Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Сами по себе они не способны различать цвета: разница в длинах волн (а именно длиной волны и определяется цвет) падающих на них фотонов воспринимается как разница в энергиях (E ~ hv).

Вариации как энергии фотона, так и их числа за время экспозиции приводят к изменению всего лишь одной величины — заряда в ячейке для ФПЗС или напряжения для КМОП.

Поэтому на выходе мы имеем монохромное изображение, т. е. градации серого.

Для обеспечения сенсору возможности различать цвета нужны дополнительные приспособления. А что же такое «цвет», вообще говоря? В физике у света есть спектр — набор длин волн излучения. Этим спектром однозначно определяется цвет — психофизиологическое ощущение. Обратное утверждение, кстати, неверно — несколько различных спектров могут давать одно и то же ощущение цвета. 

Т. к. с точки зрения колориметрии цвет — трехмерная векторная величина, то нужно неким образом выделить из падающего на сенсор светового потока три [2] составляющих. Возможность трехмерного описания цвета [3] объясняется не физическими свойствами самого света, а механизмами цветовосприятия глаза.

Суть «классического» сенсора: в одном пикселе за время экспозиции мы можем сделать только одно спектральное измерение (исключения — см. ниже).

В настоящее время существуют следующие подходы:

1. Расщеплять свет после объектива (например, системой призм) на три области — красную, зеленую и синюю, и подавать на три отдельных монохромных сенсора.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Такой подход часто используется в профессиональных фото и видеокамерах и называется 3CCD.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Он обеспечивает отличную разрешающую способность как цветовую, так и пространственную («резкость») без увеличения времени получения изображения. Время получения кадра, пожалуй, самое малое из всех подходов, т. к. нет необходимости производить цветовую интерполяцию (см. ниже).

Появляется возможность «тюнинга» каждого сенсора под свой диапазон, например, введением специальной примесной добавки в кремний изменить спектральную чувствительность сенсора.

Баланс белого на итоговом изображении сводится к регулировке усиления и уровней черного каждого из трех сенсоров.

Однако такой подход требует сложной юстировки всей системы и часто — особой оптики (из-за появления перед сенсором довольно большого блока призм). При этом широкоугольным объективам не повезло больше всех. Добавьте сюда тройной комплект сенсоров и их электронной обвязки. Все это в итоге повышает стоимость, габариты системы и ее энергопотребление (особенно, если сенсоры — ФПЗС).

Технология производства ФПЗС-сенсоров отлично отлажена, равно как и приспособлений для расщепления света, поэтому по качеству и скорости рассматриваемому подходу пока нет равных.

2. Установить светофильтры перед сенсором.

Если время получения изображения не критично, можно использовать последовательное экспонирование сенсора через барабан со светофильтрами. Минус — требуется в три раза больше времени. Поэтому для съемки движущихся объектов такой метод не подходит. Однако сохраняются все остальные плюсы предыдущего подхода, да и трех матриц с призмой не нужно.

3. Установить светофильтры непосредственно над каждым пикселем сенсора.

Если в сенсоре используются микролинзы [4], то светофильтры устанавливаются между микролинзой и ячейкой. Распределение таких светофильтров по поверхности сенсора — массив цветных фильтров (CFA = Color Filter Array) может быть различным.

3.1. Например, линейный (используется в некоторых планшетных сканерах — там как раз всего три строки для каждого из цветов):R R R R RG G G G G

B B B B B

3.2. Наиболее популярный — байеровский, по цветовой модели Байера (B. Bayer [5]), предложенной в начале 70-х годов прошлого века. Иначе — RGBG-фильтр. Все массивы, построенные по принципу Байера называют мозаиками.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности Пример сенсора — Sony ICX252AQ.

Элементарный узор массива получается из четырех ячеек с тремя типами светофильтров. В основе байеровского фильтра и большинства других лежит принцип дискретизации яркостного канала на большей частоте, нежели двух оставшихся цветовых.

За яркостной канал был принят зеленый, т. к. кривая яркостной чувствительности глаза человека имеет максимум около точки 550 нм, что соответствует зеленому цвету.

Да и число зеленочувствительных рецепторов на сетчатке в два раза больше, чем красных или синих.

Выигрыш по скорости и стоимости варианта с массивом цветных фильтров, «компенсируется» проигрышем по пространственному и цветовому разрешению. Данные одного пикселя итогового изображения «размазываются» по нескольким ячейкам. Для того, чтобы получить RGB-значения каждого пикселя необходимо произвести цветовую интерполяцию. См. иллюстрацию:

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Наиболее заметные артефакты от такой цветовой интерполяции появляются при быстром изменении цвета относительно пространственных координат изображения (некий контрастный, ритмический рисунок в мелких деталях) — возникают искажения цветов и контуров, исчезновение мелких деталей, муар. Например, в нашей сцене есть небольшая белая точка на черном фоне.

Она может попасть только на одну синюю ячейку. В таком случае на изображении она будет представлена синим пикселем. Описанный эффект называется алиайсингом. Устранить его можно только размытием изображения: посредством анти-алиайсинг фильтра или расфокусировкой.

Анти-алиайсинг фильтрация (по сути, размытие наподобие blur-эффекта) дополнительно уменьшает пространственное разрешение.

Поэтому сенсоры с CFA для профессиональной техники мало подходят, т. к.

сам сенсор не может обеспечить разрешения, которое дает качественный объектив: в худшем варианте один итоговый пиксель интерполируется из 9 пикселей сенсора.

Если мы будем увеличивать число пикселей сенсора, уменьшая их размеры, то упремся в собственные шумы сенсора, а если увеличивая размер сенсора — в технологический передел размера  пластин или стоимости системы.

3.3. Вариацией на тему фильтра Байера является RGBE -фильтр от компании Sony Corporation. Т. е. к RGB-светофильтрам добавлен Emerald — изумрудный. Теоретически, четвертый компонент для определения цвета уже лишний.

Однако на практике он немного приближает цветовую гамму изображения к натуральной (для человеческого глаза), улучшая передачу сине-зеленых и красных оттенков.

Вообще говоря, изумрудный светофильтр пропускает всю коротковолновую часть видимого спектра, так что правильнее было бы его назвать голубым.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Пример сенсора с подобной организацией фильтров — Sony ICX456, а камера на его основе — Sony Cybershot DSC-F828

3.4. Выше были рассмотрены мозаики в основу которых положена модель аддитивного цветового синтеза (RGB), однако выпускаются сенсоры с мозаиками на основе субстрактивного синтеза (CYM=Cyan Yellow Magenta). Те же господа из Sony выпускают матрицы с CYMG-фильтром.

Основные компоненты в нем — CYM (голубой, желтый, пурпурный) и один, дополнительный, аддитивный — G (зеленый). На мой взгляд — весьма спорное решение. Тем более что типичная проблемой сенсоров с такой мозаикой — регистрация света с длинной волны в 450 нм в синем и красном канале.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Пример сенсора — Sony ICX 282AK, а камера на его основе — Nikon Coolpix 5700. Последние буквы в названии сенсора и определяют используемую систему фильтров AK — CYMG, AQ —GRGB (Minolta 7 , 7i , 7Hi и A1 ).

Краткий итог: при одинаковых числе пикселей и их размере у сенсора с массивом цветных светофильтров пространственное разрешение примерно в 2 раза ниже, чем у монохромного. Если быть точным, то величина эта зависит от метода интерполяции, типа мозаики и направления: для фильтра Байера по горизонтали снижение разрешения составляет около 65%, а по вертикали примерно 80%.

По мере роста вычислительной мощности графических процессоров фотокамер линейная интерполяция заменялась кубической, а та — кубическими сплайнами. Во многих современных камерах предпочтение отдается специальным алгоритмам, оптимизированным под работу с цветом и под конкретный сенсор.

Естественно эти алгоритмы являются коммерческой тайной фирм-производителей.

Например, существуют: —интерполяция с постоянным тоном (одна из первых в массовых образцах камер); — интерполяция по медиане (двухпроходная: линейная интерполяция, медианная фильтрация цветовых различий); — интерполяция по градиенту (трехпроходная: сначала G, а затем R-G и B-G каналы; используется в Kodak DCS 200).

  • Все эти алгоритмы направлены на устранение артефактов: «лесенки» — на краях контрастных объектов и «конфетти» вокруг ярких пикселей на темном фоне.
  • Лучшими являются итерационные (многопроходные) алгоритмы и алгоритмы на основе нейронных сетей, но они требуют большой вычислительной мощности и пока реализованы в полной мере только в программных RAW-конверторах (например, в SharpRaw).
  • Вот пример работы цветовой интерполяции кубическими сплайнами с RGBG-сенсора (под картинкой ссылка на увеличенное в 3 раза PNG-изображение):

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Слева — изображение непосредственно с сенсора, монохромное. В середине — наложение на него массива байеровских фильтров. Справа — изображение после цветовой интерполяции.

4. Использование технологии пиксельного сдвига сенсора.

Данный подход заключается в использовании «обычного» сенсора с фильтром Байера, снабженного механизмом попиксельного сдвига в плоскости изображения с помощью пьезо-элементов.

Снимаем один кадр, сдвигаем сенсор вправо на один пиксель, снимаем второй кадр, сдвигаем сенсор вниз на один пиксель. Таким образом в трех кадрах имеем  все три цветных составляющих индивидуально для каждого пикселя. См.

анимацию (обратите внимание, как выделенный пиксель в левом верхнем углу последовательно получает все три цветовых компонента):

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Минус — увеличенное в три раза время экспозиции и стоимость устройства. Конечно, для репортажной съемки такая технология не подходит. Поэтому применяется преимущественно в цифровых задниках для студийной съемки, где возможно обеспечить неподвижность сцены съемки на время порядка 1-2 секунд.

Кроме увеличения цветового, увеличивается и пространственное разрешение. Оба примерно в 2,5 раза по сравнению с таким же сенсором, но без сдвига.

Пример: цифровые  задники FlexFrame 4040 от Imacon и Sinarback 44 HR от Sinar.

Foveon X3

До сих пор мы говорили о классических сенсорах. Сейчас стоит рассказать о новом типе  КМОП-сенсора от калифорнийской компании Foveon — Foveon X3 [6]. Сенсор был представлен широкой публике в начале 2002 года.

В основу положена идея о поглощении фотонов различных длин волн на различных глубинах в полупроводнике.

Это дает возможность для каждого пикселя сенсора получать свои собственные RGB-компоненты, в одном пикселе совмещены детекторы всех трех цветовых компонент.

Весьма изящная идея: одним махом избавляемся от цветовой интерполяции, сглаживания и разницы фаз между RGB-компонентами, присущих классическим сенсорам с CFA. Также, не требуется и трех сенсоров вместе с устройством расщепления света.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Эксперименты [7] по стандарту ISO12233 [8] показывают 2,4-кратное превосходство Foveon X3 в пространственной разрешающей способности над сенсорами с фильтром Байера. А на границе раздела синий-красный до 5 крат. Мы помним о том, что байеровский фильтр содержит синих и красных светофильтров в 2 раза меньше, чем зеленых, отсюда такой скачок 🙂

Читайте также:  Как позвонить за счет абонента

Все же не удержусь и дам упрощенную схему строения этого сенсора:

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Как видим, ключевой особенностью является порядок и глубина залегания p-n-переходов. Коэффициент поглощения кремния почти линейно уменьшается с увеличением длины полны света видимого диапазона. Первыми поглощаются «синие» фотоны, затем «зеленые» и «красные».

Можно сказать, что перед нами «электронная фотопленка», т. к. из всех сенсоров Foveon X3 наиболее близок к фотопленке, которая также содержит в себе три чувствительных слоя для каждого из цветов в виде «бутерброда».

В качестве камеры, использующей Foveon X3 можно отметить Sigma SD9, SD10 и Polaroid x530 и вот пока что все. Идея Foveon красива, но, видимо, на практике не все так гладко… Желающих подробнее ознакомиться с этим типом сенсора прошу на сайт производителя. Альтернативный теоретический взгляд можно найти в статье.

TFA

В настоящее время разрабатывается технология TFA (Thin Film on ASIC). Коммерческих образцов пока нет, так что сказать что-то окончательно нельзя. TFA представляет собой интеграцию слоя детектора из аморфного гидрогенизированного кремния  (a-Si:H) на кристалл ASIC (Application Specific Integrated Circuit, по-сути, КМОП-микросхема).

Толщина слоя детектора менее 1 микрона и работает он как мультиспектральный фотодиод. Пик спектральной чувствительности может сдвигаться в границах видимого света в зависимости от напряжения между p- и n- областями.

Можно считывать три цветовых составляющих последовательно (быстро меняя напряжение). Кроме этого a-Si:H обладает высоким квантовым выходом и тремя линейно-независимыми пиками чувствительности в зоне видимого света.

TFA является  сенсором с коэффициентом заполнения 100%: вся поверхность является светочувствительной.

Возможно, в лице TFA-сенсоров мы скоро увидим увеличение динамического диапазона (для TFA заявлено 120dB, тогда как человеческий глаз имеет 200dB) и цветового разрешения.

В конце статьи стоит упомянуть о том, что полученный с любого сенсора RGB-триплет сам по себе, вообще говоря, информации о цвете не несет.

Парадокс? Нет! Например, для сенсора с массивом цветных светофильтров, зеленый сигнал определяется числом «зеленых» фотонов достигших ячейки, относительным коэффициентом пропускания зеленого светофильтра и относительной спектральной чувствительностью полупроводника к «зеленым» фотонам.

Максимум и форма кривой спектральной чувствительности систем фильтр-полупроводник для трех цветов может отличаться (а вернее сказать, всегда отличается) от таковых как для человеческого глаза, так и для опорных стимулов системы RGB. Поэтому и необходимо преобразование цвета из цветового пространства  сенсора в какое-либо аппаратно-независимое, например в sRGB.

  • [1]ФПЗС — Фоточувствительный Прибор с Зарядовой Связью; в англоязычной терминологии: CCD — Charge Coupled Device КМОП — Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник; в англоязычной терминологии: — CMOS — Complementary Metal Oxide Semiconductor.Вместо слова «сенсор» иногда используют «матрица» или «датчик».
  • [2]Обычно выделяют RGB-компоненты: красную, зеленую и синюю, но возможно выделение и субстрактивных компонент CMY: голубую, пурпурную и желтую, либо четырех и более компонент для улучшения цветовой интерполяции. См. далее по статье.
  • [3] Восстановлении цвета по трем точкам применимо только для сплошных спектров и не работает для линейчатых.
  • [4]Микролинзы располагаются по одной над каждой ячейкой и применяются для фокусировки света на фоточувствительный элемент ячейки сенсора с целью повышения чувствительности.
  • [5]B. Bayer, U. S. Patent No. 3,971,065.
  • [6]U.S. Patent No. 5,965,875.
  • [7]Spatial Frequency Response of Color Image Sensors: Bayer Color Filters and Foveon X3 // Paul M. Hubel, John Liu and Rudolph J. Guttosch //Foveon, Inc. Santa Clara, California
  • [8]ISO 12233:2000 Photography-Electronic still picture cameras-Resolution measurements.

Источник: https://www.ixbt.com/digimage/sens.shtml

Сенсорный экран: история изобретения и принципы работы

Сегодня сенсорным дисплеем, а вернее экраном с возможностью введения информации посредством касания, никого не удивишь. Практически все современные смартфоны, планшетные ПК, некоторые электронные книги и другие современные гаджеты оснащены подобными устройствами. Какова же история этого чудесного устройства ввода информации?

Считается, что родителем первого в мире сенсорного устройства является американский преподаватель университета штата Кентукки, Сэмуэль Херст. В 1970 году он столкнулся с проблемой считывания информации с огромного количества лент самописцев.

Его идея автоматизации этого процесса стала толчком к созданию первой в мире компании по производству сенсорных экранов – Elotouch. Первая разработка Херста и его единомышленников носила название Elograph.

Она увидела свет в 1971 году и использовала четырех проводной резистивный метод определения координат точки касания.

Первой же компьютеризированным устройством с сенсорным дисплеем была система PLATO IV, появившаяся на свет в 1972 году благодаря исследованиям, проходившим в рамках компьютерного обучения в США. Она имела сенсорную панель, состоящую из 256 блоков (16×16), и работающую при помощи сетки инфракрасных лучей.

В 1974 году снова дал о себе знать Сэмюэль Херст.

Образованная им компания Elographics выпустила прозрачную сенсорную панель, а еще через три года в 1977 ими была разработана пяти проводная резистивная панель.

Спустя несколько лет компания объединяется с крупнейшим производителем электроники Siemens и в 1982 году они совместно выпускают первый в мире телевизор, оборудованный сенсорным экраном.

В 1983 году производитель компьютерной техники компания Hewlett-Packard выпускает компьютер HP-150, оборудованный сенсорным дисплеем, работающим по принципу инфракрасной сетки.

Первым мобильным телефоном с сенсорным устройством для ввода информации была модель Alcatel One Touch COM, выпущенная в 1998 году.

Именно она стала прообразом современных смартфонов, хотя и имела по сегодняшним меркам весьма скромные возможности – небольшой монохромный дисплей.

Еще одной попыткой смартфона с сенсорным экраном стала модель Ericsson R380. Она также имела монохромный дисплей и была весьма ограничена в своих возможностях.

Сенсорный экран в современном виде предстал в 2002 году в модели Qtek 1010/02 XDA, выпущенной компанией HTC. Это был полноцветный дисплей с достаточно хорошей разрешающей способностью, поддерживающий 4096 цветов.

Он использовал резистивную технологию определения координат касания. На более высокий уровень сенсорные экраны вывела компания Apple.

Именно благодаря ее IPhone, устройства с сенсорными дисплеями получили невероятную популярность, а их разработка Multitouch (определение касания двумя пальцами) существенно упрощала ввод информации.

Однако появление сенсорных экранов стало не только удобным новшеством, но и повлекло за собой некоторые неудобства. Электронные устройства, оснащенные сенсором, более чувствительны к неаккуратному обращению, поэтому и ломаются чаще. Ломаются даже экраны в Iphone. Благо, что заменить их может даже неквалифицированный специалист.

Такая диковинка как сенсорный экран – дисплей с возможностью ввода информации простым нажатием на его поверхность при помощи специального стилуса или просто пальца, давно уже перестал вызывать удивление у пользователей современных электронных гаджетов. Давайте попробуем разобраться, как же он работает.

На самом деле видов сенсорных экранов существует достаточно большое количество. Друг от друга они отличаются принципами, заложенными в их работе. Сейчас на рынке современной высокотехнологичной электроники используются в основном резистивные и емкостные сенсоры.

Однако существуют также матричные, проекционно-емкостные, использующие поверхностно-акустические волны, инфракрасные и оптические. Особенность двух первых, самых распространенных в том, что сам сенсор отделен от дисплея, поэтому при поломке его с легкостью может заменить даже начинающий электромастер.

Вам останется лишь купить тачскрин для сотового или любого другого электронного устройства.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Резистивный сенсорный экран состоит из гибкой пластиковой мембраны, на которую собственно мы и нажимаем пальцем, и стеклянной панели. На внутренние поверхности двух панелей нанесен резистивный материал, по сути, являющийся проводником.

Между мембраной и стеклом равномерно расположен микроизолятор. Когда мы нажимаем на одну из областей сенсора, в этом месте замыкаются проводящие слои мембраны и стеклянной панели и происходит электрический контакт.

Электронная схема-контроллер сенсора преобразует сигнал от нажатия в конкретные координаты на области дисплея и передает их в схему управления самим электронным устройством.

Определение координат, а вернее ее алгоритм, очень сложен и основан на последовательном вычислении сначала вертикальной, а потом горизонтальной координаты контакта.

Резистивные сенсорные экраны достаточно надежны, поскольку нормально функционируют даже при загрязнении активной верхней панели. К тому же они, ввиду своей простоты более дешевы в производстве.

Однако у них есть и недостатки. Одним из основных является низкая светопропускная способность сенсора. То есть поскольку сенсор наклеен на дисплей, изображение получается не таким ярким и контрастным.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Емкостный сенсорный экран. В основу его работы заложен тот факт, что любой предмет, имеющий электрическую емкость, в данном случае палец пользователя, проводит переменный электрический ток. Сам сенсор представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным веществом, которое образует проводящий слой.

На этот слой при помощи электродов подается переменный ток. Как только палец или стилус касается одной из областей сенсора, в этом месте происходит утечка тока. Его сила зависит от того на сколько близко к краю сенсора произведен контакт. Специальный контроллер измеряет ток утечки и по его значению вычисляет координаты контакта.

Емкостный сенсор также как и резистивный не боится загрязнений, к тому же ему не страшна жидкость.

Однако по сравнению с предыдущим он имеет более высокую прозрачность, что делает изображение на дисплее более четким и ярким. Недостаток емкостного сенсора происходит из его конструктивных особенностей.

Дело в том, что активная часть сенсора, по сути, находится на самой поверхности, поэтому подвержена износу и повреждениям.

Теперь поговорим о принципах работы менее популярных на сегодняшний день сенсоров.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Матричные сенсоры работают по принципу резистивных, однако отличаются от первых максимально упрощенной конструкцией. На мембрану наносятся вертикальные проводящие полосы, на стекло – горизонтальные. Или наоборот. При давлении на определенную область, замыкаются две проводящие полосы и контроллеру достаточно легко вычислить координаты контакта.

Недостаток такой технологии виден невооруженным глазом – очень низкая точность, а следовательно и невозможность обеспечить высокую дискретность сенсора.

Читайте также:  Как выходить из приложений айфона

Из-за этого некоторые элементы изображения могут не совпадать с расположением полос проводника, а следовательно нажатие на эту область может либо вызвать неправильное исполнение нужной функции либо вообще не сработать.

Единственным достоинством этого типа сенсоров является их дешевизна, которая собственно говоря, и выплывает из простоты. Кроме этого матричные сенсоры не прихотливы в использовании.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Проекционно-емкостные сенсорные экраны являются как бы разновидностью емкостных, однако работают немного по-другому. На внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов.

При касании пальцем между соответствующим электродом и телом человека возникает электрическая система – эквивалент конденсатора. Контроллер сенсора подает импульс микротока и измеряет емкость образовавшегося конденсатора.

В результате того что в момент касания одновременно задействованы несколько электродов, контроллеру достаточно просто вычислить точное место касания (по самой большой емкости).

Основные достоинства проекционно-емкостных сенсоров – это большая прозрачность всего дисплея (до 90 %), чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур и долговечность. При использовании такого типа сенсора несущее стекло может достигать толщины 18 мм, что дает возможность делать ударопрочные дисплеи. К тому же сенсор устойчив к непроводящему загрязнению.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Сенсоры на поверхностно-акустических волнах – волнах, распространяющихся на поверхности твердого тела. Сенсор представляет собой стеклянную панель, по углам которой расположены пьезоэлектрические преобразователи. Суть работы такого сенсора в следующем.

Пьезоэлектрические датчики генерируют и принимают акустические волны, которые распространяются между датчиками по поверхности дисплея. Если касания нет – электрический сигнал преобразуется в волны, а потом обратно в электрический сигнал. Если произошло касание часть энергии акустической волны поглотится пальцем, а следовательно не дойдет до датчика.

Контроллер проанализирует полученный сигнал и посредством алгоритма вычислит место касания.

Достоинства таких сенсоров в том, что используя специальный алгоритм можно определять не только координаты касания, но и силу нажатия – дополнительная информационная составляющая.

К тому же конечное устройство отображения (дисплей) имеет очень высокую прозрачность, поскольку на пути света нет полупрозрачных проводящих электродов. Однако сенсоры имеют и ряд недостатков.

Во-первых, это очень сложная конструкция, а во-вторых – точности определения координат очень сильно мешают вибрации.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Инфракрасные сенсорные экраны. Принцип их работы основан на использовании координатной сетки из инфракрасных лучей (излучатели и приемники света).

Примерно тоже, что и в банковских хранилищах из художественных фильмов про шпионов и грабителей.

При касании в определенной точке сенсора прерывается часть лучей, а контроллер по данным от оптических приемников определяет координаты контакта.

Основной недостаток таких сенсоров – очень критичное отношение к чистоте поверхности. Любое загрязнение может привести к полной его неработоспособности. Хотя из-за простоты конструкции этот тип сенсора используется в военных целях, и даже в некоторых мобильных телефонах.

Оптические сенсорные экраны являются логическим продолжением предыдущих. Инфракрасный свет используется в качестве информационной подсветки. Если на поверхности нет сторонних предметов – свет отражается и попадает в фотоприемник. Если произошло касание – часть лучей поглощается, а контроллер определяет координаты контакта.

Недостатком технологии является сложность конструкции в виду необходимости использования дополнительного светочувствительного слоя дисплея. К достоинствам можно отнести возможность достаточно точного определения материала, с помощью которого произведено касание.

Тензометрические и сенсорные экраны DST работают по принципу деформацииповерхностного слоя. Их точность достаточно низкая, но они прекрасно выдерживают механические воздействия, поэтому применяются в банкоматах, билетных автоматах и прочих публичных электронных устройствах.

Индукционные экраны основаны на принципе формирования электромагнитного поля под верхней частью сенсора. При касании специальным пером, меняется характеристика поля, а контроллер в свою очередь вычисляет точные координаты контакта. Применяются в художественных планшетных ПК самого высокого класса, поскольку обеспечивают большую точность определения координат.

Источник: Scsiexplorer

Просмотров всего: 4 445 и сегодня: 1Читайте так же:  Как выбрать смартфон: руководство по выбору

Источник: https://mnogoto4ka.ru/sensornyj-ekran-principy-raboty/

Как работает камера в смартфоне

Сейчас, когда смартфоны стали главным устройством для съемки фото, мобильные компании пытаются бороться за конкуренцию там, где раньше царили старые гиганты съемки.

Фактически смартфоны вытеснили крупных производителей фотокамер, большинство фото на таких ресурсах как Flicker созданы с помощью мобильных устройств.

Но как узнать, какие камеры хороши? Как эти маленькие модули работают, как их создатели выжимают все соки из них, чтобы получить качественную картинку? А это – результат огромной работы, проделанной инженерами для ликвидации минусов, присущих маленьким фотокамерам.

Камера с монохромным сенсором: принцип работы, характерные особенности

Как все это работает на практике, пытается дать ответ Гари Симс, один из экспертов Android Authority – крупного англоязычного ресурса о смартфонах.

Как работает камера?

Чтобы вникнуть в тонкости процесса съемки, следует определить, как именно работает камера. Алгоритм съемки одинаковый как для зеркалок, так и смартфонов, и он следующий:

  1. Пользователь (или смартфон) осуществляет фокусировку объектива.
  2. Свет попадает в объектив.
  3. Диафрагма определяет, сколько света достигло датчика (матрицы).
  4. Затвор определяет, как долго сенсор подвергается воздействию света.
  5. Сенсор захватывает изображение.
  6. Аппаратура камеры записывает и сохраняет картинку в память.

Большинство пунктов этого алгоритма осуществляется с помощью относительно простых механизмов, работа которых определена законами физики. Поэтому имеются некоторые наблюдаемые явления, влияющие на качество фото предсказуемым образом.

Большая часть проблем, характерных для смартфонов, связана с этапами со второго по четвертый. Это связано с тем, что объектив, его диафрагма и сенсор (матрица) имеют небольшой размер. По этой причине они не способны уловить очень много света для получения качественного снимка. Разработчикам приходится идти на компромиссы, чтобы добиться получения снимков приемлемого качества.

Что делает фотографии хорошими?

Работу фотокамеры очень хорошо иллюстрирует сбор осадков с помощью ведра. Выбор экспозиции очень похож на использование посуды для сбора дождевой воды. Само количество осадков контролю со стороны человека не поддается, но зато есть возможность выбирать три параметра. Это ширина горловины, продолжительность пребывания сосуда под дождем и требуемое количество воды.

В процессе сбора важно убедиться, что собрано не слишком мало (недодержанный кадр), но и не чересчур много (передержанный снимок). Ключ в том, что существует очень много возможных комбинаций ширины посудины, времени выдержки и количества воды, которое надо собрать.

Аналогичным образом, в фотографии, ширина сосуда – это параметры диафрагмы, время сбора – длина выдержки и скорость затвора, а чувствительность ISO – нужное количество воды.

Подобно тому, как человек не может повлиять на интенсивность дождя, контролю фотографа не поддается уровень естественного освещения.

Когда речь идет о «хорошем» или «приемлемом» качестве фото, обычно подразумевается кадр, параметры съемки которого были выставлены верно. По аналогии, упомянутой выше, это ведро, заполненное тем количеством воды, которое нужно.

Однако можно заметить, что если все настройки съемки будут выполнены в автоматическом режиме, фото не всегда удаются. Иногда на них слишком много шума, иногда снимок получается темным или размытым.

Чтобы понять, почему так происходит, следует подробнее разобраться, что означают некоторые параметры и на что они влияют.

Как фокусируется камера?

Хотя глубина резкости у мобильных фотокамер обычно достаточно широка (объекты в фокусе удерживать легко), все же первое, что надо сделать для получения кадра – это переместить его фокусирующий элемент в правильное положение. Если вы не пользуетесь древним и/или очень дешевым смартфоном, в нем есть функция автофокусировки. Существует три главных технологии автофокусировки.

  • Dual-Pixel. Автофокус с технологией Dual Pixel – это венец развития фазовой автофокусировки. Он использует специальные светочувствительные точки (фотодиоды), расположенные по всей площади матрицы, благодаря которым фокусировка происходит быстрее. Вместо выделения отдельных субпикселей на сенсоре для осуществления фокуса, каждый из пикслелй делают двойным. За счет фазовой разницы (разного количества света, поступающего из разных сторон) камера определяет, куда переместить точку фокусировки. Поскольку количество светочувствительных элементов, осуществляющих фокусировку, очень большое, то и скорость фокусировки будет высокой. Это самая эффективная технология, подробнее о ней мы писали здесь.
  • Фазовый автофокус. Как и фокусировка Dual Pixel, фазовый автофокус работает на основе фотодиодов на матрице, определяющих разность фаз и переводящих фокусный элемент объектива в нужное положение. Эти фотодиоды размещены в особом порядке вместо отдельных пикселей (а не параллельно с ними), поэтому их меньше и скорость срабатывания фокуса может оказаться существенно ниже. Разница вроде и небольшая, но иногда значение имеет каждая доля секунды.
  • Контрастный автофокус. Самая старая из всех технологий, используемых в смартфонах. В ее основе – определение уровня контрастности отдельных участков в кадре, и последующая наводка механизма фокусировки так, чтобы эти участки были наиболее выраженными. В силу того, что четкие очертания предметов имеют высокую контрастность, электроника способна интерпретировать эти объекты, как находящиеся в фокусе камеры, и выделять их. Однако срабатывает этот механизм достаточно медленно.

А что в объективе?

Цифры в технических спецификациях могут казаться очень сложными, но на самом деле не все так трудно. Основные параметры, которые приводятся, обычно указывают на фокусное расстояние, параметры диафрагмы и выдержку. Так как в смартфонах обычно используется не механический затвор, а электронный, начать следует с двух первых параметров.

Источник: https://mobcompany.info/interesting/kak-rabotaet-kamere-v-smartfone.html

Сенсорные экраны: как это работает

Универсальный тип сенсорных экранов еще не разработали, а используемые сейчас технологии имеют как свои преимущества, так и недостатки. О плюсах и минусах основных типов сенсорных экранов читайте в этом материале.

Применение сенсорных экранов наиболее целесообразно в небольших портативных устройствах.

Во-первых, это связано с неудобством использования мышки, клавиатуры и прочих устройств ввода в телефонах и другой небольшой электронике. Во-вторых, отказ от аппаратных кнопок позволяет серьезно увеличить площадь экрана.

В-третьих, производство сенсорных панелей обходится недешево, и их использование в больших экранах пока как минимум экономически невыгодно.

Тем не менее, начав с таких небольших устройств как КПК, сенсорные экраны уже добрались до среднего формата (планшетов и некоторых ноутбуков), и их появление на большом экране лишь вопрос времени.

Читайте также:  Запись разговоров с телефона - как осуществить?

Существует всего несколько типов сенсорных экранов. Ниже речь пойдет о трех наиболее распространенных технологиях, а также нескольких ее разновидностях.

Резистивные панели

Сенсорная часть таких экранов состоит из двух слоев, разделенных небольшим пространством, каждый из которых имеет массив резистивных или проводящих элементов (в зависимости от конкретной реализации).

При нажатии пальцем, стилусом (или любым другим предметом) на поверхность экрана эти слои соприкасаются, элементы замыкаются, и экран «понимает», в каком месте к нему дотронулись.

Учитывая, что контакт между двумя слоями возможен только при использовании гибкого материала, который будет прогибаться под давлением, резистивные экраны, как правило, покрывают специальной гибкой пленкой, а не стеклом. Это приводит к появлению царапин и более частым повреждениям экрана при чрезмерном надавливании стилусом.

Технология является одной из наиболее простых, поэтому она первой появилась в сенсорных устройствах. У нее до сих пор есть определенные преимущества, однако недостатков больше, чем в других типах сенсорных экранов.

Преимущества

Помимо низкой цены (стоимость таких дисплеев приблизительно в два раза ниже емкостных), точность резистивных экранов также мало зависит от состояния верхнего слоя, поэтому в случае его загрязнения или намокания отзывчивость сенсора практически не меняется.

Несмотря на возраст технологии, она до сих пор позволяет делать самые точные сенсорные панели. В правильно откалиброванном дисплее фактически можно попадать стилусом в конкретный пиксель благодаря густой решетке резистивных элементов.

Недостатки

Несмотря на то что из этого правила есть исключения, большинство резистивных экранов не распознают мультитач, то есть экран понимает лишь одно касание (самое первое, либо самое сильное), что существенно ограничивает возможности управления интерфейсом. Даже в устройствах, где мультитач реализован, все равно распознается меньше одновременных касаний, чем в самых обычных емкостных экранах.

Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.

Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной снижения точности работы сенсора. Если держать стилус перпендикулярно экрану, то точность может быть одной, однако под углом, расхождение будет составлять несколько пикселей за счет того, что точка, на которую давит стилус, находится не непосредственно над нужным пикселем (эффект параллакса).

Защитой от случайного ввода в резистивных экранах является определенное давление, которое необходимо преодолеть для того чтобы устройство засчитало команду.

Следовательно, резистивные экраны сложнее оборудовать дополнительным защитным покрытием, которое лишь увеличит порог срабатывания.

В паре с пластиковым покрытием, которое необходимо для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более других подвержены повреждениям, особенно царапинам, а при неправильном обращении (сильном нажатии острым предметом), могут и попросту треснуть.

Несмотря на то что количество нажатий в каждой конкретной точке оценивается в 30 млн., резистивные экраны все же раньше других типов выходят из строя и являются самыми ненадежными по этому показателю.

Вывод

Небольшая стоимость и устойчивость к загрязнениям (а точнее, сохранению точности ввода при загрязнении), в паре со всеми вышеперечисленными недостатками стали причиной того, что резистивные экраны медленно вытесняются из обихода, хотя и смогли закрепиться в некоторых нишах, например, в секторе терминалов для быстрой оплаты.

Стилусы

  • Характерной особенностью устройств с резистивным сенсором является распространенное использование стилуса, площадь контакта которого с поверхностью меньше, чем у пальца, а сила давления больше, что является причиной более точного ввода.
  • Наличие стилуса желательно, хоть и необязательно для экранов с небольшой диагональю (в основном это телефоны, а несколько лет назад и КПК), однако в планшетах достаточной точности можно добиться и с помощью пальцев.
  • После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, казалось, что вместе с ними навсегда сцену покинули и стилусы, однако сейчас все чаще можно встретить их реинкарнацию, особенно в устройствах промежуточных размеров между смартфонами и планшетами.

Поскольку резистивные экраны сейчас используются все реже, стилусы тоже немного изменились. Подстраиваясь под современные реалии, они стали выпускаться со специальными насадками на конце, которые распознаются емкостными экранами.

Емкостные панели

Принцип работы емкостных экранов заключается в том, что на специальный слой электропроводника, находящегося на внешней поверхности экрана, подается небольшое напряжение, формирующее однородное электростатическое поле.

Когда к экрану прикладывается палец, являющийся проводником электричества, свойства поля меняются вследствие появления утечки (пользователь работает как заземлитель и «крадет» ток у экрана).

По изменению емкости можно определить наличие контакта и его координаты.

Для определения координат в углах экрана установлены электроды, измеряющие силу тока утечки, и чем она сильнее на каждом конкретном датчике, тем ближе произошло нажатие. Определив конкретные значения, можно очень точно вычислить координаты нажатия.

Подклассом емкостных экранов являются проекционно-емкостные экраны, принцип работы которых также заключается в измерении емкости, однако базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, что повышает защищенность сенсора. Именно такие экраны сейчас и используются повсеместно в смартфонах.

В отличие от резистивных панелей, где используется гибкий материал, емкостные сенсоры покрывают стеклом. Это лучше защищает их от царапин, хотя с большей вероятностью станет причиной появления трещины при сильном ударе или падении.

Достоинства

Отсутствие нескольких слоев дополнительных материалов не только увеличивает яркость экрана (прозрачность для света составляет приблизительно 90%), но также снижает расстояние между поверхностью экрана и изображением, что позволяет точнее попадать в нужные пиксели.

Пускай выигрыш и не большой, но он все же заметен, особенно когда устройство находится под некоторым углом относительно оси зрения, то есть в те моменты, когда разница между реальным положением нужного пикселя на экране и точкой, в которую нужно попасть, смещаются максимально друг относительно друга.

Дисплеи Super AMOLED компании Samsung позволяют еще больше снизить толщину экрана за счет отказа от дополнительного слоя емкостных элементов. В этом типе экранов они встраиваются непосредственно в матрицу.

Емкостные экраны гораздо долговечнее резистивных (практически на порядок) когда речь заходит о количестве нажатий до выхода сенсорных элементов из строя. Число таких повторений оценивается в 200+ млн раз.

Недостатки

Емкостные экраны обходятся дороже резистивных в производстве и требуют, чтобы материал, касающийся их поверхности, обязательно обладал свойствами проводника.

Следовательно, использовать любой удобный предмет или работать в обычных перчатках с емкостными экранами не получится.

В связи с этим широкое распространение приобретают специальные емкостные стилусы и перчатки для работы с сенсорными панелями в холодную погоду.

Точность емкостных экранов несколько ниже чем, у резистивных, хотя в практических задачах эта разница не сильно заметна, поскольку составляет буквально 1-3 пикселя, и учитывая, что в большинстве случаев интерфейс программ уже и так заточен под устранение этих погрешностей, недостатком это назвать сложно.

Вывод

Емкостные панели по своим характеристикам и цене лучше всего подошли для экранов мобильных устройств, поэтому и доминируют сейчас в этом секторе.

Инфракрасные панели

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры начали появляться в устройствах позже других типов панелей, их не стоит считать более совершенными. Несколько преимуществ у них есть, однако, скорее всего, как и резистивные экраны, они останутся нишевыми и не смогут потеснить емкостные панели.

Оптические

Главное отличие инфракрасных сенсоров от всех остальных заключается в том, что специальные датчики расположены не на поверхности экрана, а по краям от него и формируют серию горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей непосредственно над дисплеем. Когда предмет касается экрана, лучи разрываются и таким образом определяется место контакта.

Тепловые

Разновидностью инфракрасных экранов являются экраны с тепловыми сенсорами. Для того, чтобы они реагировали на касания, предмет должен быть теплым.

Как и в емкостных панелях, устройства с инфракрасными датчиками используют защитное покрытие из стекла, что является причиной тех же преимуществ и недостатков: лучшая устойчивость к появлению царапин, но большая вероятность возникновения трещины при сильном ударе.

Достоинства

Расположение сенсоров по бокам от матрицы позволяет отказаться от промежуточного слоя на LCD матрице, что улучшает яркость картинки (прозрачность покрытия составляет практически 100%), уменьшает зазор между реальным изображением и поверхностью экрана, делает дисплей более устойчивым к повреждениям, а также позволяет работать с загрязненным экраном, но при условии, что загрязнения не мешают свободному распространению инфракрасных лучей.

Инфракрасными (оптическими) экранами можно управлять в перчатках, либо используя любые другие удобные предметы.

Недостатки

Любые загрязнения по краям матрицы, заслоняющие инфракрасные источники сигналов, приводят к сбоям в работе сенсоров. Проблемы возникают и при небольших искривлениях устройства, когда лучи покидают плоскость, параллельную экрану.

Однако одной из наиболее распространенных проблем с инфракрасными датчиками является ложное срабатывание. Поскольку пользователям не обязательно физически касаться экрана, то иногда сенсоры активируются и при достаточном приближении пальца к экрану или во время его движения от одной точки к другой.

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры часто используются в устройствах с относительно небольшой стоимостью (например, в электронных книгах), сами экраны с инфракрасным сенсором дороже как резистивных, так и емкостных экранов.

Вывод

Если резистивные и емкостные экраны можно было условно отнести к соответственно отмирающим и доминирующими типам экранов, то инфракрасные сенсоры — технология устройств-маргиналов, поскольку они используются в малоизвестных моделях портативной электроники. Исключение составляют электронные книги, например Nook Touch.

Вместо эпилога

Сенсорные и обычные дисплеи в ближайшее время ждет еще много инноваций (гибкая матрица, новые защитные покрытия), однако когда речь заходит о технологиях, отвечающих за распознавание ввода, то здесь на горизонте не видно никаких революционных альтернатив, поэтому и дальше доминировать будут емкостные сенсоры, как самые удобные и относительно недорогие по сравнению с другими типами сенсоров.

Источник: https://itc.ua/articles/sensornyie-ekranyi-kak-eto-rabotaet/

Ссылка на основную публикацию