Линейки и матрицы, сканеры и камеры

Простейшим фоточувствительным электронным элементом является всем известный фотодиод. Он строится на базе полупроводника (например, кремни я) и создает выходное напряжение, пропорциональное освещенности его открытой поверхности. Если перед воспринимающей поверхностью фотодиода установитьфильтр, пропускающий волны только определенного диапазона, можно получить приемник изображения, чувствительный в заданном диапазоне электромагнитного спектра.

На основе пары фотодиод – светодиод (светоизлучающий элемент) построены широко применяемые в технике детекторы пересечения, позволяющие определить, пересек ли какой-нибудь непрозрачный объект прямую линию, соединяющую источник и приемник света. Такие детекторы стоят, например, в турникетах на входе в московское метро.

Однако для того, чтобы при помощи одиночного фотодиода получить изображение, необходимо, во-первых, создать оптическую систему, проецирующую изображение определенных участков видимой сцены на поверхность фотоприемника, а во-вторых, организоватьсканированиеизображения сцены за счет перемещения фотоприемника относительно регистрируемой сцены. В самом деле, одиночный фоточувствительный элемент без оптической системы способен лишь зарегистрировать уровень освещенности своей поверхности. При этом свет, падающий на его поверхность, приходит со всех сторон, в результате излучения многих источников, отражения от множества различных поверхностей и, кроме того, рассеяния в воздухе. Нельзя сказать, что зарегистрированный на фотоэлементе уровень освещенности относится к какому-либо конкретному участку поверхности или объекту сцены. Для того чтобы такое соответствие можно было установить, необходимо использовать, например,систему линз, называемую такжеобъективом, которая сфокусирует и передаст на поверхность фотоприемника лучи, приходящие строго с выбранного направления и с определенного диапазона расстояний (определяемогофокусным расстоянием объектива). Если фотоэлемент расположен за объективом, то действительно можно говорить о том, что зарегистрированное им значение освещенности соответствует определенному пространственному лучу, проходящему через точку фокуса (пересечения лучей) объектива. Осталось только организовать «сканирование» – то есть перемещение регистрирующего луча по сцене, чтобы появилась возможность заполнить двумерную матрицу интенсивностей и получить, таким образом, цифровое изображение наблюдаемой сцены. В первых исторических системах регистрации изображений съем изображения осуществлялся за счетмеханического сканирования, то есть перемещения фотоэлемента (или сканируемого объекта относительно фотоэлемента) «вправо-влево, вверх-вниз». Впоследствии были разработаны более современные схемыоптико-механического сканирования(нашедшие основное применение в лазерных системах), в которых движется не фотоприёмник, а сам луч, отклоняемый управляемым зеркалом, входящим в состав оптической системы.

Следующим распространенным типом приемников изображения являются оптические сканеры, основанные на использовании одномерных линеек фоточувствительных элементов. К ним, в частности, относятся хорошо известныепланшетные сканеры, предназначенные для оцифровки бумажных документов. В таких системах сканируемый документ помещается на неподвижное плоское основание, а затем над ним (или под ним – в зависимости от конструкции сканера) медленно «проезжает» параллельно перемещающаяся сканирующая линейка фоточувствительных элементов, которая «строка за строкой» (или «столбец за столбцом») снимает и сохраняет в памяти цифровое изображение документа. Перемещение сканирующей линейки осуществляется за счет работы шагового электрического двигателя. За каждый шаг линейка смещается на очень небольшую величину сдвига, так как между соседними линиями изображения не может большого расстояния.

Возможна и обратная схема сканирования (реализованная, например, в ряде копировальных аппаратов), когда линейка фотоприемников покоится, а в движение приводится кассета со сканируемым документом. Но и в этом случае механическое движение документа относительно линейки должно быть достаточно медленным и прецизионно равномерным, иначе полученное изображение будет иметь низкое разрешение и серьезные геометрические искажения в направлении сканирования.

Указанная проблема ограничивает применение оптических сканеров на базе сканирующих линеек в тех областях, где требуется не постепенное сканирование, а быстрая мгновенная съемка видоизменяющихся динамических сцен. Однако это не означает, что область применения линейных приемников изображения ограничена только областью сканирования документов. Напротив, линейные камерыпарадоксальным образом находят применение именно в тех областях техники, где требуется максимально быстрая регистрация изображений высокого разрешения. Речь идет о так называемых системах «естественного сканирования» изображений за счет движения объектов съемки. Представьте себе, например, задачу получения высококачественного изображения быстро движущейся конвейерной ленты, на которой расположены подлежащие автоматической инспекции или автоматической сортировке детали. Допустим, необходимое разрешение съемки по одной из координат – 1024 элемента. Конечно, мы могли бы попробовать использовать двумерную матрицу размером 10241024 элемента, но при попытке передать в компьютер снятые этой матрицей мегабайтные (используется также терминмегапиксельные) изображения в темпе, согласованном по скорости с движением ленты конвейера, мы обнаружим, что пропускная способность канала передачи цифровых данных (да и характеристики скорости съемки, обеспечиваемые цифровой камерой высокого разрешения) не позволит нам это сделать. Между тем, установив над конвейером линейную камеру, передающую лишь одну строку из 1024 значений пикселей за один такт, мы легко сможем обеспечить необходимые скорость и качество съемки. Сканирование же (то есть развертка изображения во времени в направлении, перпендикулярном линейке фотоэлементов) будет осуществляться за счет движения самой конвейерной ленты. Аналогичным образом, на базе линейной камеры можно построить, например, систему контроля качества покрытия автомобильных дорог, осуществляющую сканирование дороги под автомобилем-лабораторией, оборудованным такой камерой, за счет движения самого автомобиля. Самолет, с постоянной скоростью летящий над сканируемой местностью, также позволяет сформировать изображение местности при помощи линейной камеры. Наконец, искусственный спутник, предназначенный для дистанционного зондирования Земли из космоса, также может сканировать земную поверхность за счет собственного перемещения по орбите.

И, тем не менее, в подавляющем большинстве современных систем технического и машинного зрения используются двумерные приемники изображений. Их достоинство заключается в универсальности. Они не имеют ограничения на скорость или направление изменения содержания наблюдаемой сцены, поскольку регистрация содержимого всех пикселей двумерного изображения происходит в таких системах одновременно. Наиболее распространенным в настоящее время типом двумерных приемников изображений являютсяCCD-матрицы(ПЗС-матрицы, «приборы с зарядовой связью»). В отличие от фотодиодов, выходной сигнал чувствительных элементов такой матрицы пропорционален не текущей освещенности поверхности элемента, а интегралу энергии излучения, попавшего на элемент за все времяэкспозиции(то есть за время, пока элемент был открыт). Это позволяет, как и в аналоговой фотографии, управлять чувствительностью элементов путем установки времени экспозиции, использовать накопление сигнала и другие подобные приемы. В настоящее времяCCD-матрицы выпускаются производителями в виде готовых микросхем, которые производители камер и сканеров могут непосредственно устанавливать в свои устройства. ИменноCCD-матрицы служат приемниками изображения как в современных бытовых фото- и видеокамерах, так и в видеокамерах для технического зрения, применяемых в самых ответственных промышленных приложениях. Заметим также, что в современных линейных камерах также используются не линейки фотодиодов, аCCD-линейки.