تمام آنچه که باید از CCD بدانید: معرفی چند تکنولوژی برتر در CCD

---

واژه CCD مخفف : Charged Coupled Device
واژه CMOS مخفف : Complementary Metal Oxide Semiconductor

CCD قلب دوربین های دیجیتال بوده و جای شاتر و هم فیلم را در دوربین های معمولی می گیرد. ظهور این تکنولوژی به سال 1960، زمانی که تلاش برای تولید حافظه های ارزان و در مقیاس بالا در حال انجام بود بر می‌گردد. در ابتدا استفاده از این تکنولوژی برای گرفتن تصویر به مخیله دانشمندانی که بر روی آن کار می کردند نیز خطور نمی کرد. 

در سال 1969، Willard Boyle و George Smith از CCD برای نگهداری اطلاعات استفاده کردند. اولین CCD مربوط به تصویر برداری به فرمت 100 * 100 پیکسل، در سال 1974 توسط شرکت Faichild Electronics تولید گردید. در سال‌ بعد این وسیله در دوربین های تلویزیونی برای رسانه های تجاری و بعدا در تلسکوپ ها و وسایل تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. مدتها پس از این زمان بود که CCD در دوربین های دیجیتالی مورد استفاده عموم به فروشگاههای خیابانی راه پیدا نماید.

این وسیله نظیر چشم انسان ولی بصورت الکترونیکی کار می‌نماید. هر CCD از میلیونها سلول بنام فتوسایت یا فتودیود تشکیل شده است. این نقاط در واقع سنسورهای حساس به نوری هستند که اطلاعات نوری را به یک شارژ الکتریکی تبدیل می‌نمایند. وقتی اجزای نور که فتون نامیده می شود وارد بدنه سیلیکون فتوسایت می شود، انرژی کافی برای آزادسازی الکترونهایی که با بار منفی شارژ شده اند ایجاد می‌ گردد. هر چه نور بیشتری وارد فتوسایت شود، الکترونهای بیشتری آزاد می شود. هر فتوسایت دارای یک اتصال الکتریکی می باشد که وقتی ولتاژی به آن اعمال می شود، سیلیکون زیر آن پذیرای الکترونهای آزاد شده می شود و همانند یک خازن برای آن عمل می کند. بنابر این هر فتوسایت دارای یک شارژ ویژه خود می باشد که هر چه بیشتر باشد، پیکسل روشنتری را ایجاد می کند.

مرحله بعدی در این فرآیند بازخوانی و ثبت اطلاعات موجود در این نقاط است. وقتی که شارژ به این نقاط وارد و خارج می شود، اطلاعات درون آنها حذف می شود و از آنجایی که شارژ هر ردیف با ردیف دیگر کوپل می شود، مثل اینست که اطلاعات هر ردیف پشت ردیف قبلی چیده شود. سپس سیگنال ها در حد امکان بدون نویز وارد تقویت کننده شده و سپس وارد ADC می شوند.

فتوسایت های روی یک CCD فقط به نور حساسیت نشان می دهند، نه به رنگ. رنگ با استفاده از فیلترهای قرمز – سبز و آبی که روی هر پیکسل گذارده شده است شناسایی می شود. برای اینکه CCD از چشم انسان تقلید کند، نسبت فیلترهای سبز دو برابر فیلترهای قرمز و آبی است. این بخاطر اینست که چشم انسان به رنگهای زرد و سبز حساس تر است. چون هر پیکسل تنها یک رنگ را شناسایی می کند، رنگ واقعی (True Color) با استفاده از متوسط گیری شدت نور اطراف پیکسل که به میان یابی رنگ مشهور است، ایجاد می شود.
جدیدا فوجی فیلم در طراحی CCD دست به ابداع جالبی زده است. این شرکت بجای استفاده از آرایش مربعی برای فتوسایت ها، از فتوسایت های کاملا متفاوت هشت ضلعی بزرگتری که در ردیفهایی با زاویه 45 درجه مرتب شده اند استفاده کرده است. با این کار مشکل نویزهای سیگنال که برای فشردگی فتوسایتها بر روی CCD محدودیت ایجاد می کرد حل شده است. با این کار رنگهایی واقعی تر و محدوده دینامیکی وسیعتر و حساسیت به نور بالاتر به دست می آید که نتیجه آن عکسهای دیجیتالی شارپ تر و با رنگهای جذاب تر می باشد.

 

Ccd در اواخر دهه 1960 توسط محققان آزمایشگاه بل اختراع شد و در اول تصور می شد که یک حافظه کامپیوتری است اما به زودی معلوم شد که ccd کاربری های دیگری هم دارد مانند تصویر گیری چرا که حسگرهای سیلیکون نوری در خود داشتند و مانند موتور در ماشین سنسورهای ccd در دوربین های دیجیتالی برای عکس گرفتن به صورت ابزار اصلی کار می کنند. در فرم بسیار ابتدایی سنسورهای ccd، چشم های الکترونیکی برای دوربین هستند که نور را می گیرند و تبدیل به عکس می کنند و متعاقب آن سیگنال هایی را ساتع می کتنند که باغث می شود تصویر دیجیتالی به وجود آید.

در اصل پرده شبکیه دوربین شماست .CCD یک مدار مجتمع خیلی حساس است که از دانه هائی تشکیل شده که با دریافت نور و تبدیل آن به جریان الکتریکی ، هرکدام از این دانه های حس گر ، جریان را ذخیره کرده و سپس تخلیه می کند. درحال حاضر به طور وسیعی در دوربینهای دیجیتال عکاسی و فیلمبرداری از CCD استفاده میشود.دستگاه های دیگری نیز مانند تلسکوپ های نجومی و حتی سیستم های خوانش بارکد از CCD استفاده می کنند.تعداد حس گرهای تشکیل دهنده هر CCD ، رزولوشن تصویر ثبت شده توسط دوربین را تعیین می کند که این مقدار معمولا بر مبنای مگا پیکسل تعریف می شود.در واقع عدد چند میلیونی که برای تصویر شما تعریف می شود ، حاصل ضرب تعداد نقاط طول در عرض CCD است. یک CCD خوب می تواند تصویر شما را در حداقل میزان نور محیط ثبت کند و کیفیت و رزولوشن را به خوبی حفظ کند.البته CCD دربین حس گرها ، نسبت به ضربه حساسیت بیشتری دارد. 

Ccd chip چیست؟
Ccd از دهها هزار عنصر تصویر (pixel) تشکیل شده است که بر روی یک chip (تراشه) نازک 1.2″, 1.3″, 1.4″ هستند. هر پیکسل به نوری که روی آن می افتد واکنش نشان می دهد به وسیله ذخیره کردن بار الکتریکی بر روی شبکه های دقیق و ثبت کردن امواج افقی و عمودی که به وسیله سیگنال ها به سمت جریان ویدئویی حمل می شوند. این انتقال سیگنال ها هر 60 مرتبه در ثانیه ظاهر می شوند.

Ccd chip 1.3″ بیشترین استفاده را این روزها دارد.

سایز قطری این chip 5.5 mm، افقی 4.4 mm و عمودی 3.3 mm است.

سنسور ‌1.4″ در این اواخر به طور گسترده ای بر روی دوربین های رنگی استفاده می شود که سایز قطری آن 4 mm،‌ افقی 3.2 mm و عمودی 2.4 mm است.

شاترهای الکنریکی ccd chip ها نقش مهمی را در داشتن یک تصویر واقعی و خوب ایفا می کنند.

اساس کار ccd هم دقیقا به شکل چشم انسان است یعنیccd نوری را که از طریق لنز به سمت ccd هدایت می شود گرفته و تبدیل به تصویر می کند دقیقا مانند چشم هر چه نور کمتر شود رنگ های تصویری که توسط دوربین برداشته شده اند کدر شده که در دوربین های معمولی با بالا رفتن درصد تاریکی این کدر شدن به سمت سیاه میل کرده و در نهایت منجر به از بین رفتن تصویر می شود.

در دوربین هایی که از تکنولوژی های خاص برای تصویر برداری در تاریکی استفاده می کنند ( low lux، day & night و ir (در سر فصل مربوط به صورت کامل در مورد شیوه های تصویر و هر سه این سه حالت و تفاوت های آن توضیح داده خواهد شد. این کدر شدن رنگ ها، باعث از بین رفتن رنگ و سیاه و سفید و سفید شدن تصویر می شود.) به طور کلی تصویر تمامی دوربین هایی که قادر به تصویر برداری در تاریکی (مطلق و نسبی) هستند، در تاریکی سیاه و سفید است.
امروزه از هر دو نوع حسگر بطور گسترده در دوربین های عکاسی دیجیتال استفاده می شود . بعنوان مثال شرکت کانن در دوربین های SLR خود همگی از سنسورهای CMOS استفاده می کند در حالیکه شرکت نیکون از هر دو نوع سنسور بهره میگیرد.
بطور کلی تفاوت کیفی زیادی بین این دو نوع سنسور وجود ندارد اما حسگرهای سی ماس کم مصرف تر بوده و در شرایط کم نور یا نوردهی های طولانی عملکرد بهتری دارند .
ضمناً از نظر فنی نمی توان سنسورهای CCD را در ابعاد فول فریم ( 24×36میلیمتر ) تولید کرد .

CCD چیست ؟
CMOS بهتر است یا CCD ؟

مهمترین ویژگی یک دوربین دیجیتال ، مشخصات سنسور آن است که اثر مستقیم بر روی کیفیت تصاویر آن دارد . در معرفی دوربین , مشخصات سنسور تحت عنوان های : Imaging Element , Image Sensor یا اسامی مشابه ذکر شده است .مهمترین پارامتر سنسور , وضوح یا تعداد نقاط تشکیل دهنده تصویر است که در معرفی سنسور ذکر میشود .مثلا 6 مگاپیکسل . معمولا در معرفی وضوح از دو عبارت : Effective pixels ( پیکسل های موثر ) و Total pixels ( تعداد کل پیکسل ها ) استفاده میشود که تعداد پیکسل های موثر , کمتر از تعداد کل پیکسل ها ی آن بوده و آنچه اهمیت دارد تعداد پیکسل های موثر است . بخشی از سطح سنسور عملا با یک رنگ سیاه پوشانده شده است و سازندگان سعی دارند با تنظیم ابعاد تصویر , روی سنسور یک نسبت ابعاد استاندارد ایجاد نمایند .سنسور ها معمولا از انواع CCD , CMOS یا Super CCD میباشند .

1. سنسور سی سی دی ( CCD Charge-Coupled Devices )

این نوع سنسور در اکثر دوربینهای دیجیتال امروزی به کار رفته است . آنها از میلیونها سلول نوری تشکیل شده اند. هر سلول میزان روشنایی نوری که به آن تابیده می شود را به ولتاژ الکتریکی تبدیل میکند . ccd ها در برخی اسکنر ها هم استفاده شده اند و دارای تعداد نقاط (resolution) متفاوتی هستند .

مزیت های سنسور CCD نسبت به سنسور CMOS عبارتند از :

حساسیت CCD به نور بشتر از CMOS است . بنابراین عکس ها در شب (Night) و داخل خانه (indoor) در دوربینهای CCD بهتر از CMOS است .

CCD نویزپذیری بسیار کمی دارد اما CMOS به نویز تصویر (اختلال تصویر) بسیار حساس است , که باعث شده یک پردازنده کامپیوتری مخصوص , جهت کاهش یا حذف نویز در دوربینهای CMOS تعبیه شود بنابر این زمان پردازش هر تصویر , طولانی تر از دوربین CCD خواهد بود .

فناوری دیگر که با سنسورهای CCD در رقابت است سیموس یا CMOS نام دارد . CMOS مخفف عبارت
( Complementary Metal Oxide Semiconducter ) بوده , یک روش ساخت تراشه های الکترونیکی (IC) میباشد .

 مزیت های سنسورهای CMOS نسبت به
سنسور CCD عبارتند از :

CMOS در مقایسه باCCD مصرف انرژی کمتری دارد که این یک ویژگی مهم برای کاربران دوربین های دیجیتال است . این دوربین ها در حدود 3/1 تا 10/1 دوربینهای معادل CCD انرژی مصرف می کنند .

 تجهیزات الکترونیکی جانبی که برای یک دوربین لازم است میتواند به صورت مجتمع روی خود تراشه CMOS قرار داده شود . اما در مورد CCD به این صورت نیست و اضافه کردن تجهیزات برای کنترل نوردهی و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال به صورت جداگانه صورت میگیرد . این عامل باعث میشود تا دوربین های مبتنی بر CMOS ارزانتر, کوچکتر و سبک تر ساخته شوند.
به علت تفاوت در ساختار الکترونیکی دوربین های CMOS , مشکل نورگیری بیش از حد تصویر (Over exposure) کمتر به وجود می آید .
برای آشنایی با دیگر مشخصه های دوربین های دیجیتال پس از عضو شدن در سایت از قسمت داونلود رایگان آموزش عکاسی فایل آموزش عکاسی حرفه ای را دریافت و مطالعه نمایید .

تکنولوژی ccd چیست؟
Ccd در اواخر دهه 1960 توسط محققان آزمایشگاه بل اختراع شد و در اول تصور می شد که یک حافظه کامپیوتری است اما به زودی معلوم شد که ccd کاربری های دیگری هم دارد مانند تصویر گیری چرا که حسگرهای سیلیکون نوری در خود داشتند و مانند موتور در ماشین سنسورهای ccd در دوربین های دیجیتالی برای عکس گرفتن به صورت ابزار اصلی کار می کنند. در فرم بسیار ابتدایی سنسورهای ccd، چشم های الکترونیکی برای دوربین هستند که نور را می گیرند و تبدیل به عکس می کنند و متعاقب آن سیگنال هایی را ساتع می کتنند که باغث می شود تصویر دیجیتالی به وجود آید.

Ccd chip چیست؟
Ccd از دهها هزار عنصر تصویر (pixel) تشکیل شده است که بر روی یک chip (تراشه) نازک 1.2″, 1.3″, 1.4″ هستند. هر پیکسل به نوری که روی آن می افتد واکنش نشان می دهد به وسیله ذخیره کردن بار الکتریکی بر روی شبکه های دقیق و ثبت کردن امواج افقی و عمودی که به وسیله سیگنال ها به سمت جریان ویدئویی حمل می شوند. این انتقال سیگنال ها هر 60 مرتبه در ثانیه ظاهر می شوند.

Ccd chip 1.3″ بیشترین استفاده را این روزها دارد.

سایز قطری این chip 5.5 mm، افقی 4.4 mm و عمودی 3.3 mm است.

سنسور ‌1.4″ در این اواخر به طور گسترده ای بر روی دوربین های رنگی استفاده می شود که سایز قطری آن 4 mm،‌ افقی 3.2 mm و عمودی 2.4 mm است.

شاترهای الکنریکی ccd chip ها نقش مهمی را در داشتن یک تصویر واقعی و خوب ایفا می کنند.
اساس کار ccd هم دقیقا به شکل چشم انسان است یعنیccd نوری را که از طریق لنز به سمت ccd هدایت می شود گرفته و تبدیل به تصویر می کند دقیقا مانند چشم هر چه نور کمتر شود رنگ های تصویری که توسط دوربین برداشته شده اند کدر شده که در دوربین های معمولی با بالا رفتن درصد تاریکی این کدر شدن به سمت سیاه میل کرده و در نهایت منجر به از بین رفتن تصویر می شود.
در دوربین هایی که از تکنولوژی های خاص برای تصویر برداری در تاریکی استفاده می کنند ( low lux، day & night و ir (در سر فصل مربوط به صورت کامل در مورد شیوه های تصویر و هر سه این سه حالت و تفاوت های آن توضیح داده خواهد شد. این کدر شدن رنگ ها، باعث از بین رفتن رنگ و سیاه و سفید و سفید شدن تصویر می شود.) به طور کلی تصویر تمامی دوربین هایی که قادر به تصویر برداری در تاریکی (مطلق و نسبی) هستند، در تاریکی سیاه و سفید است.

اما DSP دی اس پی که مخفف پردازش سیگنال های دیجیتال هست
هممون می دونیم که چه بخوایم و چه نخوایم این روزا همه چیز به سیگنال مربوط می شه و یه جورایی علم و مهندسی را در برگرفته مثل ولتاژهای تولید شده به وسیله ی مغز و قلب ، انعکاس های رادار و ردیاب آوایی ( سونار )، لرزه ی لرزه نگار ها و کاربردهای بی شمار دیگری خلاصه در یک کلام پردازش سیگنال های دیجیتال علم استفاده از کامپیوتر برای درک این طور داده ها هست 

این فناوری دامنه اهداف زیادی را در بر می گیره مثل : فیلترینگ ، تشخیص مکالمه مقایسه داده ها ، شبکه های عصبی و … کلا الان این دی اس پی یکی از قوی ترین فناوری های قرن 21 هست که حسابی همه جا را فرا گرفته فکر کنید که بیایم یه مبدل آنالوگ به دیجیتال به کامپیوتر وصل کنیم و با اون داده های حقیقیمون را دریافت کنیم !!.

اگر اصولی تر بخواهید یک تصویر را می توان توسط تابع دوبعدی f(x,y) که در آن X و Y را مختصات مکانی و مقدار f در هر نقطه را شدت روشنایی تصویر درآن نقطه می نامند. اصطلاح سطح خاکستری نیز به شدت روشنایی تصاویر مونوکروم اطلاق میشود . تصاویر رنگی نیز از تعدادی تصویر دوبعدی تشکیل می شود.

زمانی که مقادیر X و Y و مقدار f(x,y) با مقادیر گسسته و محدود بیان شوند ، تصویر را یک تصویر دیجیتالی می نامند. دیجیتال کردن مقادیر X و Y را Sampling و دیجیتال کردن مقدار f(x,y) را Quantization گویند.

برای نمایش یک تصویر M * N از یک آرایه دو بعدی ( ماتریس) که M سطر و N ستون دارد استفاده می کنیم . مقدار هر عنصر از آرایه نشان دهنده شدت روشنایی تصویر در آن نقطه است. در تمام توابعی که پیاده سازی خواهیم کرد ، هر عنصر آرایه یک مقدار 8 بیتی است که می تواند مقداری بین 0 و 255 داشته باشد. مقدار صفر نشان دهنده رنگ تیره ( سیاه ) و مقدار 255 نشان دهنده رنگ روشن ( سفید ) است.

به عنوان مثال تصویر زیر که سایز آن 288 * 265 است از یک ماتریس که دارای 288 سطر و 265 ستون است برای نمایش تصویر استفاده می کند .
هر پیکسل از این تصویر نیز مقداری بین 0 و 255 دارد . نقاط روشن مقادیری نزدیک به 255 و نقاط تیره مقادیر نزدیک به 0 دارد. همه توابع پردازش تصویر از این مقادیر استفاده کرده و اعمال لازم را بر روی تصویر انجام می دهند
ببینید در صنعت تصویر برداری، در ابتدا از تصاویر آنالوگ استفاده میکردن و اگر هم میخواستن روی اونها تحلیلی انجام بدن؛ همین تصاویر آنالوگ رو تحلیل میکردن .. خب همونطور که میدونید کار در حوزه ی آنالوگ خصیصه هایی از قبیل فاز و فرکانس و …. رو شامل میشه که یک مقدار جزئیات پردازش رو مشکل میکرد .. مضاف بر اینکه اگر میخواستن دو تصویر رو باهم جمع یا از هم کم کنن(منظور عملیات ریاضی هست..) به مشکلات زیادی برخورد میکردن .. برای همین بود که به فکر افتادن تا از حوزه ی پیوسته به حوزه ی گسسته نقل مکان کنن (Spatial Domain) و پردازش رو در اون حیطه انجام بدن .. حالا این بحث گسسته بود که کم کم ایده ی دیجیتالی شدن تصاویر رو به وجود آورد ..