2013/07/22Denbora Atzerapen Integrazioa (TDI) irudi digitala baino lehenagoko irudi teknika bat da, baina gaur egungo irudigintzaren abangoardian abantaila izugarriak eskaintzen ditu oraindik ere. Bi egoeratan distira egin dezakete TDI kamerak, biak irudian agertzen den subjektua mugimenduan dagoenean:
1 – Irudiak hartzen dituen subjektua berez mugimenduan dago abiadura konstantearekin, web ikuskapenean (adibidez, mugikorreko paper, plastiko edo oihal orrien eskaneatzea akatsak eta kalteak bilatzeko), muntaketa-kateetan edo mikrofluidoetan eta fluido-fluxuetan bezala.
2 – Kamera batek eremu batetik bestera mugitzen duen subjektu estatikoak irudika ditzake, subjektua edo kamera mugituz. Adibide gisa, mikroskopio bidezko diapositiba eskaneatzea, materialen ikuskapena, panel lauen ikuskapena eta abar daude.
Egoera hauetakoren bat zure irudigintzan aplikagarria bada, web orri honek ohiko 2 dimentsioko 'eremu-eskaneatzeko' kameretatik Line Scan TDI kameretara aldatzeak zure irudigintzan hobekuntza bat eman dezakeen aztertzen lagunduko dizu.
Area-eskaneatzearekin eta helburu mugikorrekin arazoa
● Mugimendu lausotzea
Irudi-subjektu batzuk mugimenduan daude nahitaez, adibidez fluidoen fluxuan edo web-ikuskapenean. Beste aplikazio batzuetan, hala nola diapositiba-eskaneatzea eta materialen ikuskapena, subjektua mugimenduan mantentzea askoz azkarragoa eta eraginkorragoa izan daiteke eskuratutako irudi bakoitzerako mugimendua gelditzea baino. Hala ere, eremu-eskaneatzeko kameretan, irudi-subjektua kamerarekiko mugimenduan badago, horrek erronka bat izan dezake.
Mugitzen ari den ibilgailu baten irudia distortsionatzen duen mugimendu lausotasuna
Argiztapen mugatua duten egoeretan edo irudi-kalitate handia behar den kasuetan, kameraren esposizio-denbora luzea komenigarria izan daiteke. Hala ere, subjektuaren mugimenduak bere argia hainbat kamera-pixeletan zehar zabalduko du esposizioan zehar, eta horrek "mugimendu-lausotasuna" eragingo du. Hori gutxitu daiteke esposizioak oso labur mantenduz, hau da, subjektuaren puntu batek kamera-pixel bat zeharkatzeko behar duen denboraren azpitik. Hau da...unnormalean irudi ilun, zaratatsu eta askotan erabilezinen kaltetan.
●Jostura
Gainera, normalean, eremu-eskaneatze kamerekin irudi handiak edo jarraituak ateratzeko, hainbat irudi eskuratu behar dira, eta gero elkarrekin lotu. Jostura horrek inguruko irudien arteko pixelen gainjartzea eskatzen du, eraginkortasuna murriztuz eta datuak biltegiratzeko eta prozesatzeko beharrak handituz.
●Argiztapen irregularra
Gainera, argiztapena gutxitan izango da nahikoa jositako irudien arteko ertzetan arazoak eta artefaktuak saihesteko. Era berean, eremu-eskaneatzeko kamerarentzako nahikoa eremu handi bat intentsitate nahikoaz argiztatzeko, askotan potentzia handiko eta kostu handiko DC argi-iturriak erabili behar dira.
Argiztapen irregularra saguaren garunaren irudi anitzeko eskurapen bat jostean. Irudia Watson et al.-ena 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Zer da TDI kamera bat, eta nola laguntzen du?
Ohiko 2 dimentsioko eskaneatze-kameretan, irudi bat lortzeko hiru fase daude: pixelen berrezarpena, esposizioa eta irakurketa. Esposizioan zehar, eszenako fotoiak detektatzen dira, eta fotoelektroiak sortzen dira, eta hauek kamerako pixeletan gordetzen dira esposizioaren amaierara arte. Ondoren, pixel bakoitzaren balioak irakurtzen dira, eta 2D irudi bat sortzen da. Ondoren, pixelak berrezartzen dira eta karga guztiak garbitzen dira hurrengo esposizioa hasteko.
Hala ere, aipatu bezala, irudian ateratako subjektua kamerarekiko mugitzen ari bada, subjektuaren argia hainbat pixeletan zehar heda daiteke esposizio horretan zehar, eta horrek mugimendu lausotzea eragin dezake. TDI kamerek muga hori gainditzen dute teknika berritzaile bat erabiliz. Hori [1. animazioa]n erakusten da.
●Nola funtzionatzen duten TDI kameren
TDI kamerek funtsean modu desberdinean funtzionatzen dute eremu-eskaneatze kamerekin alderatuta. Irudi-subjektua kameran zehar mugitzen den heinean esposizioan zehar, eskuratutako irudia osatzen duten karga elektronikoak ere mugitzen dira, sinkronizatuta mantenduz. Esposizioan zehar, TDI kamerek eskuratutako karga guztiak pixel-lerro batetik bestera mugitzeko gai dira, kameran zehar, irudi-subjektuaren mugimenduarekin sinkronizatuta. Subjektua kameran zehar mugitzen den heinean, ilara bakoitzak ('TDI Etapa' bezala ezagutzen dena) aukera berri bat eskaintzen du kamera subjektuari erakusteko eta seinalea metatzeko.
Behin eskuratutako karga-ilara bat kameraren amaierara iristen denean, orduan bakarrik irakurtzen dira balioak eta irudiaren xerra unidimentsional gisa gordetzen dira. 2D irudia sortzen da irudiaren xerra bakoitza elkarri itsatsiz, kamerak irakurtzen dituen heinean. Emaitza den irudiko pixel-ilara bakoitzak irudian agertzen den subjektuaren 'xerra' bera jarraitzen eta irudikatzen du, hau da, mugimendua egon arren, ez dago lausotasunik.
●256 aldiz esposizio luzeagoa
TDI kameretan, irudiaren esposizio-denbora eraginkorra subjektuko puntu batek pixel-errenkada guztiak zeharkatzeko behar duen denbora osoak ematen du, TDI kamera batzuetan 256 etapa arte eskuragarri daudelarik. Horrek esan nahi du eskuragarri dagoen esposizio-denbora eremu-eskaneatzeko kamera batek lor dezakeena baino 256 aldiz handiagoa dela.
Honek bi hobekuntza hauetako bat edo bien arteko oreka ekar dezake. Lehenik eta behin, irudien abiadura nabarmen handitu daiteke. Eremu-eskaneatze kamera batekin alderatuta, irudiak hartzen dituen subjektua 256 aldiz azkarrago mugi daiteke seinale kopuru bera jasotzen duen bitartean, baldin eta kameraren linea-abiadura nahikoa azkarra bada erritmoari eusteko.
Bestalde, sentikortasun handiagoa behar bada, esposizio-denbora luzeagoak irudien kalitate askoz handiagoa, argiztapen-intentsitate txikiagoa edo biak ahalbidetu ditzake.
●Datu-fluxu handia josturarik gabe
TDI kamerak 2 dimentsioko irudi bat sortzen duenez jarraian 1 dimentsioko xerratan, emaitza den irudia behar den bezain handia izan daiteke. 'Horizontaleko' pixel kopurua kameraren zabalerak ematen duen bitartean, adibidez 9072 pixel, irudiaren 'bertikal' tamaina mugagabea da, eta kamera zenbat denbora martxan dagoenaren araberakoa da. 510kHz-ko lerro-abiadurekin, datu-fluxu masiboa eman dezake.
Honekin batera, TDI kamerek ikus-eremu oso zabalak eskain ditzakete. Adibidez, 5µm-ko pixeleko 9072 pixeleko kamera batek 45 mm-ko ikus-eremu horizontala eskaintzen du bereizmen handiarekin. 5µm-ko pixel-eremuko eskaneatze-kamerarekin irudi-zabalera bera lortzeko, gehienez hiru 4K kamera beharko lirateke alboz albo.
●Lerro-eskaneatze kameren hobekuntzak
TDI kamerek ez dituzte hobekuntzak soilik eskaintzen eremu-eskaneatze kamerekin alderatuta. Pixel lerro bakarra harrapatzen duten lerro-eskaneatze kamerek ere arazo berberak dituzte argiztapen intentsitatearekin eta esposizio laburretan eremu-eskaneatze kamerekin.
TDI kamerek bezala, eskaneatze-lerro kamerek argiztapen uniformeagoa eskaintzen dute konfigurazio sinpleago batekin, eta irudiak josteko beharra saihesten dute, baina askotan argiztapen oso bizia eta/edo subjektuaren mugimendu motela behar izaten dute kalitate handiko irudi bat lortzeko nahikoa seinale harrapatzeko. TDI kamerek ahalbidetzen dituzten esposizio luzeagoek eta subjektuaren abiadura azkarragoek intentsitate txikiagoa eta kostu txikiagoa duten argiztapena erabil daiteke, irudien eraginkortasuna hobetuz. Adibidez, ekoizpen-lerro batek korronte zuzeneko energia behar duten kostu handiko eta energia-kontsumo handiko halogeno-lanpetatik LED argiztapenera igaro daiteke.
Nola funtzionatzen dute TDI kamerek?
Hiru estandar komun daude kamera-sentsore batean TDI irudiak nola lortu azaltzeko.
● CCD TDI– CCD kamerak kamera digitalen artean zaharrenak dira. Diseinu elektronikoari esker, CCD batean TDI portaera lortzea oso erraza da, kamera sentsore askok modu horretan funtzionatzeko gai baitira berez. Beraz, TDI CCDak hamarkadetan erabili izan dira.
Hala ere, CCD teknologiak baditu bere mugak. CCD TDI kameretarako eskuragarri dagoen pixel tamaina txikiena 12µm x 12µm ingurukoa da; horrek, pixel kopuru txikiarekin batera, kameren xehetasun finak bereizteko gaitasuna mugatzen du. Gainera, eskuratze-abiadura beste teknologiek baino txikiagoa da, eta irakurketa-zarata –argitasun gutxiko irudietan mugatzaile nagusia– handia da. Energia-kontsumoa ere handia da, eta hori faktore garrantzitsua da aplikazio batzuetan. Horrek CMOS arkitekturan oinarritutako TDI kamerak sortzeko nahia ekarri zuen.
●CMOS TDI goiztiarra: tentsio-domeinua eta batuketa digitala
CMOS kamerek CCD kameren zarata eta abiadura muga asko gainditzen dituzte, energia gutxiago erabiliz eta pixel tamaina txikiagoak eskainiz. Hala ere, TDI portaera askoz zailagoa zen CMOS kameretan lortzea, pixelen diseinuagatik. CCDek fotoelektroiak fisikoki mugitzen dituzten bitartean pixel batetik bestera sentsorea kudeatzeko, CMOS kamerek fotoelektroietako seinaleak pixel bakoitzeko tentsio bihurtzen dituzte irakurri aurretik.
2001etik aztertu da CMOS sentsore batean TDIren portaera, baina erronka handia izan zen esposizioa errenkada batetik bestera mugitzen den heinean seinalearen "metaketa" nola kudeatu. Gaur egun oraindik kamera komertzialetan erabiltzen diren CMOS TDIrako bi metodo goiztiar tentsio-domeinuko metaketa eta TDI CMOS batuketa digitala dira. Tentsio-domeinuko metaketa-kameretan, seinalearen errenkada bakoitza eskuratzen den heinean irudikatzen den subjektua igarotzen den heinean, eskuratutako tentsioa elektronikoki gehitzen zaio irudiaren zati horren eskurapen osoari. Modu honetan tentsioak metatzeak zarata gehigarria sartzen du gehitzen den TDI etapa gehigarri bakoitzeko, etapa gehigarrien onurak mugatuz. Linealtasun arazoek ere kamera hauek aplikazio zehatzetarako erabiltzea erronka egiten dute.
Bigarren metodoa TDI batuketa digitala da. Metodo honetan, CMOS kamera bat eremu-eskaneatze moduan funtzionatzen du, esposizio oso laburrarekin, irudian agertzen den subjektuak pixel-errenkada bakar batean zehar mugitzeko behar duen denborarekin bat datorrena. Baina, fotograma bakoitzeko errenkadak digitalki batzen dira TDI efektua lortzeko. Kamera osoa irakurri behar denez ondoriozko irudiko pixel-errenkada bakoitzeko, batuketa digital honek errenkada bakoitzerako irakurketa-zarata ere gehitzen du, eta eskuratze-abiadura mugatzen du.
●Estandar modernoa: karga-domeinuko TDI CMOS, edo CCD-on-CMOS TDI
CMOS TDI-ren mugak gainditu dira duela gutxi karga-domeinuko metaketa TDI CMOS, CCD-on-CMOS TDI bezala ere ezaguna, sartuz. Sentsore hauen funtzionamendua [1. animazioan] erakusten da. Izenak dioen bezala, sentsore hauek CCD antzeko kargak pixel batetik bestera mugitzen dituzte, TDI etapa bakoitzean seinalea metatuz fotoelektroiak karga indibidualen mailan gehituz. Hau zarata gabekoa da funtsean. Hala ere, CCD TDI-ren mugak gainditzen dira CMOS irakurketa arkitektura erabiliz, CMOS kameretan ohikoak diren abiadura handiak, zarata txikia eta energia-kontsumo txikia ahalbidetuz.
TDI zehaztapenak: zerk axola du?
●Teknologia:Faktore garrantzitsuena goian azaldu bezala, erabilitako sentsore-teknologia da. Karga-domeinuko CMOS TDIk emango du errendimendurik onena.
●TDI etapak:Sentsorearen errenkada kopurua da, zeinetan seinalea metatu daitekeen. Zenbat eta TDI etapa gehiago izan kamera batek, orduan eta luzeagoa izan daiteke bere esposizio-denbora eraginkorra. Edo, orduan eta azkarrago mugitu daiteke irudian dagoen subjektua, baldin eta kamerak lerro-abiadura nahikoa badu.
●Lerro-tasa:Kamerak segundoko zenbat errenkada irakur ditzakeen. Honek kamerak eutsi diezaiokeen mugimendu-abiadura maximoa zehazten du.
●Eraginkortasun kuantikoaHonek kamerak uhin-luzera desberdinetako argiarekiko duen sentikortasuna adierazten du, fotoi intzidente bat detektatu eta fotoelektroi bat sortzeko probabilitatea kontuan hartuta. Eraginkortasun kuantiko handiagoak argiztapen-indarra txikiagoa edo funtzionamendu azkarragoa eskain dezake seinale-maila berdinak mantenduz.
Gainera, kamerek sentikortasun ona lor daitekeen uhin-luzera tarte desberdina dute; kamera batzuek espektroaren ultramorearen (UV) muturrerainoko sentikortasuna eskaintzen dute, 200 nm-ko uhin-luzera inguruan.
●Irakurri zarata:Irakurketa-zarata kameraren sentikortasunaren beste faktore garrantzitsua da, kameraren zarata-zoruaren gainetik detektatu daitekeen gutxieneko seinalea zehazten baitu. Irakurketa-zarata handia dagoenean, ezin dira ezaugarri ilunak detektatu eta tarte dinamikoa asko murrizten da, hau da, argiztapen distiratsua edo esposizio-denbora luzeagoak eta mugimendu-abiadura motelagoak erabili behar dira.
TDI zehaztapenak: zerk axola du?
Gaur egun, TDI kamerak web ikuskapenerako, elektronika eta fabrikazio ikuskapenerako eta bestelako ikusmen artifizialaren aplikazioetarako erabiltzen dira. Horrez gain, argi gutxiko aplikazio erronkak ere badaude, hala nola fluoreszentzia irudiak eta diapositiba eskaneatzea.
Hala ere, abiadura handiko, zarata gutxiko eta sentikortasun handiko TDI CMOS kameren sarrerarekin, potentzial handia dago abiadura eta eraginkortasuna handitzeko lehen eremu-eskaneatze kamerak soilik erabiltzen zituzten aplikazio berrietan. Artikuluaren hasieran aurkeztu genuen bezala, TDI kamerak izan daitezke aukerarik onena abiadura handiak eta irudi-kalitate handiak lortzeko, bai etengabeko mugimenduan dauden subjektuak irudikatzeko, bai kamerak irudi estatikoetan zehar eskaneatu daitekeen kasuetan.
Adibidez, mikroskopia aplikazio batean, 9K pixeleko, 256 etapako TDI kamera baten eskuratze-abiadura teorikoa, 5 µm pixeleko 12MP kamera-eremuko eskaneatze-kamerarekin, alderatu genezake. Azter dezagun 10 x 10 mm-ko eremu bat 20x handitzearekin eskuratzea etapa mugituz.
1. 20x objektibo bat eremu-eskaneatze kamerarekin erabiliz gero, 1,02 x 0,77 mm-ko ikus-eremua lortuko litzateke.
2. TDI kamerarekin, 10x objektibo bat eta 2x handitze gehigarria erabil daitezke mikroskopioaren ikus-eremuaren edozein muga gainditzeko, 2,3 mm-ko ikus-eremu horizontala lortzeko.
3. Jostura helburuetarako irudien artean % 2ko pixelen gainjartzea, eszenatokia kokapen jakin batera eramateko 0,5 segundo eta 10 ms-ko esposizio-denbora suposatuz, kalkula dezakegu eremu-eskaneatze kamerak beharko lukeen denbora. Era berean, kalkula dezakegu TDI kamerak beharko lukeen denbora eszenatokia Y norabidean eskaneatzeko etengabeko mugimenduan mantenduz gero, lerro bakoitzeko esposizio-denbora berdinarekin.
4. Kasu honetan, eremu-eskaneatzeko kamerak 140 irudi beharko lituzke eskuratzeko, eta 63 segundo behar lituzke eszenatokia mugitzeko. TDI kamerak 5 irudi luze baino ez lituzke eskuratuko, eta 2 segundo behar lituzke eszenatokia hurrengo zutabera eramateko.
5. 10 x 10 mm-ko azalera lortzeko eman den denbora osoa hau izango litzateke:64,4 segundo eremu-eskaneatzeko kamerarentzat,eta besterik gabe9,9 segundo TDI kamerarentzat.
TDI kamera bat zure aplikazioarekin bat datorren eta zure beharrak ase ditzakeen ikusi nahi baduzu, jarri gurekin harremanetan gaur.
