هر آنچه درباره سنسورهای دوربین مداربسته باید بدانید
وقتی صحبت از سنسور تصویربرداری دوربین های مداربسته به میان میاید یعنی با عباراتی مثل CCD، CMOS، Big Pixel ، Small Pixel و … سر و کار داریم. در این نکات بنیادین و مسائل وابسته به سنسورهای تصویربرداری در دوربین های مداربسته را در سرفصل های زیر تشریح کنیم :
- تفاوت سنسور با تصویربردار (Imager)
- CCD و CMOS
- شرکتهای سازنده سنسور تصویربرداری
- عدم اشاره به سنسور توسط شرکتهای سازنده دوربین مداربسته
- سنسور تصویربرداری و رزولوشن دوربین مداربسته
- ابعاد سنسور تصویربرداری
- سایز پیکسل
- رابطه ابعاد سنسور تصویربرداری با میدان دید دوربین مداربسته (FOV)
- رابطه سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته با کارکرد آن در نور کم
- سایز پیکسل دوربین مدار بسته
تفاوت سنسور با تصویربردار (Imager)
متخصصان سیستم های نظارت تصویری به این تجهیزات اصطلاح “سنسور” یا “تصویربردار” را اتلاق می کنند. زمانی که در دوربین های مداربسته و بصورت تکنیکی و فنی به این موضوع نگاه می کنیم تصویربردار(Imager) یک نوع خاصی از سنسورها به حساب می آید. بهمین خاطر است که وقتی حرف از دوربین های مداربسته سیستم های نظارت تصویری به میان می آید از عبارت Imager یا سنسور تصویربرداری استفاده می کنیم.
سنسورهای CCD و CMOS
اساسا دو نوع سنسور تصویربرداری اصلی با نام های CCD و CMOS وجود دارد. امروزه تقریبا در تمام دوربین های مداربسته از سنسور CMOS استفاده شده است و با تنوع بالایی از سنسورها از بدترین تا بهترین ها نیز در دسترس است. البته این موضوع دقیقا عکس آن چیزی است که در یک دهه پیش شاهد آن بودیم که سنسورهای تصویربرداری CCD غالبا مورد استفاده بودند و سنسورهای تصویربرداری CMOS به عنوان گزینه دوم با قیمت و کیفیت بسیار پایینتر در دسترس بودند.
از آنجایی که سنسورهای CCD روزی بهتر بودند، هنوز هم متعصبانه CMOS را گزینه دوم می بینند. البته این یک اشتباه قدیمی و در عمل غیر واقعی است. از طرفی هم اگر تنها بدنبال دوربین مداربسته ای با سنسور CCD باشید عملا باید دور تمام دوربین های مداربسته مدرن را خط بکشید و بهترین برندها و مدل های دوربین مداربسته را نادیده بگیرید.
شرکت های سازنده سنسور تصویربرداری
تعداد شرکت های سازنده سنسورهای تصویربرداری دوربین های مداربسته انگشت شمارند. سازندگان سنسورهای دوربین مداربسته هم مثل شرکتهای سازنده دوربینهای مداربسته معمولا دسته ای از مدل های مختلف را بر اساس سایز سنسور، میزان رزولوشن حداکثری، نرخ ضبط فریم تصاویر و سازگاری با WDR به شرکتهای همکار و خریداران ارائه می دهند.
عدم اشاره به سنسور توسط شرکت های سازنده دوربین مداربسته
شرکتهای سازنده دوربین های مداربسته معمولا نوع یا مدل سنسور تصویربرداری بکار رفته در دوربین های مداربسته برندشان را یا عنوان نمی کنند یا با پنهانکاری جزئیات را ناقص بیان می کنند و اینکار باعث می شود مقایسه بسیاری از دوربینهای مداربسته با یکدیگر غیر ممکن شود. بعضی از شرکتها هم که سنسور مورد استفاده خود را لیست کرده اند تنها به نام شرکت سازنده سنسور اشاره کرده اند و اصلا در مورد مدلها صحبتی نمی شود.
سنسور تصویربرداری و رزولوشن دوربین مداربسته
سنسورهای تصویربرداری با توجه به حداکثر رزولوشن قابل پشتیبانی با یکدیگر فرق دارند. بطور کلی هم این تفاوت رزولوشنها می تواند بر روی رزولوشن کلی دوربین مداربسته تاثیر بگذارد. سنسورهای تصویربرداری متنوعی شامل رزولوشن های VGA، 1.3 مگاپیکسل، 3 ، 5 مگاپیکسلی و .. وجود دارند که امروزه تا 8K در حال پیشرفتند.
ابعاد سنسور تصویربرداری
سنسور تصویربرداری می تواند از ابعاد بسیار بزرگی مثل مدل های DSLR ها تا ابعادی بسیار کوچکی مثل سنسورهای دوربین تلفنهای هوشمند امروزه در دسترس باشند. اما ابعاد سنسورهای تصویربرداری دوربین های مداربسته تقریبا در میانه این طیف قرار گرفته است و کمی از سنسورهای تصویربرداری دوربین گوشی های هوشمند بزرگتر هستند.
در تصویر زیر می توانید تفاوت ابعاد سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته (سمت راست تصویر) و سنسور تصویربرداری دوربینهای دیجیتال امروزی(سمت چپ تصویر) را مشاهده کنید.
در سیستم های نظارت تصویری 95% دوربینهای مداربسته از سنسورهای تصویربرداری با ابعادی بین 1/2” تا 1/4″ استفاده می شود. بیشترین ابعاد مورد استفاده در سیستمهای نظارت تصویری به 1/3” بر می گردد و دوربین های مداربسته با رزولوشن بالای 3 مگاپیکسل تقریبا از سنسور بزرگی استفاده می کنند (تقریبا 1/2.7” تا 1/2.5”). در آخر هم دوربین های مداربسته SD و دوربین های مداربسته 720P از سنسورهای ارزانتر 1/4″ استفاده می کنند.
افزایش سایز سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته
در چند سال اخیر تقریبا میانگین سایز سنسورهای تصویربرداری دوربین مداربسته افزایش یافته اند. با افزایش رزولوشن ها به 3، 4 ، 5 مگاپیکسل و 4K و … سنسورهای تصویری بزرگتر از 1/3” بیش از پیش رایج شدند.
سنسورهای 1/2” با رزولوشن 1080P در اوج
بیشترین تغییر در ابعاد سنسورهای تصویربرداری همزمان با افزایش محبوبیت سنسورهای تصویربرداری 1/2″ با رزولوشن 1080P رخ داد. تعداد محدودی از شرکت های سازنده فهمیدند باید از مدلهای ویژه ای با ابعاد 1/2” و رزولوشن 1080P در دوربینهای مداربسته برای کار در شرایط نور فوق العاده کم (Super Low Light) استفاده کنند.
پنهان سازی ابعاد سنسورهای تصویربرداری
از سویی دیگر ابعاد سنسورهای تصویربرداری همچنان بخش پنهان ماجرا بود و بسیاری از شرکت های سازنده دوربین مداربسته از عنوان آن در برگه های مشخصات دوربین مداربسته اجتناب می کردند. مثلا در مشخصات تنها به عنوان سایز سنسور بسنده می شود :
Progressive scan RGB CMOS 1/3”
سایز پیکسل دوربین مدار بسته
سنسورهای تصویربرداری براساس سایزهای مختلف پیکسلی دسته بندی شده و با یکدیگر فرق دارند. سایز پیکسل در مقیاس میکرون اندازه گیری می شود. منظور از پیکسل درواقع روزنه های فیزیکی جذب نور هر جزء یک تصویرند که می توانند هر کدام یک پیکسل دیجیتالی را تشکیل دهند.
سایز پیکسل توسط ابعاد سنسور تصویربرداری و تعداد پیکسل های (مثل مقیاس رزولوشن و …) آن مشخص می شود. اگر بین سنسورها پارامترها را یکسان ببینیم، هرچه سایز سنسور بزرگتر باشد سایز پیکسل هم بزرگتر خواهد بود. اگر تعداد پیکسل را افزایش دهیم (مثلا از رزولوشن SD به رزولوشن HD برویم) و سایز سنسور ثابت باقی مانده باشد سایز پیکسل ها کاهش می یابد.
در زیر گزیده ای از سایز سنسورهای تصویربرداری شرکت های سازنده سنسور دوربین مداربسته لیست شده است که رزولوشن و ساید پیکسل ها را مقایسه می نماید:
خیلیها سایز پیکسل بزرگتر را انتخاب می کنند. زیرا اگر تمام ویژگی ها یکسان باشد، یک پیکسل بزرگتر میزان نور بیشتری را جذب کرده و بنابراین تصاویر در نور کم براقتر و بهتر خواهد بود. از آنجاییکه عوامل موثر دیگری هم می توانند روی کارکرد دوربین مدار بسته نور کم تاثیر بگذارند نمی شود با این پارامترها بصورت خطی یا ساده دو دوربین را با هم مقایسه یا یکی را بر دیگری بر اساس سایز پیکسل ها ارجعیت دهیم.
البته به هیچ عنوان سایز پیکسل توسط شرکت های سازنده دوربین مداربسته عنوان نمی شود و بهترین راه این است که با توجه به رزولوشن دوربین مداربسته و سایز سنسورهای تصویربرداری هر مدل، دست به تخمین ابعاد بزنیم.
سایز پیکسل 4K
دوربینهای مداربسته 4K که روز به روز بیشتر بازار را قبضه می کنند چهار برابر یک دوربین مداربسته 1080P پیکسل دارند و سنسور تصویربرداری دوربین های مداربسته 4K از نظر ابعاد از سنسور دوربینهای مداربسته 1080P بزرگترند. ولی عموما سایز پیکسل دوربینهای مداربسته 4K از سایز پیکسلهای دوربین های مداربسته 1080P کوچکترند. این موضوع می تواند به کارکرد دوربینهای مداربسته 4K در نور کم بشدت آسیب بزنند. البته همانطور که پیشتر گفتیم و در ادامه این مقاله بیشتر توضیح خواهیم داد، محدودیت در پردازش تصاویر در دوربین مداربسته 4K نیز می تواند به این مشکل دامن می زند.
رابطه سایز سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته با عرض میدان دید
سایز سنسور تصویربرداری می تواند بر روی عرض میدان دید تاثیر داشته باشد. اصلیترین عامل موثر بر روی میدان دید به درجه و سایز لنز بر می گردد (سایز 3mm، 10mm، 30mm و ..). هرچه سایز سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته بزگتر باشد(فرض کنید بقیه شرایط یکسان) میدان دید وسیعتری خواهید داشت.
از طرف دیگر سایز سنسورهای تصویربرداری در سیستمهای نظارت تصویری و دوربینهای مداربسته خیلی هم متنوع و متفاوت نیستند و با تغییر سایز سنسور تصویربرداری معمولا تغییر در عرض میدان دید دوربین مداربسته تغییراتی شگرف بدنبال ندارد. برای مثال در تصویر زیر قابل مشاهده است :
بطور کلی این موضوع خیلی نگران کننده نیست اما دانستنش می تواند برای آگاهی یک متخصص دوربین مداربسته خوب باشد.
سنسور تصویربرداری و کدک های دوربین مداربسته
سنسورهای تصویربرداری کاری با پروسه فشرده سازی تصاویر ویدئویی (مثل کدک H.265 و..) ندارند. درواقع سنسور تصویربرداری تنها وظیفه ارسال تصاویر ویدئویی فشرده نشده و خام را به یک انکدر یا SoC (سیستم آنبرد روی چیپ) بر عهده دارد و مرحله فشرده سازی تازه در درون یان بخشها صورت می گیرد.
سنسور تصویربرداری و کارکرد دوربین مداربسته در نور کم
جدا از اینکه سنسور تصویربرداری CCD یا CMOS باشد، اصلی ترین و شاید اشتباه ترین برداشت و طرز فکر بین کاربران دوربین مداربسته این است که هرچه یک سنسور تصویربرداری دوربین مداربسته بزرگتر باشد کارکرد بهتری در نور کم خواهد داشت.اگر چه شاید سنسور بزرگتر بتواند کمک کننده باشد اما مهمترین عامل کلیدی دیگر که شاید از سنسور هم مهمتر باشد به عنوان “پردازش تصویر در نور کم” شناخته می شود که توسط انکدر یا پردازشگر (CPU) دوربین مداربسته انجام می شود.
در دوربین های مداربسته 1080P با سنسورهای جدید 1/2″ که اخیرا مخصوص کار در شرایط نور کم به بازارها معرفی شده اند، کارایی بهتری نسبت به دوربینهای مداربسته 1080P با سنسورهای قبلی 1/3” مشاهده می شود. بنابراین درست است که سایز سنسور تصویری در کیفیت تصویر دوربین مداربسته موثر باشد اما برای داشتن بهترین کارکرد در نور کم باید هم زمان از سنسور تصویربرداری بزگتر و پردازش تصویری قویتر در نور کم استفاده کرد. در این بین سنسورهای تصویربرداری با ابعاد 1/2″ هم وجود دارند که از عملکرد بسیار ضعیفی در نور کم برخوردارند. ضمن اینکه دوربینهای مداربسته 4K با سنسورهای تصویری 1/2″ و حتی بزرگتر هم هستند که هنوز کارایی مناسبی در نور کم ندارند و علتش به سایز پیکسل فیزیکی کوچکتر سنسورها و فقدان پردازش تصویری قدرتمند برای برطرف کردن یا تخفیف این مشکل بر می گردد.
