CC BY
0
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАТРИЦ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СТАНЦИЯХ
Г.С. Русланов, научный сотрудник Войсковая часть 25522 (Россия, п. Ключи)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-8-2-163-166
Аннотация. В статье приведены основные принципы работы матриц с высокой разрешающей способностью CCD и CMOS, применяемые в различных системах, в том числе измерительной аппаратуре, указаны преимущества и недостатки каждого вида матриц, определена причина использования CCD-матриц в современных оптико-электронных измерительных средствах, обоснована необходимость использования CMOS-матриц в перспективных оптико-электронных измерительных средствах, рассмотрен способ повышения качества измерительной информации и дальнейшее сопутствующее развитие средств измерений.
Ключевые слова: матрица, оптико-электронные измерительные средства, пиксели, видеосистема.
В настоящее время наиболее важно раз-виватьотечественныевысокие технологии по причине напряженной международной политической обстановки, приведшей к антироссийским санкциям практически во всех областях. В свое время СССР обладал передовыми технологиями, применяемы-мив производстве матриц с высокой разрешающей способностью.
Матрицы с высокой разрешающей способностью применяются воптико-электронных измерительных средствах.
Матрица представляет собой установленную за объективом камеры пластину, на которой находятся мегапиксели и сосредотачивается световой луч.
Разрешение матрицы - это число пикселей, составляющих изображение, то есть, размер кадра. Более высокое разрешение обеспечивает его более высокую четкость. Измеряют его общим числом пикселей.
В настоящее время современные матрицы, используемые при создании датчика изображения в камере, разделяются на 2 типа - это CCD-матрицы и CMOS-матрицы [1].
Оба типа матриц выполняют задачу преобразования изображения, построенного на сенсоре объективом, в электрический сигнал. CCD является аналоговым устройством. Когда свет падает на матрицу, в
каждом пикселе накапливается заряд, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение сигнала. Далее электрический потенциал усиливается за пределами светочувствительных сенсоров.
CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами. С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Происходит оцифрование каждого пикселя в отдельности, что дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.
К основным преимуществам CCD матриц относятся низкий уровень шумов и высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая чувствительность, позволяющая передать яркость объектов реальной сцены [1].
Недостатками CCD матриц являются [1]:
- сложный принцип считывания сигнала (технология);
- высокий уровень энергопотребления;
- стоимость изготовления в 5 раз большая, чем у CMOS-матриц;
- меньший показатель максимальной частоты смены кадров в секунду.
Лежащий в основе CCD принцип последовательного считывания зарядов по ячейкам не способен обеспечить достаточ-
ную производительность, необходимую для современных устройств регистрации видеопотока, в частности видеокамер, используемых в настоящее время для решения повседневных задач, таких как наблюдение за быстродвижущимися объектами на городских автомобильных дорогах и автострадах. Все это делает данную технологию неконкурентоспособной и малопригодной для задач, решаемых в системах видеонаблюдения.
Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы [1].
Преимущества CMOS матриц [1]:
- высокое быстродействие (до 500 кадров/с);
- низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению c CCD);
- стоимость изготовления в 5 раз меньше, чем у CCD-матриц;
- перспективность технологии, заключающегося в ускоренном формировании цифрового изображения.
К недостаткам CMOS матриц относятся [1]:
- низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%, остальное занимают транзисторы);
- высокий уровень шума, борьба c которым усложняет и удорожает технологию;
- меньшая, чем у CCD-матриц чувствительность, что препятствует передаче яркости объектов реальной сцены.
Современные технологии позволили практически сравняться по параметру светочувствительности CCD и CMOS-матрицам.
Высокочувствительные CMOS-матрицы могут успешно конкурировать с CCD-матрицами практически по всем параметрам, в частности цене, чувствительности и уровню шума. CMOS-матрицы основаны на размещении транзисторов и конденсаторов непосредственно на каждом пикселе матрицы. Такое расположение элементов положительно влияет на ускоренное формирование цифрового изображения по причине создания электрического сигнала
непосредственно в матрице, что обеспечивает большую частоту смены кадров, и позволяет получать большее количество информации.
В настоящее время съемка с целью определения угловых координат производится при помощи CCD-матриц KAI 4022, применяемых в измерительных средствах [2]. Такие матрицы производят в России, в частности компанией «Ви-деоскан» [3]. Максимальная разрешающая способность составляет 2048*2048 пикселей, т.е. 4 Мп. Размер пикселя составляет 7,2x7,2 мкм [2].
Чем пиксель больше, тем большее количество света он может собрать, тем выше светочувствительность матрицы. От этого параметра зависит и количество шумов на готовых кадрах. При этом матрица должна иметь достаточный физический размер. При недостаточном размере матрицы проявляется эффект - дифракция -резкость кадра теряется по причине малого количества света, попадающего на матрицу. Таким образом, необходимо добиваться идеального сочетания размера пикселя и физического размера матрицы для создания наиболее качественного изображения.
В России технологии позволяют производить матричные светочувствительные приборы по технологии CMOS с обратной засветкой с переносом заряда с четырьмя независимыми секциями, объемным каналом, и числом пикселей 4096x4096, т.е. 16Мп. Фоточувствительное поле прибора имеет 4 независимых секции накопления, которые могут работать в режиме импульсного и непрерывного освещения. Такая матрица обладает высокой светочувствительностью, разработана «ЦНИИ» «Электрон». Размер пикселя составляет 11x11 мкм [4].
Сферы применения CMOS и CCD-матриц отличаются. CMOS-матрицы показывают высокую эффективность при наблюдении за объектами, передвигающимися с большой скоростью, например, на автомобильных дорогах и автострадах. Устройства с CMOS-матрицами отличаются тихой работой и компактными размерами.
CСD-матрицы лучше проявляют себя при недостатке освещенности и устойчивы к температурным колебаниям, что критически важно при использовании в измерительных средствах, располагаемых в большинстве своем в местах с неблагоприятным климатом. Также их шумность, большие размеры не оказывают влияния на использование в измерительных средствах, в связи с расположением таких в удаленных районах и на крышах технических зданий.
Формат матриц зависит от фокусного расстояния и принимается равным 1/£ где Г-фокусное расстояние [5]. Изготовление матриц большого формата является сложным технологическим процессом, направленным на изготовление небольшого количества экземпляров для использования исключительно в измерительных средствах. В современных измерительных средствах используется ССБ-матрицы формата 1/80" и 1/121,6" [2], с минимальным количеством шума, полным заполнением пикселов, что позволяет создавать четкие кадры даже при съемке в сумраке, в дождливую погоду и т.д.
Также стоит отметить характерный недостаток современных оптико-электронных измерительных средств, который заключается в проведении измерений при помощи нескольких каналов, что приводит к необходимости внесения некоторых существенных поправок (наклон матриц широкоугольных каналов, смещение главной точки снимка и т.д.). При использовании объектива и матрицы большого формата количество и объем проведения калибровочных работ снижается за счет исключения различных погрешностей многоканальных средств оптических измерений, таких как:
- тепловое расширение (сжатие) неоднородных материалов, из которых изготовлен теодолит (поскольку материалы разные, определение поправок при помощи математического аппарата затруднительно и возможно только при практической работе изделия);
- колебания различного характера, приводящие к микроскопическому смещению визирных осей камер одного теодолита.
При использовании объектива большого размера с большим радиусом кривизны происходит уменьшение аберраций по краям и повышение информативности кадра, что приводит к увеличению точности получаемой в результате обработки информации.
Российские компании имеют не такую длинную историю существования, как зарубежные, но благодаря усердной работе приближаются к передовым компаниям-разработчикам высокочувствительных матриц, в частности компания АО «ЦНИИ» «Электрон» [4], которая способна производить матричные светочувствительные приборы по технологии CMOS.
Матрицы, изготовленные по технологии CMOS, имеют преимущество в скорости работы, поскольку позволяют считывать данные сразу со всех светочувствительных элементов, низкую стоимость изготовления и меньшее энергопотребление, в настоящее время задействованы в аппаратуре регистрации видеопотока. Учитывая развитие оптико-электронных систем, в перспективе возможно создание измерительной аппаратуры, способной снимать объекты измерений при помощи CMOS-матриц, имеющих большую частоту смены кадра, чем у CCD-матриц, что увеличит точность проводимых измерений. Низкое энергопотребление CMOS-матриц позволит использовать автономные источники питания в аппаратуре оптико-электронных станций, что определит создание перебазируемых средств измерений.
Использование перебазируемых средств измерений повысит их защищенность и позволит создавать наиболее эффективную конфигурацию средств под каждый объект измерений.
Вывод:
Необходимо дальнейшее развитие матриц, изготовленных по системе CMOS, увеличение их разрешающей способности до мировых аналогов, дальнейшее повышение светочувствительности, снижение уровня шума и чувствительности к температурным колебаниям. Повысится частота смены кадров, что окажет положительное влияние на качество принимаемой измери-
тельной информации, использование дан- ствия. Наличие перебазируемых оптико-ного типа матриц приведет к удешевлению электронных средств измерений позволит измерительных средств в целом, что поз- создавать наиболее эффективную конфи-волит перераспределить средства на дру- гурацию под каждый объект измерений. гие необходимые цели. Также необходимо рассмотреть воз-
Меньшее энергопотребление CMOS- можность о создании одного большого матриц приведет к возможности развития объектива вместо многоканальных средств измерительной аппаратуры с автономны- оптических измерений для уменьшения ми источниками питания, что в свою оче- аберрации по краям и повышения инфор-редь позволит развивать перебазируемые мативности кадра, а также для уменьше-оптико-электронные средства измерений - ния факторов, влияющих на точность поболее защищенные от средств воздей- лучаемой измерительной информации.
Библиографический список
1. Сравнение и применение матриц CCD и CMOS // Компания «Лазерные компоненты». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lasercomponents.ru/blog/sravnenie-i-primenenie-matricz-ccd-i-cmos/ (дата публикации: 07 февраля 2022).
2. Руководство по эксплуатации оптико-электронной станции траекторного измерительного комплекса, издание первое, 2017. - 140 с.
3. Видеоскан-4022 (4021) // Компания «Видеоскан». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.videoscan.ru/page/765 (дата обращения: 14.08.2024).
4. ФППЗ Квадро // Компания «Электрон». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.niielectron.ru/product/krupnogabaritnyj-matrichnyj-fotochuvstvitelnyj-pribor-s-perenosom-zaryada-kvadro (дата обращения: 14.08.2024).
5. Разрешение матриц // Блог «Видеонаблюдение и безопасность». - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://videoglaz.ru/blog/razreshenie-matric/ (Дата публикации: 09 января 2023).
PROSPECTS FOR USING MODERN HIGH-RESOLUTION MATRICES IN OPTICAL-ELECTRONIC STATIONS
G.S. Ruslanov, Researcher Military unit 25522 (Russia, Klyuchi)
Abstract. The article presents the basic principles of operation of high-resolution CCD and CMOS matrices used in various systems, including measuring equipment, indicates the advantages and disadvantages of each type of matrix, determines the reason for using CCD matrices in modern optical-electronic measuring instruments, substantiates the need to use CMOS matrices in promising optical-electronic measuring instruments, considers a method for improving the quality of measurement information and further accompanying development of measuring instruments.
Keywords: matrix, optical-electronic measuring instruments, pixels, video system.
