22. 7. 2013Integrácia časového oneskorenia (TDI) je zobrazovacia technika, ktorá predchádza digitálnemu zobrazovaniu – ale stále poskytuje obrovské výhody na špičke zobrazovania. Existujú dve okolnosti, v ktorých môžu TDI kamery zažiariť – v oboch prípadoch, keď sa snímaný objekt pohybuje:
1 – Zobrazovaný objekt sa inherentne pohybuje konštantnou rýchlosťou, ako napríklad pri kontrole siete (napríklad skenovanie pohybujúcich sa listov papiera, plastu alebo látky na zistenie defektov a poškodení), montážnych linkách alebo pri mikrofluidike a prúdení tekutín.
2 – Statické zobrazovanie objektov, ktoré by sa dali zobrazovať kamerou presúvanou z oblasti do oblasti, a to buď pohybom objektu alebo kamery. Medzi príklady patrí skenovanie mikroskopických podložných sklíčok, kontrola materiálov, kontrola plochých panelov atď.
Ak by sa niektorá z týchto okolností mohla vzťahovať na vaše zobrazovanie, táto webová stránka vám pomôže zvážiť, či by prechod z konvenčných 2-rozmerných „plošných skenovacích“ kamier na riadkovo skenovacie TDI kamery mohol vylepšiť vaše zobrazovanie.
Problém s plošným skenovaním a pohyblivými cieľmi
● Rozmazanie pohybu
Niektoré zobrazované objekty sa pohybujú z nutnosti, napríklad pri kontrole prúdenia tekutín alebo pásov. V iných aplikáciách, ako je skenovanie diapozitívov a kontrola materiálov, môže byť udržiavanie objektu v pohybe podstatne rýchlejšie a efektívnejšie ako zastavenie pohybu pre každý získaný obraz. Avšak pre kamery s plošným skenovaním, ak sa zobrazovaný objekt pohybuje vzhľadom na kameru, môže to predstavovať problém.
Rozmazanie pohybu skresľujúce obraz pohybujúceho sa vozidla
V situáciách s obmedzeným osvetlením alebo tam, kde sa vyžaduje vysoká kvalita obrazu, môže byť žiaduci dlhý expozičný čas fotoaparátu. Pohyb objektu však počas expozície rozšíri svetlo na viacero pixelov fotoaparátu, čo vedie k „rozmazaniu pohybom“. Toto sa dá minimalizovať udržiavaním veľmi krátkych expozícií – pod časom, ktorý by trvalo bodu na objekte prejsť cez pixel fotoaparátu. Toto jeunzvyčajne na úkor tmavých, zašumených a často nepoužiteľných obrázkov.
●Šitie
Okrem toho, typické zobrazovanie veľkých alebo súvislých objektov pomocou plošných skenovacích kamier vyžaduje získanie viacerých snímok, ktoré sa potom spoja. Toto spájanie vyžaduje prekrývajúce sa pixely medzi susednými snímkami, čo znižuje efektivitu a zvyšuje požiadavky na ukladanie a spracovanie údajov.
●Nerovnomerné osvetlenie
Navyše, osvetlenie bude zriedkakedy dostatočne rovnomerné na to, aby sa predišlo problémom a artefaktom na hraniciach medzi spojenými obrázkami. Na zabezpečenie osvetlenia dostatočne veľkej plochy pre kameru s plošným skenovaním s dostatočnou intenzitou je často potrebné použiť vysokovýkonné a drahé zdroje jednosmerného prúdu.
Nerovnomerné osvetlenie pri zošívaní viacobrazového obrazu mozgu myši. Obrázok od Watsona a kol. 2017: http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0180486
Čo je TDI kamera a ako pomáha?
V konvenčných 2D kamerách s plošným skenovaním existujú tri fázy získavania obrazu: reset pixelov, expozícia a načítanie. Počas expozície sa detegujú fotóny zo scény, čo vedie k tvorbe fotoelektrónov, ktoré sa ukladajú v pixeloch kamery až do konca expozície. Hodnoty z každého pixelu sa potom načítajú a vytvorí sa 2D obraz. Pixely sa potom resetujú a všetky náboje sa vyčistia, aby sa mohla začať ďalšia expozícia.
Ako už bolo spomenuté, ak sa snímaný objekt pohybuje vzhľadom na kameru, svetlo z objektu sa môže počas tejto expozície rozšíriť na viacero pixelov, čo vedie k rozmazaniu pohybom. TDI kamery prekonávajú toto obmedzenie pomocou inovatívnej techniky. Toto je demonštrované v [Animácia 1].
●Ako fungujú kamery TDI
TDI kamery fungujú zásadne odlišným spôsobom ako kamery s plošným skenovaním. Keď sa snímaný objekt počas expozície pohybuje po kamere, pohybujú sa aj elektronické náboje tvoriace získaný obraz, pričom zostávajú synchronizované. Počas expozície sú TDI kamery schopné premiešať všetky získané náboje z jedného riadku pixelov do ďalšieho pozdĺž kamery, synchronizovane s pohybom snímaného objektu. Keď sa objekt pohybuje po kamere, každý riadok (známy ako „TDI fáza“) poskytuje novú príležitosť na expozíciu kamery objektu a akumuláciu signálu.
Až keď rad získaných nábojov dosiahne koniec kamery, hodnoty sa načítajú a uložia ako jednorozmerný výrez obrazu. Dvojrozmerný obraz sa vytvorí zlepením každého nasledujúceho výrezu obrazu, ktorý kamera sníma. Každý rad pixelov vo výslednom obraze sleduje a zobrazuje rovnaký „výrez“ snímaného objektu, čo znamená, že napriek pohybu nedochádza k rozmazaniu.
●256x dlhšia expozícia
Pri TDI kamerách je efektívny expozičný čas obrazu daný celkovým časom, ktorý bod na objekte potrebuje na prejdenie cez každý riadok pixelov, pričom niektoré TDI kamery majú k dispozícii až 256 stupňov. To znamená, že dostupný expozičný čas je efektívne 256-krát dlhší, ako by dokázala dosiahnuť kamera s plošným skenovaním.
Toto môže priniesť jedno z dvoch vylepšení alebo vyváženie oboch. Po prvé, možno dosiahnuť výrazné zvýšenie rýchlosti snímania. V porovnaní s kamerou s plošným skenovaním sa snímaný objekt môže pohybovať až 256-krát rýchlejšie a zároveň zachytiť rovnaké množstvo signálu, za predpokladu, že riadková rýchlosť kamery je dostatočne rýchla na to, aby udržala krok.
Na druhej strane, ak je potrebná vyššia citlivosť, dlhší expozičný čas by mohol umožniť oveľa vyššiu kvalitu snímok, nižšiu intenzitu osvetlenia alebo oboje.
●Vysoká dátová priepustnosť bez spájania
Keďže TDI kamera vytvára 2-rozmerný obraz z po sebe nasledujúcich 1-rozmerných rezov, výsledný obraz môže byť taký veľký, ako je potrebné. Zatiaľ čo počet pixelov v „horizontálnom“ smere je daný šírkou kamery, napríklad 9072 pixelov, „vertikálna“ veľkosť obrazu je neobmedzená a jednoducho určená dĺžkou prevádzky kamery. S linkovými rýchlosťami až 510 kHz to môže priniesť masívnu dátovú priepustnosť.
V kombinácii s tým môžu TDI kamery ponúkať veľmi široké zorné pole. Napríklad kamera s rozlíšením 9072 pixelov a veľkosťou pixelov 5 µm poskytuje horizontálne zorné pole 45 mm s vysokým rozlíšením. Na dosiahnutie rovnakej šírky obrazu s kamerou s plochou pixelov 5 µm by bolo potrebných až tri 4K kamery vedľa seba.
●Vylepšenia oproti riadkovým skenovacím kamerám
Kamery TDI neponúkajú len vylepšenia oproti plošným skenovacím kamerám. Kamery s riadkovým skenovaním, ktoré zachytávajú iba jeden riadok pixelov, trpia tiež mnohými rovnakými problémami s intenzitou osvetlenia a krátkymi expozíciami ako kamery s plošným skenovaním.
Hoci podobne ako TDI kamery, aj riadkové kamery ponúkajú rovnomernejšie osvetlenie s jednoduchším nastavením a vyhýbajú sa potrebe spájania obrazu, na zachytenie dostatočného množstva signálu pre vysokokvalitný obraz môžu často vyžadovať veľmi intenzívne osvetlenie a/alebo pomalý pohyb objektu. Dlhšie expozície a rýchlejšie rýchlosti objektu, ktoré TDI kamery umožňujú, znamenajú, že je možné použiť osvetlenie s nižšou intenzitou a nižšími nákladmi a zároveň zlepšiť efektivitu snímania. Napríklad výrobná linka môže byť schopná prejsť z drahých halogénových svetiel s vysokou spotrebou energie, ktoré vyžadujú jednosmerný prúd, na LED osvetlenie.
Ako fungujú TDI kamery?
Existujú tri bežné štandardy pre dosiahnutie TDI zobrazovania na snímači kamery.
● CCD TDI– CCD kamery sú najstarším typom digitálnych fotoaparátov. Vďaka ich elektronickému dizajnu je dosiahnutie správania TDI na CCD snímači pomerne veľmi jednoduché, pričom mnoho snímačov fotoaparátu je inherentne schopných fungovať týmto spôsobom. TDI CCD snímače sa preto používajú už desaťročia.
Technológia CCD má však svoje obmedzenia. Najmenšia veľkosť pixelu bežne dostupná pre CCD TDI kamery je približne 12 µm x 12 µm – to spolu s malým počtom pixelov obmedzuje schopnosť kamier rozlíšiť jemné detaily. Navyše, rýchlosť snímania je nižšia ako u iných technológií, zatiaľ čo šum pri čítaní – hlavný limitujúci faktor pri zobrazovaní pri slabom osvetlení – je vysoký. Spotreba energie je tiež vysoká, čo je hlavný faktor v niektorých aplikáciách. To viedlo k túžbe vytvoriť TDI kamery založené na architektúre CMOS.
●Skorý CMOS TDI: Napäťová doména a digitálne sčítanie
CMOS kamery prekonávajú mnohé obmedzenia šumu a rýchlosti CCD kamier, pričom spotrebúvajú menej energie a ponúkajú menšie veľkosti pixelov. Avšak správanie TDI bolo na CMOS kamerách oveľa ťažšie dosiahnuť kvôli ich dizajnu pixelov. Zatiaľ čo CCD fyzicky presúvajú fotoelektróny z pixelu na pixel, aby riadili snímač, CMOS kamery prevádzajú signály vo fotoelektrónoch na napätie v každom pixeli pred načítaním.
Správanie sa TDI na CMOS snímači sa skúma od roku 2001, avšak výzva, ako zvládnuť „akumuláciu“ signálu pri prechode expozície z jedného riadku do druhého, bola značná. Dve skoré metódy pre CMOS TDI, ktoré sa dodnes používajú v komerčných fotoaparátoch, sú akumulácia v napäťovej doméne a digitálne sumarizačné TDI CMOS. V fotoaparátoch s akumuláciou v napäťovej doméne sa pri zachytávaní každého riadku signálu, keď sa okolo neho pohybuje snímaný objekt, získané napätie elektronicky pripočíta k celkovému zachyteniu pre danú časť obrazu. Akumulácia napätia týmto spôsobom prináša dodatočný šum pre každý ďalší pridaný stupeň TDI, čo obmedzuje výhody ďalších stupňov. Problémy s linearitou tiež spochybňujú použitie týchto kamier pre presné aplikácie.
Druhou metódou je digitálne sčítanie TDI. Pri tejto metóde CMOS kamera efektívne beží v režime skenovania oblasti s veľmi krátkou expozíciou, ktorá zodpovedá času potrebnému na pohyb snímaného objektu cez jeden riadok pixelov. Riadky z každého nasledujúceho snímku sa však digitálne sčítavajú takým spôsobom, že sa dosiahne efekt TDI. Keďže sa pre každý riadok pixelov vo výslednom obraze musí načítať celá kamera, toto digitálne sčítanie tiež pridáva šum čítania pre každý riadok a obmedzuje rýchlosť snímania.
●Moderný štandard: CMOS s nábojovou doménou TDI alebo CCD-on-CMOS TDI
Vyššie uvedené obmedzenia CMOS TDI boli nedávno prekonané zavedením TDI CMOS s akumuláciou nábojovej domény, známeho aj ako CCD-on-CMOS TDI. Fungovanie týchto senzorov je demonštrované v [Animácia 1]. Ako už názov napovedá, tieto senzory ponúkajú pohyb nábojov z jedného pixelu na druhý podobný CCD, pričom akumulujú signál v každej fáze TDI prostredníctvom pridávania fotoelektrónov na úrovni jednotlivých nábojov. Toto je efektívne bez šumu. Obmedzenia CCD TDI sú však prekonané použitím architektúry čítania CMOS, čo umožňuje vysoké rýchlosti, nízky šum a nízku spotrebu energie, ktoré sú bežné pre CMOS kamery.
Špecifikácie TDI: na čom záleží?
●Technológia:Najdôležitejším faktorom je použitá technológia snímača, ako je uvedené vyššie. Najlepší výkon poskytne CMOS TDI s nábojovou doménou.
●Fázy TDI:Toto je počet riadkov snímača, v ktorých je možné akumulovať signál. Čím viac stupňov TDI má fotoaparát, tým dlhší môže byť jeho efektívny expozičný čas. Alebo tým rýchlejšie sa môže snímaný objekt pohybovať za predpokladu, že fotoaparát má dostatočnú riadkovú rýchlosť.
●Rýchlosť linky:Koľko riadkov dokáže kamera prečítať za sekundu. Toto určuje maximálnu rýchlosť pohybu, s ktorou kamera dokáže držať krok.
●Kvantová účinnosťToto označuje citlivosť kamery na svetlo pri rôznych vlnových dĺžkach, danú pravdepodobnosťou detekcie dopadajúceho fotónu a vytvorenia fotoelektrónu. Vyššia kvantová účinnosť môže ponúknuť nižšiu intenzitu osvetlenia alebo rýchlejšiu prevádzku pri zachovaní rovnakých úrovní signálu.
Okrem toho sa kamery líšia v rozsahu vlnových dĺžok, v ktorom je možné dosiahnuť dobrú citlivosť, pričom niektoré kamery ponúkajú citlivosť až po ultrafialový (UV) koniec spektra, približne na vlnovej dĺžke 200 nm.
●Čítanie šumu:Šum pri čítaní je ďalším významným faktorom citlivosti fotoaparátu, ktorý určuje minimálny signál, ktorý je možné detegovať nad úrovňou šumu fotoaparátu. Pri vysokom šume pri čítaní nie je možné detegovať tmavé prvky a dynamický rozsah je výrazne znížený, čo znamená, že je potrebné použiť jasnejšie osvetlenie alebo dlhšie expozičné časy a pomalšie rýchlosti pohybu.
Špecifikácie TDI: na čom záleží?
V súčasnosti sa TDI kamery používajú na kontrolu pásov, kontrolu elektroniky a výroby a ďalšie aplikácie strojového videnia. Popri tom existujú aj náročné aplikácie pri slabom osvetlení, ako je fluorescenčné zobrazovanie a skenovanie diapozitívov.
Avšak so zavedením vysokorýchlostných, nízkošumových a vysoko citlivých TDI CMOS kamier existuje veľký potenciál pre zvýšenie rýchlosti a efektívnosti v nových aplikáciách, ktoré predtým používali iba kamery s plošným skenovaním. Ako sme uviedli na začiatku článku, TDI kamery môžu byť najlepšou voľbou na dosiahnutie vysokých rýchlostí a vysokej kvality obrazu buď pri snímaní objektov v neustálom pohybe, alebo tam, kde by kamera mohla skenovať cez statické snímané objekty.
Napríklad v mikroskopickej aplikácii by sme mohli porovnať teoretickú rýchlosť snímania 9K pixelovej TDI kamery s 256 stolíkmi a veľkosťou pixelov 5 µm s 12MP kamerou s plošným skenovaním a veľkosťou pixelov 5 µm. Pozrime sa na snímanie oblasti 10 x 10 mm s 20-násobným zväčšením pohybom stolíka.
1. Použitie objektívu s 20-násobným zväčšením s kamerou na skenovanie plochy by poskytlo zorné pole s rozmermi 1,02 x 0,77 mm.
2. S TDI kamerou bolo možné použiť 10-násobný objektív s 2-násobným zväčšením na prekonanie akéhokoľvek obmedzenia zorného poľa mikroskopu a dosiahnuť horizontálne zobrazovacie zorné pole 2,3 mm.
3. Za predpokladu 2 % prekrytia pixelov medzi obrázkami na účely spájania, 0,5 sekundy na presun stolíka na nastavené miesto a expozičného času 10 ms môžeme vypočítať čas, ktorý by kamera potrebovala na skenovanie plochy. Podobne môžeme vypočítať čas, ktorý by kamera TDI potrebovala na skenovanie v smere Y, ak by sa stolík neustále pohyboval, s rovnakým expozičným časom na riadok.
4. V tomto prípade by kamera na skenovanie plochy potrebovala na získanie 140 snímok, pričom by presun stolíka trval 63 sekúnd. Kamera TDI by získala iba 5 dlhých snímok, pričom by presun stolíka do ďalšieho stĺpca trval iba 2 sekundy.
5. Celkový čas strávený získaním plochy 10 x 10 mm by bol64,4 sekundy pre kameru na skenovanie oblasti,a len9,9 sekundy pre TDI kameru.
Ak by ste chceli zistiť, či by TDI kamera mohla vyhovovať vašej aplikácii a spĺňať vaše potreby, kontaktujte nás ešte dnes.
