Сравнение CMOS И CCD в Видеонаблюдение
Сенсоры CCD и CMOS последние несколько лет находятся в состоянии непрерывного соперничества. В данной статье мы постараемся рассмотреть преимущества и недостатки данных технологий. ПЗС-матрица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-матрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий на пиксель сенсора, передается от микросхемы через один выходной узел, или через всего лишь несколько выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются как аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора. КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник; КМДП; англ. CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) — технология построения электронных схем.
И поскольку низкая освещенность — одна из основных трудностей при видеосъемке, это было главным барьером для использования CMOS-матриц. Однако, опыт производства, накопленный за годы развития CMOS, позволил с каждым новым поколением этих сенсоров существенно снижать фиксированные и случайные шумы, влияющие на качество картинки. Еще одно слабое место CMOS — искажения, появляющиеся при захвате динамического изображения вследствие слабой чувствительности сенсора. Изображения автомобилей могут содержать очень яркие элементы, такие как фары, солнце, а также очень темные участки, например, на номерных знаках. По этой причине для обработки сцен с большими контрастными перепадами необходим широкий динамический диапазон. ПЗС-сенсор обладает хорошими параметрами динамического диапазона, однако предусмотренный в КМОП доступ к отдельным пикселям, дает куда больше возможностей для получения лучшего динамического диапазона. Также при использовании CCD-матриц яркие пятна сцены могут создавать вертикальные линии на картинке и мешать распознаванию номерного знака из-за выцветания и смазывания.
В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP видеонаблюдения. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов, высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%), высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%), высокий динамический диапазон (чувствительность), хорошая чувствительность в IR-диапазоне.
Недостатки CCD матриц: Сложный принцип считывания сигнала, а следовательно и технология, высокий уровень энергопотребления (до 2-5Вт), дороже в производстве.
Преимущества CMOS матриц: Высокое быстродействие (до 500 кадров/с), низкое энергопотребление (почти в 100 раз по сравнению с CCD), дешевле и проще в производстве, перспективность технологии (на том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать все необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру на одном кристалле).
Недостатки CMOS матриц: Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность (эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы), высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — даже в отсутствие освещения через фотодиод течет довольно значительный ток) борьба с которым усложняет и удорожает технологию, невысокий динамический диапазон.
Как и любая технология, технологии CMOS и CCD обладают преимуществами и недостатками, которые мы постарались рассмотреть в данной статье. При выборе камер необходимо учитывать все плюсы и минусы данных технологий, обращая внимание на такие параметры как светочувствительность, широкий динамический диапазон, энергопотребление, уровень шума, стоимость камеры.
что это такое, принцип работы, характеристики, применение
Что означает CCD применительно к камерам
CCD означает прибор с зарядовой связью, который впервые был изобретен в конце 1960-х годов. ССD-матрица используется для захвата и сохранения изображений в цифровой памяти, и они оказались жизненно важны во многих областях науки и техники. ССD матрицы используются на копировальных аппаратах, факсах, камерах видеонаблюдения, маммографии, стоматологии, фотоаппаратах и видеокамерах. Большинство цифровых камер сегодня содержат ССD-сенсор для сбора и хранения цифровых отпечатков. В последнее время наиболее популярной областью использования камер CCD являются астрономические исследования.
История появления CCD
Приборы с зарядовой связью (ССD) были изобретены Уиллардом Бойлом и Джордж Э. Смитом в компании Bell Labs в 1969 году. Первоначально, Бойл и Смит считали это изобретение как новый тип компьютерной схемы памяти.
Схема заряжается светом, и благодаря кремнию, ССD очень чувствительна к свету. При этом Бойл и Смит знали, что ССD могла захватить лучшие изображения, если их поместить внутрь камеры. Чем больше света, здесь собирается тем более четкое и точное изображение появится. Когда появились цифровые камеры, ССD датчики были помещены внутри них, для того чтобы захватывать свет.
Принцип работы CCD
Сегодня большинство цифровых домашних камер обладают ССD сенсором. Когда свет собирается в камере и помещается на кремнии, создавая образ, датчик преобразует свет в электрический заряд, или электроны, которые позволяют свету превратиться в цифровое изображение. Наиболее описание этого процесса заключается в том, что после открытия затвора камеры, на кремний CCD воздействует свет, этот свет превращается в электроны, которые преобразуются в цифровой сигнал, и этот сигнал захватывается в память и отображается на печати с экрана фотокамеры.
Опции CCD камеры
Все CCD камеры обеспечивают высокое качество с низким уровнем шумности, с высокой светочувствительностью и высоким количеством пикселей.
Все цифровые камеры излучают свет в красном, зеленом и синем оттенках, но качество изображения зависит от качества камеры, которую вы покупаете. ССD -камеры содержат 2:59 CCD массивов. Одна ССD матрица расшифровывает всех три оттенка, что делает их более трудными для отделения каждого оттенка от другого. Камеры с одной ССD-матрицей обычно используются для систем безопасности или для других целей, где необходимы точные цвета. Камеры с тремя ССD матрицами обеспечивают один массив для каждого оттенка, что позволяет получить больше точности для получения окончательного результата.
Научные разработки
Хотя большинство цифровых камер содержат датчик изображения CCD, высокотехнологичные ССD-камеры очень популярны в биологии и астрофотографии и используются в телескопах Хаббл. CCD камеры позволяют длительное время удерживать экспозицию при съемке в телескопе. Камера заменяет окуляр телескопа, и она подключается к компьютеру. Кадры снимаются быстро они захватывают большой диапазон яркости и могут сливаться в одно изображение.
ССD-камеры реагируют почти на 70 процентов от имеющегося света, по сравнению с двумя процентами, того что могут снять традиционные камеры в ночном небе. Так как эти камеры гораздо более продвинутые, их стоимость колеблется от 500 $ до 10000 $.
Что такое прибор с зарядовой связью (ПЗС)?
ХранилищеК
- Роберт Шелдон
Устройство с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой светочувствительную интегральную схему, которая захватывает изображения путем преобразования фотонов в электроны. Датчик CCD разбивает элементы изображения на пиксели. Каждый пиксель преобразуется в электрический заряд, интенсивность которого связана с интенсивностью света, захваченного этим пикселем.
В течение многих лет ПЗС-датчики были предпочтительными датчиками в широком спектре устройств, но их неуклонно заменяют датчики изображения, основанные на технологии комплементарных металл-оксид-полупроводник (КМОП).
ПЗС-матрица была изобретена в 1969 году в Bell Labs (теперь часть Nokia) Джорджем Смитом и Уиллардом Бойлом. Однако усилия исследователя были сосредоточены в первую очередь на компьютерной памяти, и только в 1970-х годах Майкл Ф. Томпсетт, также работавший в Bell Labs, усовершенствовал конструкцию ПЗС-матрицы, чтобы она лучше подходила для обработки изображений.
После этого Томпсетт и другие исследователи продолжали совершенствовать ПЗС, что привело к улучшению светочувствительности и общего качества изображения. ПЗС вскоре становится основной технологией, используемой для цифровых изображений.
Светочувствительные интегральные схемы, устройства с зарядовой связью преобразуют фотоны в электроны для захвата изображений. Что делает устройство с зарядовой связью? Небольшие светочувствительные области выгравированы на поверхности кремния, чтобы создать массив пикселей, которые собирают фотоны и генерируют электроны.
В прошлом ПЗС-матрицы могли обеспечивать изображения гораздо лучшего качества, чем датчики других типов, в том числе основанные на технологии КМОП. В результате они использовались в самых разных устройствах, включая сканеры, считыватели штрих-кодов, микроскопы, медицинское оборудование и астрономические телескопы. Устройства также нашли применение в машинном зрении для роботов, оптическом распознавании символов (OCR), обработке спутниковых фотографий и радиолокационных изображений, особенно в метеорологии.
techtarget.com» type=»text/html» frameborder=»0″> Кроме того, ПЗС-матрицы использовались в цифровых камерах для обеспечения более высокого разрешения, чем старые технологии. К 2010 году цифровые камеры могли создавать изображения с разрешением более одного миллиона пикселей, но продавались они по цене менее 1000 долларов. Термин «мегапиксель» был придуман для обозначения таких камер.
ПЗС-сенсоры и КМОП-сенсорыНесмотря на первые успехи ПЗС-матриц, КМОП-сенсоры завоевывают популярность в отрасли и теперь широко используются в потребительских товарах для захвата изображений. Датчики CMOS проще и дешевле в производстве, чем датчики CCD. Они также потребляют меньше энергии и производят меньше тепла.
Несмотря на это, датчики CMOS имеют репутацию более восприимчивых к шуму изображения, который может повлиять на качество и разрешение. Но их качество значительно улучшилось за последние годы, и сейчас на рынке датчиков изображения доминируют датчики CMOS.
Несмотря на распространение КМОП-датчиков, ПЗС-датчики по-прежнему используются в приложениях, требующих точности и высокой степени чувствительности. Например, датчики CCD продолжают использоваться в медицинском, научном и промышленном оборудовании. Даже космический телескоп Хаббл оснащен ПЗС-датчиком. Но импульс явно отстает от CMOS, и будущее CCD остается неясным.
Хотя датчики CMOS в настоящее время используются для захвата изображений в потребительских товарах, ПЗС-матрицы продолжают широко использоваться в медицине, науке и промышленности благодаря их высокой чувствительности и точности.Изучите использование ИИ в медицинской визуализации и почему обмен данными медицинской визуализации с приложениями ИИ вызывает озабоченность .
Последнее обновление: ноябрь 2021 г.
Продолжить чтение Об устройстве с зарядовой связью- Передовой опыт корпоративного хранения данных изображений
- Из чего состоит система медицинской визуализации?
- Ажиотаж вокруг данных датчиков растет, но успех будет зависеть от основ
- Данные медицинской визуализации позволяют разрабатывать современные стратегии здравоохранения
- Интеллектуальные датчики: Полная версия
дисплей
Автор: Роберт Шелдон
эффект двери-ширмы
Автор: Гэвин Райт
пикселей
Автор: Александр Гиллис
разрешение
Автор: Рахул Авати
Аварийное восстановление
- Рекомендации по сетевой документации для команд аварийного восстановления
В случае аварии ИТ-команды часто думают о серверах и хранилищах, но забывают о сетях.
Узнайте, что вам следует … - Как обеспечить непрерывность сети в стратегии аварийного восстановления
Катастрофа приходит не только в виде пожара, наводнения и программ-вымогателей. Потеря непрерывности сети является реальной проблемой и должна быть …
- Предотвращайте различные типы сетевых атак с помощью планирования аварийного восстановления
Команды аварийного восстановления и ИТ-безопасности должны защищать сеть по нескольким направлениям, чтобы защитить данные от потенциальных злоумышленников. А …
Узнайте, что вам следует …Резервное копирование данных
- Технологические решения и технический долг в защите данных
В этом видео два эксперта-аналитика обсуждают цифровую трансформацию, расходы на ИТ и технический долг, а также то, как эти темы …
- Используйте резервное шифрование для защиты данных от потенциальных воров
Шифрование — это мощный инструмент для защиты конфиденциальных данных от чужих рук.
Чтобы обеспечить возможность восстановления после сбоя, данные … - 21 сервис облачного резервного копирования для бизнеса в 2023 году
Прежде чем выбрать услугу поставщика облачного резервного копирования, определите конкретные потребности вашей организации, в том числе какие функции …
Чтобы обеспечить возможность восстановления после сбоя, данные …Дата-центр
- Стоечный мейнфрейм IBM Z16 предназначен для периферийных вычислений
Новый мейнфрейм IBM Z16 для монтажа в стойку дает периферийным подразделениям возможность обрабатывать рабочие нагрузки локально, снимая нагрузку с систем …
- 4 модуля PowerShell, которые должен знать каждый ИТ-специалист
Узнайте, как использовать четыре самых популярных модуля сообщества PowerShell в галерее PowerShell, чтобы лучше управлять своим …
- Система Nvidia DGX Quantum объединяет процессоры, графические процессоры с CUDA
Nvidia и Quantum Machines предлагают новую архитектуру, сочетающую центральные и графические процессоры с квантовыми технологиями.
Что такое ПЗС? — Спектральные приборы
Устройство с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой интегральную схему, выгравированную на поверхности кремния и формирующую светочувствительные элементы, называемые пикселями. Фотоны, падающие на эту поверхность, генерируют заряд, который электроника может считывать и превращать в цифровую копию световых узоров, падающих на устройство. ПЗС-матрицы бывают самых разных размеров и типов и обычно используются в высокотехнологичных научных приложениях.
Функцию ПЗС можно представить в виде массива ведер (пикселей), собирающих дождевую воду (фотоны). Каждое ведро в массиве одинаковое время подвергается воздействию дождя. Затем ведра наполняются разным количеством воды, а ПЗС-матрица считывается по одному ведру за раз. Этот процесс инициируется заливкой воды в соседнюю пустую колонку. Ведра в этой колонке переносят свою воду в последний суммирующий пиксель, где электроника камеры считывает этот пиксель и превращает его в число, которое может быть распознано и сохранено компьютером.
Хотя эта модель является чрезмерным упрощением, мы даем подробное объяснение ниже.
Фотоны, падающие на поверхность кремния, создают свободные электроны за счет фотоэлектрического эффекта. Также генерируется одновременный положительный заряд или отверстия . Если ничего не делать, дырка и электроны рекомбинируют и высвобождают энергию в виде тепла. Небольшие тепловые флуктуации очень трудно измерить, поэтому предпочтительнее собирать электроны в том месте, где они образовались, и подсчитывать их для создания изображения. Это достигается за счет положительного смещения дискретных областей для притяжения электронов, генерируемых, когда фотоны ударяются о поверхность.
Простая схема ПЗС-пикселя.
Подложка ПЗС-матрицы изготовлена из кремния, но фотоны, идущие сверху затвора, ударяются об эпитаксиальный слой — по существу, кремний с добавленными в него различными элементами — и генерируют фотоэлектроны. Затвор удерживается под положительным зарядом по отношению к остальной части устройства, что притягивает электроны.
Из-за изолирующего слоя — по сути, слоя стекла — электроны не могут пройти к затвору и удерживаются на месте положительным зарядом над ними.
На рисунке справа показано, как электроны удерживаются на месте и перемещаются туда, где их можно измерить. Верхняя черная линия представляет собой потенциальную яму для электронов, которые представлены синим цветом и являются низкими или нисходящими , где потенциал высокий , поскольку противоположности притягиваются. Когда напряжение, соседнее с пикселем электрона, становится высоким, они начинают мигрировать в этом направлении до тех пор, пока напряжение в предыдущем затворе не станет равным нулю или низким, таким образом, эффективно перенося все электроны в соседний пиксель.
Электроны смещаются в двух направлениях на ПЗС, называемом параллельным или последовательным направлением. Один параллельный сдвиг происходит справа налево (показано слева). Последовательный сдвиг выполняется сверху вниз и направляет электронные пакеты в измерительную электронику.
Многие ПЗС-матрицы имеют несколько усилителей в каждом углу ПЗС-матрицы, что позволяет быстрее считывать данные. В примере слева изображение разбивается на 2, а затем на 4 разных части и считывается.
Аналого-цифровая (A/D) электроника измеряет напряжение, создаваемое пакетом электронов на последовательном выходе, и преобразует его в электронное число, которое затем можно сохранить в цифровом виде. Метод считывания этого напряжения называется интеграцией с двойным наклоном (DSI) и используется, когда требуется максимально низкий уровень шума. Вообще говоря, чем быстрее считывается пиксель, тем больше шума вносится в измерение. Блоки аналогово-цифрового вывода электроники называются аналого-цифровыми блоками или «ADU». Если усиление измерения известно, число ADU для каждого сгенерированного пикселя может быть напрямую соотнесено с количеством электронов, обнаруженных в этом пикселе. Все камеры Spectral Instruments поставляются с подробным отчетом об испытаниях, показывающим усиление при заданной скорости считывания
АЦП имеет ограничения на максимальное число, которое они могут описать.
Например, 8-битная АЦП не может представить число больше 28 = 256. 16-битная электроника не может описать число больше 216 = 65 536. Таким образом, 16-битная камера никогда не может отображать более 65 535 ADU в одном пикселе. ПЗС-матрицы научного уровня обычно могут содержать от 70 000 до 500 000 электронов в любом заданном пикселе. Поскольку это больше, чем количество ADU, которое может выразить электроника аналого-цифрового преобразователя, для доступа электроники ко всему динамическому диапазону ПЗС необходимо использовать различные коэффициенты усиления. При низких скоростях чтения (т. е. при низком уровне шума) коэффициент усиления 0,25e-/ADU является обычным явлением, таким образом, максимальное значение считывания составляет 0,25*65535 = ~16,4ke-, что намного ниже динамического диапазона большинства доступных в настоящее время ПЗС-матриц. При более высоких скоростях считывания (т.е. при более высоком уровне шума) может быть достигнуто усиление 5e-/ADU, что обеспечивает полный доступ к динамическому диапазону ПЗС.
Это, однако, приносит в жертву более высокий шум считывания для дополнительного динамического диапазона. Все камеры SI можно считывать с разными скоростями и несколькими настройками усиления, чтобы обеспечить доступ к наиболее важным аспектам измерения.
Галактика Андромеды
Полная емкость ямы — это максимальное количество электронов, которое может удерживать пиксель на ПЗС. Это число может варьироваться в широких пределах (от 10 кэ до 500 кэ) и в основном зависит от физических размеров пикселя (чем больше пиксель, тем больше электронов он может хранить). Когда в пикселе слишком много электронов, избыточный заряд начинает распространяться на соседние пиксели и создавать артефакты изображения, известные как цветение . Слева показано изображение галактики Андромеды, где видны слабые детали пыли в спиральных рукавах, но более близкие звезды в нашей собственной галактике цветут.
ПЗС-матрицы выигрывают от работы при более низких температурах, поскольку одной тепловой энергии достаточно для возбуждения посторонних электронов в пикселях, которые невозможно отличить от реальных электронов, создаваемых фотонами.
Этот шум называется темнового тока . На каждые 6-8 °C охлаждения приходится примерно 2-кратное снижение общей скорости генерации темнового тока. Однако у этого есть свои пределы, поскольку ПЗС-матрицы не работают при температурах ниже –120°C из-за негативного влияния на эффективность переноса заряда. Обратите внимание, что особенно для глубоко обедненных ПЗС охлаждение ниже -90°C имеет решающее значение для снижения темнового тока до приемлемого уровня.
Это видно на видео слева. При температуре –90°C изображение выглядит так, как должно быть на ПЗС-матрице с глубоким охлаждением, с присутствием только случайного шума считывания. Обратите внимание, что если было включено небольшое превышение сканирования, можно сказать электронике, что считывает с ПЗС на больше, чем есть на самом деле, чтобы помочь получить представление об электронном шуме считывания, не связанном с электронами, хранящимися в пикселях ПЗС. По мере повышения температуры генерируется больше тепловых электронов.
Помните, что электроны в любом заданном пикселе перемещаются по ПЗС, поэтому те электронные пакеты, которые были считаны последними, накапливают больше заряда по мере их перемещения при параллельном смещении ПЗС. Это создает градиент сигнала темнового тока, увеличивающийся по мере считывания с ПЗС — характеристика теплой ПЗС. Также обратите внимание на дефект в этом конкретном устройстве, дефект столбца в нижней части изображения во время процесса изготовления ПЗС-матрицы могут быть созданы пиксели, которые генерируют тепловые электроны со скоростью, намного большей, чем их соседние пиксели, и вводят заряд в каждый электронный пакет, пронесшийся мимо него. .
Охлаждение ПЗС до –110°C требует, чтобы устройство было термически изолировано от окружающей среды и поэтому должно находиться в вакуумной камере . В настоящее время ПЗС обычно охлаждаются переходами Пельтье (термоэлектрические охладители) и механическими насосами (криоохладители). Жидкий азот ранее был основным методом охлаждения; однако сегодня он редко используется, поскольку LN2 влияет на ориентацию камеры и может быть громоздким в работе.
Компания Spectral Instruments предлагает современные камеры с ТЭО или камерами с криогенным охлаждением.
генерируют фотоэлектроны с разной скоростью в зависимости от длины волны света. Преобразование фотонов в электрический сигнал называется квантовой эффективностью (КЭ). Антиотражающие покрытия оказывают некоторое влияние на QE, но обратное утонение оказывает большее влияние на увеличение QE, поскольку свет не должен проходить через «материал затвора» ПЗС с фронтальной подсветкой. Как показано ниже, обычное устройство с фронтальной подсветкой создает сигнал после того, как свет прошел через структуру затвора, что приводит к ослаблению входящего излучения. У ПЗС с утонением или обратной засветкой избыток кремния на нижней части устройства вытравлен, что позволяет беспрепятственно генерировать фотоэлектроны.
Процесс обратного утонения варьируется от компании к компании, что приводит к различиям между производителями. Ниже показан пример некоторых типичных значений QE от производителя ПЗС (Teledyne e2v), который обычно используется в системах камер Spectral Instruments.
были впервые использованы для научных измерений в начале 1980-х годов и стали предпочтительным датчиком почти для всех приложений обработки изображений, включая машинное зрение и бытовую электронику. В начале 19В 90-х годах разработка датчиков изображения CMOS достигла точки, когда они начали заменять ПЗС-матрицы для некоторых приложений с низкой производительностью. Со временем технология датчиков CMOS быстро расширилась, а технология CCD достигла зрелости. В настоящее время оба типа датчиков находят свое место в приложениях для научных измерений.
Как правило, датчики изображения CMOS являются первым выбором, когда приложение требует высокой частоты кадров и особенно низкого уровня шума при высокой частоте кадров. В таких приложениях время оптической интеграции настолько мало, что темновой ток и любая люминесценция от сенсорных транзисторов несущественны. Параллельное считывание из каждого столбца означает, что практическая частота кадров на 2–3 порядка выше, чем у типичной ПЗС.
Очень маленькие транзисторы в каждом пикселе приводят к высокой чувствительности с точки зрения выходного сигнала на фотоэлектрон, но это также приводит к ограниченному динамическому диапазону и характеристикам шума, которые менее желательны, чем выход ПЗС, в котором используется физически большой выходной транзистор, рассчитанный на низкое значение 1/. ф шум. КМОП-сенсоры, предназначенные для научных измерений, в настоящее время доступны в ограниченном количестве, но предпринимаются значительные усилия, чтобы расширить их возможности, в которых ПЗС-сенсоры традиционно были предпочтительными датчиками.
ПЗС лучше всего подходят для приложений, где время считывания менее важно, а считывание следует за большим временем интегрирования. Достаточно охлажденная ПЗС практически не имеет темнового тока и люминесценции, маскирующей интересующий сигнал. Выходной транзистор имеет хорошие характеристики с низким уровнем шума и динамический диапазон, равный или превышающий диапазон преобразователей данных.