Analisis Camara Nano Sat Elites Ctic Uni

An´alisis de c´amaras de video para sat´elites ´ Jarvik Jesus Gamarra Alvarez Paul Dremyn Gomez Chong December 29, 2008 Abstract Este documento servir´a como referencia para la adquisicion de una c´amara de video ideal para el proyecto del nanostelite del Centro de Tecnolog´ıas de Informaci´on y comunicaci´ on de la Universidad Nacional de Ingenier´ıa y puede publicarse en cualquier medio, manteniendo los cr´editos a sus autores.

Contents 1 1.1

Conceptos Preliminares ¿Qu´ e se entiende por fotograf´ıa digital?

La fotograf´ıa digital se basa en la captura de una imagen y su almacenamiento en un fichero que se mantendr´a invariable a lo largo del tiempo, con lo que la calidad de la imagen no disminuir´a nunca. La reproducci´on de esa imagen almacenada en un soporte digital puede ser duplicada tantas veces como se desee, produciendo siempre una copia con la misma calidad que la imagen original. La luz que detecta el objetivo de la c´amara llega hasta el sensor de imagen, denominado CCD o CMOS. La luz incidente genera una peque˜ na se˜ nal el´ectrica a cada receptor, que posteriormente, esta se˜ nal se transformar´a en datos digitales por el conversor ADC, como una serie de cadenas de nmeros ´ (ceros y unos), denominados d´ıgitos binarios. Estos n´ umeros binarios (O,1), 1

se representan como peque˜ nos cuadraditos, en forma de mosaico individual denominados p´ıxeles.

1.2

Sistema binario y funcionamiento

La informaci´on que procede del sensor de una c´amara digital son datos anal´ogicos. Para que estos datos se puedan almacenar en la tarjeta de memoria y que el ordenador pueda interpretarlos se deben convertir a formato binario ”bytes”.

1.3

Pixeles

En la fotograf´ıa digital, el elemento que en conjunto forma una imagen es el p´ıxel. Cada p´ıxel ”cuadrito” contiene la informaci´on del color de esa peque˜ na porci´on. El p´ıxel solo puede ser de color rojo, verde o azul o la mezcla de los tres. Un p´ıxel, solo tiene un color no puede tener dos colores.

1.4

Resoluciones

La resoluci´on expresa el n´ umero de pf´ıxeles que forman una imagen de mapa de bits. La calidad de una imagen, tambi´en depende de la resoluci´on que tenga el dispositivo que la capta. El n´ umero de p´ıxeles que contenga una imagen dependen de cu´antos p´ıxeles utilice el sensor CCD o CMOS de la c´amara para captar la imagen. La resoluci´on de una imagen digital se expresa multiplicando su anchura por la altura en pantalla. Por ejemplo la imagen de 1200 x 1200 p´ıxeles = 1.440.000 p´ıxeles, expresado en MP megap´ıxel es igual a 1,4 Mp. Conviene tener en cuenta que 1 Megap´ıxels = 1millon de p´ıxeles.

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El sensor de Imagen

El sensor de la imagen es como la pel´ıcula fotogr´afica que utiliza la c´amara anal´ogica. El sensor de imagen esta compuesto por millones de peque˜ nos semiconductores de silicio, los cuales captan los fotones (elementos que componen la luz, la electricidad). A mayor intensidad de luz, m´as carga el´ectrica existir´a. Estos fotones desprenden electrones dentro del sensor de imagen, los cuales se transformar´an en una serie de valores (datos digitales) creando 2

un p´ıxel. Por lo tanto cada c´elula que desprenda el sensor de imagen se corresponde a un p´ıxel, el cual, formar´a cada punto de la imagen.

2.1

Clases de sensores

sensor CCD sensor CMOS

2.2

El color en el sensor

Los sensores de imagen no pueden captar las im´agenes en color, son mon´ocromos, es decir s´olo pueden memorizar la intensidad de la luz pero sin color. Las c´elulas que se encuentran en el sensor de imagen s´olo utilizan la escala monocroma (el blanco, el negro y la escala de grises).Para captar la imagen en color se necesitan varios sistemas de filtros de color en el sensor de imagen. Uno de los filtros m´as conocidos es el filtro CFA.

2.3

Filtro de color FCA

El filtro o mosaico CFA o color filter arrays o red de filtros de color. Consiste en que cada c´elula o p´ıxel tiene un filtro de color delante. Cuando a este filtro le llega la luz, s´olo deja pasar uno de los tres colores primarios, el verde, el rojo y el azul. De esta forma cada p´ıxel ser´a solamente de un color.

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Luz Infraroja

El infrarrojo es un tipo de luz que no podemos ver con nuestros ojos. Nuestros ojos pueden solamente ver lo que llamamos luz visible. La luz infrarroja nos brinda informaci´on especial que no podemos obtener de la luz visible. Nos muestra cu´anto calor tiene alguna cosa y nos da informaci´on sobre la temperatura de un objeto. Todas las cosas tienen algo de calor e irradian luz infrarroja. Incluso las cosas que nosotros pensamos que son muy fr´ıas, como un cubo de hielo, irradian algo de calor. Los objetos fr´ıos irradian menos calor que los objetos calientes. Entre m´as caliente sea algo m´as es el calor irradiado y entre m´as fr´ıo es algo menos es el calor irradiado. Los objetos calientes brillan m´as luminosamente en el infrarrojo porque irradian 3

m´as calor y m´as luz infrarroja. Los objetos fr´ıos irradian menos calor y luz infrarroja, apareciendo menos brillantes en el infrarrojo.

3.1

Filtro para fotograf´ıa Infraroja

La fotograf´ıa infrarroja o t´ecnica fotogr´afica infrarroja, es aquella que nos permite fotografiar uno de los espectros lum´ınicos comprendidos entre 700 y 1.200 nan´ometros, no visibles para el ojo humano. Sus aplicaciones pueden ser art´ısticas o cient´ıficas. Su uso m´as extendido es entre los astr´onomos. Casi un 90 % de la materia que compone el universo, no puede apreciarse en el espectro lum´ınico que captan nuestros ojos. Muchas zonas del espacio, no irradian este tipo de ondas. Tambi´en es posible encontrar zonas como grandes regiones de polvo c´osmico que solo dejan pasar la radiaci´on infrarroja. Gracias a telescopios como el IRTS, se pueden conocer zonas del universo, que de otra manera hubiera sido imposible. Modelos y precios en: www.fotoboom.com

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Descripcion general

Los dispositivos dotados de sensores ´opticos como las c´amaras de video m´as utilizados actualmente en aplicaciones tecnol´ogicas son los dispositivos CCD y los CMOS, los dispositivos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) son utilizados en algunas c´amaras digitales y en numerosas Webcam. En la actualidad los CCD (Charge-Coupled Device) son mucho m´as populares en aplicaciones profesionales y en c´amaras digitales. Sin embargo la tecnolog´ıa ha avanzado bastante tanto que ha puesto a ambos tipos de c´amaras casi al mismo nivel de rendimiento. La capacidad de resoluci´on o detalle de la imagen depende del n´ umero de c´elulas fotoel´ectricas en el caso de las c´amaras con dispositivos el CCD. Este n´ umero se expresa en p´ıxeles. A mayor n´ umero de p´ıxeles, mayor resoluci´on. En todos los CCD el ruido electr´onico aumenta fuertemente con la temperatura y suele doblarse cada ˆ ◦ C. En aplicaciones astron´omicas de la fotograf´ıa CCD es necesario 6u8A refrigerar los detectores para poder utilizarlos durante largos tiempos de exposici´on.

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5

Podemos ir deduciendo • Los sensores CCD, como se mencion´o anteriormente, son de alta calidad, bajo nivel de ruido en im´agenes y los sensores CMOS, tradicionalmente, son m´as susceptibles al ruido. • El sensor CMOS tradicionalmente consume poca energ´ıa. La aplicaci´on de un sensor CMOS en el proyecto implica una baja potencia en el sensor. • Los procesos usando CCD consume mucha energ´ıa tanto como 100 veces ˜ que un sensor CMOS equivalente. m´as energAa • Los Chips CMOS tienden a ser muy baratos en comparaci´on con los sensores CCD debido a su fabricaci´on basada en silicio. • Los sensores CCD se han producido en masa por un per´ıodo m´as largo de tiempo, por lo que son m´as maduros. Ellos tienden a tener mayor calidad y m´as p´ıxeles. • Basados en estas diferencias podemos ver que los CCD’s tienden a ser usados en c´amaras con focos de alta calidad de im´agenes con un mont´on de p´ıxeles una excelente sensibilidad mientras que los CMOS poseen una relativa baja calidad, baja resoluci´on y sensibilidad pero por el contrario son mucho mas baratos y poseen una duraci´on de la bater´ıa mucho mayor.

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La C´ amara CMOS • La c´amara a incluir en el proyecto se trata entonces de un dispositivo CMOS, el cual debe poseer unas dimensiones peque˜ nas para poder cumplir con los requerimientos del proyecto. • Las CMOS c´amaras o tambien conocidos como c´amaras de pixel activo, son una tecnolog´ıa relativamente nueva. • En comparaci´on con las c´amaras CCD, tiene un bajo uso de la energ´ıa, opera a una menor tensi´on, y puede ser inducido a integrar varias funciones en el sensor de imagen de si mismo. Por lo tanto, es m´as f´acil de integrar en los diferentes proyectos. 5

• Por otra parte, la camara CMOS no tiene la misma capacidad de trabajo adecuada en ambientes fr´ıos como la c´amara CCD. • La c´amara CCD tienen una mejor relacion se˜ nal-ruido (SNR) que el CMOS, es decir, la capacidad de los chips para dar correcta tensi´on de salida (datos) y no entregar mucho ruido.

6.1 6.1.1

Requerimientos Imagen

Deben ser nitidas, deben entregar la mayor informaci´on posible y que no haga unconjugado de im´agenes, requerimiento m´ınimo para trabajar a distancia. 6.1.2

Blindaje

El C.M.O.S. sensor se requieren blindaje para evitar los efectos de la radiaci´on, aunque seg´ un lo indicado, s´olo se tratar´ıa de una delgada hoja. Para m´as detalles, v´ease el cuadro 1 sobre radiaci´on en el medio ambiente. Una hoja de aluminio de 1mm de espesor deber´ıa ser m´as que suficiente para proporcionar una protecci´on adecuada para el sat´elite. 6.1.3

Caracter´ısticas

Masa < 50g Potencia consumida en modo activo < 500mW Potencia consumida en modo hibernaci´on < 10mW Tama˜ no de la c´amara < 40x40x20 Tama˜ no de la Imagen Color VGA (640x480)

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Opciones

7.1

Sensor CMOS Monivision

• Dimensiones: 27mm2 . • Lente ´optica: 3.6mm. • Abertura angular: 92◦. 6

• Apertura del agujero del alfiler p ´tico: 50◦. • Di´ametro del agujero del alfiler ´optico: 1.6 mm. • Pixels efectivos: 628 x 582 / 356 KB. • Min iluminaci´ n: [email protected]. • Obturador electr´onico: 1 / 50 1 / 15.000. • Salida de v´ıdeo (equivalente thevenin): 1VP-p, 75Ω. • Fuente de alimentaci´on: 12 VCC. • Consumo: 50mA. • Consumo de energ´ıa: 600 mW. • Masa (pre-empaquetados): 24 g. ˆ 39.99 =$ 61.51. • Costo: A£

7.2

Sensor Kodak 1310

• Pixel size: 6.0µm x 6.0µm. • Resolution: 1280 x 1024 active. • Sensor Size: 7.68mm x 6.14mm (1/2“). • ISO: 180. • Saturation Signal: 40,000 electrons. • Scan Modes: Progressive Scan. • Shutter Modes: Continuous and Single Frame Rolling Shutter Capture:. • Maximum Readout Rate: 20 MSPS. • Frame Rate: 0-15 frames per second.

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• System Dynamic Range: 56dB (1-10 MHz) 48 dB (11-15 MHz) 44 dB (16-20 MHz). • Response Non-Linearity: < 2%, 0-90% Vsat. • Programmable Gain Range: Global 7.5x, 0.02x steps White Balance 2.7x, 0.02x steps. • ADC: 10-bit, RSD ADC (DNL+/-0.5 LSB, INL+/-1.0 LSB). • Power Dissipation: < 250mW (dynamic) 25mW (standby). • Voltage: 3.3 V.

7.3

Sensor CMOS OV7620

• Imagen: Single chip 1/3 inch OV7620 CMOS sensor. • Array Size: 660x480 pixels. • Pixel size: 7.6mm x 7.6 mm. • Progressive Scanning / interlace Effective image area: 4.86mm x 3.64mm. • Gamma Correction: 128 curve settings. • S/N Ratio: > 48dB. • Min Illumination: 2.5lux @F1.4. • Operation Voltage: 5+/-0.5 Vdc. • Operation Power: 120mW Active 10 mW Standby. • Weight: 14g including lens. 8

• Lens: f6mm, F1.8. • Small size : 40mm x 28 mm.

References [1] CubeSat University of Leicester CubeSat Project. [2] Maplin: the Electronics Specialist. [3] Proveedor: Omnivision.

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