Сенсорная технология CCD и CMOS

Матрица. Картинка с сайта videoglaz.ru

Когда изображение захватывается сетевой камерой, свет проходит через объектив и падает на светочувствительный сенсор (матрица, датчик изображения). Он преобразует свет, попадающий на светочувствительные кристаллы в электрические сигналы. Матрицы отличаются габаритами, разрешением (плотность фотоэлементов на единице площади), технологией, по которой ее изготовили.

В настоящее время существует две основные технологии, которые можно использовать для датчика изображения в камере: CCD (устройство с зарядовой связью) и CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник).

Цветовая фильтрация

Фотоэлементы регистрируют количество света от яркого до темного, не имея при этом информации о цвете. Сенсоры CMOS и CCD являются «дальтониками». Для определения цвета используется фильтр перед датчиком позволяет ему назначать цвет каждому пикселю. Двумя распространенными методами регистрации цвета являются RGB (красный, зеленый и синий) и CMYG (голубой, пурпурный, желтый и зеленый). Красный, зеленый и синий — основные цвета, которые, смешиваясь в различных комбинациях, могут дать большую часть цветов, видимых человеческому глазу.

Матрица Байера, имеющая чередующиеся ряды красно-зеленых и зелено-синих фильтров, является наиболее распространенным цветовым фильтром RGB, см. рисунок 2 (слева).

Поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, чем к двум другим цветам, матрица Байера имеет в два раза больше фильтров зеленого цвета. Это также означает, что с помощью массива Байера человеческий глаз может обнаружить больше деталей, чем если бы три цвета использовались в фильтре в равных пропорциях.

Другой способ фильтровать или регистрировать цвет – использовать дополнительные цвета: голубой, пурпурный и желтый.

Фильтры дополнительных цветов на датчиках часто комбинируются с зелеными фильтрами для формирования цветовой матрицы CMYG, см. рисунок 2 (справа).

Система CMYG обычно предлагает сигналы с более высоким разрешением благодаря более широкой спектральной полосе пропускания. Однако затем сигналы необходимо преобразовать в RGB, поскольку он используется в конечном изображении, а преобразование предполагает дополнительную обработку и добавление шума. В результате первоначальное соотношение сигнал-шум снижается, и система CMYG часто не так хорошо передает цвета.

Цветовая матрица CMYG часто используется в датчиках изображения CCD с чересстрочной разверткой, тогда как система RGB в основном используется в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.

Технология CCD

В датчике CCD свет (заряд), падающий на светочувствительные кристаллы сенсора, передается от чипа через один или несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровни напряжения, буферизуются и уходят дальше в виде аналогового сигнала. Затем этот сигнал усиливается и преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя вне датчика, см. рисунок 3.

Технология CCD была разработана специально для использования в камерах, а датчики CCD используются уже более 30 лет. Традиционно датчики CCD имели некоторые преимущества по сравнению с датчиками CMOS, такие как лучшая светочувствительность и меньший уровень шума. Однако в последние годы эти различия исчезли.

К недостаткам датчиков CCD относится то, что это аналоговые устройства, требующие большего количества электронных схем вне их. Производство дорогое и они могут потреблять в 100 раз больше энергии, чем матрицы CMOS. Повышенное энергопотребление часто приводит к перегреву камеры, что не только негативно влияет на качество изображения, но также уменьшает на ее ресурс, что приводит к увеличению стоимости обслуживания.

Технология CMOS

Раньше для обработки изображений использовались обычные CMOS-чипы, но качество изображения было плохим из-за их низкой светочувствительности. Современные CMOS-сенсоры используют более специализированную технологию, а качество и светочувствительность сенсоров за последние годы сильно возросли.

CMOS-чипы имеют ряд преимуществ.

1. В отличие от CCD, в чип CMOS интегрированы усилители и аналого-цифровые преобразователи, что снижает стоимость камер, поскольку чип матрицы CMOS содержит всю логику, необходимую для создания изображения.

2. По сравнению с датчиками CCD, датчики CMOS имеют лучшие возможности интеграции и больше функций. Однако такое добавление схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например, полос и других узоров.

3. Сенсоры CMOS также имеют более быстрое считывание, меньшее энергопотребление, более высокую помехоустойчивость и меньшие габариты.

4. Калибровка CMOS-сенсора в производстве, если она необходима, может быть более сложной, чем калибровка CCD-сенсора. Но развитие технологий облегчило этот процесс, а некоторые из них в настоящее время могут даже иметь автокалибровку.

5. Можно считывать отдельные пиксели с CMOS-датчика, что позволяет использовать «окно». Это означает, что можно считывать части области матрицы, а не всю ее поверхность сразу. Таким образом, обеспечивают более высокую частоту кадров от ограниченной части датчика и использовать цифровые функции PTZ (панорамирование/наклон/масштабирование).

Также возможно обеспечить потоковую передачу нескольких изображений, что позволяет одновременно передавать несколько обрезанных областей изображения с датчика, имитируя несколько «виртуальных камер».

HDTV и мегапиксельные датчики

Технология мегапикселей и HDTV позволяет сетевым камерам обеспечивать видеоизображение более высокого разрешения, чем аналоговые камеры видеонаблюдения, т. е. они улучшают возможность видеть детали и идентифицировать людей и объекты, что является ключевым моментом в применении видеонаблюдения.

Мегапиксельная сетевая камера или HDTV-камера обеспечивает как минимум в два раза более высокое разрешение, чем обычная аналоговая камера видеонаблюдения. Мегапиксельные датчики являются ключевыми компонентами HDTV, мегапиксельных и мультимегапиксельных камер и могут использоваться для обеспечения чрезвычайно детальных изображений и потоковой передачи нескольких изображений.

Мегапиксельные матрицы CMOS более широко доступны и, как правило, дешевле, хотя и бывают исключения, чем мегапиксельные датчики CCD.

Трудно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что, конечно, является недостатком и затрудняет построение многомегапиксельной камеры с использованием CCD-технологии.

Многие матрицы в мегапиксельных камерах, как правило, по размеру аналогичны матрицам VGA с разрешением 640×480 пикселей. Поскольку мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA, то размер каждого пикселя в мегапиксельном датчике становится меньше, чем в датчике VGA. Как следствие, мегапиксельный датчик обычно менее светочувствителен, чем датчик VGA, поскольку размер пикселя меньше, а свет, отраженный от объекта, распространяется на большее количество пикселей. Однако технологии мегапиксельных сенсоров быстро совершенствуются, а их светочувствительность постоянно улучшается.

Основные различия

Датчик CMOS включает в себя усилители, аналого-цифровые преобразователи и часто схемы для дополнительной обработки, тогда как камеры с CCD многие функции обработки сигнала выполняются вне датчика. Сенсоры CMOS имеют более низкое энергопотребление, чем CCD, а это означает, что температура внутри камеры более низкая. Сильный нагрев CCD-сенсора может увеличить помехи, но, с другой стороны, CMOS могут больше страдать от структурированного шума.

Матрица CMOS обеспечивает «оконную» и потоковую передачу нескольких изображений, что невозможно выполнить с помощью CCD. Он обычно имеет один преобразователь заряда в напряжение на весь датчик, тогда как CMOS имеет один преобразователь заряда в напряжение на пиксель. Более быстрое считывание данных с CMOS-сенсора упрощает его использование во много мегапиксельных камерах.

Последние технологические достижения устранили разницу в светочувствительности между CCD и CMOS матрицами в одной ценовой категории.

Заключение

Датчики CCD и CMOS имеют свои плюсы и минусы, но технология быстро развивается, и ситуация постоянно меняется. Следовательно, лучшая стратегия для производителей видеокамер – это постоянная оценка и тестирование матриц для каждой разрабатываемой камеры. Тогда вопрос о том, основан ли выбранный датчик на технологии CCD или CMOS, становится неактуальным.