Камеры и техническое зрение

Содержание и основные понятия

← К оглавлению
Alterna · глава 20.3
Камеры и техническое зрение
Сенсоры, Bayer фильтр, динамический диапазон, промышленные камеры, 3D-сканирование.
Как камера видит изображение
Цифровая камера преобразует свет в электрический сигнал через
сенсор
— матрицу светочувствительных элементов (пикселей). Каждый пиксель сенсора измеряет интенсивность света, но не цвет. Для получения цветного изображения применяется
Bayer-фильтр
.
🔲 CMOS (КМОП)
Active Pixel Sensor — каждый пиксель имеет свой транзисторный усилитель.
Энергоэффективность
: потребляет ~100 мВт (vs CCD ~2 Вт). Более быстрый считывание (rolling shutter). Доминирует в потребительских камерах и промышленности.
Энергоэффективность CMOS в 10–20× выше → камеры на CMOS могут работать от аккумулятора часами
🔷 CCD (ПЗС)
Charge-Coupled Device — заряд с пикселей переносится по матрице к краевому усилителю построчно.
Высокое качество изображения
: низкий шум, высокая равномерность. Используется в научных камерах, астрономии, где важна точность, а не энергопотребление.
CCD до сих пор используется в научных приложениях: астрономия, микроскопия, спектрометрия
Структура пикселя сенсора
Пиксель (photosite) — последовательность элементов
📷 Микролинза
→
🎨 Color filter (Bayer)
→
☀️ Photodiode
→
⚡ Capacitor
→
📡 Readout circuit
Pixel size
— размер светочувствительной ячейки в микрометрах (мкм)
Типичные значения: 0.8 мкм (смартфоны), 1.4–2.4 мкм (беззеркалки), 3.9 мкм (промышленные)
Формула:
Большие пиксели → больше света → меньше шума → лучше при слабом освещении
Пример:
48 МП сенсор с пикселем 0.8 мкм vs 12 МП с пикселем 1.9 мкм
При ISO 3200:
12 МП камера лучше
— большие пиксели собирают больше света
💡
Путь света через объектив к сенсору
Схема прохождения лучей через объектив камеры
Входящие
лучи
Элементы объектива
Преломление
RGB Pixel Sensor
R
G
B
G
R
G
Красный луч → R-субпиксель | Зелёный луч → G-субпиксель | Синий луч → B-субпиксель
●
Красный луч проходит через линзу и попадает на R-пиксель
●
Зелёный луч (×2) — максимальная чувствительность глаза
●
Синий луч проходит через Bayer-фильтр
📷
Микролинза фокусирует свет на фотодиод
⚡
Фотодиод — как пиксель камеры «видит» свет
Принцип работы фотодиода (элемент субпикселя)
P-тип
(положительные носители)
+
+
+
+
+
N-тип
(отрицательные носители)
−
−
−
−
−
Обеднённая зона
(depletion region)
Фотоны
+
−
+
−
+
−
3.3V
DC
A
Амперметр
Обратное смещение
Как свет превращается в сигнал?
1.
В пикселе есть два слоя:
P-тип
(с «дырками» — местами, где может быть электрон) и
N-тип
(с лишними электронами). Между ними — граница.
2.
Когда свет (фотоны) попадает на эту границу, он «выбивает» электроны из атомов. Появляются пары электрон-дырка.
3.
Электрическое поле на границе разделяет их: электроны идут в одну сторону, дырки — в другую. Это создаёт
электрический ток
.
4.
Чем ярче свет — тем больше пар электрон-дырка — тем больше ток. Измеряя этот ток, камера определяет
яркость и цвет
света, попавшего на пиксель.
●
На анимации: жёлтые точки — фотоны света, движущиеся к p-n переходу
●
Зелёные частицы — электроны, бегущие по цепи (создают ток)
●
Фиолетовая область — P-тип (положительные носители), красная — N-тип (отрицательные)
⚡
Чем больше света — тем сильнее ток — тем ярче пиксель в изображении
🎨
Bayer-фильтр: как получается цвет из одного сенсора
Каждый пиксель сенсора покрыт светофильтром одного цвета (R, G или B). Зелёных фильтров в 2 раза больше — глаз более чувствителен к зелёному. Демозаикинг (интерполяция) восстанавливает полный RGB для каждого пикселя.
■ R
— красный фильтр пропускает только красный спектр
■ G
— зелёный (×2, половина пикселей) — максимальная чувствительность
■ B
— синий фильтр
Паттерн RGGB (обычный) → BGGR, GRBG, CYGM (альтернативные)
Ключевые характеристики камеры
📊 Динамический диапазон (DR)
Отношение максимального сигнала к шуму: DR = 20·log
10
(Full Well / Read Noise) [dB]. Типичные значения: 60–80 dB ( consumer), 90+ dB (scientific). HDR-экраны ~10000:1 = ~80 dB. Чем выше — тем больше деталей в тенях и светах.
Формула: DR (dB) ≈ 6.02 × N + 1.76, где N — битность АЦП. 12 бит ≈ 75 dB.
📈 ISO и шум
ISO
— усиление сигнала после сенсора. Чем выше ISO — тем ярче изображение при слабом свете, но больше шум (grain).
Base ISO
— родная чувствительность сенсора без усиления. HDR-режим: съёмка с несколькими ISO и склейка.
Sony A7S III: ISO до 409600. iPhone: Smart HDR с автоматическим брекетингом экспозиции.
📐 Мегапиксели: реальные vs эффективные
Эффективные МП
— реально используемые для съёмки (обрезка краёв,相位对焦 pixels).
Больше МП
не всегда лучше: пиксель становится меньше → больше шума при слабом свете. Для печати 20×30 см достаточно 8–12 МП. 50+ МП — для больших отпечатков или кропа.
Canon EOS R5: 45 МП, но при съёмке видео 4K используется только центральные ~17 МП → кроп ×1.6
🔬 Машинное зрение (Machine Vision)
Промышленные камеры для автоматизации:
Area scan
(2D плоское изображение) и
Line scan
(строка пикселей, объект движется). Интерфейсы: USB3 Vision, GigE Vision, CoaXPress. Разрешения: от VGA до 150 МП.
Line-scan камера: 4096 пикселей, 120 кГц линий/с → 500 млн пикселей/с для непрерывной ленты
ISO 100
шум: 2e⁻
ISO 800
шум: 6e⁻
ISO 3200
шум: 18e⁻
ISO 12800
шум: 45e⁻
Спектральные диапазоны
УФ
10–400 нм
фиолет.
синий
зелёный
красный
оранж.
ИК
700–1000 нм
Термография
>1000 нм
Ультрафиолет
Видимый (380–700 нм)
Инфракрасный (700–1000 нм)
Термография (>1000 нм)
Применение
УФ:
криминалистика, флюоресценция, стерилизация.
Vis:
обычная фотография, автофокус.
NIR (ИК):
ночное зрение, сельское хозяйство (NDVI).
Thermal:
тепловизоры, промышленный контроль, пожарная безопасность.
3D-сканирование
📡 Structured Light (Structured Light 3D)
Проектор отображает
структурированный паттерн
(полосы, точки, сетка) на объект. Камера смотрит на искажение паттерна. Стерео-триангуляция: по параллаксу вычисляется глубина. Точность: до 10 мкм (лабораторные системы).
Kinect v1: Structured Light. iPhone Face ID: точечный паттерн из 30 000 ИК-точек.
⏱️ Time of Flight (ToF)
Излучатель посылает импульс света, измеряется
время возврата
отражённого сигнала. d = c·Δt/2. Разрешение зависит от точности таймера (~пicoseconds). Современные ToF-камеры: 640×480, точность ~1–5 мм на расстояниях до 5 м.
ToF используется в LiDAR (автономные автомобили), AR (iPhone LiDAR), промышленной метрологии.
Сравнение характеристик камер
Параметр
Смартфон (iPhone 15)
Беззеркалка (Sony A7IV)
Промышленная (Basler acA4096)
Тепловизор (FLIR T640)
Тип сенсора
CMOS BSI
CMOS Exmor R
CMOS
Микроболометр
Разрешение
48 МП (12 МП эффект.)
33 МП
12 МП
640×480
Размер пикселя
0.8 мкм
5.1 мкм
3.45 мкм
17 мкм
ISO диапазон
100–25600
100–51200
—
—
Bit depth
10–12 бит
14 бит RAW
8–12 бит
14 бит
Динамический диапазон
~12 EV
~15 EV
~60 dB
~70 dB
Интерфейс
Internal
PCIe / Wi-Fi
USB3 / GigE
USB3 / HDMI
Частота кадров
60 fps (4K)
30 fps (4K)
30 fps
30 fps
Цена
в составе
~200 000 ₽
~80 000 ₽
~500 000 ₽
🎯
Мини-тест: 5 вопросов
XP: 0