Definiowanie multimediów i zdobywanie informacji

Typowe urządzenia służące do rejestracji obrazów, tj. konwersji energii promieniowania optycznego (obrazu optycznego) na energię elektryczną sygnału wizyjnego wykorzystują podstawowe zjawisko fizyczne –- efekt fotoelektryczny uwalniania elektronów (przenoszenie z pasma podstawowego do pasma przewodzenia) z atomów poprzez absorpcję energii fotonów. Jeśli uwolnione elektrony pozostają w materiale detektora, mamy do czynienia z efektem wewnętrznym, zwykle wykorzystywanym w rejestratorach obrazów naturalnych. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny, polegający na uwalnianiu elektronów np. z materiału fotokatody, jest wykorzystywany we wzmacniaczach obrazu, które są ważnym elementem rejestracji obrazów za pomocą promieniowania rentgenowskiego czy gamma.  

Sam proces rejestracji obejmuje zwykle konwersję energii optycznej na elektryczną w materiale światłoczułym. Jako materiał światłoczuły wykorzystuje się zazwyczaj półprzewodniki (najczęściej monokrystaliczny krzem) o możliwie małej wartości prądu ciemnego (brak wolnych ładunków w paśmie przewodzenia przy braku oświetlenia). Są to struktury wielowarstwowe o spolaryzowanych zaporowo złączach, gdzie rejestrowany jest ruch uwolnionych elektronów oraz dziur. 

Pojawiający się ładunek elektryczny jest zbierany i gromadzony za pomocą przyłożonego pola elektrycznego w punktach obrazu - pikselach o konkretnych wymiarach fizycznych. Istotnym elementem jest czas gromadzenia i odczytu  ładunku z poszczególnych pikseli.  Akumulacja ładunku w strukturze materiału światłoczułego także w czasie pomiędzy odczytami pozwala zdecydowanie zwiększyć liczbę ładunków odczytywanych z poszczególnych pikseli. Wykorzystuje się do tego tzw. kondensatory złączowe -- bipolarny lub MOS (zobacz rys. 3).

Rys. 3. Elementy przetwarzająco-akumulujące stosowane w analizatorach obrazów: kondensator bipolarny -- złącze p-n (po lewej), fotodioda oraz kondensator MOS (źródło: na podstawie rysunku z bibliografii)

Systemy akwizycji obrazów są silnie zróżnicowane, ale w ogólności można je podzielić na:

•  kamery analogowe ze zmienna szybkością rejestracji obrazu, niskoszumowe, tanie, z sygnałem ucyfrawianym za pomocą urządzeń-kart typu frame-grabber;
• cyfrowe aparaty fotograficzne i kamery, z wysokoczułymi obiektywami, macierzami CCD (Charge Coupled Device) lub CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor (TFT) Thin-Film  Transistor, szybkimi układami sczytywania próbek obrazu, gromadzenia, a często - kodowania;
• skanery z wysoką zdolnością rozdzielczą, liniową charakterystyką w środkowym, możliwie szerokim zakresie przenoszenia kontrastu;
• systemy specjalistyczne:
  •  sensory teledetekcyjne (Teledetekcja  remote sensing to badanie wykonane z pewnej odległości (zdalne) w celu rozpoznawania obiektów i zjawisk poprzez wykrywanie i analizę promieniowania elektromagnetycznego w różnym zakresie widmowym. Badania teledetekcyjne są wykonywane z samolotów, przestrzeni kosmicznej lub z powierzchni ziemi.) -- lotnicze  czujniki obrazowe (zdjęcia ziemi z wysokości do 35 km) oraz satelitarne czujniki obrazowe,  
  • mikroskopy optyczne (Mikroskopy optyczne służą silnemu powiększeniu obrazów, wykorzystując  światło (naturalne lub sztuczne, niekiedy spolaryzowane) przechodzące przez specjalny układ optyczny składający się zazwyczaj z zestawu od kilku do kilkunastu soczewek optycznych. Do rejestracji obrazów stosowane są wysokiej klasy aparaty i kamery cyfrowe. Uzyskiwane powiększenia sięgają 3500x.);
  • medyczne systemy obrazowania -- rentgenowski, USG, tomografii komputerowej i  magnetycznego rezonansu jądrowego, medycyny nuklearnej (SPECT, PET);
  •  inne.

Rejestratory obrazów można także podzielić na a) aktywne, wysyłające własną wiązkę promieniowania i rejestrujące jej odbicie (np. urządzenia radarowe i laserowe, lidar)  oraz b) pasywne, rejestrujące promieniowanie zewnętrzne (np. aparaty fotograficzne, kamery). Ze  względu  na  szerokość  zakresu,  w  jakim  rejestruje  się  promieniowanie elektromagnetyczne, wyróżnia  się  rejestratory  szerokopasmowe  i wąskopasmowe.  Dodatkowo, jeśli  obraz jest  jednocześnie  zapisywany  w  kilku,  kilkunastu  bądź  kilkudziesięciu  zakresach promieniowania,  wówczas  takie  analizatory określa  się  mianem  wielospektralnych  lub hiperspektralnych (np. w teledetekcji). 

Warto zauważyć, że podstawowym źródłem strumienia wizyjnego  w przekazie multimedialnym jest kamera. ''Sercem'' kamery jest przetwornik wizyjny - analizator obrazu jako urządzenie służące bezpośrednio do rejestracji obrazów. W analizatorach realizowane są trzy podstawowe procesy: konwersji energii, gromadzenia energii elektrycznej oraz jej odczytu z zachowaniem informacji o położeniu.

Reprezentantem analogowego sposobu adresowania detektora w celu odczytu obrazu jest lampa analizująca z anodą w postaci elektrody obrazowej oraz katodą emitującą wiązkę elektronów. Większemu natężeniu promieniowania oświetlającego elektrodę obrazową, czyli detektor towarzyszy większa ilość uwolnionego ładunku, co może być także analizowane jako zmniejszenie dużej rezystancji skrośnej (w objętości) materiału nieoświetlonego. Poprzez przemiatanie wiązką elektronów (adresującą, sterowaną za pomocą pół magnetycznych i elektrycznych) powierzchni detektora  wykonanej z materiału światłoczułego, wytwarzany jest  sygnał proporcjonalny do rezystywności danego obszaru - rys. 4.  

 Rys. 4  Orientacyjny szkic opisujący lampę analizującą wraz ze schematem jej działania (źródło: na podstawie rysunku z bibliografii)
 

Cyfrowe rejestratory obrazów

Cyfrowy analizator obrazu charakteryzuje się takimi parametrami jak czułość widmowa (rejestracja określonych przedziałów długości fal), czułość świetlna (rejestracja sygnałów świetlnych o możliwie małym natężeniu), zdolność rozdzielcza (możliwość rozdzielenia na obrazie dwóch leżących blisko siebie punktów), bezwładność (zdolność do rejestracji szybkich, dynamicznych scen). Stosowanym dziś powszechnie analizatorem (m.in. w kamerach i aparatach fotograficznych) pozwalającym uzyskać cyfrowe obrazy są zestawy elementów ze sprzężeniem ładunkowym CCD, które zastąpiły w większości popularnych  zastosowań analogową lampę analizującą (przytłaczającą swoim rozmiarem i wagą, chociaż pozwalającą na uzyskanie obrazu jakości HDTV (High Definition TV -- telewizja wysokiej rozdzielczości, w pełnej wersji 1920x1080 pikseli bez przeplotu.). Jakkolwiek detektor obrazu składany jest z szeregu linijek CCD, które stanowią de facto jednowymiarowy detektor analogowy sygnału i wymagają taktowanego zegarem próbkowania w procesie odczytu, to pełna, bezpośrednia, układowa integracja procesu próbkowania i kwantyzacji pozwala traktować detektor CCD obrazu jako cyfrowy z punktu widzenia wielu zastosowań. Koszt rejestratorów CCD w znacznym stopniu zależy od częstotliwości ich taktowania.

Rejestratory CCD budowane są w strukturze monolitycznej z naniesioną półprzezroczystą elektrodą polikrzemową, jako matryca fotoczułych komórek, w których przy odpowiedniej polaryzacji gromadzony jest ładunek, zależnie od energii oświetlenia. Zderzenie fotonu z atomem komórki światłoczułej może spowodować przeskok elektronu na wyższą powłokę lub uwolnienie nośnika ładunku –- fotoefekt wewnętrzny. Uwolnione nośniki są gromadzone w kondensatorach, a następnie przesuwane za pomocą impulsów elektrycznych,  wyłapywane, a powstający sygnał wzmacniany, kondensatory opróżniane. Ilość nośników zebranych w jednostce czasu odzwierciedla natężenie padającego światła.  

Odczyt cyfrowy z dyskretnym adresowaniem uzyskiwany jest za pomocą rejestrów przesuwnych, tj. kaskady komórek pamięci z sekwencyjnie przesuwaną, zapamiętaną informacją w odstępach czasowych wyznaczanych przebiegiem taktującym, jednakowym dla wszystkich komórek. Komórki pamięci rejestru przesuwającego są grupowane w zwykle równoliczne ogniwa (najczęściej 2-4 komórek). Uwolnione nośniki (ładunki), które zostały zgromadzone  w poszczególnych punktach obrazu ładunki (w kondensatorach), są przesuwane za pomocą impulsów elektrycznych w kierunku wzmacniacza ładunkowego, przetwarzającego sygnał ładunkowy na napięciowy (rys. 5). Zostają one tam wyłapane, a powstający sygnał napięciowy -- wzmocniony, zaś kondensatory -- opróżnione. Ilość nośników zebranych w jednostce czasu odzwierciedla natężenie padającego światła. 

Rys. 5 Odczyt informacji obrazowej w macierzach CCD: trójfazowy rejestr przesuwny ze studnią potencjału, zegarem taktującym i zbierającym sygnał przetwornikiem ładunkowym (źródło: na podstawie rysunku z bibliografii).

Dokładniej, jeżeli w czasie rejestracji oświetlenia (tzw. okresie akumulacji) jedynie pierwsze elektrody w ogniwach rejestru zostaną spolaryzowane napięciem stałym, wówczas fotoładunki będą wytwarzane i akumulowane jedynie pod elektrodami ES1 każdego ogniwa. Stąd pod pierwszymi elektrodami wszystkich ogniw wytworzy się ładunkowa replika rozkładu oświetlenia wzdłuż rejestru (linii analizy). Załączenie przebiegu zegarowego i poprzez zmianę potencjału komórek sekwencyjne przesuwanie zgromadzonych fotoładunków do wyjściowego przetwornika  ładunek/napięcie pozwoli uzyskać na wyjściu napięcie proporcjonalne do liczby zebranych ładunków. Ścisłe powiązanie liczby okresów przebiegu zegarowego z liczbą koniecznych 
przesunięć (liczbą ogniw w linii) precyzyjnie lokalizuje miejsce pobrania ładunku. Rejestr zbudowany z odpowiedniej linii ogniw może stanowić więc analizator całej linii (wiersza) obrazu. 

Pewnym problemem jest możliwość akumulacji dodatkowego ładunku w czasie przesuwu, tzw. efekt ''zaplamienia''.  Podczas przesuwu fotoładunków przez kolejne komórki rejestru dodawane są nowe, pasożytnicze  ładunki zbierane podczas ich ''transportowej polaryzacji'' zakłócając faktyczny rozkład natężenia oświetlenia w linii. Pojawia się smużenie oraz charakterystyczne artefakty - plamki. Zaplamienie jest strukturalną wadą rejestru CCD. Można je wyeliminować jedynie przez zaciemnienie (zasłonięcie) przetwornika podczas transferu  ładunków, np. za pomocą przesłony mechanicznej lub  ciekłokrystalicznej. Oba sposoby spowalniają jednak proces akwizycji i nie zawsze można je zastosować. W takich przypadkach natężenie zaplamienia można jedynie zmniejszyć minimalizując czas transferu ładunków, a więc zwiększając częstotliwość przebiegu zegarowego, co podwyższa koszt przetwornika.
 
Aby uzyskać obraz cyfrowy za pomocą analizatora linii, konieczne jest skanowanie rejestrowanego obrazu linią przesuwaną w kierunku prostopadłym do linii analizatora, np. w  skanerach, telefaksach, kopiarkach czy kamerach do meteorologicznych zdjęć satelitarnych. W celu równoczesnej akwizycji całego obrazu konieczne jest uzupełnienie zestawu  analizatorów linii rejestrem wyjściowym ze wzmacniaczem ładunkowym, zbierającym cyklicznie przesuwane ładunki zestawu analizatorów linii w kierunku prostopadłym do kierunku przesuwu. Ze względu na ''zaplamienie'' uzyskiwanego obrazu konieczna jest konstrukcja wykorzystująca dwa zestawy analizatorów linii - otwartych na światło, akumulujących ładunki gromadzone w naświetlanym polu obrazu (sekcja obrazowa) oraz zamkniętych na światło, magazynujących ładunki oczekujące na sczytanie w rejestrze wyjściowym (sekcja pamięci) - rys. 6. 

Rys. 6  Koncepcja budowy analizatora obrazów CCD z przesuwem ramki, gdzie: T -- bramki transferowe; na biało zaznaczono naświetlane pole obrazu, składające się z pionowo ustawionych -- jako kolumny -- analizatorów linii (sekcja obrazowa); powyżej - pole sekcji pamięci składające się z identycznych analizatorów linii, zestawu rejestrów przesuwających zarejestrowany w poprzednim kroku obraz do rejestru wyjściowego, sekwencyjnie sczytującego kolejne wiersze obrazu (źródło: na podstawie rysunku z bibliografii).

W pierwszym etapie odczytu całego obrazu następuje akumulacja fotoładunku w sekcji obrazowej. Elektrody sterujące ES1 (lub kolejne) wszystkich ogniw wszystkich analizatorów kolumn sekcji obrazowej są polaryzowane napięciem stałym, natomiast pozostałe elektrody ogniw pozostają niespolaryzowane -- tworzona jest ładunkowa replika rejestrowanego obrazu. W tym czasie ładunki umieszczone poprzednio w rejestrach pamięci są sekwencyjnie przesuwane i za pomocą drugiego zestawu bramek transferowych przekazywane do rejestru wyjściowego. Sczytywany (adresowany) jest obraz zarejestrowany w poprzednim etapie akumulacji. 

Drugi etap to przesuwanie ładunku w obu sekcjach sterowanych tym samych zegarem taktującym. Jest to czas wygaszenia pola rejestrowanego obrazu (brak akumulacji). Fotoładunki zgromadzone w ogniwach każdego analizatora kolumny sekcji obrazowej są w całości transferowane do odpowiadającej mu linii sekcji pamięci za pomocą bramek transferowych. Przesuw zarejestrowanego pola obrazu do sekcji pamięci ładunku kończony jest zdjęciem sygnału zegarowego oraz zamknięciem bramek transferowych.  

Liniową charakterystykę czujnika obrazu oraz przykładowe matryce CCD przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7 Analizator obrazu z matrycą CCD: liniowa odpowiedź czujnika CCD na pobudzenie świetlne w zakresie aktywnej pracy rejestratora (u góry po po lewej), sensor CCD zamontowany w kamerze cyfrowej (u góry po prawej) oraz inne przykłady czujników CCD (źródło: własne, Wikipedia, Internet).

Alternatywnym rozwiązaniem są detektory CMOS, stosowane m.in. w aparatach cyfrowych i kamerach internetowych. Detektory te należą do grupy czujników z aktywnymi pikselami (active pixel sensors), bazują na w pełni dyskretnej strukturze powierzchniowej i są konkurencyjne w stosunku detektorów CCD. Matryce CMOS organizowane są w postaci dwuwymiarowej struktury TFT, gdzie każdy element tranzystorowy ma aktywną elektrodę powierzchniową zbierającą sygnał z określonego obszaru pojedynczego piksela. Jako element światłoczuły wykorzystywana jest sprzężony ze strukturę TFT zestaw fotodiod - rys. 8. 

Rys. 8 Przykładowe rozwiązanie detektora CMOS: a) ogólny schemat struktury;  b) czujnik aktywnego piksela z fotodiodą, RS - sygnał selekcji piksela, RST - tranzystor do resetu fotodiody; c) widoczna struktura detektora 1024x1024  aktywnych pikseli (tranzystor CMOS wzmacnia sygnał z fotodiody w ramach komórki piksela) o fizycznym rozmiarze   piksela 11,9 $\mu m$  (na podstawie pracy z bibliografii).

Dzięki dyskretnej w obu wymiarach strukturze elementów gromadzących ładunek, odczyt przestrzennej informacji obrazowej jest prostszy, szybszy, selektywny (można odczytać tylko wybrany region), z redukcją zakłóceń typu  ''zaplamienie''. Jednocześnie niski koszt i niewielki pobór mocy stanowią o atrakcyjności takich detektorów.  Wśród wad  można wymienić pewne ograniczenia w zakresie uzyskiwanej światłoczułości i dynamiki rejestrowanego sygnału, a także pewne niejednorodności odczytu z całego pola obrazu i stosunkowo duży prąd ciemny. Jednak kolejne udoskonalenia detektorów klasy CMOS prowadzą do coraz wyższej jakości uzyskiwanych obrazów.   

Systemy specjalistyczne

Jako przykład współczesnego rozwiązania w obszarze \textbf{sensorów  satelitarnych} można wymienić  sensor  TM  (Thematic  Mapper)  rejestrujący  obraz  w  siedmiu  kanałach  spektralnych. Jego  następca  -–  sensor  ETM  (Enhanced  Thematic  Mapper), umieszczony  na  pokładzie  satelity  Landsat  7  (rozdzielczość  naziemna  15m  w  kanale panchromatycznym,  30m  w  kanałach  spektralnych  i  60m  w  kanale  termalnym). Rozdzielczość  naziemna  danych  dostarczanych  z innego satelity (SPOT) zmienia się od 2,5m do 20m. Dla rejestratorów lotniczych rozdzielczość naziemna jest wyższa. Przykładowo,  niemieckie sensory DAIS oraz ROSIS  przy  79  kanałach  spektralnych pozwalają uzyskać rozdzielczość odpowiednio 5m i 1m.
  
Sensory  hiperspektralne umieszczone  na  pokładach  satelitów  cechują  się  aktualnie  niską  rozdzielczością  naziemną. Przykładowo, sensor MODIS (http://modis.gsfc.nasa.gov/data/) rejestrujący obrazy w 36 zakresach widma (pomiędzy 0,405 i 14,385 $\mu m$ długości fali), zainstalowany  na  amerykańskim  satelicie  Terra,  charakteryzuje się  rozdzielczością wynosząca  zależnie od zakresu spektralnego od 250 m, przez 500 m do 1000 m. Z kolei dane z sensora AVIRIS umieszczonego na samolocie NOAA Twin Otter to obrazy rejestrowane w 224 zakresach widma o rozdzielczości przestrzennej 2,2m przy robieniu zdjęć z wysokości 2000m oraz 20m -- z wysokości 20.000m  - zobac.z rys. 9. Efektem doskonalenia systemów wielorozdzielczych jest rozdzielczość uzyskana za pomocą rosyjskich kamer KVR-1000 i KVR-3000, sięgająca 2m (technika skanowania zdjęć analogowych).  Panchromatyczne wysokorozdzielcze zdjęcia satelitarne, rejestrowane cyfrowo, uzyskiwane z satelity IKONOS mają rozdzielczość 1m w punkcie podsatelitarnym, natomiast obrazy z Quick Birda2 – 0,61m. 

Rys. 9 Zdjęcia satelitarne, spektralne o małej -- 20m (z lewej) i dużej -- 2m rozdzielczości naziemnej (na podstawie rysunku z bibliografii)

Szczególnie istotne parametry zdjęć lotniczych za pomocą fotogrametrycznych (Fotogrametria to dziedzina nauki i techniki zajmująca się odtwarzaniem kształtów, rozmiarów i wzajemnego położenia obiektów w terenie na podstawie zdjęć fotogrametrycznych (fotogramów). Typowe zastosowania to opracowywanie map, pomiary dużych obszarów i odległości, wyznaczanie wysokości obiektów. Obejmuje  fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię) oraz fotogrametrię lotniczą (aerofotogrametrię). Zależnie od sposobu wykorzystania zdjęć rozróżnia się fotogrametrię płaską (jednoobrazową) i fotogrametrię przestrzenną (dwuobrazową), zwaną też stereofotogrametrią, w której przestrzenny obraz obiektu lub terenu uzyskuje się za pomocą stereogramu – pary zdjęć wykonanych z dwóch punktów przestrzeni.) aparatów (kamer) fotograficznych, wyposażonych w specjalne obiektywy pozbawione aberracji, to czułość i rozdzielczość przestrzenna.
 
Rozdzielczość uzyskiwanych obrazów fotograficznych zależy  od układu optycznego  kamery oraz zdolności rozdzielczej rejestratora (błony filmowej lub detektora cyfrowego -- oba te rozwiązania są stosowane). Przeciętna  zdolność  rozdzielcza typowych niskokontrastowych (bo  takich się najczęściej używa) klisz lotniczych waha się od 100 do 150 par  linii w milimetrze, co odpowiada  rozdzielczości od 7500 do 11500 dpi. Możliwości  skanerów wykorzystywanych do  uzyskania  postaci cyfrowej  z  negatywów są porównywalne.  Zdjęcia  lotnicze, wykonane najnowocześniejszymi aktualnie kamerami fotograficznymi (klisze plus skaner) przy odpowiedniej wysokości  i prędkości  lotu samolotu, osiągają rozdzielczość naziemną na poziomie 0,5–1cm. Z kolei za  pomocą  kamery  cyfrowej osiągnięto rozdzielczość naziemną równą 2,5cm. 

Rejestracja obrazu w kamerach cyfrowych odbywa się w dwojaki sposób: za pomocą liniowej (problemy z czasem naświetlania i rozmazem rejestrowanych obrazów) lub  prostokątnej  macierzy  CCD.  Akumulacja obrazu wykonywana jest za pomocą kilku oddzielnych macierzy (np. 4 lub 8), z których składany jest jednolity obraz o łącznym wymiarze sięgającym przykładowo 8 tys. na 14 tys. Wymiar elementów światłoczułych stosowanych w  kamerach cyfrowych wynosi zazwyczaj od 12 do 14 $\mu m$, co odpowiada rozdzielczości 2500 dpi.

W przypadku obrazów medycznych mamy do czynienia z szeroką skalą metod i urządzeń rejestrujących obrazy. Wykorzystywane są między innymi następujące nośniki informacji oraz właściwości struktur i tkanek, które są obrazowane:

• promieniowanie rentgenowskie, zarówno w zakresie promieniowania hamowania jak i charakterystycznego, pozwalające uwidocznić przestrzenny (dwuwymiarowy) rozkład współczynnika absorpcji (uśrednionego) tkanek penetrowanych wzdłuż wiązki promieniowania; efektem są radiogramy; w przypadku tomografii komputerowej  rejestrowane są poprzeczne profile danej warstwy obiektu; na ich podstawie rekonstruowany jest zbiór obrazów kolejnych warstw (uśrednionych jedynie po grubości warstwy) składających się na wolumen obrazowanych struktur wewnętrznych; efektem są tomogramy -- rys. 10;
•  fale ultrasonograficzne (mechaniczne fale o częstotliwościach ponadakustycznych) pozwalające wyznaczyć rozkład oporności akustycznej w płaszczyźnie obrazu; wykorzystywane jest zjawisko odbicia fali na granicy ośrodków o różnej oporności -- rejestrowany jest czas penetracji od głowicy do powierzchni odbijającej i z powrotem oraz osłabienie amplitudy fali nośnej; efektem są charakterystyczne obrazy USG typowej projekcji B; wykorzystując zjawisko Dopplera w zbiorze ultradźwięków rozproszonych na czerwonych krwinkach szacowana jest prędkość przepływu krwi w naczyniach i komorach (na podstawie przesunięć w częstotliwościowym widmie odbieranego sygnału); efektem zaś są kolorowe mapy przepływu krwi nałożone na morfologię zobrazowanych struktur;
• fale radiowe o niskich częstotliwościach oraz silne, zewnętrzne pole magnetyczne pozwalają uporządkować, a następnie zobrazować rozkład spinów jąder atomów wodoru w danej przestrzeni 3W; metody trójwymiarowej rekonstrukcji zróżnicowań nasycenia tkanek jądrami wodoru pozwalają tworzyć obrazy w dowolnej płaszczyźnie przecięcia obiektów, dając efekt zobrazowań tomografii rezonansu magnetycznego -- rys. 10}.

Rys. 10 Przykładowe obrazy medyczne: radiogram struktur kostnych miednicy (u góry po lewej), obraz głowy w tomografii rezonansu magnetycznego (u góry po prawej) oraz trzy kolejne warstwy z badania głowy w tomografii komputerowej.

Szczególnie dynamiczny rozwój notowany jest w zakresie cyfrowym metod akwizycji radiogramów.  Obok tradycyjnych klisz stosowane są również coraz doskonalsze detektory cyfrowe. Wyróżnia się dwa zasadnicze ich rodzaje:

1. z konwersją pośrednią (X $\rightarrow$ światło  $\rightarrow$ ładunek), zbudowane ze scyntylatora (zwykle jest to jodek cezu CsI) konwertującego promieniowanie X na widzialne, wykorzystujące następnie:
   1.  macierz CCD z układem optycznym do rejestracji obrazu;
   2. macierz fotodiod TFD (TFD -- Thin Film Diode}, przylegającą do warstwy cienkich tranzystorów TFT z amorficznego krzemu;
   3. obrazowe płyty fosforowe (PSP, photostimulable storage phosphor), magazynujące energię absorbowanych fotonów w metastabilnych stanach wzbudzonych (pułapki elektronowe w powłoce walencyjnej) atomów fosforu -- wykorzystuje się najczęściej związki BaFI:Eu²⁺, BaFCl:Eu²⁺, BaFBr:Eu²⁺; sczytywanie zmagazynowanej energii odbywa się za pomocą stymulacji czerwonym światłem laserowym, gdzie powracające do stanu podstawowego atomy wyświecają fotony w zakresie światła widzialnego (niebieskiego) -- co jest rejestrowane za pomocą detektorów cyfrowych, przede wszystkim CCD;
2. z konwersją bezpośrednią (X $\rightarrow$  ładunek), bazujące na dielektrycznych elektrodach z warstwą amorficznego selenu, gdzie fotony promieniowania X generują pary ładunków elektron dziura dryfujące w przyłożonym polu elektrycznym; ładunki docierające do dodatniej elektrody są zbierane za pomocą struktury TFT.

Orientacyjne wymagania stawiane systemom radiografii cyfrowej przedstawiono w Tabeli 1. Przyjmuje się, że zdolność rozdzielcza w radiologii analogowej wynosi 15-20 pl/mm (par linii na milimetr), co odpowiada zdolności rozdzielczej sięgającej 25 $\mu m$. Uzyskanie takiej zdolności rozdzielczej w systemach cyfrowych jest sprawą być może niedalekiej przyszłości. Natomiast większe możliwości detektorów cyfrowych w zakresie dynamiki rejestrowanych obrazów wynikają przede wszystkim z liniowej charakterystyki konwersji przestrzennie rejestrowanej wartości dawki (proporcjonalnej do liczby fotonów zarejestrowanych w danym pikselu) na poziom jasności obrazu (gęstości optycznej obrazu na kliszy czy też wartości funkcji jasności przypisane pikselowi w obrazie cyfrowym) oraz większego zakresu wielkości rejestrowanych dawek przetwarzanych na obraz. Dodatkowo, w rozwiązaniu cyfrowym istnieje możliwość dodatkowej poprawy kontrastu metodami przetwarzania obrazów.

Tab. 1 Wymagania stawiane cyfrowym systemom detekcji w radiografii ogólnej i mammografii.