Rozlišení senzoru a jeho velikost

Velikost senzoru v kameře a počet a velikost jeho světlocitlivých buněk jsou vlastnosti, které určují, jak velké resp. malé detaily analyzovaných objektů na obraze uvidíme.

Velikost obrazového snímače se udává v palcích. Nejde ovšem o žádný z rozměrů snímače, jde o průměr skleněné trubice odpovídající ekvivalentní historické snímací elektronce. Skutečné rozměry snímací plochy nejužívanějších obrazových snímačů v milimetrech ukazuje obrázek. Všechny senzory uvedené na obrázku mají poměr stran 4:3, není to ale stoprocentně platné pravidlo. Existují i kamery s nestandardní velikostí obrazového snímače.

Počet světlocitlivých buněk se udává jako velikost matice. Rozlišovací schopnost kamery se nejjednodušeji určí jako dvojnásobná vzdálenost středu fotocitlivých buněk (zjednodušeně dvojnásobek rozměru světlocitlivé buňky). Dvojnásobek proto, že se do oddělených buňek nabírají vzorky obrazu a musí být splněn vzorkovací teorém. Jednoduchým výpočtem lze rozlišovací schopnost kamery zjistit i z rozměrů snímače a velikosti matice.

Kvalita obrazové informace záleží také na velikosti jednotlivých pixelů. Čím větší je každý jednotlivý pixel, tím víc na něj dopadne světla a tím kvalitnější informaci poskytne k dalšímu zpracování. Z toho plyne, že pokud máme dva snímače stejné velikosti a jeden z nich má menší rozlišení, mohou být jednotlivé pixely větší a můžeme tedy předpokládat, že takový snímač bude poskytovat kvalitnější informaci.

Údaje o rozlišení a rozměru světlocitlivé buňky se týkají černobílého snímače. Většině aplikací strojového vidění černobílý snímač vyhovuje. Barevný snímač potřebuje pro údaje o jednom obrazovém bodu tři světlocitlivé buňky, pro každou barevnou složku dopadajícího světla jednu. Tři buňky zaberou více místa než jediná v černobílé kameře a musíme počítat s tím, že velikost „náhradní světlocitlivé buňky“ poskytující barevnou informaci je větší. Proto má barevná kamera při stejné velikosti obrazového senzoru menší matici a nižší rozlišení než černobílá. Navíc, protože jsou buňky pro jednotlivé barvy na čipu vzájemně posunuty, jsou proti sobě posunuty i jednotlivé barevné složky digitalizovaného obrazu. Pro aplikace, kde je posun barevných složek zásadním problémem existují složité a nákladné kamery s optickou korekci geometrického posunu barevných složek obrazu.

Kombinace rozlišení senzoru a jeho velikosti udává tzv. pixelovou hustotu. Je to vlastnost, která významně ovlivňuje vlastnosti snímačů. Čím je pixelová hustota vyšší (tedy je menší úhlopříčka, vyšší rozlišení nebo oboje zároveň), tím horší bývají vlastnosti čipu a naopak. Čím nižší rozlišení čip má, čím větší má velikost, tím jsou snímky kvalitnější. Samozřejmě i v tomto případě platí pravidlo „všeho s mírou“. Pokud rozlišení čipu snížíme až moc, nevylepšíme vlastnosti čipu o tolik, aby to vykompenzovalo ztrátu rozlišení.

Vlastnosti, které jsou rozměry pixelů a celého senzoru ovlivněny, jsou digitální šum a dynamický rozsah. S vysokou pixelovou hustotou se obvykle zvyšuje digitální šum a klesá dynamický rozsah. Dynamický rozsah udává rozsah odstínů od černé k bílé, který je senzor schopen rozlišit. Šum vzniká z mnoha různých příčin. Tou základní je tepelný pohyb krystalové mřížky polovodiče. Při něm se občas uvolní elektron bez jakéhokoliv působení fotonu, je přitažen k expoziční elektrodě a přičítá se tak k hodnotě světelné expozice dané buňky. Protože okamžitá hodnota šumu se liší buňku od buňky, je nemožné z obrázků tento šum stoprocentně odstranit. K dosažení velkého dynamického rozsahu při přijatelné šumové úrovni je potřeba, aby buňky snímače byly co největší (dosáhne se tak velké kapacity buňky a tím i zvětšení odstupu signálu od šumu). Proto malé formáty snímačů a/nebo snímače s vysokým rozlišením mají vždy výrazně horší šumové vlastnosti než snímače větší a s nižším rozlišením. (U vědeckých přístrojů, kde je nutné velmi velké rozlišení, se pak šum senzoru snižuje jeho chlazením.)