Что такое шаг пикселя в камере

Обновлено: 21.11.2024

Пиксель – это часть сенсора, собирающая фотоны и преобразующая их в фотоэлектроны. Несколько пикселей покрывают поверхность датчика, так что можно определить как количество обнаруженных фотонов, так и местоположение этих фотонов.

Пиксели бывают разных размеров, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Большие пиксели способны собирать больше фотонов из-за увеличения площади их поверхности. Это позволяет большему количеству фотонов преобразовываться в фотоэлектроны, повышая чувствительность датчика. Однако это происходит за счет разрешения.

Меньшие пиксели обеспечивают более высокое пространственное разрешение, но захватывают меньше фотонов на пиксель. Чтобы решить эту проблему, датчики могут быть оснащены задней подсветкой, чтобы максимизировать количество света, улавливаемого и преобразуемого каждым пикселем.

Размер пикселя также определяет общий размер сенсора. Например, датчик с разрешением 1024 x 1024 пикселей, каждый из которых имеет площадь поверхности 169 мкм 2 , дает размер датчика 13,3 x 13,3 мм. Тем не менее, датчик с таким же количеством пикселей, теперь с площадью поверхности 42,25 мкм 2, дает размер датчика 6,7 x 6,7 мм.

Разрешение камеры

Разрешение камеры – это способность устройства обработки изображений различать две близко расположенные точки. Чем выше разрешение, тем мельче детали, которые можно разглядеть на объекте. На него влияют размер пикселя, увеличение, оптика камеры и предел Найквиста. Разрешение камеры можно определить по уравнению:

Где 2.3 компенсирует ограничение Найквиста . Этот предел определяется критерием Рэлея выборки. Критерий Рэлея определяется тем, можно ли отличить друг от друга два соседних диска Эйри (центральное яркое пятно дифракционной картины от источника света), определяя наименьшую разрешаемую точку (как показано на рисунке 1).< /p>

Рис. 1. Слева: два соседних диска Эйри, которые можно отличить друг от друга. Справа: два соседних диска Эйри, которые невозможно отличить друг от друга, поскольку они не соответствуют критерию Рэлея.

Предел Найквиста определяет, может ли датчик различать два соседних объекта . Если расстояние между двумя объектами больше, чем предел Найквиста, или превышает этот предел по крайней мере в 2 раза, датчик может различать два объекта. Предел Найквиста определяется пространственной частотой (количеством ярких пятен на заданном расстоянии) объекта, который вы пытаетесь изобразить.

Например, если вы пытаетесь измерить несколько ярких пятен, отстоящих друг от друга на α нм , вам потребуется измерить как минимум каждый нм, чтобы зафиксировать пространственную частоту (т. е. разрешить яркие пятна). Эта пространственная частота позволяет фиксировать промежутки между яркими пятнами как черный пиксель (то есть пиксель без сигнала). Если расстояние между яркими пятнами меньше размера пикселя, черный пиксель не будет захвачен и, следовательно, яркие пятна не будут разрешены. Вот почему меньшие пиксели обеспечивают более высокое разрешение, как показано на рис. 2.

Рисунок 2. Схема, показывающая, что ширина между двумя объектами должна составлять не менее одного пикселя, чтобы преодолеть ограничение Найквиста и разрешить разрешение двух объектов. Вот почему меньшие пиксели обеспечивают более высокое разрешение, поскольку они способны различать более мелкие объекты.

Разрешение объектива

При определении общего разрешения системы также важно учитывать разрешение объектива камеры. Способность линзы разрешать объект ограничена дифракцией. Когда свет, излучаемый объектом, проходит через апертуру объектива, он дифрагирует, образуя дифракционную картину на изображении (как показано на рисунке 3А). Это известно как паттерн Эйри и имеет центральное пятно, окруженное яркими кольцами с более темными областями между ними (рис. 3B). Центральное яркое пятно называется диском Эйри , угловой радиус которого определяется выражением:

Где θ – угловое разрешение (в радианах), λ – длина волны света (м), а D – диаметр линзы (м).

Две разные точки на изображаемом объекте создают два разных рисунка Эйри . Если угловое расстояние между двумя точками больше, чем угловой радиус их диска Эйри, два объекта могут быть разрешены (критерий Рэлея). Однако, если угловое расстояние меньше, две отдельные точки на объекте сливаются. Это видно на рис. 3C.

Рисунок 3: (A) Изображение дифракционной картины, возникающей при прохождении источника света через апертуру объектива. (B) Пример рисунка Эйри, определяемого светом, дифрагированным через апертуру. (C) Вверху: два соседних паттерна Эйри, которые можно отличить друг от друга из-за разделения дисков Эйри. Посередине: два сливающихся диска Эйри, из-за чего их невозможно различить. Внизу: два соседних рисунка Эйри полностью объединены.

Угловой радиус диска Эйри определяется апертурой линзы; следовательно, диаметр апертуры объектива также определяет разрешение. Поскольку диаметр апертуры линзы и угловой радиус диска Эйри находятся в обратной зависимости, то чем больше апертура, тем меньше угловой радиус . Это означает, что большая апертура приводит к более высокому разрешению объектива, поскольку расстояние между более мелкими деталями может оставаться больше, чем угловой радиус диска Эйри. Именно поэтому астрономические телескопы имеют линзы большого диаметра, чтобы иметь возможность различать мельчайшие детали звезд.

Обзор

Пиксели бывают разных размеров в зависимости от того, что требуется для приложения. Большой размер пикселя оптимален для условий съемки при слабом освещении, где высокое разрешение менее важно. Для сравнения, меньший размер пикселя оптимален для ярких условий изображения, в которых разрешение мелких деталей имеет первостепенное значение.

Размер пикселя также определяет количество пикселей на сенсоре. При фиксированном размере сенсора на поверхности больше пикселей, а площадь поверхности пикселей меньше.

Разрешение камеры определяется размером пикселя, апертурой объектива, увеличением и пределом Найквиста. Преодоление ограничения Найквиста зависит от размера пикселя, при этом меньшие пиксели позволяют разрешать еще более мелкие детали. Это связано с тем, что расстояние между двумя соседними объектами должно быть больше, чем размер одного пикселя, что позволяет захватить черный пиксель, различающий промежуток между двумя объектами.

Разрешение объектива ограничено дифракцией. Воздушные узоры образуются, когда свет от объекта преломляется через апертуру линзы. Эти узоры Эйри имеют яркие центральные пятна, называемые дисками Эйри, угловой радиус которых определяется диаметром апертуры объектива. Два соседних объекта могут быть разрешены, если угловое расстояние между объектами больше, чем угловой радиус диска Эйри. Поскольку это обратно пропорционально диаметру апертуры, чем больше апертура объектива, тем выше разрешение.

При выборе подходящей камеры для исследовательского приложения необходимо учитывать как размер пикселя, так и диаметр апертуры объектива.

Пиксели являются основными строительными блоками цифровой фотографии: это отдельные элементы, которые захватывают свет для создания изображения. Камеры с большим количеством пикселей обещают лучшее разрешение, но часто говорят, что их меньшие пиксели приводят к более шумным и менее четким изображениям.

Означает ли это, что при покупке следующей камеры вам следует искать меньшее количество пикселей и больше?

Возможно, нет. Это потому, что идея о том, что маленькие пиксели более шумные, действительно верна только тогда, когда вы исследуете свои изображения на уровне пикселей. Мы давно прошли точку, когда у вас было достаточно пикселей только для заполнения вашего монитора. И даже люди, делающие большие отпечатки, обнаружат, что 24-мегапиксельная камера обеспечивает гораздо большее разрешение, чем необходимо для печати в формате A3 (11,7 x 16,3").

Глядя на общую картину

В этот момент более целостный взгляд на качество изображения на уровне всего изображения, вероятно, имеет не меньше смысла, чем беспокойство о шумности отдельных пикселей.

Меньшие пиксели получают меньше света, чем большие, поэтому всегда будут отдельно более шумными (поскольку в большинстве фотографий большая часть шума возникает из-за количества света, которое вы сэмплируете). Но как только нам приходится масштабировать наши изображения для просмотра или печати, эта разница становится гораздо менее существенной или полностью исчезает.

Ключевые выводы:

Большие пиксели получают больше света при любой экспозиции, поэтому при просмотре в масштабе 1 : 1 создается меньше шума.
Объединение нескольких маленьких пикселей сводит на нет большую часть (или все) этой разницы при просмотре с одинаковым размером.
Для большинства приложений вам придется уменьшить размер изображений, поэтому обычно есть преимущество в разрешении, но мало (если вообще есть) недостатков в увеличении количества пикселей.

Влияние размера пикселя:

Nikon D850 и Sony a7S — это относительно современные полнокадровые сенсоры, но они имеют очень разное количество пикселей. Поскольку у них датчик одинакового размера, это означает, что отдельные пиксели на 12-мегапиксельной камере a7S намного больше, чем у D850, у которой датчик состоит из 48 миллионов пикселей.

Фотокамера a7S часто описывается как отличная при слабом освещении, но это верно только в том случае, если вы внимательно следите за пикселями.

Давайте посмотрим, как они сравняются при масштабировании до одного размера:

На уровне пикселей a7S гораздо менее шумный, как и следовало ожидать, с его большими пикселями. Но при любых настройках ISO, кроме самых высоких, это преимущество исчезает, когда вы сравниваете их оба в одном масштабе. Разница в том, что вы обычно сохраняете некоторые дополнительные детали, снятые D850.

Мы видим одинаковую закономерность практически на всех камерах. Единственный раз, когда мы видели какой-либо недостаток маленьких пикселей, это самые маленькие пиксели, используемые в смартфонах (и в них часто используются многократные режимы, чтобы преодолеть это) или в датчиках, которые используют нетрадиционные сенсорные технологии.

Важнее всего на качество изображения влияет размер сенсора. Мы рассмотрим это в следующей части этой серии статей.

Поступательное технологическое развитие датчиков CCD и CMOS позволяет производить все более тонкие полупроводниковые структуры. Как правило, размеры датчиков и пикселей уменьшаются, чтобы вырезать все больше и больше датчиков из одной пластины. Это возможно, потому что чувствительность пикселей также постоянно повышается по мере оптимизации шумовых характеристик электроники.

Поскольку и в этом отношении достигнуты технические ограничения, имеет смысл сравнивать камеры с разными сенсорами и размерами пикселей с одинаковым разрешением, особенно если…

мало света
требуются изображения с низким уровнем шума и высоким динамическим откликом
должны быть проведены точные измерения

Более крупный сенсор с большими пикселями почти во всех случаях является технически лучшим выбором, однако цена всегда выше.

Размеры сенсоров стандартных камер

Классические камеры машинного зрения имеют датчики разного размера, в зависимости от используемой камеры и разрешения. Большинство камер с датчиками меньшего размера используются с так называемой оптикой с креплением C или, возможно, с креплением CS. Резьба C-mount имеет фактический диаметр 1 дюйм, т. е. 25,4 мм, и шаг резьбы 1/32 дюйма.

Датчики, используемые в стандартных камерах, явно меньше и имеют диагональ изображения от 4 до 16 мм. Размеры этих сенсоров тоже указаны в дюймах. 1-дюймовый сенсор имеет диагональ 16 мм.

Обычные размеры сенсоров промышленных камер

Дюймовые данные ПЗС- и КМОП-датчиков имеют только историческое объяснение: приемные трубки телевизионных камер использовались до середины 1980-х годов и намного превосходили ПЗС- или КМОП-датчики, изобретенные в конце 1960-х годов.

Фактический преобразователь изображения трубчатых камер располагался в стеклянной вакуумной трубке, а различные трубки датчика были, среди прочего, классифицированы в соответствии с их внешним диаметром стеклянной колбы. Диагональ светочувствительной поверхности внутри трубки, конечно, была меньше и составляла примерно две трети внешнего диаметра. Эквивалентные ПЗС-сенсоры, которые должны были заменить электронно-лучевые трубки, должны были покрывать именно эту поверхность. Поэтому ПЗС, светочувствительная поверхность которой соответствует 1/2-дюймовой трубке, называлась 1/2-дюймовым датчиком, даже если это не соответствовало реальному размеру ПЗС-датчика.

Промышленные камеры обычно используют сенсоры 1/3" при разрешении 640 x 480 пикселей, камеры с разрешением 1280 x 1024 пикселей в основном 1/2". Довольно популярное разрешение камеры 1600 x 1200 пикселей часто использует датчик несколько большего размера 1/1,8 дюйма с тем же размером пикселя.

В целом наблюдается тенденция к тому, что на рынке массовых камер датчики становятся все меньше и меньше. Если в конце 1980-х стандартный датчик VGA в некоторых случаях имел размер 2/3 дюйма, то сегодня он составляет всего 1/3 дюйма. Миниатюризация является следствием усовершенствованных производственных процессов, которые позволяют создавать меньшие светочувствительные поверхности с (надеюсь) аналогичными характеристиками. Это позволяет производителям производить большее количество датчиков по более низкой цене из одной пластины. Сенсор 1/3", например, имеет только приблизительно 40 % поверхности сенсора 1/2", поэтому он дешевле.

Важно: если у вас есть выбор между сенсором большего и меньшего размера для одной и той же версии камеры, выберите вариант большего размера, если вы…

проводить точные измерения, например, или точные проверки поверхности с минимальным шумом камеры, который может искажать результат.
планировать светочувствительные быстрые приложения с коротким временем экспозиции.
используйте цветные камеры, которые, возможно, должны заменить монохромные камеры, а также при слабом освещении, так как им требуется в 3–4 раза больше света, чем сопоставимому монохромному датчику.

Широкоформатные сенсоры камер с областью сканирования или камер с линейным сканированием

В случае камер с площадным или линейным сканированием с высоким разрешением используются значительно большие датчики размером в несколько сантиметров. Размеры этих датчиков обычно не стандартизированы и зависят от разрешения и размера пикселей датчиков. Все разрешено и ограничено только бюджетом.

Камера линейного сканирования с 2048 пикселями и размером пикселя 10 мкм имеет длину линии 10,48 мм, в случае размера пикселя 14 мкм длина сенсора составляет уже 28,6 мм. Начиная с диагонали сенсора 20 мм, соединение объектива с байонетом C больше нельзя использовать.

Эти камеры обычно используют байонет Nikon (с байонетом F) или от M42 до M72 в качестве соединений объектива. Только в этом случае датчики высокого разрешения с большими пикселями можно будет использовать для создания камер линейного сканирования с разрешением до 12 000 пикселей или камер с областным сканированием с разрешением до 28 миллионов пикселей.

Размеры пикселей ПЗС- или КМОП-сенсоров

Вследствие миниатюризации сенсоров размеры пикселей становятся все меньше и меньше. Сенсоры потребительских камер (от 8 до 12 мегапикселей за 200 евро) сегодня имеют размер пикселя в основном 1,7 мкм, поэтому светоактивная поверхность на пиксель составляет всего около 3 мкм2. Это приводит к чрезвычайно сильному шуму сенсора в случае неоптимальных условий освещения. Для контроля качества с помощью камер это абсолютно неприемлемо.

Камеры машинного зрения (C-mount) с разрешением от VGA до 2 мегапикселей обычно имеют пиксели от 4,6 до 6,5 мкм с в 10–15 раз большей светоактивной поверхностью и, следовательно, явно лучшими сигнальными результатами. Если вам нужны максимально бесшумные изображения и точные результаты измерений, ищите желательно большие пиксели сенсора, даже если эти камеры дороже!

Обычные размеры промышленных камер в пикселях

Пиксели с длиной края 14 или 10 мкм предпочтительно используются в камерах с линейным сканированием. Например, из-за высокой частоты строки 18 Гц максимальное время экспозиции составляет 1000/18000 = 55 мкс для одной строки захваченного изображения. Светоактивная поверхность пикселя в этом случае никогда не может быть достаточно большой.

Полная емкость пикселя

Эта спецификация описывает, сколько электронов может удерживать элемент пикселя, прежде чем он станет полностью насыщенным. Пиксель со структурным размером 5,5 мкм может аккумулировать примерно 20 000 электронов, пиксель с размером 7,4 мкм — 40 000 электронов.

Чем больше полная емкость лунки, тем лучше максимальное отношение сигнал/шум. Бытовым камерам с размером пикселя 1,7 мкм требуется всего около 1000 фотонов для насыщения пикселя. В случае оцифровки с 8, 10 или даже 12 битами другие шумовые эффекты (фотонный шум, шум оцифровки, темновой шум) уже могут приобретать значительные масштабы, мешать сигналу и, таким образом, крайне негативно влиять на изображение.

Читайте также: