Новые тенденции и реализации в сенсорных технологиях для будущего живого производства

Клаус Вебер, директор по маркетингу продуктов в Grass Valley, анализирует в этой Tribune последнее поколение датчиков изображений Xensium-Fet и решений передачи третьего поколения.

С растущим импульсом, получение изображений для вещания должно адаптироваться к новым требованиям, чтобы обеспечить совместимость с форматами сигналов. Это включает в себя совместимость с прогрессивными форматами живых событий, увеличение количества камер и расстояния между камерами и контрольными точками.

Сложные аудитории, вдоль широких точек распределения, также заставляют вещатели определять способы улучшения качества своего содержания, повысить их ценность. В ответ на увеличение ограничений ресурсов производство расстояния постоянно рассматривается в качестве альтернативы.

Благодаря бюджетам, которые не увеличиваются пропорционально, необходимы команды с большей эффективностью и гибкостью, чтобы реагировать на отраслевые изменения в течение более длительных периодов времени. Предоставляя исключительные решения для получения изображений, Grass Valley предлагает датчики изображения Xensium-Fe с изображениями 1080p, уникальные без потерь, что поддерживает полную чувствительность. Системы передачи Grass Valley являются наиболее гибким и подготовленным доступным решением для передачи в будущем, а также предлагают прямую интеграцию с системами передачи на большие расстояния других производителей. Интеграция системы камеры с другими живыми производственными компонентами, такими как переключатели и серверы, а также взаимосвязь с третьими лицами возможна благодаря шлюзу подключения шлюза. Серия LDX -это платформа камеры, которая предлагает серию улучшений и обновлений на основе программного обеспечения.

Сравнение между CMO и технологией CCD

Хотя технология CCD была лучшим вариантом для датчиков изображений в вещательных приложениях в течение многих лет, последние поколения CMOS -датчиков в настоящее время предлагают серию преимуществ по сравнению с CCD. Это включает в себя лучшую чувствительность, низкое энергопотребление, меньше тепла и большую интеграцию, с потенциалом для большего разрешения, расширенного динамического диапазона и более высоких скоростей изображения в будущем.

CMOS устанавливает новый стандарт для приложений для трансляции превосходного качества. Затем мы представляем более подробное объяснение различий между технологиями CMOS и датчиков изображения CCD.

Датчики изображения Xensium-Fet: превосходная замена технологии ПЗС

Это правда, что датчики изображений CMOS широко используются во многих приложениях камеры сегодня, но в вещательных камерах они не имели большого использования. Тем не менее, почти все камеры и камеры используют CMOS -датчики изображения в течение нескольких лет. То же самое касается последнего поколения цифровых кинематографических камер, эквивалентных 35 мм. Эти устройства имеют общее, так это то, что они предлагают очень высокое разрешение и основаны на уникальных конструкциях чипов с цветовым разделением в чипе, как правило, по рисунку Bayer.

Grass Valley cree en la adquisición de 3 sensores de imagen y considera que la generación actual de CCDs presente en las cámaras de sistema es la última, y que ahora será reemplazada por una nueva generación de sensores de imagen CMOS.

С момента своего введения в вещательные камеры в 1987 году технология CCD стала важными событиями, но в течение некоторого времени стало ясно, что CCD достигли своих практических ограничений, и большие улучшения не ожидаются. Напротив, существует неоспоримый потенциал с CMOS -датчиками изображений в вещательных приложениях для улучшений в отношении более быстрого считывания для супер медленных приложений камеры, расширенных динамических диапазонов, более высоких разрешений и более низкого шума.

До сих пор эти потенциальные преимущества противодействуют недостаткам «затвора катания», которые присутствовали во всех датчиках изображений CMOS, используемых в вещательных приложениях. Эти эффекты были преувеличены некоторыми производителями, главным образом потому, что им необходимо защищать свои инвестиции, от старения технологии CCD. Кроме того, большинство потенциальных преимуществ технологии датчиков изображений CMOS еще не применимы к вещательным приложениям. Сегодня технологическая панорама датчиков изображений CMOS для трансляции изменилась. Последние датчики изображения решили проблему «затвора катания», сохранив преимущества технологии CMOS. Они также предлагают новый уровень производительности изображения, несравненного с любым другим датчиком изображения, доступным сегодня. Теперь есть убедительный аргумент в пользу датчиков изображений CMOS о замене ПЗС.

Разница в дизайне датчика изображения показывает замечательную разницу в производительности под экстремальным высоким светом. CCD TI, благодаря своей конструкции с транспортными колоннами в части изображения, показывает эффекты переполнения с высоким светом, которые видны в виде белых или цветных вертикальных полос, в верхней и нижней части высокого света. Типичный вертикальный «мазок» составляет -135 дБ, что означает, что он не виден во многих приложениях, но если CCD изменяются на короткое время экспозиции, как и для спортивных событий в условиях дневного света, этот вертикальный «мазок» может быть действительно видным, если в сцене есть высокие огни.

Датчики изображений CMOS, благодаря их структуре, никогда не покажут никаких основных эффектов высокого света или полосы.

3T пикселей против пикселей 5T: Почему это важно?

CMOS -датчики изображений, используемые до сих пор в вещательных приложениях (включая камеры LDK 3000 долины) использовали 3T пикселей.

Это означает, что каждый пиксель имеет три транзистора. В этих пикселях фотодиод преобразует входящий свет (фотоны) в сигнальную нагрузку (электроны). Эта нагрузка на сигнал хранится внутри плавающего диффузионного конденсатора, который подключен непосредственно с фотодиодом. Транзистор (транзистор SFT в центре), который непосредственно подключен к фотодиоду и плавающему диффузионному конденсатору, преобразует нагрузку на сигнал в напряжение. Второй транзистор (транзистор SEEL справа), переключите сигнал на чтение. После прочтения сигнала третий транзистор (первое транзистор слева) восстанавливает фотодиод и плавучий диффузионный конденсатор, чтобы можно было инициировать следующее время воздействия. Поскольку нет места для памяти «en-пикселя», очевидно, что время экспозиции и время чтения не могут быть отделены друг от друга, в дизайне пикселей 3T. Поскольку пиксели должны быть прочитаны один за другим, каждый пиксель имеет свой старт и конец, время экспозиции. Следовательно, датчики изображений CMOS, которые используют пиксели 3T, всегда будут показывать поведение «катящегося затвора».

Новые датчики изображений ксаина ксайна в долине травяной долины основаны на дизайне пикселей 5T. Первый из дополнительных транзисторов (TXG или Transfer Door Transistor) используется для управления передачей сигнала нагрузки из фотодиода внутри плавающего диффузионного конденсатора.

После того, как передача была выполнена, транзистор открывает связь между двумя компонентами, и фотодиод может быть восстановлен транзистором SG и запустить новую выставку. Нагрузка сигнала, которая хранится в плавающем диффузионном конденсаторе, может быть прочитана при необходимости. После прочтения сигнала дополнительный транзистор восстановления (RST Transistor) восстановит плавучий диффузионный конденсатор, чтобы подготовить его к следующему переносу сигнала от фотодиода. Два дополнительных транзистора на пиксель позволяют отделить период воздействия от периода передачи. Благодаря этому датчик изображения Xensium FT обеспечивает так называемое поведение «глобального затвора», идентичное всем датчикам CCD. Датчики изображения Xensium-Fet не имеют никаких ограничений предыдущих датчиков CMOS с «затвором катания», таких как чувствительность к быстрым движениям камеры с коротким временем экспозиции,
и чувствительность к короткому свету мигает.

В связи с этим, новые датчики изображения Xensium-Fet не имеют разницы ни с одним из лучших датчиков CCD, используемых сегодня.

Почему пиксели 5T сейчас?

Если два дополнительных транзистора на пиксель так важны для CMOS -датчиков изображений, почему никто не реализовал их раньше? Исторический взгляд на производство чипсов отвечает на этот вопрос. HD -датчик изображения 2/3 дюйма с прогрессивными пикселями 1920 × 1080 имеет размеры пикселей 5 мкм x 5 мкм. Когда был разработан оригинальный датчик изображения Xensium 3T, была доступна технология маски 0,25 мкм.

Используя эту технологию маски, три транзистора потребляют около 44 процентов от общего размера пикселя, и только оставшиеся 56 процентов пикселя могут быть использованы для преобразования входящего света в нагрузку на сигнал. Это описывается как коэффициент заполнения. С двумя дополнительными транзисторами, необходимыми для пикселя 5T, коэффициент заполнения составит примерно 40 процентов, поэтому чувствительность с 5T пикселями была бы неприемлемой 1/3 незначительной.

В чем разница в новом датчике изображения Xensium-Fet? Новый датчик изображения Xensium-Fet, который разработал совсем недавно, использует маску 0,18 мкм, а транзисторы становятся намного меньше. Следовательно, датчик изображения Xensium-FT 5T предлагает пиксель с коэффициентом заполнения, аналогичным исходному датчику изображения Xensium 3T.

Преимущества в прогрессивных форматах и чувствительности

Каковы основные преимущества текущей технологии датчика изображений CMOS против ПЗС? Ответ начинается с чего -то, что сначала кажется недостатком. Чтобы произвести переплетенные форматы, датчики изображения CCD всегда предлагали преимущество в том, что они способны добавлять сигнальную нагрузку двух соседних пикселей, чтобы удвоить нагрузку на сигнал. Поскольку датчики изображения CMOS преобразуют нагрузку сигнала в напряжение внутри пикселя, это аддитивное свойство не может существовать. Однако при рассмотрении прогрессивных форматов проблема движется к датчикам изображения CCD, поскольку они не имеют комбинаторной нагрузки, поэтому два фактора из двух с точки зрения чувствительности (остановка F) теряется.

Кроме того, датчик изображения ПЗС требует более высокой скорости считывания, в то время как CMOS читается параллельно на более низких скоростях. Шум увеличивается с квадратным корнем из полосы пропускания, поэтому дублирование его для прогрессивного режима означает потерять дополнительный квадратный корень (или 3 дБ) на уровне шума, что составляет не менее 9 дБ. Следовательно, в переплетенных режимах датчики изображений ПЗС обеспечивают более чем двойную чувствительность по сравнению с прогрессивными форматами. С CMOS чувствительность в переплетенных режимах и прогрессивными способами одинакова.

До сих пор режимы подметания 1080i использовались в качестве эталона для спецификаций чувствительности, в основном потому, что они показали наилучшие результаты для камер, которые используют датчики изображения CCD. Тем не менее, в будущем прогрессивные форматы (1080p50 или 1080p59.94) будут гораздо важнее, особенно потому, что форматы высокого разрешения будущего (такие как 4K, 8K и начальство) будут реализованы только с использованием прогрессивных мод.

При использовании в 1080i новые датчики изображений ксайью-фут предлагают такую же или лучшую чувствительность. Но в прогрессивных форматах датчики изображений Xensium-Fem обеспечивают улучшение на 6 дБ в чувствительности, выше любой CCD-камеры на рынке.

Одна только эта функция демонстрирует, что наступит окончание срока службы технологии ПЗС в вещательных приложениях.

Почему новые датчики изображения Xensium-Fet более чувствительны по сравнению с текущими датчиками изображения CCD? Все начинается с квантовой эффективности (QE) или индекса падающих фотонов в преобразованных электронах (IPCE). Это процент фотонов, которые сталкиваются с фотореактивной поверхностью устройства, которое производит носители нагрузки.

QE измеряется в электронных электронах или в процентах, который описывает количество электронов, которые производятся фотонами, которые попадают на поверхность. Благодаря текущим датчикам изображения CCD это значение составляет около 40 процентов, в то время как новые датчики изображения Xensium-FE достигают значения, которое составляет около 65 процентов.

Другими словами, для создания того же количества сигнальной нагрузки требуется гораздо меньше света. Эта повышенная чувствительность в настоящее время объединяется с введением «глобального затвора», который разрешает единственный момент, который был использован в качестве аргумента против технологии датчика изображений CMOS («застрявший затвод»). Улучшенная чувствительность в прогрессивных режимах теперь дает четкое преимущество для технологии сенсорных CMOS по сравнению с текущими ПЗС

Разрешение

Другим аспектом датчиков изображения является резолюция, и существует растущая дебаты о 4K -камерах. Реализация датчика изображения Xensium-Fet выгодно сравнивается в этой области.

Полные рабочие процессы 4K оцениваются для «не аливных» приложений, таких как Pilm Style Productions, многие из которых уже были сделаны. 4K становится установленным стандартом пленки, а для больших экранов пленки расширенное разрешение истинного изображения 4K RGB дает реальное преимущество в течение 1920 × 1080 HD -изображений. Для цифровой кинематографической камеры более крупные датчики изображений не являются недостатком, и их даже просят по художественным причинам для достижения так называемого «кинематографа» мелкого поля. Кроме того, для театральных постановок объективные или масштабирующие линзы используются с очень ограниченной доли увеличения и могут быть построены с размерным размером и размером, даже при использовании с более крупными датчиками изображения. Но физические ограничения в диапазоне масштабирования, вызванные большими размерами датчиков изображения, не позволяют этим камерам быть возможностью для живых или развлекательных спортивных производств.

Все 4K -камеры, доступные сегодня, используют один большой датчик изображения, в то время как трансляция HD -камеры используют три 2/3 -дюймовых датчика изображения Full HD. В камере с одним датчиком изображения информация о цвете генерируется разделением света с цветовыми фильтрами перед пикселями. В большинстве случаев для его достижения используется фильтр шаблона Bayer, где 4000 пикселей на линию будут разделены на 2000 зеленых пикселей во всех линиях и 2000 красных пикселей или 2000 синих пикселей в каждой секунде. Другими словами, для зеленого канала будет использоваться только половина разрешения датчика изображения, и будет использоваться только четверть разрешения для красных и синих каналов. При определенных условиях могут быть созданы эффекты «псевдонима». Использование трех датчиков изображения 4K 2/3 дюйма принесет значительную потерю чувствительности, например, при любой конструкции датчика изображения.

Использование трех больших датчиков изображения 4K потребует новых линз, которые были бы слишком большими и тяжелыми. Датчики изображения Xensium-Fem имеют полное разрешение 1920 × 1080 пикселей и всегда будут работать в полном прогрессивном режиме без каких-либо недостатков с точки зрения чувствительности или шума. Разделение трех основных цветов достигается с помощью призму. Таким образом, полное разрешение 1920 × 1080 доступно для трех цветовых каналов (зеленый, красный и синий) без каких -либо неудач. По сравнению с разрешением уникальной камеры датчика изображения 4K, которая использует цветовые фильтры Bayer's Pattern, камера с тремя датчиками изображения Xensium-Fet может предложить преимущества разрешения в цветовых каналах, особенно с новым использованием 1080p для производства. Этот прогрессивный формат двух мегапикселей значительно увеличивает разрешение в любом формате 1,5 г и дает себя превосходным форматом мастеринга, создавая высококачественные преобразования для любого формата, такого как 4K, 1080i и 720p. Следовательно, для применений в прямом эфире использование датчиков изображения Xensium-Fet обеспечит наилучший баланс между разрешением изображения, чувствительностью и подписными отношениями.

Различный уровень сложности и интеграции

Среда ПЗС гораздо сложнее и менее интегрирована по сравнению с средой CMOS. Для выходного узла CCD требуется очень сложная подача высокого напряжения, и все импульсы считывания должны генерироваться за границей.

Выходные сигналы являются аналоговыми, что означает, что их необходимо предварительно обработать, усилить и преобразовать в цифровой домен с внешними преобразователями A/D. Все сигнальные нагрузки должны быть смещены на очень высокой скорости, посредством вертикальных и горизонтальных записей смещения в уникальном выходном узле, где они становятся нагрузкой на напряжение. В связи с этим процессом среды ПЗС имеют очень высокое потребление энергии, генерируют высокие температуры и даже требуют активного охлаждения.

В датчиках изображений CMOS CMOS CMOS-CMOS самая продвинутая обработка интегрирована в сам датчик, что уменьшает сложность общей системы камеры. Нагрузка каждого пикселя показана индивидуально внутри пикселя и становится там напряжением. Напряжение каждого пикселя направлено через матрицу и отправляется на выход. Этот процесс не нуждается в большой энергии, предлагая низкое потребление энергии, небольшое потепление и низкий уровень шума. Результатом является большая стабильность и надежность. Дополнительным преимуществом является то, что датчик изображения имеет более элегантный дизайн и его легче реализовать, что снижает стоимость имущества и повышая производительность.

Следует отметить, что, хотя среда CCD нуждается в четырех больших печатных схемах (ПХБ) на трех небольших печатных платах, которые установлены непосредственно в датчиках изображения CCD, среда CMOS FT не имеет никакой печатной платы на небольшой печатной плате, установленной на трех датчиках изображения. Кроме того, выходной сигнал в среде CCD является только аналоговым, и необходимы дополнительные схемы для усиления, предварительного обработки и оцифровки сигналов. С средой CMOS все сигналы являются цифровыми непосредственно от датчиков изображений

Решения трансмиссии третьего поколения

Существует разделение между теми пользователями, которые внедряют Triax, и теми, кто использует волокно. Triax имеет преимущество в том, что способность использовать существующую кабельную инфраструктуру и чрезвычайно надежна, с легкими кабелями и разъемами. Волокна предлагает больше места для большей пропускной способности и совместимости формата, а также гораздо большую длину кабеля. Однако во многих случаях мы хотим иметь возможность использовать обе системы, в зависимости от производственных требований. Чтобы объединить прочность обеих в одной системе передачи, необходимо было разработать новое поколение решений для передачи камер. Основные компоненты этой системы передачи камер третьего поколения из Grass Valley были представлены на разных международных ярмарках в 2011 году, а в 2012 году был представлен окончательный компонент (устройство для преобразователя 3G 3G 3G).

До тех пор, пока не были доступны растворы трансмиссии 3G травяной долины, вариант для передачи камеры или триакса или волоконной системы. Как только был выбран вариант, пользователи пообещали решение о жизни или столкнулись с серьезными ограничениями при проведении конверсий в этой области. Это привело к уступкам в качестве видео и потерял диагнозы всех передачи. Раствор трансмиссии 3G в травяной долине имеет очень замечательную разницу: это конвергенция текущих триакса и волоконных решений, в одном. Больше нет различий или ограничений. Топология трансмиссии 3G была разработана для реальных потребностей в трансляции: очень длинные предварительно установленные длины кабеля, несколько производственных форматов и необходимость производства изображений самого высокого качества.

Сегодня, с 3G передачи травяной долины, компании внешней вещания (OB) могут сказать «да» любому типу снабжения или тендерного запроса, не учитывая тип кабеля передачи камеры. Это связано с тем, что трансмиссия 3G интегрирует триахас 3G и волокно 3G в одной системе передачи. Решения трансмиссии 3G в долине травяной долины совместимы со всеми видео -форматами HD (включая 1080p50/60), всегда предлагая точно одинаковые функции, полностью независимые от типа кабеля или даже комбинации используемых типов кабеля.

Как указано выше, есть веские причины для выбора волоконных кабелей, и есть веские причины для выбора кабелей Triax. Оба имеют свои сильные стороны, но оба также имеют ограничения, и выбор кабеля должен быть сделан на основе каждого производства. Противоречие волокна может использоваться для большей длины кабеля и предлагает место для дополнительных требований к полосе пропускания, таких как медленные камеры. Трихоновая передача обеспечивает максимальную надежность и надежность в полевых условиях. Кроме того, кабели Triax можно найти практически во всех предварительных учреждениях.

Во многих случаях в производственной среде необходимы как триахас, так и волокна. Например, в карьере
При спускании катания на лыжах можно достичь большинства положений камеры с помощью кабеля Triax или гибридного волоконного кабеля. Тем не менее, некоторые позиции камеры, обычно в игре и находятся далеко от мобильного устройства, могут быть лучше с темными волокнистыми кабелями (уникальный 2X -режим). Они относительно дешевые, и во многих случаях они уже предварительно в этих помещениях. Благодаря 3G Transmission Twin Base Station (с подключением к триаксу и волокнам) вы можете использовать любую комбинацию кабелей камеры, непосредственно от базовой станции: триакса, темного волокна или гибридного волокна (с устройством преобразователя).

Эта гибкость достигается с тем, что обе системы передачи, интегрированные в одну базовую станцию, без каких -либо ограничений. Это отличается от других решений, доступных в настоящее время, которые используют преобразование системы передачи в другом и в которых нельзя избежать ограничений.

Если кабель камеры, который подключен к головке камеры, должен включать в себя пищу, где -то рядом с камерой необходим конвертер полета. В преобразователе два темных волоконных кабеля станут гибридным волоконно -кабелем или кабелем трихакс, в зависимости от адаптера трансмиссии, используемого в головке камеры. На рисунке 10 показаны все различные возможности передачи, когда в головке камеры используется адаптер трансмиссии 3G. Пример производства зимних видов спорта, описанных выше, мог бы использовать комбинацию триакс -камер для камерных позиций вблизи мобильного устройства, а также переход от триахаса в темное волокно для позиций камер, которые находятся далеко от мобильного устройства.