دوربین‌های CMOS (تکمیلی اکسید فلزی-نیمه‌رسانا) نوعی دستگاه تصویربرداری هستند که از حسگر تصویر برای ثبت نور مرئی به عنوان سیگنال الکترونیکی استفاده می‌کنند. این نوع دوربین ها از فیلم فتوشیمیایی برای گرفتن عکس یا فیلمبرداری استفاده نمی کنند. در عوض، سیگنال الکترونیکی در حافظه داخلی یا یک دستگاه متصل از راه دور ثبت می شود. فناوری CMOS تا همین اواخر نابالغ بود و سنسورهای تصویر CMOS در حال افزایش محبوبیت هستند.

عملکرد دوربین CMOS

پس از شروع عملکرد ضبط دوربین، لنز دوربین نور را از طریق دیافراگم دوربین، فیلترهای نور و روی حسگر تصویر الکترونیکی متمرکز می کند. سنسور تصویر در یک الگوی شبکه ای مرتب شده است که هر مربع مجزا یک پیکسل نامیده می شود. سنسور تصویر نمی تواند رنگ نور ثبت شده را تعیین کند، فقط شدت آن را تعیین می کند. رنگ معمولاً با استفاده از یک فیلتر رنگی مشخص می شود که تنها یک رنگ نور از طیف مرئی را به هر پیکسل می دهد. فیلتر رنگ معمولاً در یک الگوی فیلتر Bayer قرار می گیرد که برای میانگین رنگ های یک مربع 2×2 پیکسل استفاده می شود. از آنجایی که فیلتر مقداری عدم دقت ایجاد می کند، هرگونه تغییر رنگ درون یابی نامیده می شود. یک روش جداگانه برای شناسایی رنگ از حسگرهای تصویر جداگانه استفاده می کند که هر کدام به گرفتن بخشی از تصویر رنگی، مانند یک رنگ اختصاص داده شده است، و نتایج برای تولید تصویر تمام رنگی ترکیب می شوند. آنها معمولاً به جای داشتن فیلترهای یکپارچه روی حسگرها، از دستگاه های جداسازی رنگ مانند تقسیم کننده های پرتو استفاده می کنند.

فیلتر بایر نور مسدود کننده بایر و فیلتر تشکیل می شود

فیلتر Bayer روی سنسور تصویر

در دوربین‌های CMOS، چندین ترانزیستور بار فوتون به الکترون را مستقیماً از پیکسل تقویت می‌کنند. این اجازه می دهد تا هر پیکسل به صورت جداگانه آدرس داده شود، یا به صورت موازی به عنوان یک مجموعه خوانده شود. سنسور تصویر CMOS دو حالت دارد، حالت جریان و حالت ولتاژ. سنسورهای CMOS حالت جریان از رابطه خطی ولتاژ دروازه ترانزیستور بازخوانی و جریان خروجی از ترانزیستور برای تعیین شدت نور فیلتر شده استفاده می کنند. حسگرهای CMOS حالت ولتاژ دارای یک ترانزیستور در پیکسل هستند که به عنوان دنبال کننده منبع عمل می کند. ولتاژ ترانزیستور یک تابع خطی و تخمینی از شدت نور ثبت شده در هر پیکسل است. این فرآیند چندین بار در ثانیه تکرار می شود ( نرخ فریم ) و ولتاژها دیجیتالی شده و در حافظه ذخیره می شوند. هنگامی که تصاویر دوباره پخش می شوند، دوربین تعداد زیادی عکس متوالی را ثبت کرده است که ظاهر یک شی را در حال حرکت ایجاد می کند.

تصویر عملکرد سنسور تصویر CMOS

مزایای CMOS

با وجود توسعه پیچیده خود سنسورهای تصویر CMOS، سیستم‌های تصویربرداری CMOS در کل ساده‌تر هستند. سنسورهای CMOS نسبت به CCD تا حدودی پاسخگوتر هستند و سرعت تصویربرداری بالاتری دارند. بازخوانی پیکسل در حسگرهای CMOS امکان بازخوانی پنجره های مورد علاقه را فراهم می کند که برای فشرده سازی تصویر، تشخیص حرکت و ردیابی هدف مفید است. سنسورهای تصویر CMOS نیز به میزان قابل توجهی انرژی کمتری نیاز دارند. سنسورهای تصویر CMOS می توانند تصاویری با کیفیت قابل مقایسه و تقریباً بدون هیچ اثر شکوفایی تولید کنند.

تولید دوربین CMOS

هنگام ضبط تصاویر، چندین ویژگی دوربین باید بر اساس کیفیت تصویر مورد نیاز، روش پخش، و ویژگی هایی که ممکن است ضبط ویدیو را در شرایط ضبط خاص بهبود بخشد، در نظر گرفت.

کیفیت ویدیو

لنز

صرف نظر از روش ثبت تصویر دوربین، لنز مهم ترین جزء در مورد فیلم برداری با کیفیت بالا باقی می ماند. لنزها برای اصلاح انحرافات نوری که در هنگام ضبط ویدیو رخ می دهند، ساخته شده اند و طیف گسترده ای از لنزهای دوربین برای سناریوهای مختلف ضبط وجود دارد. لنزها در چندین کاربرد استاندارد و سبک های نصب وجود دارند.

لنز مانت C گرافیک پشتی فلنگ لنز مانت CS گرافیک لنز مانت S

لنزهای نصب CS/C/S

لنزهای C-mount دارای فاصله فلنجی 17.5 میلی متری هستند و برای دوربین های C-mount مورد نیاز هستند. در مقایسه، لنزهای CS-mount دارای فاصله 12.5 میلی متری از پشت فلنج هستند. لنزهای CS-mount به دلیل فاصله کانونی عقب کمتری که دارند، نمی توانند با دوربین های C-mount استفاده شوند. C-mount دارای قطر 1 اینچ و رزوه نصب 32 نخ در هر اینچ است.
دوربین های CS-mount می توانند از لنزهای C-mount و CS-mount استفاده کنند. با این حال، لنزهای C-mount به آداپتور 5 میلی متری یا تنظیمات دوربین CS-mount نیاز دارند. لنزهای CS-mount به دلیل فاصله کانونی کمتری که دارند، فقط با دوربین های CS-mount قابل استفاده هستند. CS-mount دارای قطر 1 اینچ و رزوه نصب 32 نخ در هر اینچ است.
S-mount یک پیکربندی نصب کوچکتر است که در دستگاه هایی مانند دوربین های رایانه شخصی و دوربین های نصب شده روی برد استفاده می شود. پایه های S از رزوه های M12 x 0.5 استفاده می کنند.
یک لنز F-mount از یک پایه سرنیزه ای استفاده می کند که توسط نیکون استاندارد شده است.

نقشه فنی مکانیکی پایه لنز F

ابعاد لنز مانت F

قطعنامه

هنگامی که یک ولتاژ به مبدل آنالوگ به دیجیتال رسید، یک کد باینری برای تفسیر به آن اختصاص داده می شود. به هر پیکسل با توجه به عمق بیت مبدل مقداری مربوط به دامنه سیگنال داده می شود. یک ADC با وضوح 10 بیتی به هر پیکسل مقداری بین 0 تا 1024 (2 10 ) اختصاص می دهد که نشان دهنده شدت نور در مقیاس خاکستری است.

رزولوشن کیفیت تصویر هنگام مشاهده است. برای دوربین های دیجیتال، وضوح به تعداد پیکسل ها (افقی و عمودی) بستگی دارد. در اندازه استاندارد، پیکسل‌های بیشتری جزئیات عکس را واضح می‌کنند، اما وقتی بزرگ‌تر می‌شوند، پیکسل‌ها در اثری به نام پیکسل‌سازی آشکار می‌شوند. این شبیه دانه روی فیلم است. وضوح دوربین دیجیتال معمولاً با مگاپیکسل (MPx) اندازه گیری می شود که هر مگا نشان دهنده یک میلیون پیکسل مربع است. وضوح بالا به عنوان وضوح 1280 x 720 پیکسل یا بیشتر در نظر گرفته می شود.

نرخ فریم

این تعداد عکس گرفته شده با فریم در ثانیه اندازه گیری می شود. چشم انسان قادر است بین 10 تا 12 تصویر مجزا در هر ثانیه متمایز کند. هر چیزی بیشتر و تغییرات سریع تصاویر توهم حرکت را ایجاد می کند. نرخ فریم دوربین‌های منفرد بسیار به روش پخش و قلمرو یا کاربرد خاص دوربین بستگی دارد، که هر دو به طور کامل در زیر پوشش داده شده‌اند.

سرعت شاتر

این مدت زمانی است که نور به سنسور تصویر یا فیلم می رسد. مستقیماً میزان نوردهی را همراه با دیافراگم کنترل می کند. سرعت شاتر آهسته‌تر منجر به ضبط حرکت تار می‌شود. از آنجایی که دوربین‌های CMOS به صورت الکترونیکی فعال می‌شوند، اکثر آنها شاتر دستی را کنار می‌گذارند. در عوض، دوربین‌های دیجیتال می‌توانند یک شاتر الکترونیکی ارائه دهند که سریع‌تر است زیرا هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد.

حساسیت

اینکه دوربین چقدر در شرایط کم نور عکس می گیرد با LUX اندازه گیری می شود. این عددی است که نشان‌دهنده حساسیت یک دوربین است و عدد کمتر LUX در نور کمتر بهتر می‌بیند. دوربین های رنگی و تک رنگ LUX را متفاوت اندازه گیری می کنند.

پخش دوربین

ضبط ویدئو اغلب با مشخصات تعیین شده توسط استاندارد اتخاذ شده در هر منطقه تنظیم می شود. این استانداردها سازگاری ضبط و پخش ویدیو را در رسانه های منطبق مانند انتقال آنالوگ و دیجیتال (مانند PAL، ATSC، DTMB) و دستگاه های ذخیره سازی ویدیوی سخت افزاری (VHS و DVD) تضمین می کنند. اغلب، دوربین ها برای فیلمبرداری از تصاویر تولید می شوند تا با این استانداردها مطابقت داشته باشند. برای خلاصه و اجرای هر استاندارد با راهنمای انتخاب دوربین ویدیویی Engineering360 مشورت کنید .

نصب دوربین

موقعیت یابی دوربین با استفاده از انواع پایه ها انجام می شود. بازوهای قابل گسترش و قابل تنظیم معمول هستند، بنابراین دوربین ها می توانند تغییر مکان دهند. براکت ها برای سودمندترین طرح ها در نظر گرفته شده است. پایه‌هایی مانند تک پایه‌ها و سه‌پایه‌ها، در عین حال که دوربین را در دسترس اپراتورها قرار می‌دهند، پایه‌ای پایدار ارائه می‌دهند. در نهایت، بسیاری از دوربین ها با گزینه عملکرد دستی یا نصب شده روی شانه عرضه می شوند.

دوربین‌های امنیتی اغلب توسط یک براکت بازویی قابل تنظیم با سخت‌افزار استاندارد به دیوار یا سقف نصب می‌شوند و عملکردهای پان و شیب را ارائه می‌دهند. این کار نصب آنها را آسان می کند و کارایی آنها را افزایش می دهد. دوربین‌های امنیتی را می‌توان به‌طور نامحسوس برای ضبط مخفیانه افراد یا به‌طور برجسته برای جلوگیری از رفتار نادرست نصب کرد.

دوربین‌های صنعتی و علمی گاهی اوقات در داخل یک محفظه قرار می‌گیرند تا از دستگاه در برابر محیط‌های متخاصم محافظت کنند. دوربین های صنعتی معمولاً با براکت ها یا یک نوع پایه جداگانه نصب می شوند که حرکات دستگاه را محدود می کند. آنها همچنین ممکن است مقاومت در برابر ارتعاش مکانیکی، که در تنظیمات تولید رایج است، ایجاد کنند. دوربین های علمی از هر پایه ای استفاده می کنند که به بهترین وجه برای تحقیق مناسب است، که ممکن است به معنای قرارگیری غیر معمول باشد. این پایه‌ها ممکن است به‌طور موقت اعمال شوند، ممکن است بسیار کوچک باشند، یا ممکن است دوربین اصلاً نصب نشود. دوربین های علمی به بالاترین درجه انعطاف پذیری در بین گزینه های نصب نیاز دارند.

دوربین‌های سرگرمی به دلیل کیفیت تصویر زیبایی‌شناختی‌شان ارزشمند هستند و تقریباً همیشه از زمانی که مورد استفاده قرار می‌گیرند، روی پایه‌هایی نصب می‌شوند. این پایه ممکن است شامل چرخ هایی برای ردیابی اشیا، سیستم تعلیق برای نگه داشتن اشیاء در فوکوس و سایر وسایل راحتی برای اپراتور دوربین باشد. دوربین‌های سرگرمی همچنین دارای پایه‌های منحصربه‌فردی هستند که می‌توانند زوایای نامنظم دوربین را ثبت کنند، یا ممکن است کل وسایل نقلیه به کارشان اختصاص داده شود.

بازوی دوربین؛ سه پایه; براکت استیل ضد زنگ

ویژگی های دوربین

این مشخصات اغلب در دوربین های فیلمبرداری اختیاری هستند، اما بسته به استفاده، کیفیت فیلم را افزایش می دهند.

برنامه های کاربردی دوربین فیلمبرداری

دوربین های فیلمبرداری بسیار متنوع هستند و به همین دلیل، صدها سبک با ویژگی های مختلف بسته به کاربرد در دسترس هستند. صنایع متداول ارائه شده عبارتند از: پخش/سرگرمی، صنعتی، علمی و امنیتی.

پخش/سرگرمی

این نوع دوربین‌ها برای ضبط فیلم‌های بلند، نمایش‌های تلویزیونی و تبلیغات، پخش اخبار، رویدادهای ورزشی، پخش‌های اینترنتی و دیگر انواع فیلم‌برداری حرکتی مفید هستند که برای پخش با کیفیت بالا در نظر گرفته شده است. این دوربین ها با نرخ فریم استاندارد مشخص می شوند تا مکانیسم های پخش مجدد آنها برای استفاده در دستگاه های سرگرمی بازار خاص سازگار باشد. این نوع دوربین ها به دلیل عدم ایجاد نویز تصویر هنگام نمایش در ابعاد بزرگ، تقریباً همیشه به جای رندر قاب دیجیتال از استوک فیلم استفاده می کنند. رایج ترین استوک فیلم، فیلم 35 میلی متری است. این نوع دوربین‌ها گاهی اوقات برای تجربه‌های ضبط و پخش منحصر به فرد، مانند فیلم‌های سه بعدی یا سینماهای IMAX، استفاده می‌شوند. این دوربین ها همچنین دارای یک واحد ضبط صدا، اعم از جدایی ناپذیر یا بخشی از یک ضبط دو سیستمی خواهند بود.

صنعتی

دوربین های صنعتی برای عیب یابی، تشخیص و بررسی تصادف، شمارش، تشخیص علامت رنگ، تشخیص عیب و نظارت از راه دور طراحی شده اند. کیفیت فیلمبرداری دوربین‌های صنعتی معمولاً بی‌اهمیت است، مشروط بر اینکه بتواند تصاویر حرکتی را به‌طور دقیق ضبط و به تصویر بکشد. در واقع، به دلیل محیط استفاده از آنها، برخی از ویژگی ها ممکن است به طور هدفمند کنار گذاشته شوند تا هزینه ها کاهش یابد. این نوع دوربین ها معمولا دارای کیفیت دیجیتال هستند. کاربردهای رایج عبارتند از؛ دوربین های نصب شده بر روی مارهای لوله کشی؛ مواردی که برای نظارت بر شرایط در یک محیط سمی استفاده می شود. ارائه بازخوانی دیجیتال یا تجزیه و تحلیل محصولات در خط مونتاژ؛ و آنهایی که بر روی سپر خودروها نصب شده اند و از فاصله معکوس خودرو تغذیه می کنند. دوربین های لاین اسکن می توانند در نظارت بر تضمین کیفیت مفید باشند. دوربین‌های لاین اسکن داده‌ها را در یک ردیف پیکسل به جای نمایشگر کامل ضبط می‌کنند. این برای نظارت بر جریان مواد متحرک، مانند یک خط مونتاژ، مفید است.

علمی

دوربین‌هایی که برای تحقیقات و مطالعات علمی در نظر گرفته شده‌اند معمولاً دارای برخی ویژگی‌های اختصاصی هستند که در سایر سبک‌های دوربین گنجانده نشده است تا به عملکرد خاصی از تحقیق کمک کنند. این می تواند شامل تنظیمات در نور کم، اجزای شناور، نرخ فریم بسیار بالا، سازگاری با اتاق تمیز، ضبط طیف های مختلف نور، اندازه های کوچک، یا مقاومت در برابر مواد شیمیایی و سایش باشد. از این دوربین ها می توان برای تحقیق در مورد همه چیز از اکتشافات فضایی گرفته تا زیست شناسی مولکولی استفاده کرد. این دوربین‌ها معمولاً اتصال بالایی دارند، بنابراین می‌توان فیدهای تصویر را به چندین دستگاه ضبط، فرستنده یا رایانه ارسال کرد. دوربین های علمی اغلب می توانند فید صوتی همگام شده را حذف کنند تا هزینه های نامطلوب خود را کاهش دهند.

امنیت

دوربین‌های امنیتی در بسیاری از مناطق شهری و همچنین مکان‌هایی که کالاهای با ارزش نگهداری می‌شوند رایج است. این نوع دوربین ها برای ارائه نظارت از راه دور و محافظت از افراد و اموال در برابر تجاوز طراحی شده اند. با متمرکز کردن چندین فید امنیتی، یک افسر امنیتی آموزش دیده می تواند یک نگهبان در همه جا را فراهم کند، که اغلب برای دلسرد کردن مجرمان بالقوه کافی است. این دوربین ها همچنین برای ارائه یک تاریخچه قابل اعتماد از وقایع استفاده می شود که می تواند برای شناسایی و محاکمه مجرمان ادعایی مورد استفاده قرار گیرد. دوربین‌های امنیتی معمولاً با محفظه‌های ضد دست‌خوردگی یا محافظ تولید می‌شوند. این دوربین ها همچنین با ردپاهای بسیار کوچک یا لباس های مبدل برای کمک به جاسوسی یا نظارت مخفی در دسترس هستند. فیدهای صوتی با این نوع دوربین اختیاری است، اما برخی از دوربین‌هایی که در مکان‌های ناخوشایند قرار می‌گیرند می‌توانند به طور خودکار تیراندازی را شناسایی کرده و به مقامات هشدار دهند.

منبع

globalspec

Anti-Blooming : اشباع زمانی اتفاق می افتد که نوری که حس می شود از ظرفیت یک پیکسل برای انتشار الکترون فراتر رود. شارژ بیش از حد می‌تواند به پیکسل‌های مجاور وارد شود و باعث ایجاد لکه‌ها یا رگه‌های روشن بر روی تصویر شود، وضعیتی که به آن شکوفایی می‌گویند. گیت های ضد شکوفه بار اضافی را حذف می کنند و می توانند گلدهی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند، اما اغلب به قیمت کاهش حساسیت است.
لنز خودکار : عملکرد لنز خودکار حالتی است که در آن عنبیه لنز به طور خودکار تنظیم می‌شود تا سطح نور از پیش تعیین‌شده‌ای را در دستگاه دریافت تصویر حفظ کند. دوربین‌های دارای حالت لنز خودکار نیز ممکن است فوکوس خودکار لنز را فراهم کنند.
پایه برد : اپتیک دوربین مستقیماً روی برد مدار چاپی (PCB) نصب می شود. اغلب PCB ها اجزای دستگاه های بزرگتر هستند.
سنسور خنک کننده : سنسورها به طور فعال توسط عنصر Peltier یا روش های دیگر خنک می شوند. خنک کننده نویز "جریان تاریک" را کاهش می دهد و حساسیت را بهبود می بخشد.
گنبد : دوربین ها در یک گنبد محافظ ساخته شده از موادی مانند اکریلیک یا پلی کربنات قرار می گیرند. به طور معمول، این مواد برای گرفتن تصویر دقیق تصحیح نوری می شوند. این می تواند یک محفظه ضد دستکاری معمولی برای استفاده امنیتی ایجاد کند.
کنترل بهره : کنترل بهره خودکار (AGC) از مدارهای الکترونیکی برای افزایش سیگنال های ویدئویی در شرایط کم نور استفاده می کند. این می تواند نویز و متعاقباً دانه بندی در تصویر ایجاد کند. به طور معمول، AGC غیرفعال است و مشخصات با خاموش بودن این ویژگی ارائه می شود.
تصحیح گاما : گاما رابطه غیرخطی بین سطح سیگنال ویدیویی و روشنایی عنصر تصویر بعدی است. تصحیح گاما این غیرخطی بودن را جبران می کند تا تصویر را به رنگ واقعی درآورد و در عین حال شدت را به جسم اصلی ارائه دهد.
کیفیت بالا : کیفیت بالا یک استاندارد ویدیویی است که وضوح تصویر بالاتر، تصویر بزرگتر، رنگ های بیشتر و صدای با کیفیت بالاتر نسبت به استانداردهای معمولی ویدیو دارد. آستانه پایین برای ویدیوی HD 1280 در 720 پیکسل در نظر گرفته شده است.
دوربین با سرعت بالا : دوربین‌های پرسرعت تصاویر را با نرخ فریم بالاتری نسبت به دوربین‌های معمولی ضبط می‌کنند. پس از ضبط، برای مطالعه دقیق اقداماتی که ممکن است زودگذر باشند، می توان تصاویر را با حرکت آهسته پخش کرد. این به ویژه برای مطالعه علمی مفید است، اما کاربردهای متنوعی نیز دارد. تقریباً تمام دوربین‌های پرسرعت مدرن از نظر طراحی دیجیتالی هستند و قادر به ضبط بیش از 1000 فریم در ثانیه هستند. فریم های زیاد در ثانیه پوشش منطقه را قربانی می کند و در عین حال یک فایل بزرگ و غیرقابل تحمل نیز تولید می کند.
دوربین با نور کم : این دوربین ها برای استفاده در موقعیت های تاریک که در غیر این صورت یک دوربین مناسب به سطح نوردهی که قادر به گرفتن یک تصویر باشد نرسیده است استفاده می شود. دوربین ها حاوی حسگرهای تصویری هستند که به طور استثنایی از منابع نوری ظریف آگاه هستند.
حسگرهای بینایی ماشین : حسگرهای بینایی ماشین این قابلیت را دارند که رویدادهای ثبت شده توسط دوربین خود را تجزیه و تحلیل کنند و به اپراتورها هشدار دهند یا بر اساس اطلاعات جمع آوری شده تصمیم بگیرند. به این دوربین های هوشمند نیز می گویند. اگر دستگاه‌های یکنواخت نیستند، دوربین معمولاً از طریق اتصال FireWire، USB یا اترنت به یک رابط رایانه متصل می‌شود.
رتبه بندی در فضای باز : دستگاه های دارای رتبه در فضای باز برای مقاومت در برابر تغییرات دمای بیرون، باران، برف و سایر شرایط آب و هوایی طراحی شده اند.
Pan/Tilt : این دستگاه‌ها دارای ویژگی‌های نصب یکپارچه یا اختیاری هستند که امکان کنترل حرکت از پهلو به پهلو (تبه) و بالا و پایین (شیب) را فراهم می‌کنند.
اسکن پیشرونده : این یک طراحی CCD است که امکان بدست آوردن هر دو میدان زوج و فرد را به طور همزمان فراهم می کند. هر پیکسل حاوی اطلاعات یک فریم کامل است. این فناوری وضوح بالا را بدون استفاده از شاتر مکانیکی امکان پذیر می کند. دوربین‌های اسکن پیشرونده برای گرفتن تصویر از اجسام با حرکت سریع و اندازه‌گیری ابعاد دقیق استفاده می‌شوند.
تشعشع سخت شده : دستگاه ها طوری طراحی شده اند که در مقابل سطوح بالای تشعشع مقاومت کنند. این دوربین ها را می توان در برنامه های کاربردی تاسیسات هسته ای یا در تحقیقات علمی که دستگاه را در معرض تشعشع قرار می دهد، استفاده کرد.
درجه بندی زیر آب : دستگاه ها طوری طراحی شده اند که در صورت غوطه ور شدن کامل در آب کار کنند. این ویژگی را می توان با مسکن پس از فروش اضافه کرد.
بزرگنمایی : دوربین ها با ویژگی طراحی شده اند که به دستگاه اجازه می دهد از نزدیک بر روی اشیاء دور فوکوس کند. زوم اپتیکال وضوح بهتری نسبت به زوم دیجیتال دارد.
ضبط سه بعدی : دوربین قابلیت ضبط تصاویر در سه سطح جهت مجزا را دارد. این برای ثبت عمق یک شی مفید است.

دوربین های CMOS