspozycji czy czułości. Polega na tym, że ten sam piksel daje nieco inną odpowiedź za każdym razem, gdy wystawiony jest na działanie takiego samego światła. Czynniki które mają wpływ na szum losowy to: fluktuacja ilości fotonów padających na obszar aktywny piksela N p, fluktuacja ilości wygenerowanych elektronów N e, losowe efekty w procesie wzmocnienia i przetwarzania C/A sygnału. Pierwsze dwa z efektów opisuje rozkład Poisson'a i dlatego nazywane są wspólnie szumem Poisson'a. Zgodnie z tym rozkładem; jeśli piksel jest oświetlony tak, aby wygenerować 1000 fotoelektronów to fluktuacje wyniosą /2 =31e - (3,1%), natomiast przy dziesięciokrotnie słabszym oświetleniu (100 fotoelektronów) będzie to 100 1/2 =10e - (aż 10%). Amplituda szumu losowego zwiększa się ze wzrostem wzmocnienia. Istnieje wiele algorytmów służących do jego usuwania, jednak każdy z nich prowadzi do utraty szczegółowości obrazu, ponieważ wszystkie polegają na uśrednianiu wartości sąsiednich pikseli. 13

14 9.3. Rozdzielczość Podstawowe pojęcia Kamera wideo jest przykładem systemu analizującego obraz. Dokonuje ona próbkowania rejestrowanej sceny w czasie (w tempie np. 25 klatek na sekundę) oraz w przestrzeni. Ta druga operacja polega na przyporządkowywaniu poszczególnym punktom obrazowym pikselom (znajdującym się w płaszczyźnie obrazowej, na powierzchni sensora) odpowiednich punktów przedmiotowych. Zdolność rozdzielcza analizatora obrazu to jego zdolność do rozróżniania (rozdzielania) szczegółów przedmiotu, innymi słowy zdolność do mierzenia kątowej separacji punktów przedmiotowych. Rozdzielczość jest to minimalna odległość pomiędzy dwoma rozróżnialnymi elementami obrazu. Nie należy jej utożsamiać z liczbą pikseli sensora, ponieważ rzadko kiedy jest on najwęższym gardłem całego systemu Dyfrakcja zjawisko ograniczające rozdzielczość Jakość obiektywu ma kluczowe znaczenie dla rozdzielczości całego systemu. Dla dużych apertur (np. 1, 1.8, itp...) maksymalna rozdzielczość obiektywu ograniczają aberracje. W przypadku mniejszych apertur i obiektywów bardzo wysokiej jakości (takich gdzie aberracje są kompensowane np. z pomocą soczewek asferycznych i/lub o niskiej dyspersji) ograniczenie rozdzielczości wynika z dyfrakcji. Równoległe promienie światła przechodzące przez aperturę rozchodzą się i interferują ze sobą, ponieważ w drodze do ekranu przebywają różne odległości i występują między nimi przesunięcia fazowe. Zjawisko to jest tym silniejsze im mniejsza jest średnica apertury w stosunku do długości światła. W efekcie interferencji, obrazem pojedynczego punktu przedmiotowego jest obraz dyfrakcyjny zwany dyskiem Airy'ego. Jego średnica (mierzona od środka do pierwszego minimum) służy do określenia maksymalnej teoretycznej rozdzielczości obiektywu Rys Dysk Airy'ego Kryterium Rayleigh'a określa limit rozdzielczości obiektywu. Obrazy dwóch sąsiadujących punktów przedmiotowych uznaje się za rozdzielone gdy maksimum główne (dysku Airy'ego) pierwszego obrazu pokrywa się z pierwszym minimum drugiego obrazu, stąd: 1.0 λ x λ f sin θ = 1,22, oraz x = 1, 22 D f D (9.4) 14

15 gdzie: θ rozdzielczość kątowa, x - odległość dwóch dysków Airy ego na ekranie, f odległość ogniskowa, D apertura (średnica przesłony). Odległość x odpowiada rozmiarowi najmniejszego przedmiotu który obiektyw jest w stanie odwzorować. Jest to również średnica najmniejszego punktu do którego obiektyw jest w stanie zogniskować skolimowaną wiązkę światła. Wielkość ta jest proporcjonalna do długości fali λ, zatem niebieskie światło może zostać zogniskowane do mniejszego punktu niż czerwone. Dyfrakcja ogranicza rozdzielczość obiektywu (a więc i całego systemu), gdy: - średnica maksimum głównego dysku Airy'ego jest porównywalna z rozmiarem piksela sensora, - dwa dyski Airy'ego znajdują się wzajemnie w odległości bliższej niż ta wynikająca z kryterium Rayleigh'a. Rys Trzy przypadki wzajemnego położenia dysków Airy'ego Funkcja przenoszenia modulacji MTF Funkcja MTF służy do opisu rozdzielczości przestrzennej systemu lub któregoś z jego komponentów. Przedstawia ona zmianę współczynnika modulacji (który opisuje kontrast) w dziedzinie częstotliwości przestrzennych. Częstotliwość przestrzenna szczegółów obrazu jest odpowiednikiem częstotliwości (w dziedzinie czasowej) dźwięku. Wysoki ton (dźwięk o dużej częstotliwości, powodujący szybkie drgania membrany głośnika) można porównać do układu prążków o dużej częstotliwości przestrzennej. MTF wyostrzanie, artefakty 1 dobra ostrość i kontrast aliasing 0,5 MTF50 0,1 MTF10 granica rozdzielczości częstotliwość Nyquista częstotliwść przestrzenna Rys. 9.16a. Przykładowa krzywa MTF 15

16 Standardową jednostką służącą do opisu rozdzielczości w systemach telewizyjnych jest [LW/PH], czyli liczba linii na wysokość obrazu (ang. line widths per picture height). Dla wygody przyjęło się nazywać tą jednostkę liczbą linii telewizyjnych (np. 200 linii TV). Współczynnik modulacji jest to wartość funkcji MTF dla danej częstotliwości przestrzennej i wyraża kontrast. Może być bezwymiarowy (np. 0,5) lub wyrażony w procentach (np. 50%). Na rysunku 9.16b przedstawiono obraz prążków o sinusoidalnym rozkładzie jaskrawości (modulacja sinusoidą) przy rosnącej częstotliwości przestrzennej. Górna połówka ma stały kontrast (to przypadek wyidealizowany). Dolna połówka ilustruje efekt przejścia sygnału przez system optyczny (opisany pewną funkcją MTF). Jak widać kontrast dolnej sinusoidy maleje ze wzrostem częstotliwości przestrzennej. Rys. 9.16b. Przykład wpływu systemu optycznego na kontrast Interpretacja wykresów MTF Poniższe zestawienie zawiera wielkości które można odczytać z wykresu MTF i służące do oceny jakości systemu optycznego pod kątem rozdzielczości: MTF10 - Kryterium Rayleigh'a - jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada do poziomu 10% swojej początkowej wartości. W przypadku większości obiektywów ten spadek kontrastu wynika z względnie słabej jakości szkła i występujących w nim aberracji. W przypadku obiektywów ograniczonych dyfrakcją wynika on z kryterium Rayleigh a. MTF50 jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada o połowę. Wielkość tą uznaje się za wyznacznik ostrości obrazu. Niekiedy zamiast MTF50 używa się wielkości MTF50P (p-peak) w przypadku kamer i aparatów w których zastosowano agresywny algorytm cyfrowego wyostrzania obrazu. Krzywe MTF takich urządzeń posiadają charakterystyczne maksimum widoczne na rysunku Częstotliwość Nyquist'a Według twierdzenia o próbkowaniu Nyquist'a sygnał ciągły może być wiernie odtworzony z sygnału dyskretnego wtedy, gdy był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swojego widma. Jak już wspomniano, kamera cyfrowa dokonuje próbkowania rejestrowanej sceny. Częstotliwość graniczną próbkowania nazywa się częstotliwością Nyquist'a i oznacza f n. Jest to największa częstotliwość przestrzenna szczegółów, które matryca kamery zdolna jest zarejestrować. 1 f n = rozmiar piksela = 0,5 cyklu/ 2 piksel (9.20) Sensor cyfrowy potrzebuje minimum 2 pikseli do zarejstrowania jednej pary linii (jednego cyklu). Odpowiada to maksymalnej częstotliwości równej ½ cyklu/piksel. Wartość ta stanowi teoretyczny limit rozdzielczości sensora. 16

17 Rys Próbkowanie Ponieważ maksymalna częstotliwość przestrzenna dla sensora wynosi 0,5 cyklu/piksel, to rozdzielczość kamery może być opisana ilością pikseli sensora tylko w przypadku, gdy wartość MTF10 występuje przy częstotliwości wyższej niż f n. Aliasing Jeśli sygnał próbkowany zawiera składowe o częstotliwości większej od f n, to każda z nich wystąpi w zrekonstruowanym sygnale jako tzw. 'alias' o częstotliwości niższej niż f n. Przykładowo, jeśli sygnał audio próbkowany jest z częstotliwością 8000 próbek na sekundę, poprawne odwzorowane będą wszystkie jego składowe o f<4000 Hz. Jeśli próbkowany sygnał zawiera składową o częstotliwości 4900 Hz, będzie ona obecna w zrekonstruowanym sygnale jako niechciany alias o f=3100hz. Analogicznie - w rejestrowanym obrazie szczegóły (informacje) o częstotliwościach większych niż f n są aliasowane do niższych częstotliwości przyczyniając się do powstawania moiry (Rysunek 9.18). Aby zapobiec powstawaniu takich zniekształceń obrazu należy odfiltrować niechciane częstotliwości za pomocą filtru antyaliasingowego zanim trafią na sensor. Filtr jest elementem którego MTF spada gwałtownie w pobliżu częstotliwości Nyquist'a. Zwykle znajduje się on za obiektywem, tuż przed sensorem kamery. a) b) Rys a) poprawne próbkowanie, b) aliasing przestrzenny w postaci mory Aliasing jest jednym z głównych czynników ograniczających rozdzielczość kamer cyfrowych, ponieważ uzyskanie filtrów antyaliasingowych o stromej charakterystyce (dużej dobroci Q) w systemach optycznych jest bardzo trudne. 17

18 Wybrane pojęcia związane z kamerami wideo i ich rozdzielczością 1) Zdolność rozdzielcza analizatora obrazu to jego zdolność do kątowego rozróżniania (rozdzielania) szczegółów przedmiotu, innymi słowy zdolność do mierzenia kątowej separacji punktów przedmiotowych. 2) Rozdzielczość - jest to minimalna odległość pomiędzy dwoma rozróżnialnymi elementami obrazu (r. liniowa lub punktowa). Aby zobiektywizować rozróżnialność, jako rozdzielczość najczęściej określa się jako częstotliwość (gęstość) przestrzenną linii czarnych i białych przy której ich kontrast uzyskuje określony poziom (10% lub 50% wartości maksymalnej). 3) Częstotliwość (gęstość) przestrzenna - jest miarą tego jak często (na jednostkę długości) pewna struktura okresowa (np. para linii biała i czarna) powtarza się. 15 czarnych linii 15 białych 15 par linii (cykli) 30 linii TV odległość (np 3cm) Na przykładzie z rysunku obok, częstotliwość przestrzenna wynosi 30 linii/3cm = 1 linia/mm (lub 0,5 cyklu/mm). W praktycznych zastosowaniach liczbę linii określa się na długości równej wysokości kadru. Jednostką częstotliwości przestrzennej jest więc liczba linii na wysokość kadru, oznaczana [LW/PH] (line widths per picture height). Dla wygody przyjęło się nazywać tę jednostkę liczbą linii telewizyjnych [l] (np. 200 linii TV, 200 [l], tj. 100 par linii, 100 [lp]). 4) Częstotliwość Nyquist a - jest to największa częstotliwość przestrzenna szczegółów, które matryca kamery zdolna jest zarejestrować. Sensor cyfrowy potrzebuje minimum 2 pikseli do zarejstrowania jednej pary linii (jednego cyklu). Odpowiada to maksymalnej częstotliwości równej 0,5 cyklu/piksel (lub cykl na 2 piksele, tj. połowa maksymalnej liczby linii na kadr). Jest to teoretyczny limit rozdzielczości sensora. 5) Funkcja przenoszenia modulacji MTF służy do opisu rozdzielczości przestrzennej systemu lub któregoś z jego komponentów. Przedstawia ona zmianę współczynnika modulacji (który opisuje kontrast) w dziedzinie częstotliwości przestrzennych. 6) MTF10 - jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada do poziomu 10% swojej początkowej wartości. W przypadku obiektywów ograniczonych dyfrakcją odpowiada wynika on z kryterium Rayleigh a. Wartość ta stanowi wtedy teoretyczny limit rozdzielczości obiektywu. 7) MTF50 jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada o połowę. Wielkość tę uznaje się za miarę rozdzielczości obrazu. 8) Odległość ogniskowa (w skrócie ogniskowa) f - jest to odległość od płaszczyzny głównej skojarzonej z danym ogniskiem F układu soczewek, do tego ogniska (przedmiotowego lub obrazowego). W sytuacji obrazowania odległego przedmiotu sensor kamery znajduje się w pobliżu ogniska obrazowego obiektywu. 9) Ekwiwalentna odległość ogniskowa f* - jest to odległość ogniskowa obiektywu aparatu małoobrazkowego (kadr 24x36mm 2 ), przy której ma taki kąt widzenia jak kąt widzenia danej kamery. Umożliwia to porównywanie ze sobą urządzeń z sensorami różnych rozmiarów. 10) ZOOM jest cechą obiektywów zmiennoogniskowych. Jest to stosunek nastawionej ogniskowej do najmniejszej odległości ogniskowej rozpatrywanego obiektywu. Dla przykładu, obiektyw o zakresie ogniskowych: mm ma maksymalny zoom - 5x. 18

19 Zoom nie jest tym samym co powiększenie, które jest parametrem obiektywów makro i nosi nazwę skali odwzorowania. 11) Pole widzenia (ang. field of view - FOV) jest to kątowy wycinek danej sceny możliwy do zarejestrowania przez sensor kamery. Zależy od dwóch parametrów: odległości ogniskowej obiektywu oraz fizycznych wymiarów sensora. Aby opisać pole widzenia w pionie, poziomie i po przekątnej podaje się odpowiedni kąt widzenia. K FOV = 2 arctg 2 f gdzie: K rozmiar sensora, tj. przekątna, wysokość lub szerokość sensora, f odległość ogniskowa. Z wzoru powyżej wynika, że gdy odległość ogniskowa rośnie, pole widzenia kamery maleje. Ekwiwalentna odległość ogniskowa soczewki ludzkiego oka wynosi ~50mm. Obiektywy o takiej ogniskowej nazywane są normalnymi. Jeśli ogniskowa jest krótsza, mówi się że obiektyw jest szerokokątny, a jeśli dłuższa jest to teleobiektyw. 12) Liczba F (potocznie 'jasność' lub apertura ) wyraża odległość ogniskową obiektywu w odniesieniu do średnicy przysłony. Jest wielkością bezwymiarowa opisaną wzorem: f F = D gdzie: f odległość ogniskowa, D średnica przysłony Im większa jest liczba F tym mniej światła trafia na powierzchnię sensora. Aby dwukrotnie zmniejszyć ilość padającego światła, średnica apertury musi zmaleć 2 =1,41 raza. Dlatego, do oznaczenia jasności obiektywów i nastawianej apertury, używa się standardowej skali liczb F. Jest to w przybliżeniu geometryczny szereg liczb, potęg 2 : 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, itp. 13) Czułość ISO - jest miarą tego jak wrażliwy na światło jest sensor kamery (lub klisza fotograficzna) wyznaczoną liczbowo zgodnie z normami ISO. Pojęcie to funkcjonowało w fotografii analogowej również jako szybkość filmu. Mało czułe (wolne) klisze, o małej liczbie ISO wymagają dłuższej ekspozycji (dłuższego czasu otwarcia migawki lub większej apertury) niż klisze szybkie żeby w tych samych warunkach zarejestrować jednakowo jasny obraz. Typowe wartości ISO tworzą szereg geometryczny z podwajaniem czułości (podobnie jak jasność ): 64, 100, 200, 400, 800, 1600 itd. Podczas gdy kiedyś wymagało to wymiany filmu, współczesne kamery cyfrowe potrafią zmieniać czułość sensora na bieżąco poprzez regulację wzmocnienia sygnału z sensora. Niestety ze wzrostem czułości rośnie też szum widoczny na obrazie. 14) Szum to przypominające fotograficzne ziarno zakłócenie obrazu. Jest tym bardziej widoczny im wyższa czułość ISO. Można wyróżnić dwa rodzaje szumu: Typ I (szum stały): wynikający z różnych odpowiedzi poszczególnych pikseli na sygnał świetlny (różnych czułości), Typ II (szum losowy): wynikający z fluktuacji sygnału odczytywanego z danego piksela w czasie. Główne źródło: szum termiczny. 15) Ekspozycja to proces wystawienia sensora kamery na działanie światła o określonym natężeniu, prowadzący do zarejestrowania obrazu. Do opisu ekspozycji używa się trzech parametrów: otwarcia przysłony obiektywu opisanej przez liczbę F, czasu otwarcia migawki wyrażonego w sekundach (lub ułamkach sekundy, np. 1/25s, 1/320s,...). czułości ISO sensora lub błony światłoczułej 19

20 9.4. Realizacja ćwiczenia - informacje wstępne Stanowisko pomiarowe Pomiary będą wykonywane na stanowisku przedstawionym na rysunku W jego skład wchodzą; komputer PC, kamera analogowa Panasonic NV-VX33EG, kamera cyfrowa Samsung VP-HMX10, komora ciemniowa wraz ze stelażem mocującym i miernikiem rezystancji oraz plansza testowa ISO Wyjścia wideo obu kamer są podłączone do komputera jednocześnie. Komora ciemniowa Kamera cyfrowa HDready Samsung VP-HMX10 svideo Grabber mirovideo DC30+ Komputer klasy PC, Dell Plansza testowa ISO12233 Kamera NV-VX33EG composite Rys Stanowisko pomiarowe Obsługa kamery Samsung Kamerę Samsung należy obsługiwać wyłącznie za pomocą dostępnego na stanowisku pilota w celu uchronienia delikatnego panelu dotykowego przed przedwczesnym zużyciem. Potrzebne do wykonania ćwiczenia przyciski przedstawiono na rysunku Kamera: 1) włącznik główny, 2) przycisk mode, 3) suwak pokrywy obiektywu, 4) czujnik IR pilota, Pilot: 5) sterowanie powiększeniem, 6) przycisk photo, 7) przyciski do nawigacji w menu, 8) przycisk wejścia/wyjścia z menu Rys Kamera Samsung rozmieszczenie przycisków wykorzystywanych w ćwiczeniu 20

21 9.4.3 Obsługa kamery Panasonic 1 Potrzebne do wykonania ćwiczenia przyciski przedstawiono na rysunku ) włącznik główny, 2) analogowy dżojstik powiększenia, 3) dekielek obiektywu, 4) przycisk balansu bieli WB, 5) przycisk PROGRAMME AE, 6) przycisk otwierania ekranu LCD, 7) przycisk Focus Rys Kamera Panasonic rozmieszczenie przycisków wykorzystywanych w ćwiczeniu Informacje na temat planszy testowej: W pierwszej części ćwiczenia badana będzie rozdzielczość obu kamer w zależności od odległości ogniskowej obiektywu. W tym celu wykorzystana zostanie plansza testowa wykonana zgodnie z międzynarodowym standardem ISO Składa się ona z szeregu elementów; te istotne dla przeprowadzenia ćwiczenia opisano poniżej. 1) 2) 3) 4) Rys Plansza ISO12233 z zaznaczonymi istotnymi elementami 5) 21

22 Elementy planszy testowej to: 1) Pochylona krawędź do wyznaczania rozdzielczości w poziomie w centrum kadru. 2) Prążki o zwiększającej się częstotliwości przestrzennej do wzrokowego odczytu rozdzielczości. Liczby 1, 2,... 10, itp. Oznaczają odpowiednio 100, 200, 1000 LW/PH (liczba linii na wysokość ekranu). 3) Prążki o różnych częstotliwościach przestrzennych do obserwowania aliasingu, itp. 4) Skręcone prostokąty do wyznaczania rozdzielczości w pionie i poziomie w narożniku. 5) Marker proporcji obrazu 4:3 informujący o prawidłowym kadrowaniu planszy Informacje na temat stelażu komory ciemniowej i kamer: Stelaż znajdujący się na stanowisku umożliwia regulację położenia kamery względem komory ciemniowej. X widok X 5 3 głowica statywowa ramię stelażu Rys Stelaż z zaznaczonymi gałkami śrub mocujących Opis gałek śrub mocujących stelażu: 1) Gałka z przodu do opuszczania i podnoszenia ramienia głównego, 2) Gałka z tyłu do przesuwania ramienia głównego w poziomie, 3) Gałka pod głowicą do przesuwania głowicy względem otworu komory, 4) Gałka pod ramieniem do zmiany kąta położenia głowicy. 5) Dźwignia głowicy statywowej pozwala na obrót kamery o 360 stopni. 22

23 9.5. Program ćwiczenia Ćwiczenie składa się z trzech etapów: pomiary kamery Samsung (par oraz 9.5.2), pomiary kamery Panasonic (par i 9.5.4) i analizy wyników na komputerze (par ). Przebieg każdej z części opisanano poniżej. Uwagi przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia: - Kamerę Samsung należy obsługiwać wyłącznie za pomocą dostępnego na stanowisku pilota w celu uchronienia delikatnego panelu dotykowego przed przedwczesnym zużyciem. - Za wyjątkiem kabla USB kamery Samsung (wpinanego do komputera z przodu w celu zgrania wyników) nie ma potrzeby przepinania żadnych przewodów. Przełączania między kamerami dokonuje się z poziomu komputera. - Należy obchodzić się ostrożnie z potencjometrem wieloobrotowym komory cienmniowej. - Najlepszym sposobem na przesuwanie planszy testowej jest ujęcie jej pręta mocującego i przemieszczanie podstawy wzdłuż linii znajdujących się na podłodze laboratorium. - Wszystkie potrzebne do wykonania ćwiczenia programy znajdują się na pulpicie komputera. 23

24 9.5.1 Pomiar rozdzielczości kamery Samsung w zależności od odległości ogniskowej obiektywu. 1) Włączyć kamerę Samsung przesuwając suwak włącznika głównego (1 na rys. 9.20) w dół i puszczając go. 2) Włączyć komputer i wykonać następujące czynności: a) Otworzyć folder Pomiary znajdujący się na pulpicie komputera i usunąć całą jego zawartość, b) Podłączyć kabel USB kamery do gniazda USB komputera (rys. obok). c) Jeśli folder karty pamięci kamery nie otworzy się sam, należy wejść do niego poprzez Mój Komputer, d) Opróżnić folder DCIM/100PHOTO na karcie pamięci kamery jeśli znajdują się w nim zdjęcia, e) Odłączyć kabel USB od komputera. 3) Wcisnąć przycisk mode na obudowie kamery (zaznaczony jako 2 na rys. 9.20). Niebieska lampka powinna zapalić się przy symbolu aparatu fotograficznego na obudowie kamery. 4) Jeśli jest zamknięta, otworzyć pokrywę obiektywu używając suwaka 3 z rys ) Zdjąć z blatu stojak z planszą testową i ustawić go na podłodze na linii kamery jak na rysunku obok. Jeśli stelaż jest ustawiony inaczej, wykonać następujące czynności: a) Rozluźnić przegub ramienia stelażu za pomocą gałki 4 z rys i obrócić go tak, aby ramię było proste. Zacisnąć śrubę gałką. b) Rozluźnić dźwignię głowicy statywowej (nr. 5 z rys. 9.23) i obrócić kamerę w stronę planszy testowej tak jak to przedstawia rysunek obok. Zakręcić dźwignię. 6) Uruchomić program VirtualDub. Posłuży on nam do podglądu obrazu na monitorze. Jeśli obraz z kamery nie jest widoczny (czarny ekran) należy: a) Z paska menu na górze wybrać polecenie File -> Capture AVI, b) Następnie należy wybrać źródło sygnału dla kamery Samsung, która jest podłączona do gniazda S-Video. Wybrać z menu Video Capture Filter. Na ekranie pojawi się okno dialogowe firmy Pinnacle. Z listy wyboru sygnału Composite/S-Video należy wybrać opcję S-Video, Potwierdzić kliknięciem OK. c) Obraz powinien być już widoczny na ekranie komputera. Trzeba upewnić się że w menu Video zaznaczona jest opcja Overlay. Jeśli obraz na ekranie nie jest płynny lub ma opóźnienie, należy przełączyć się między trybami Overlay, Preview i powrócić do Overlay. 24

25 7) W tym momencie rozpoczyna się pomiar. Należy wykonać następujące czynności: a) Najpierw ustawić zoom kamery na minimalny za pomocą przycisków W i T pilota oznaczonych jako 5 na rysunku b) Następnie ustawić planszę testową tak, aby jej wysokość na monitorze komputera odpowiadała wysokości pola obrazu programu VirtualDub. Położenie planszy w pionie można zmieniać rozluźniając śrubę mocującą znajdującą się z tyłu. Poprawny sposób kadrowania przedstawia rysunek poniżej. c) Zrobić zdjęcie wciskając przycisk PHOTO pilota (6 na rysunku 9.20) d) Powtórzyć punkty 7 a) c) dla następujących wartości zoom u: 5x co odpowiada środkowemu położeniu suwaka który pojawi się na monitorze po naciśnięciu przycisku W lub T, 10x co odpowiada jego maksymalnemu położeniu 8) Zmierzyć miarką dostępną na stanowisku odległość stojaka z planszą testową od obiektywu kamery (dla zoom u 10x) i zanotować otrzymaną wartość w szablonie sprawozdania. *9.5.2 Pomiar rozdzielczości kamery Samsung w komorze ciemniowej (przystąpić do wykonania po uzgodnieniu z prowadzącym) 1) Skierować obiektyw kamery w stronę komory ciemniowej. Stelaż powinien być ustawiony tak jak przedstawia to rysunek obok. W tym celu: a) Rozluźnić dźwignię głowicy statywowej (nr. 5 z rys. 9.23) i obrócić kamerę o 180 o. Zakręcić dźwignię. b) Poluzować śrubę mocującą gałką 4 z rys. 9.23, obrócić przegub ramienia w stronę komory i zacisnąć śrubę, c) W razie potrzeby dopasować wysokość kamery względem komory używając śruby mocującej 1 i podnosząc lub opuszczając ramię stelażu. Zacisnąć śrubę, d) Dopasować położenie kamery względem komory w poziomie używając gałki śruby 3 z rys

26 e) Przybliżyć obiektyw kamery do otworu komory poluzowując śrubę mocującą gałką 2 i przesuwając ramię stelażu w lewo. Zacisnąć śrubę. Kamera powinna znajdować się w odległości nie mniejszej niż 5mm od kołnierza komory ciemniowej. 2) Ustawić maksymalne natężenie oświetlenia w komorze za pomocą potencjometru obracając gałkę maksymalnie w prawo. 3) Włączyć multimetr i ustawić odpowiedni zakres pomiaru rezystancji. Zanotować jego wskazanie (powinno wynosić kilkaset Ω) w szablonie sprawozdania. 4) Używając przycisków W i T pilota ustawić zoom w taki sposób, aby wysokość planszy testowej odpowiadała wysokości pola obrazu programu VirtualDub. 5) Wyłączyć tryb automatycznego doboru ostrości kamery. W tym celu: a) Wcisnąć przycisk menu pilota (8 na rys. 9.20), b) Wybrać z menu pozycję Focus, c) Wybrać ustawienie Manual (rys. obok) i nacisnąć przycisk OK pilota, d) Pojawi się ekran ręcznej korekcji ostrości. Należy z niego wyjść niczego nie zmieniając wciskając ponownie przycisk menu. 6) W tym momencie rozpoczyna się pomiar. Należy wykonać następujące czynności: a) Zrobić zdjęcie dla maksymalnego natężenia oświetlenia, b) Używając potencjometru ustawić kolejną wartość rezystancji, c) Zrobić zdjęcie, Powtórzyć punkty b) i c) dla dwóch rezystancji: pierwsza z zakresu 500~550Ω oraz druga z zakresu 3100~3200Ω. 7) Zmniejszać natężenie oświetlenia do momentu gdy obraz planszy testowej będzie ledwo widoczny, tzn. jej kontury i różnice między białymi i czarnymi prążkami na poziomie 200 LW/PH będą jeszcze rozróżnialne. a) Zanotować wartość rezystancji w polu graniczne natężenie, b) Wykonać zdjęcie. Zakończenie części 1 pomiarów kamery Samsung Wykonać następujące czynności: a) Podłączyć kamerę do komputera kablem USB, b) Otworzyć folder DCIM/100PHOTO na karcie pamięci kamery i przegrać jego zawartość do folderu Pomiary na pulpicie, c) Wyłączyć kamerę, d) Odpiąć ją od głowicy statywowej za pomocą zatrzasku, e) Odłożyć kamerę do pojemnika. 26

27 9.5.3 Pomiar rozdzielczości kamery Panasonic w zależności od odległości ogniskowej obiektywu. 1) Ustawić ramię stelażu tak jak na rys. obok. Zostało to opisane w par , punktach 5a) b). 2) Umieścić kamerę Panasonic na głowicy statywowej używając zatrzasku. 3) Włączyć kamerę przyciskiem 1 z rysunku ) Zdjąć z obiektywu przykrywkę ochronną i otworzyć ekran LCD wciskając przycisk 6 z rysunku ) Uruchomić program VirtualDub. Posłuży on nam do podglądu obrazu na monitorze. a) Z paska menu na górze wybrać polecenie File -> Capture AVI, b) Następnie należy wybrać źródło sygnału dla kamery Panasonic, która jest podłączona do gniazda composite. Wybrać z menu Video Capture Filter. Na ekranie pojawi się okno dialogowe firmy Pinnacle. Z listy wyboru sygnału Composite/S-Video należy wybrać opcję Composite, Potwierdzić kliknięciem OK. c) Obraz powinien być już widoczny na ekranie komputera. Trzeba upewnić się że w menu Video zaznaczona jest opcja Overlay. Jeśli obraz na ekranie nie jest płynny lub ma opóźnienie, należy przełączyć się między trybami Overlay, Preview i powrócić do Overlay. d) Ustawić nazwę pliku wideo który zostanie zapisany. W tym celu należy: wybrać z menu File -> Set capture file (lub nacisnąć F2 ), skierować program do folderu Pomiary na pulpicie, wpisać łatwą do zapamiętania nazwę, np. zoom1x.avi. potwierdzić klikając na OK 6) W tym momencie rozpoczyna się pomiar. Należy wykonać następujące czynności: a) Najpierw ustawić zoom kamery na minimalny za pomocą analogowego joysticka 2 z rys Ikonka 1x powinna pojawić się na monitorze. b) Następnie przybliżyć stojak z planszą testową i ustawić ją tak, aby jej wysokość na monitorze komputera odpowiadała wysokości pola obrazu programu VirtualDub (tak jak w punkcie 7b) par ), c) Wybrać z menu Capture programu VirtualDub opcję Capture Video (lub wcisnąć F5 ), 27

28 d) Po rozpoczęciu zapisu odczekać około 15 sekund i wybrać opcję Capture -> Stop Capture (lub nacisnąć ESC ), e) Ustawić nowy plik zapisu wideo, np. zoom5x.avi. W przeciwnym wypadku stary pomiar zostanie nadpisany przez nowy. Program ostrzega o tym informacją [FILE EXISTS] na swoim pasku tytułowym. f) Powtórzyć punkty 6a) e) dla wartości zoomu: 5x i 10x. g) Zmierzyć miarką dostępną na stanowisku odległość stojaka z planszą testową od obiektywu kamery (dla zoom u 10x) i zanotować otrzymaną wartość w szablonie sprawozdania. *9.5.4 Pomiar rozdzielczości kamery Panasonic w komorze ciemniowej (przystąpić do wykonania po uzgodnieniu z prowadzącym) 1) Skierować obiektyw kamery w stronę komory ciemniowej tak jak to opisano w punkcie 1, par ) Ustawić maksymalne natężenie oświetlenia w komorze za pomocą potencjometru obracając gałkę maksymalnie w prawo. 3) Włączyć multimetr i ustawić odpowiedni zakres pomiaru rezystancji. Zanotować jego wskazanie (powinno wynosić kilkaset Ω) w szablonie sprawozdania. 4) Ustawić zoom kamery na za pomocą analogowego joysticka 2 z rys tak, aby wysokość planszy testowej odpowiadała wysokości pola obrazu programu VirtualDub. 5) Wyłączyć tryb automatycznego doboru ostrości kamery. W tym celu należy: a) Nacisnąć kilkukrotnie przycisk PROGRAMME AE (5 na rys. 9.21) aż na ekranie LCD pojawi się ikona MNL, b) Wcisnąć przycisk Focus (7 na rys. 9.21). Na ekranie LCD powinna pojawić się ikona MF. 6) W tym momencie rozpoczyna się pomiar. Należy wykonać następujące czynności: a) Ustawić nazwę pliku do zapisania jak w punkcie 5d) par , b) Zapisać sekwencję wideo dla maksymalnego natężenia oświetlenia w komorze. W tym celu: wybrać Capture -> Capture Video (lub nacisnąć F5 ), odczekać kilka (~15) sekund, wybrać Capture -> Stop Capture (lub nacisnąć ESC ), 7) Zmniejszać natężenie oświetlenia do momentu gdy obraz planszy testowej będzie ledwo widoczny, tzn. jej kontury i różnice między białymi i czarnymi prążkami na poziomie 200 LW/PH będą jeszcze rozróżnialne. 28

29 a) Zanotować wartość rezystancji w polu granica natężenia, b) Zapisać sekwencję wideo w sposób opisany w punkcie 6). 8) Powtórzyć punkt 7) dla włączonego trybu słabego oświetlenia kamery. Aby go włączyć należy nacisnąć kilkukrotnie przycisk PROGRAMME AE (5 na rys. 9.21) aż na ekranie LCD pojawi się ikona świeczki:. Zakończenie części 2 pomiarów kamery Panasonic Należy wyłączyć kamerę i odłożyć ją do pojemnika, a na stelażu umieścić kamerę Samsung aby przygotować stanowisko dla kolejnej grupy Komputerowa analiza pomiarów W dalszej części instrukcji znajduje się szczegółowy opis tego, jak przeanalizować wykonane zdjęcia i klipy wideo z użyciem komputera. Na jego podstawie należy uzupełnić białe rubryki szablonu sprawozdania. Dla punktu Uruchomić program SFRedge. Za jego pomocą wyznaczone zostaną krzywe funkcji przenoszenia modulacji MTF dla każdego ze zdjęć. a) Wybrać z menu opcję File -> Open, b) Wskazać zdjęcie planszy testowej z folderu Pomiary na pulpicie, c) Następnie przejść do jego analizy wybierając SFR test -> Single Edge, d) Program poprosi o podanie przelicznika próbkowania: Rys Program SFRedge wprowadzanie przelicznika próbkowania Przelicznik ten wynosi dla kamery Samsung 0,000463, natomiast dla kamery Panasonic 0, i służy przeskalowaniu wykresów MTF do jednostki LW/PH. W okienko programu należy wpisać odpowiednią wartość z kropką a nie z przecinkiem i wcisnąć OK. e) Program poprosi o zaznaczenie fragmentu do analizy (tzw. ROI region of interest): 29

30 Fragment 1) do pomiaru rozdzielczości w centrum kadru, w kierunku poziomym. Fragment 2) do pomiaru rozdzielczości w centrum kadru, w kierunku pionowym. 2) 1) Rys Program SFRedge przykłady wyboru fragmentów do analizy (ROI) f) Zaznaczyć fragment 1) metodą przeciągnij i upuść. Jeśli program o to poprosi pokazując nowe okienko, doprecyzować zaznaczenie. g) Program przeanalizuje zdjęcie i wyświetli wykres krzywą MTF, podobną do tej przedstawionej poniżej: wartości funkcji MTF (0,1=10%) krzywe MTF dla każdego z kanałów MTF50 częstości przestrzenne w [LW/PH] częstotliwość Nyquista kamery MTF10 Rys Program SFRedge gotowy wykres MTF 30