Obrazem wejściowym w systemach przetwarzania i analizy obrazów jest najczęściej obraz optyczny uzyskany w wyniku odbicia światła od badanego obiektu lub przejścia światła przez ten obiekt. Wstępną operacją przy wprowadzaniu obrazu do urządzenia cyfrowego jest zamiana postaci obrazu z optycznej na elektryczną. Dokonuje się tego za pomocą przetwornika obrazowego optyczno-elektrycznego.  Kamera wizyjna CCD (ang. Charge Coupled Device) jest obecnie jednym z najbardziej rozpowszechnionych typów przetworników obrazowych i najczęściej stosowanym w komputerowej analizie obrazów. Podstawowym składnikiem takiej kamery jest matryca CCD zawierająca prostokątną macierz światłoczułych elementów. Matryca CCD zapewnia przetworzenie obrazu optycznego w sygnał elektryczny. Pozostałe układy elektroniczne kamery formują sygnał niosący informację o obrazie w sygnał wyjściowy zgodnie z wymaganym standardem  .

Standard telewizyjny.  Najpopularniejszym standardem wykorzystywanym w kamerach wizyjnych jest standard telewizyjny. Obowiązujący standard telewizyjny w Polsce i wielu krajach europejskich to PAL dla obrazów barwnych i CCIR dla obrazów monochromatycznych (czarno-białych). Zgodnie z tymi standardami w czasie 1 sekundy przekazywanych jest 25 obrazów, z których każdy składa się z 625 t.zw. linii telewizyjnych, rozdzielonych na dwa półobrazy odległe od siebie w czasie o 20 milisekund. Jeden z półobrazów zawiera parzyste linie telewizyjne, a drugi nieparzyste, które przy skanowaniu oraz wyświetlaniu obrazu przeplecione są pomiędzy sobą (t.zw. międzyliniowość) tworząc pełen obraz telewizyjny. Spośród wszystkich 625 linii telewizyjnych tylko 576 zawiera informację o treści obrazu. Dyskretyzując obraz telewizyjny przy wprowadzaniu go do komputera każdą linię obrazu dzieli się na punkty (t.zw. piksele). Aby wielkość punktu obrazu w pionie i w poziomie była jednakowa (kwadratowy piksel) linię telewizyjną należy podzielić na 768 punktów. Stąd wynika, że przy kwadratowym pikselu, maksymalna rozdzielczość jaką można uzyskać ze standardowego obrazu telewizyjnego wynosi 768 x 576.

 Kamery monochromatyczne.   Obraz monochromatyczny (nazywany także często czarno-białym) zawiera informację o intensywności światła odbitego lub przechodzącego przez obserwowany obiekt, zawartego zazwyczaj w przedziale widmowym od 400 do około 800 nanometrów długości fali świetlnej. Jest on reprezentowany w postaci cyfrowej jako prostokątna macierz liczbowa, a wartości elementów tej macierzy charakteryzują jasność odpowiadających im punktów obrazu.

Kamery barwne.  Obraz barwny jest w technice reprezentowany przez intensywność trzech bazowych składowych barwnych: czerwonej, zielonej i niebieskiej. Jest to związane z fizjologią widzenia barwnego człowieka. Kamery wizyjne barwne przekształcając optyczny obraz barwny  w swoim sygnale wyjściowym przekazują informacje o intensywności światła w trzech zakresach widmowych, oznaczanych zwyczajowo jako RGB. W kamerach telewizyjnych barwnych powszechnego użytku informacje ze wszystkich trzech składowych barwnych zakodowane są w jednym sygnale złożonym (composite). Jest to rozwiązanie najbardziej ekonomiczne, lecz uzyskiwane parametry jakościowe obrazu barwnego są najsłabsze. Lepszym rozwiązaniem wyprowadzania z kamery informacji o obrazie barwnym jest standard nazywany S-wideo lub Y/C lub S-VHS. Informacja wyprowadzana z kamery jest rozdzielona na dwa sygnały - jeden z nich przekazuje dane o intensywności światła (sygnał luminancji, Y), a drugi zakodowane dane o barwie (sygnał chrominancji, C). Rozdzielenie danych o luminancji i chrominancji na dwa sygnały pozwala uzyskać w obrazie telewizyjnym wyższą rozdzielczość niż w przypadku sygnału złożonego. Wadą tego rozwiązanie jest jednak, tak jak w przypadku sygnału złożonego, kodowanie informacji o składowych RGB w jednym sygnale. Konieczność kodowania w kamerze informacji RGB w jeden sygnał, a następnie rozkodowywanie tych informacji w urządzeniu odbierającym ten sygnał, powodują ograniczenie jakości obrazu i pogorszenie wierności przekazywanych barw. Najlepsze rezultaty przekazywania wizyjnego obrazu barwnego uzyskuje się gdy informacja o informacja o intensywności światła w trzech zakresach widmowych przekazywana jest w postaci trzech oddzielnych sygnałów R, G i B. Nie występują wtedy żadne straty informacji związane z kodowaniem i dekodowaniem informacji o barwie z pojedynczego sygnału. Standard taki, określany RGB, stosowany jest w kamerach wysokiej klasy i profesjonalnych.

Aby w kamerze barwnej przychodzący strumień światła był analizowany w różnych zakresach widmowych stosowane są odpowiednie filtry. W przypadku kamer barwnych, wykorzystywanych w zastosowaniach powszechnych, posiadających pojedynczą fotomatrycę CCD, filtry takie w postaci mozaiki barwnych przezroczystych elementów, nałożone są w procesie produkcyjnym tak, aby światło zanim dotrze do elementów światłoczułych przechodziło przez mozaikę filtrów. W efekcie pewne elementy fotomozaiki odbierają obraz z jednego zakresu widmowego, inne elementy z kolejnego zakresu itd. . Ponieważ tylko część elementów światłoczułych matrycy CCD jest wykorzystywana do otrzymywania obrazu w każdym z zakresów widmowych rozdzielczość obrazu w każdym z zakresów jest odpowiednio niższa niż rozdzielczość zapewniana przez całą fotomozaikę CCD. W profesjonalnych zastosowaniach, gdzie stawiane są  wymagania wysokiej jakości obrazu barwnego - wierności barw oraz wysokiej rozdzielczości barwnej w każdym z zakresów widmowych, należy stosować kamery z potrójną fotomozaiką - oznaczane zwykle 3CCD. W takich kamerach wejściowy strumień światła jest rozdzielany na trzy części, a każda z nich jest kierowana do osobnej fotomozaiki. Przed każdą z fotomozajek umieszczony jest inny filtr widmowy - odpowiednio: czerwony (R), zielony (G), niebieski (B). W każdym z zakresów widmowych uzyskuje się w ten sposób obraz o pełnej rozdzielczości zapewnianej przez fotomozaikę.

Skanowanie międzyliniowe a progresywne ("progressive scan"). W standardzie telewizyjnym każdy obraz składa się z dwu półobrazów. Jeden z półobrazów zawiera parzyste linie telewizyjne, a drugi nieparzyste, które przy skanowaniu oraz wyświetlaniu obrazu przeplecione są pomiędzy sobą (t.zw. międzyliniowość) tworząc pełen obraz telewizyjny. Cały obraz telewizyjny trwa 40 milisekund, a każdy z półobrazów połowę tego czasu - czyli 20 ms. Jeżeli kamera telewizyjna obserwuje obiekt poruszający się  z taką szybkością, że jego położenia w polu widzenia kamery, w chwilach odległych o 20 ms, są wyraźnie różne, to pojedynczy obraz telewizyjny takiego obiektu, złożony z dwu półobrazów, przedstawia obserwowany obiekt w dualnym położeniu. Przy wyświetlaniu takiego obrazu, wraz ze zmianą wyświetlanego półobrazu, położenie obiektu przeskakuje z jednej pozycji na drugą wywołując wrażenie migotania. Zasada międzyliniowości w telewizji została wprowadzona wiele lat temu przy opracowywaniu standardu telewizyjnego i wynikała z ówczesnych uwarunkowań technicznych. Obecnie te ograniczenia techniczne zostały już pokonane i w wielu zastosowaniach telewizyjna "międzyliniowość" stanowi przeszkodę. W kamerach CCD nie działających zgodnie ze standardem telewizyjnym,  spotyka się obecnie  skanowanie progresywne obrazu z fotomatrycy linia po linii ( progressive scan) bez podziału na półobrazy. Unika się w ten sposób problemów przy poruszających się obiektach.

 Migawka elektroniczna. W wielu modelach kamer występuje dodatkowa funkcja pozwalająca zmieniać czas naświetlania fotomozaiki CCD przez przychodzący obraz optyczny. W typowych rozwiązaniach czas naświetlania fotomozaiki można zmniejszyć do 1/10000 sekundy. Skracanie czasu naświetlania wykorzystywane jest gdy chcemy uniknąć efektu "rozmazania" szybko przesuwającego się obiektu lub dla ograniczenia ilości światła padającego na fotomozaikę (podobnie jak przez zwiększenie przysłony obiektywu).  W rozbudowanych kamerach CCD można także zwiększać czas naświetlania fotomozaiki. Dzięki temu nawet przy bardzo małych natężeniach światła można uzyskać obraz obserwowanego obiektu (zastosowanie np. w badaniach fluorescencyjnych). Przy czasach naświetlania przekraczających pojedyncze sekundy, stosuje się systemy chłodzenia fotomozaiki, dla uniknięcia wzrastającego wpływu szumu termicznego.

Częstotliwość skanowania. W kamerach telewizyjnych obrazy są powtarzane 25 razy na sekundę (co 40 milisekund). W zastosowaniach wymagających obserwacji zjawisk szybko zmieniających się taka częstotliwość skanowania może być nie wystarczająca. W szybkich kamerach niestandardowych częstotliwość skanowania obrazu wynosi od kilkuset obrazów na sekundę do kilku tysięcy obrazów/s. Najszybsze kamery potrafią wykonywać obrazy co jedną milionową część sekundy (np. do obserwacji wybuchów). Z kolei w kamerach niestandardowych dostarczających obraz o bardzo wysokiej rozdzielczości ze względu na ograniczenia w przepustowości przy przekazywaniu danych, częstotliwości skanowania obrazów są mniejsze np. kilka do kilkunastu obrazów/s.

Kamery cyfrowe. Sygnał wyjściowy w kamerach telewizyjnych jest analogowy. Obecnie bardzo często dalsze wykorzystanie obrazu z kamery wiąże się z wprowadzeniem go do układów cyfrowych (np. dla komputerowej analizy, archiwizacji, transmisji, itp.), co wymaga zamiany sygnału analogowego na postać cyfrową. Polega to na dyskretyzacji i kwantyzacji sygnału analogowego.  Ze względu na budowę fotomozaiki CCD oryginalny obraz otrzymywany z fotomozaiki jest zdyskretyzowany. Zamiast uciąglać go tak jak robione jest to w standardowych kamerach telewizyjnych, w kamerach cyfrowych jest on poddawany kwantyzacji i wyprowadzany na zewnątrz. W ten sposób na wyjściu kamery dostępna jest informacja o jasności każdego indywidualnego elementu fotomozaiki.  Rozwiązanie takie stosowane jest na ogół w kamerach dostarczających wysokiej jakości obrazy: o rozdzielczości przestrzennej np. 1000x1000, 2000x2000 lub 5000x5000 i/lub wysokiej rozdzielczości tonalnej: 10, 12 lub 16 bitów, a także w kamerach szybkich i bardzo szybkich.

 

Parametry kamer.  Poniżej przedstawione są parametry przykładowych konkretnych modeli kamer oferowanych przez firmę WIKOM. W zależności od potrzeb możemy zaproponować model kamery dopasowany do konkretnych potrzeb użytkownika. W zastosowaniach, gdzie  kamera będzie używana do wprowadzania obrazu do komputera dla jego analizy, oferujemy dopasowaną do kamery komputerową kartę do akwizycji obrazu oraz odpowiednie oprogramowanie.

Parametry techniczne wybranych, przykładowych modeli kamer.

Telewizyjne kamery monochromatyczne.

 

 

 

Telewizyjne kamery barwne

 

 

 

 

 

 

Kamery cyfrowe

 

 

 

 

 

Kamery cyfrowe w standardzie IEEE 1394:

 

Copyright © 2001 WIKOM