کاربردهای سنسور CMOS در دوربین مداربسته چیست؟

سنسورهای CMOS حسگرهای تصویری هستند که در پشت لنز دوربین قرار دارند. CMOS مخفف نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل است. این نوع سنسور نسبت به CCD ها (دستگاه های متصل به شارژ) که سنسورهای تصویر دوربین دیجیتال سنتی تر هستند، انرژی الکتریکی بسیار کمتری مصرف می کند. هر دو سنسور CCD و CMOS نور را به الکترون تبدیل می کنند. آنها تصویر نوری را به تصویر دیجیتال انتقال می دهند. در طول ثبت تصویر، نور از طریق لنز دوربین به سنسوری که حاوی میلیون‌ها پیکسل است، می‌رود. هر نوع سنسور تصویر دارای مزایای خاص خود است. از مزایای سنسورهای CMOS در دوربین های نظارتی شبکه می توان به مصرف کم مصرف و تولید کم هزینه آنها اشاره کرد. فناوری CMOS همچنین سرعت خواندن سریع‌تری را ارائه می‌کند، به این معنی که برای برنامه‌های ویدیویی با سرعت بالا، از جمله فیلم‌برداری مداوم، ترجیح داده می‌شود.

نظارت بر امنیت شبکه CMOS با وضوح بالا

برنامه های نظارتی نیاز به تصویربرداری با جزئیات دقیق دارند. دوربین مداربسته تحت شبکه با سنسورهای CMOS می تواند خروجی با وضوح بالا ارائه دهد. انواع مختلفی از سنسورهای تصویر CMOS در محصولات نظارت IP از دوربین‌های جعبه‌ای گرفته تا دوربین‌های گلوله تعبیه شده‌اند. کارکنان آگاه ما آماده پاسخگویی به سوالات در مورد مشخصات دوربین و سنسورهای تصویر اختصاصی هستند.

فناوری دستگاه دوربین CMOS

در اصل، فناوری CMOS زمانی استفاده می شد که کیفیت تصویر بالا مورد نیاز نبود. با این حال، دستگاه‌های دوربین CMOS امروزی دارای فناوری تخصصی هستند که می‌تواند کیفیت تصویر بالایی را ارائه دهد، حتی در برخی از برنامه‌ها با تصاویر CCD قابل مقایسه است. ویژگی‌های CMOS، مانند کاهش نویز و حساسیت حسگر، به این پیشرفت‌ها کمک می‌کنند. علاوه بر بهبود تصاویر، دوربین‌های دارای سنسورهای CMOS با کیفیت می‌توانند بازخوانی تصویر با سرعت بالا را ارائه دهند. دستگاه‌های CMOS برای دوربین‌های نظارت شبکه که الزامات کیفیت تصویر اپراتورها را برآورده می‌کنند، یکپارچه هستند.

کاربرد حسگرهای تصویر نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS) با ویژگی های قابل توجه خود، طیف بسیار گسترده ای از اتوماسیون صنعتی گرفته تا کاربردهای ترافیکی مانند سیستم های هدف گیری، هدایت کور، فاصله یاب فعال/غیرفعال و غیره را در بر می گیرد. در این مقاله CMOS محدوده یاب فعال و غیرفعال مبتنی بر حسگر تصویر ارائه شده است. طرح اندازه گیری محدوده یاب فعال / غیرفعال پیشنهادی بر اساس یک روش مثلث بندی ساده است. مسافت یاب های طراحی شده عمدتاً از یک سنسور تصویر CMOS و برخی منابع نور مانند لیزر یا LED تشکیل شده اند. هزینه اجرای محدوده یاب ما بسیار کم است. نرم افزار پردازش تصویر برای تنظیم زمان نوردهی (ET) سنسور تصویر CMOS برای بهبود عملکرد فاصله یاب های مبتنی بر مثلث نیز توسعه یافته است. مجموعه گسترده ای از آزمایش ها برای ارزیابی عملکرد فاصله یاب های طراحی شده انجام شد. از نتایج تجربی، وضوح اندازه‌گیری فاصله به‌دست‌آمده توسط برد یاب فعال و برد یاب غیرفعال می‌تواند به ترتیب در محدوده‌های اندازه‌گیری 1 تا 8 متر و 5 تا 45 متر بهتر از 0.6٪ و 0.25٪ باشد. آزمایش‌های امکان‌سنجی بر روی کاربردهای محدوده یاب مبتنی بر حسگر تصویر CMOS توسعه‌یافته در زمینه خودرو نیز انجام شد. نتایج تجربی نشان داد که برد یاب های ما برای اندازه گیری فاصله در این زمینه مناسب هستند.

معرفی سنسور CMOS

روش مثلث‌ سازی یک رویکرد ثابت در اندازه‌گیری فاصله است. برد یاب های نوری مبتنی بر روش مثلث بندی معمولاً از یک نقطه نوری به عنوان مرجع برای اندازه گیری فاصله استفاده می کنند. مرکز نقطه نوری روی حسگر را می توان به مختصات پیکسلی تبدیل کرد که تقریباً به صورت هذلولی با فاصله ای که باید اندازه گیری شود، مرتبط هستند. به طور کلی، دقت سنسور نور به طور قابل توجهی بر عملکرد فاصله یاب تأثیر می گذارد. حسگرهای موجود عبارتند از چشم انسان، آشکارساز تشخیص موقعیت آرایه خطی، دستگاه جفت شارژ (CCD) و سنسور تصویر CMOS محدوده اندازه گیری یا وضوح سیستم اندازه گیری مثلث نوری به ساختار هندسی طرح سیستم بستگی دارد. محدوده اندازه گیری تحت پوشش می تواند از چند سانتی متر تا چند متر باشد و وضوح به دست آمده می تواند کمتر از 1 میکرومتر باشد.

در گذشته، اکثر سیستم‌های بینایی تصویر که در زمینه اندازه‌گیری به کار می‌رفتند، به تکنیک‌های پیچیده پردازش تصویر نیاز داشتند. متعاقبا، ترکیبی از سیستم‌های بینایی و روش‌ های مثلث‌بندی به طور گسترده در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفت. کاربردهای تصویرگر CCD در بسیاری از زمینه ها از جمله اندازه گیری مثلث، تشخیص کاراکتر، ردیابی نوری، بازرسی آنلاین و غیره پیشنهاد شده است.

مطالعه و توسعه حسگرهای تصویر CMOS از اوایل دهه 1990 یک موضوع رایج در زمینه های تحقیقاتی مرتبط بوده است. اخیراً سنسورهای تصویر CMOS به دستگاه‌های محبوب تبدیل شده‌اند و به شدت مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با پیشرفت فناوری مدارهای مجتمع (IC)، تمامی قطعات لازم: سنسور تصویر CMOS، ریزپردازنده ها، مدارهای منطقی، مدارهای مجتمع ویژه برنامه (ASIC) و اجزای حافظه را می توان بر روی یک تراشه پیاده سازی کرد. هدف نهایی برای تحقق “سیستم روی تراشه” (SOC) دستیابی به برنامه های کاربردی با قابلیت بالا و در عین حال رقابتی بودن در عملکرد در مقایسه با CCD ها است. سنسور تصویر CMOS کوچک‌تر، کم‌هزینه‌تر (به دلیل فرآیند ساخت) است و اتلاف توان کمتری را نسبت به سیستم‌های تصویر CCD نشان می‌دهد و به همین دلیل به تدریج در بسیاری از کاربردها به یک انتخاب مناسب تبدیل شده است.

در مراحل اولیه، رایج ترین کاربردهای حسگر تصویر CMOS شاید دوربین های کامپیوتری، دوربین های عکاسی دیجیتال (DSC) یا دوربین های اسباب بازی بودند. اخیراً حسگرهای تصویر CMOS برای تلفن های همراه و دستیارهای دیجیتال شخصی (PDA) طراحی شده اند. تکنیک‌های حسگر تصویر CMOS به سرعت پیشرفت کرده‌اند و قیمت سنسورهای تصویر CMOS سطح پایین در حال کاهش است. استفاده از سنسورهای تصویر CMOS برای جایگزینی آشکارسازهای آرایه و CCD ها می تواند فرآیندهای پردازش سیگنال را ساده کرده و اجزای الکترونیکی کمکی سیستم های اندازه گیری را کاهش دهد. به خصوص، داده های تصویر را می توان با آدرس دادن به سنسورهای تصویر CMOS انتخاب کرد تا داده های پردازش شده به میزان قابل توجهی کاهش یابد. از آنجایی که فناوری ساخت حسگرهای تصویر CMOS اکنون به اندازه کافی برای ایجاد ثبات خوب و دستیابی به هزینه کم پیشرفت کرده است، چنین حسگرهایی به عنوان جایگزین حسگرهای CCD عمل می کنند و در بسیاری از کاربردهای نوری قابل توجه هستند. به عنوان مثال، قیمت کل برای ساخت آزمایشگاه برد یاب لیزری پیشنهادی (شامل سنسور CMOS، دیودهای ساطع نور (LED)، دیود لیزر 904 نانومتری و خنک کننده ترموالکتریک) حدود 120-150 دلار است، بسته به عملکرد دستگاه. قطعات خریداری شده جداگانه از جنبه های مختلف، به وضوح مشاهده می شود که سنسورهای تصویر CMOS نیز انتخاب خوبی در کاربردهای صنعتی و خودرویی خواهند بود. کنترل سنسورهای تصویر CMOS را می توان از طریق یک رابط استاندارد بین مدار مجتمع (I2C) برنامه ریزی کرد. ویژگی‌های قابل برنامه‌ریزی شامل کنترل زمان نوردهی الکترونیکی (ET)، گرفتن تصویر پیوسته یا تک فریم، و حالت‌های عملیات اسکن پیشرونده یا interlace است. کنترل ET برای آزمایش‌های عملکردی یاب‌های تکاور طراحی‌شده ما در کاربردهای صنعتی و خودرویی بسیار مهم است. جزئیات بعدا توضیح داده خواهد شد.

هدف از این مقاله ارائه دو نوع سنسور تصویر کم هزینه (فعال و غیرفعال) مبتنی بر سنسور تصویر CMOS است. بر اساس روش مثلث بندی، محدوده یاب های فعال/غیرفعال طراحی شده در زمینه های صنعتی و خودروسازی اعمال می شود. مجموعه گسترده‌ای از آزمایش‌های عملکردی انجام شده و عوامل اصلی مؤثر بر دقت آنها در اندازه‌گیری فاصله نیز در این مقاله مورد بحث قرار گرفته‌اند.

اصول اندازه گیری

مکان یابی نور نقطه ای با استفاده از روش مرکز

روش مرکز به طور گسترده ای برای مکان یابی نقاط نور بر روی سنسور تصویر استفاده شده است. روش مرکز می‌تواند به دقت زیر پیکسلی در انواع مختلف تصویر دارای برنامه‌های کاربردی، مانند یک نقطه یا یک نوار، دست یابد. عملکرد روش مرکز برای فاصله یاب، اندازه گیری های سه بعدی، ردیابی هدف، ردیاب های ستاره و غیره به طور کامل بررسی شده است. اگر تعداد زیادی هدف به طور همزمان روی یک حسگر وجود داشته باشد، کامپیوتر فقط می تواند برخی از اهداف را در زمان واقعی، حتی زمانی که به یک برنامه اختصاصی مجهز شده باشد، درمان کند. این به این دلیل است که الگوریتم های مورد نیاز می تواند بسیار پیچیده باشد بنابراین سرعت کامپیوتر به شدت کاهش می یابد. برای مثلث بندی نوری، تنها خروجی به دست آمده از حسگر تصویر، مرکز نقطه نوری است، یعنی تنها ناحیه کوچکی از تصویر گرفته شده مورد توجه است. به همین دلیل، تقاضای زیادی برای حسگرهای تصویری وجود دارد که می‌توانند خوانش‌های منطقه مورد نظر با سرعت بالا را ارائه دهند.

فرآیند نمونه برداری از تصویر یک نقطه نورانی در کار فیلارد مورد بحث قرار گرفت. با معرفی تکنیک های پردازش زیر پیکسلی می توان وضوح محدوده یاب ها را افزایش داد. ثابت شده است که حسگرهای تصویر CMOS نیاز ذکر شده  را برآورده می کنند، بنابراین حسگرهای تصویر CMOS در این کار برای توسعه محدوده یاب های فعال/غیرفعال به کار گرفته شدند. در مورد منبع نور، یک دیود لیزری (LD) و دو دیود ساطع کننده نور مادون قرمز (IR LED) به ترتیب در محدوده یاب فعال طراحی شده و محدوده یاب غیرفعال استفاده شد. برای مکان یابی مرکز نقطه لیزری در سیستم اندازه گیری برد فعال مبتنی بر مثلث، از روش مرکز یک بعدی استفاده شد. ما همچنین از روش مرکز دوبعدی برای مکان یابی مرکز دو نقطه نوری در محدوده یاب غیرفعال استفاده کردیم.

نمایه شدت g(x) یک نقطه نوری در یک بعد (محور x) از پیچیدگی جسم (نقطه نور) و تابع پخش نقطه (PSF) لنز دوربین ناشی می‌شود. برای سادگی، سیستم پیشنهادی بر روی حالت تک بعدی تمرکز کرده و فرض می‌کند که روشنایی محیط وجود ندارد. شرایط اخیر را می توان با استفاده از فیلتر(های نوری)، تنظیم کنترل بهره و محدود کردن ناحیه نمونه برداری به دست آورد. این موضوعات بعدا شرح و بحث خواهد شد. فرض کنید که شدت پیکسل i در ردیف پیکسل های یک حسگر تصویر gi است. با تنظیم سطح آستانه، اگر پیکسلی که شدت آن کمتر از سطح آستانه باشد، پیکسل می تواند نادیده گرفته شود. مرکز نقطه محاسبه شده c به عنوان مرکز gi بین پیکسل های m و n در نظر گرفته می شود که توسط به دست می آید.