2013-07-22Laiko uždelsimo integravimas (TDI) – tai vaizdo gavimo technika, sukurta anksčiau nei skaitmeninis vaizdavimas, tačiau vis dar teikianti milžiniškų pranašumų šiuolaikinėje vaizdo gavimo srityje. Yra dvi aplinkybės, kuriomis TDI kameros gali sužibėti – abiem atvejais, kai filmuojamas objektas juda:
1. Vaizduojamas objektas iš prigimties juda pastoviu greičiu, kaip atliekant tinklo apžiūrą (pvz., skenuojant judančius popieriaus, plastiko ar audinio lapus, ieškant defektų ir pažeidimų), surinkimo linijas arba mikrofluidų ir skysčių srautus.
2 – Statiniai vaizdavimo objektai, kuriuos galima vaizduoti kamera, perkelta iš vienos vietos į kitą, perkeliant objektą arba kamerą. Pavyzdžiai: mikroskopo skaidrių skenavimas, medžiagų apžiūra, plokščiųjų ekranų apžiūra ir kt.
Jei kuri nors iš šių aplinkybių galėtų būti taikoma jūsų vaizdavimui, šis tinklalapis padės jums apsvarstyti, ar perėjimas nuo įprastų dvimačių „ploto skenavimo“ kamerų prie linijinio skenavimo TDI kamerų galėtų pagerinti jūsų vaizdavimą.
Problema su ploto skenavimu ir judančiais taikiniais
● Judesio suliejimas
Kai kurie vaizdavimo objektai juda dėl būtinybės, pavyzdžiui, skysčių srauto ar tinklo patikros metu. Kitose srityse, tokiose kaip skaidrių skenavimas ir medžiagų patikra, objekto judėjimo palaikymas gali būti žymiai greitesnis ir efektyvesnis nei judėjimo sustabdymas kiekvienam gautam vaizdui. Tačiau ploto skenavimo kamerų atveju, jei vaizdavimo objektas juda kameros atžvilgiu, tai gali būti sudėtinga.
Judesio suliejimas, iškraipantis judančios transporto priemonės vaizdą
Esant ribotam apšvietimui arba kai reikalinga aukšta vaizdo kokybė, gali prireikti ilgo fotoaparato ekspozicijos laiko. Tačiau objekto judėjimas ekspozicijos metu paskleis šviesą per kelis fotoaparato pikselius, todėl atsiras „judesio suliejimas“. Tai galima sumažinti naudojant labai trumpą ekspoziciją – trumpesnę nei laikas, per kurį objekto taškas apeitų fotoaparato pikselį. Tai yraundažniausiai tamsių, triukšmingų, dažnai netinkamų naudoti vaizdų sąskaita.
●Siuvimas
Be to, norint vaizduoti didelius arba nepertraukiamo vaizdo objektus ploto skenavimo kameromis, reikia gauti kelis vaizdus, kurie vėliau sujungiami. Šiam sujungimui reikalingi persidengiantys pikseliai tarp gretimų vaizdų, todėl sumažėja efektyvumas ir padidėja duomenų saugojimo bei apdorojimo reikalavimai.
●Netolygus apšvietimas
Be to, apšvietimas retai kada bus pakankamai tolygus, kad būtų išvengta problemų ir artefaktų ties sujungtų vaizdų kraštais. Be to, norint užtikrinti pakankamai didelio ploto apšvietimą, kad ploto skenavimo kamera galėtų jį pakankamai intensyviai apšviesti, dažnai reikia naudoti didelės galios ir brangius nuolatinės srovės šviesos šaltinius.
Netolygus apšvietimas susiuvant kelių pelės smegenų vaizdų gavimą. Vaizdas iš Watson ir kt. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Kas yra TDI kamera ir kuo ji naudinga?
Įprastose dvimatėse ploto skenavimo kamerose vaizdo gavimas vyksta trimis etapais: pikselių nustatymas iš naujo, ekspozicija ir nuskaitymas. Ekspozicijos metu aptinkami scenos fotonai, kurie sukuria fotoelektronus, kurie saugomi kameros pikseliuose iki ekspozicijos pabaigos. Tada nuskaitomos kiekvieno pikselio vertės ir suformuojamas dvimatis vaizdas. Tada pikseliai nustatomi iš naujo ir visi krūviai išvalomi, kad būtų galima pradėti kitą ekspoziciją.
Tačiau, kaip minėta, jei fotografuojamas objektas juda kameros atžvilgiu, objekto šviesa ekspozicijos metu gali pasklisti per kelis pikselius, todėl judesio vaizdas gali sulieti vaizdą. TDI kameros šį apribojimą įveikia naudodamos novatorišką techniką. Tai parodyta [1 animacijoje].
●Kaip veikia TDI kameros
TDI kameros veikia iš esmės kitaip nei plotinio skenavimo kameros. Fotografuojamam objektui judant kameros paviršiumi ekspozicijos metu, vaizdą sudarantys elektroniniai krūviai taip pat juda, išlikdami sinchroniškai. Ekspozicijos metu TDI kameros gali perkelti visus užfiksuotus krūvius iš vienos pikselių eilutės į kitą kameros paviršiuje, sinchronizuodamos juos su fotografuojamo objekto judesiu. Objektui judant kameros paviršiumi, kiekviena eilutė (vadinama „TDI etapu“) suteikia naują galimybę eksponuoti kameros vaizdą objektui ir kaupti signalą.
Tik kai užfiksuotų krūvių eilutė pasiekia kameros galą, vertės nuskaitomos ir išsaugomos kaip vienmatis vaizdo pjūvis. Dvimatis vaizdas formuojamas suklijuojant kiekvieną iš eilės einantį vaizdo pjūvį, kai kamera jį nuskaito. Kiekviena pikselių eilutė gautame vaizde seka ir vaizduoja tą patį vaizduojamo objekto „pjūvį“, o tai reiškia, kad nepaisant judesio nėra suliejimo.
●256 kartus ilgesnė ekspozicija
TDI kamerose efektyvus vaizdo ekspozicijos laikas apskaičiuojamas pagal visą laiką, per kurį objekto taškas pereina kiekvieną pikselių eilutę, o kai kuriose TDI kamerose galima pasiekti iki 256 etapų. Tai reiškia, kad galimas ekspozicijos laikas yra 256 kartus ilgesnis nei ploto skenavimo kamera.
Tai gali duoti vieną iš dviejų patobulinimų arba abiejų pusiausvyrą. Pirma, galima gerokai padidinti vaizdo gavimo greitį. Palyginti su ploto skenavimo kamera, vaizduojamas objektas gali judėti iki 256 kartų greičiau, tuo pačiu užfiksuojant tą patį signalo kiekį, jei kameros linijų greitis yra pakankamai didelis, kad neatsiliktų.
Kita vertus, jei reikalingas didesnis jautrumas, ilgesnis ekspozicijos laikas gali leisti gauti daug aukštesnės kokybės vaizdus, mažesnį apšvietimo intensyvumą arba abu.
●Didelis duomenų pralaidumas be sujungimo
Kadangi TDI kamera sukuria dvimatį vaizdą iš nuoseklių vienmačių pjūvių, gautas vaizdas gali būti tokio dydžio, kokio reikia. Nors pikselių skaičius „horizontalioje“ kryptimi priklauso nuo kameros pločio, pavyzdžiui, 9072 pikseliai, „vertikalus“ vaizdo dydis yra neribotas ir nustatomas tiesiog pagal tai, kiek laiko kamera veikia. Esant iki 510 kHz linijų dažniui, tai gali užtikrinti didžiulį duomenų pralaidumą.
Kartu su tuo TDI kameros gali pasiūlyti labai plačius matymo laukus. Pavyzdžiui, 9072 pikselių kamera su 5 µm pikseliais suteikia 45 mm horizontalų matymo lauką su didele skiriamąja geba. Norint pasiekti tokį patį vaizdo plotį su 5 µm pikselių ploto skenavimo kamera, reikėtų iki trijų 4K kamerų greta.
●Patobulinimai, palyginti su linijinio skenavimo kameromis
TDI kameros ne tik siūlo patobulinimus, palyginti su plotinio skenavimo kameromis. Linijinio skenavimo kameros, kurios fiksuoja tik vieną pikselių eilutę, taip pat kenčia nuo daugelio tų pačių problemų, susijusių su apšvietimo intensyvumu ir trumpais ekspozicijos laikais, kaip ir plotinio skenavimo kameros.
Nors, kaip ir TDI kameros, linijinio skenavimo kameros siūlo tolygesnį apšvietimą, yra paprastesnės sąrankos ir nereikia sujungti vaizdų, joms dažnai gali reikėti labai intensyvaus apšvietimo ir (arba) lėto objekto judėjimo, kad būtų užfiksuota pakankamai signalo aukštos kokybės vaizdui gauti. Ilgesnė ekspozicija ir greitesnis objekto greitis, kuriuos suteikia TDI kameros, reiškia, kad galima naudoti mažesnio intensyvumo ir pigesnį apšvietimą, tuo pačiu pagerinant vaizdo gavimo efektyvumą. Pavyzdžiui, gamybos linija gali pereiti nuo brangių, daug energijos vartojančių halogeninių lempų, kurioms reikalinga nuolatinė srovė, prie LED apšvietimo.
Kaip veikia TDI kameros?
Yra trys bendri standartai, kaip gauti TDI vaizdą kameros jutiklyje.
● CCD TDI– CCD kameros yra seniausias skaitmeninių fotoaparatų tipas. Dėl savo elektroninės konstrukcijos TDI elgsenos pasiekimas CCD yra gana paprastas, nes daugelis kamerų jutiklių iš esmės gali veikti tokiu būdu. Todėl TDI CCD kameros naudojamos jau dešimtmečius.
Tačiau CCD technologija turi savo apribojimų. Mažiausias pikselių dydis, dažniausiai prieinamas CCD TDI kameroms, yra apie 12 µm x 12 µm – tai, kartu su mažu pikselių skaičiumi, riboja kamerų galimybes išskirti smulkias detales. Be to, duomenų rinkimo greitis yra mažesnis nei kitų technologijų, o skaitymo triukšmas – pagrindinis ribojantis veiksnys fotografuojant esant prastam apšvietimui – yra didelis. Energijos suvartojimas taip pat yra didelis, o tai yra pagrindinis veiksnys kai kuriose srityse. Tai paskatino kurti TDI kameras, pagrįstas CMOS architektūra.
●Ankstyvasis CMOS TDI: įtampos sritis ir skaitmeninis sumavimas
CMOS kameros įveikia daugelį CCD kamerų keliamų triukšmo ir greičio apribojimų, tuo pačiu sunaudodamos mažiau energijos ir siūlydamos mažesnius pikselius. Tačiau TDI elgseną CMOS kamerose buvo daug sunkiau pasiekti dėl jų pikselių konstrukcijos. Nors CCD fiziškai judina fotoelektronus iš vieno pikselio į kitą, kad valdytų jutiklį, CMOS kameros prieš nuskaitydami fotoelektronų signalus konvertuoja į kiekvieno pikselio įtampą.
CMOS jutiklio TDI elgsena buvo tiriama nuo 2001 m., tačiau didelis iššūkis buvo tai, kaip valdyti signalo „kaupimą“, kai ekspozicija juda iš vienos eilutės į kitą. Du ankstyvieji CMOS TDI metodai, kurie vis dar naudojami komercinėse kamerose, yra įtampos srities kaupimas ir skaitmeninis sumavimas TDI CMOS. Įtampos srities kaupimo kamerose, kai kiekviena signalo eilutė yra registruojama fotografuojamam objektui judant pro ją, gauta įtampa elektroniniu būdu pridedama prie bendro tos vaizdo dalies registravimo. Toks įtampos kaupimas sukuria papildomą triukšmą kiekvienam papildomam pridėtam TDI etapui, o tai riboja papildomų etapų naudą. Tiesiškumo problemos taip pat apsunkina šių kamerų naudojimą tiksliam pritaikymui.
Antrasis metodas yra skaitmeninis sumavimas (TDI). Taikant šį metodą, CMOS kamera efektyviai veikia ploto skenavimo režimu su labai trumpa ekspozicija, atitinkančia laiką, per kurį vaizduojamas objektas juda viena pikselių eilute. Tačiau kiekvieno sekančio kadro eilutės yra sumuojamos skaitmeniniu būdu taip, kad būtų sukurtas TDI efektas. Kadangi kiekvienai gautame vaizde pikselių eilutei reikia nuskaityti visą kameros vaizdą, šis skaitmeninis sumavimas taip pat prideda nuskaitymo triukšmą kiekvienoje eilutėje ir riboja duomenų gavimo greitį.
●Šiuolaikinis standartas: krūvio srities TDI CMOS arba CCD ant CMOS TDI
Aukščiau paminėti CMOS TDI apribojimai neseniai buvo įveikti įdiegus krūvio srities kaupimo TDI CMOS, dar vadinamą CCD ant CMOS TDI. Šių jutiklių veikimas parodytas [1 animacijoje]. Kaip rodo pavadinimas, šie jutikliai užtikrina CCD tipo krūvių judėjimą iš vieno pikselio į kitą, kaupdami signalą kiekviename TDI etape, pridedant fotoelektronų individualių krūvių lygmenyje. Tai praktiškai be triukšmo. Tačiau CCD TDI apribojimai įveikiami naudojant CMOS nuskaitymo architektūrą, kuri leidžia pasiekti didelį greitį, mažą triukšmą ir mažas energijos sąnaudas, būdingas CMOS kameroms.
TDI specifikacijos: kas svarbu?
●Technologija:Svarbiausias veiksnys yra tai, kokia jutiklio technologija naudojama, kaip aptarta aukščiau. Geriausią našumą užtikrins krūvio srities CMOS TDI.
●TDI etapai:Tai jutiklio eilučių, per kurias galima kaupti signalą, skaičius. Kuo daugiau TDI pakopų turi kamera, tuo ilgesnis gali būti jos efektyvus ekspozicijos laikas. Arba tuo greičiau gali judėti fotografuojamas objektas, jei kamera turi pakankamą linijų dažnį.
●Linijos greitis:Kiek eilučių kamera gali nuskaityti per sekundę. Tai lemia maksimalų judėjimo greitį, kurį kamera gali išlaikyti.
●Kvantinis efektyvumasTai rodo kameros jautrumą šviesai skirtinguose bangos ilgiuose, atsižvelgiant į krintančio fotono aptikimo ir fotoelektrono susidarymo tikimybę. Didesnis kvantinis efektyvumas gali pasiūlyti mažesnį apšvietimo stiprumą arba greitesnį veikimą, išlaikant tuos pačius signalo lygius.
Be to, kameros skiriasi bangos ilgių diapazonu, kuriame galima pasiekti gerą jautrumą, kai kurios kameros pasižymi jautrumu net ultravioletinių (UV) spindulių spektro gale, maždaug 200 nm bangos ilgyje.
●Skaitykite triukšmą:Skaitymo triukšmas yra kitas svarbus kameros jautrumo veiksnys, lemiantis minimalų signalą, kurį galima aptikti virš kameros triukšmo lygio. Esant dideliam skaitymo triukšmui, negalima aptikti tamsių elementų, o dinaminis diapazonas labai sumažėja, todėl reikia naudoti ryškesnį apšvietimą arba ilgesnį ekspozicijos laiką ir lėtesnį judėjimo greitį.
TDI specifikacijos: kas svarbu?
Šiuo metu TDI kameros naudojamos tinklo patikrai, elektronikos ir gamybos patikrai bei kitoms mašininio matymo reikmėms. Be to, naudojamos sudėtingos prasto apšvietimo sąlygomis atliekamos procedūros, tokios kaip fluorescencinis vaizdavimas ir skaidrių skenavimas.
Tačiau atsiradus didelės spartos, mažai triukšmo keliančioms ir didelio jautrumo TDI CMOS kameroms, atsiranda didelis potencialas padidinti greitį ir efektyvumą naujose srityse, kuriose anksčiau buvo naudojamos tik ploto skenavimo kameros. Kaip jau minėjome straipsnio pradžioje, TDI kameros gali būti geriausias pasirinkimas norint pasiekti didelį greitį ir aukštą vaizdo kokybę tiek vaizduojant nuolat judančius objektus, tiek tais atvejais, kai kamera galėtų būti nuskaitoma per statinius vaizduojamus objektus.
Pavyzdžiui, mikroskopijos taikyme galėtume palyginti 9K pikselių, 256 padėklų TDI kameros su 5 µm pikseliais teorinį vaizdo gavimo greitį su 12 MP kameros ploto skenavimo kamera su 5 µm pikseliais. Panagrinėkime 10 x 10 mm ploto su 20 kartų didinimu gavimą judinant padėklą.
1. Naudojant 20 kartų didinantį objektyvą su ploto skenavimo kamera, būtų gautas 1,02 x 0,77 mm vaizdo matymo laukas.
2. Naudojant TDI kamerą, 10 kartų didinantį objektyvą su 2 kartų papildomu didinimu galima naudoti norint įveikti bet kokius mikroskopo matymo lauko apribojimus ir gauti 2,3 mm horizontalų vaizdo matymo lauką.
3. Darant prielaidą, kad vaizdų pikselių persidengimas sujungimo tikslais yra 2 %, staliuko perkėlimas į nustatytą vietą trunka 0,5 sekundės, o ekspozicijos laikas – 10 ms, galime apskaičiuoti, kiek laiko užtruktų ploto skenavimo kamera. Panašiai galime apskaičiuoti, kiek laiko užtruktų TDI kamera, jei staliuko judėjimas būtų nuolatinis ir jis skenuotų Y kryptimi, o kiekvienos linijos ekspozicijos laikas būtų toks pat.
4. Šiuo atveju ploto skenavimo kamerai reikėtų 140 vaizdų, o staliuko perkėlimas užtruktų 63 sekundes. TDI kamera užfiksuotų tik 5 ilgus vaizdus, o staliuko perkėlimas į kitą stulpelį užtruktų tik 2 sekundes.
5. Bendras laikas, praleistas 10 x 10 mm ploto gavimui, būtų64,4 sekundės ploto skenavimo kamerai,ir tiesiog9,9 sekundės TDI kamerai.
Jei norite sužinoti, ar TDI kamera atitiktų jūsų poreikius ir pritaikymą, susisiekite su mumis šiandien.
