Ccd матрица что это – Матрицы CMOS и CCD

Матрицы CMOS и CCD





CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор c обратной зарядной связью). Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика нa транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель нa месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:

  • Низкий уровень шумов.
  • Высокий коэффициент заполнения пикселов (около 100%).
  • Высокая эффективность (отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему нa светочувствительную область матрицы, для CCD — 95%).
  • Высокий динамический диапазон (чувствительность).
К недостаткам CCD матриц относятся:

  • 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 c CCD).
  • Дешевле и проще в производстве.
  • Перспективность технологии( нa том же кристалле в принципе ничего не стоит реализовать всe необходимые дополнительные схемы: аналого-цифровые преобразователи, процессор, память, получив, таким образом, законченную цифровую камеру нa одном кристалле. Созданием такого устройства, кстати, c 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).
К недостаткам CMOS матриц относятся

  • Низкий коэффициент заполнения пикселов, что снижает чувствительность(эффективная поверхность пиксела ~75%,остальное занимают транзисторы).
  • Высокий уровень шума (он обусловлен так называемыми темповыми токами — дажe в отсутствие освещения чeрeз фотодиод течет довольно значительный ток)борьба c которым усложняет и удорожает технологию.
  • Невысокий динамический диапазон.
Введение в датчики изображений


Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит чeрeз линзы и падает нa датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, тaкжe называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего нa них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет нa пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно знaчeниям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор c зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. Нa рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.


Цветовая фильтрация. Кaк уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего нa них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.

Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это тaкжe означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет – использовать дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется c зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), кaк показано нa рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. облaдaeт более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, пoэтoмy CMYG-системы, кaк правило, не столь хороши при передаче цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения c чересстрочной разверткой, в то время кaк RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения c прогрессивной разверткой. 

Светочувствительная матрица – важнейший элемент фотоаппарата. Именно она преобразует попадающий нa нее чeрeз объектив свет в электрические сигналы. Матрица состоит из пикселей – отдельных светочувствительных элементов. Нa современных матрицах общее количество светочувствительных элементов достигает 10 миллионов у любительских аппаратов и 17 миллионов у профессиональных. Матрица в N мегапикселей содержит N миллионов пикселей. Чем больше пикселей нa матрице, тем более детальной получается фотография.

Каждый светочувствительный элемент представляет собой конденсатор, заряжающийся под воздействием света. Конденсатор заряжается тем сильнее, чем ярче свет, падающий нa него, либо чем дольше он находится под воздействием света. Беда состоит в том, что заряд конденсатора может меняться не только под воздействием света, но и от теплового движения электронов в материале матрицы. В какие-то пиксели тепловых электронов попадает больше, в какие-то — меньше. В результате образуется цифровой шум. Если снять к примеру голубое небо, нa снимке оно может выглядеть кaк состоящее из пикселей немного разной окраски, а снимок сделанный c закрытым объективом будет состоять не только из черных точек. Чем меньше геометрический размер матрицы при равном числe мегапикселей, тем выше её шумы, тем хуже качество изображения.

Для компактных цифровых аппаратов размер матрицы принято указывать в виде дроби и измерять в дюймах. Что интересно, если попытаться вычислить эту дробь и перевести ее из дюймов в миллиметры, полученное значение не совпадет c реальными размерами матрицы. Это противоречие возникло исторически, когда подобным способом обозначали размер передающего телевизионного устройства (видикона). Для цифровых зеркальных фотоаппаратов размер матрицы или прямо указывают в миллиметрах, или обозначают в виде кроп-фактора – числа, указывающего во сколько раз этот размер меньше, чем кадр стандартной фотопленки 24х36 мм.

Другая важная особенность матриц состоит в том, что в матрице имеющей N мегапикселей содержится действительно N мегапикселей, и более того, изображение c этой матрицы тoжe состоит из N мегапикселей. Вы скажете, что же тут странного? А странно вот что – нa изображении каждый пиксель стоит из трех цветов, красного, зеленого и синего цвета. Казалось бы, и нa матрице каждый пиксель должен состоять из трех светочувствительных элементов, соответственно красного, зеленого и синего цветов. Однако нa деле это не так. Каждый пиксель состоит только из одного элемента. Откуда же тогда берется цвет? Нa самом деле, нa каждый пиксель нанесен светофильтр таким образом, что каждый пиксель воспринимает только один из цветов. Светофильтры чередуются – первый пиксель воспринимает только красный цвет, второй – только зеленый, третий – только синий. После считывания информации c матрицы, цвет для каждого пикселя вычисляется по цветам этого пикселя и его соседей. Конечно, такой способ нeскoлькo искажает изображение, однако алгоритм вычисления цвета устроен так, что искажаться может цвет мелких деталей, но не их яркость. А для человеческого глаза, рассматривающего снимок, важнее именно яркость, а не цвет этих деталей, пoэтoмy эти искажения практически незаметны. Такая структура имеет название структуры Байера (Bayer pattern) по фамилии инженера фирмы Кодак, запатентовавшего такую структуру фильтров.

Большинство современных светочувствительных матриц, применяемых в компактных цифровых фотоаппаратах, имеет два или три режима работы. Основной режим используется для фотосъемки и позволяет считывать c матрицы изображение максимального разрешения. Этот режим требует отсутствия какой-либо засветки матрицы во время считывания кадра, что в свою очередь, требует обязательного наличия механического затвора. Другой, высокоскоростной режим позволяет считывать c матрицы полное изображение c частотой 30 раз в секунду, но при пониженном разрешении. Этот режим не требует наличия механического затвора и используется для предосмотра и для съемки видео. Третий режим позволяет считывать изображение еще вдвое быстрее, но не сo всей площади матрицы. Этот режим используется для работы автофокуса. Матрицы, используемые в зеркальных цифровых фотоаппаратах, высокоскоростных режимов не имеют.

Но не всe светочувствительные матрицы устроены именно так. Компания Sigma выпускает матрицы Foveon, в которых каждый пискель действительно состоит из трех свечувствительных элементов. Эти матрицы имеют значительно меньше мегапикселей, чем их конкуренты, однако качество изображения c этих матриц своим многомегапиксельным конкурентам практически не уступает.

Другой интересной особенностью обладают матрицы SuperCCD фирмы Fuji. Пиксели в этих матрицах имеют шестиугольную форму и расположены подобно пчелиным сотам. С однoй стороны, в этом случае увеличивается чувствительность за счeт большей площади пикселя, а c другой – при помощи специального алгоритма интерполяции мoжнo получить лучшую детализацию изображения. 


В этом случае интерполяция действительно позволяет улучшить детализацию снимка, в отличие от аппаратов других производителей, где интерполируется изображение c матрицы, имеющей обычное расположение пикселей. Принципиальное 
отличие этих матриц состоит в том, что шаг расположения пикселей вдвое меньше, чем сами пиксели. Это позволяет увеличить детализацию изображения по вертикальным и горизонтальным линиям. В то же время у обычных матриц лучше детализация по диагонали, но нa реальных снимках диагональных линий обычно меньше, чем вертикальных или горизонтальных.

Интерполяция – алгоритм вычисления недостающих значений по соседним значениям. Если мы знаем, что в 8 утра температура нa улице была +16 градусов, а в 10 поднялась до +20, мы не сильно ошибемся, если предположим, что в 9 утра температура была около +18.

Матрица CCD


В CCD-сенсоре, свет (заряд), падающий нa пиксель сенсора, передается от микросхемы чeрeз один выходной узел, или чeрeз всeгo лишь нeскoлькo выходных узлов. Заряды преобразуются в уровень напряжения, накапливаются и рассылаются кaк аналоговый сигнал. Этот сигнал затем суммируется и преобразуется в числа аналого-цифровым преобразователем, вне сенсора (см. рис. 3).

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются нa протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.

Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может тaкжe привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только нa качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия нa окружающую среду.

CCD-сенсоры тaкжe требуют более скоростную передачу данных, т.к. всe данные проходят чeрeз всeгo лишь чeрeз один или нeскoлькo выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы c CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.

Матрица CMOS


На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи c низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по  более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит всe необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению c CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует тaкжe отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.

Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве тaкжe более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.

В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения c отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всeгo сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, мoжнo получить большую частоту кадров c части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать нeскoлькo видеопотоков c одного CMOS-сенсора, имитируя нeскoлькo «виртуальных камер»

HDTV и мегапиксельные камеры


Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высoкoй четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты – ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера облaдaeт кaк минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению c аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высoкoй четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высoкoй детализации изображения и многопотокового видео.

Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря нa то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.

Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно слoжно изготовить мульти-мегапиксельную камеру c использованием CCD-технологии.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, c разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.

Так или иначе, прогресс не стоит нa месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.

Основные отличия CMOS от CCD


CMOS-сенсоры содержат в сeбe усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время кaк в камере c CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают кaк правило одним А/Ц-преобразователем, в то время кaк в CMOS-сенсорах им облaдaeт каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

Заключение


CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру c CCD-сенсором или c CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.

www.photo-scapes.net

Чем отличается матрица CCD от CMOS

Матрица фотоаппарата выполняет функцию оцифровки параметров света на ее поверхности. На сегодняшний день рынок фототехники разделился на два лагеря: устройства, использующие матрицу CMOS и устройства, использующие матрицу CCD. Говорить о приоритете одной технологии над другой не представляется возможным, хотя доля CMOS в отчетах о продажах несколько выше, однако это объясняется объективными требованиями пользователя, а не свойствами непосредственно матриц. Зачастую в процессе выбора решающую роль играет стоимость.

Определение

Матрица CCD — микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов и созданная на кремниевой основе. В основе работы лежит принцип действия прибора с зарядовой связью.

Матрица CMOS — микросхема, созданная на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

к содержанию ↑

Сравнение

Ключевая разница между матрицами CMOS и CCD состоит в совершенно разных принципах работы. CCD оцифровывает полученную аналоговую картинку, CMOS — сразу каждый пиксель изображения. Чуть подробнее: электрический заряд в пикселях (светодиодах) CCD-матрицы преобразуется в электрический потенциал, усиливается в аналоговом усилителе за пределами светочувствительного сенсора и только потом оцифровывается посредством аналогово-цифрового преобразователя. Электрический заряд в пикселях CMOS-матрицы накапливается в конденсаторах, с которых снимается электрический потенциал, передается в аналоговый усилитель и оцифровывается посредством такого же преобразователя. Некоторые новые CMOS-матрицы снабжены усилителями аналогового сигнала, встроенными непосредственно в пиксель.

Еще один важный момент: количество усилителей для матриц CCD и CMOS разное. В последних усилителей больше, потому качество изображения при прохождении сигнала несколько снижается. Поэтому именно CCD применяется в создании фототехники, предназначенной для создания изображений высокой степени детализации, к примеру, в исследовательских, медицинских, промышленных целях. С CMOS мы сталкиваемся ежедневно: большинство камер в мобильной электронике выполнены на основе именно таких матриц.

Качество полученного изображения зависит еще от одного обстоятельства — плотности фотодиодов. Чем они расположены ближе, тем меньше участков матрицы, где фотоны пропадают вхолостую. CCD как раз предлагает макет без зазоров между фотодиодами, тогда как в CMOS они существуют — там расположены транзисторы.

Матрицы CCD намного дороже CMOS и энергозатратнее, поэтому установка их там, где достаточно качества изображения, приближенного к среднему, нецелесообразна. CCD-матрицы обладают высокой чувствительностью, процент заполнения пикселей у них выше и достигает практически 100%, уровень шумов демонстрируют низкий. Матрицы CMOS обеспечивают высокий уровень быстродействия, однако уступают CCD по показателям чувствительности и шума. CCD-технология, в отличие от CMOS, не позволяет выполнять серийную съемку или запись видео. Поэтому их применение в мобильной электронике, например, не оправдывается назначением самих устройств. Скажем так, CCD — матрица для профессиональной фототехники.

к содержанию ↑

Выводы TheDifference.ru

  1. CCD — матрица на кремниевой основе, действующая как прибор с зарядовой связью, CMOS — матрица на основе полевых транзисторов.
  2. Аналоговый сигнал в матрице CCD преобразуется за пределами светочувствительного сенсора, в матрице CMOS — непосредственно в пикселе.
  3. Качество изображения, получаемого от CCD, выше, чем от CMOS.
  4. CCD энергозатратнее.
  5. CMOS позволяет снимать видео и делать серийные фото.
  6. CMOS получила распространение в мобильной электронике.

thedifference.ru

CCD или CMOS? Критерии выбора

Матрица – это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа — CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше — CCD или CMOS.

Общая информация

Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.

Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица – это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица – это прибор, созданный на основе полупроводниковых полевых транзисторов, имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.

Принцип работы

Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше — матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей — непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.

Что же выбрать: CCD или CMOS?

Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.

Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше — CCD или CMOS, — является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).

Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой тип матрицы — CMOS или CCD — приобрести, всплывает главный параметр – цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.

fb.ru

В чем различия матриц CMOS и CCD?

CCD — это charge-coupled device (ПЗС — прибор с обратной зарядной связью). Этот тип матриц изначально считался более качественным, однако и более дорогим и энергозатратным. Если представить основной принцип работы матрицы CCD в двух словах, то они собрают всю картину в аналоговой версии, и только потом оцифровывают.

В отличие от CCD матриц, CMOS матрицы (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП), оцифровывают каждый пиксель на месте. CMOS матрицы были изначально менее энергопотребляющие и дешевыми, особенно в производстве больших размеров матриц, однако уступали CCD матрицам по качеству.

К преимуществам CCD матриц относятся:

  • 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).

К недостаткам CCD матриц относятся:

  • 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. Созданием такого устройства, кстати, с 2002 года занимаются совместно Samsung Electronics и Mitsubishi Electric).

К недостаткам CMOS матриц относятся

  • 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.

optimus-cctv.ru

CCD VS CMOS матрицы — что лучше? Мысли от Радоживы



































Добавить комментарий:








Комментарии: 158, на тему: ccd vs cmos




  • Александр

    Я вижу, что народ не понимает разницу между CCD и СMOS сенсорами, и почему CMOS сенсор не сразу нашёл своё место в профессиональных камерах с большими сенсорами?

    CCD хоть и обзывают аналоговым, но конструктивная разница между CCD и СMOS сенсорами небольшая. В CMOS используются те же самые фотодиоды, что и в CCD, разница лишь во встроенном усилителе сигнала, который в CMOS сенсоре имеется на каждом пикселе. Такая необходимость возникла больше из-за того, чтобы на цифровых зеркалках можно было снимать видео высокого разрешения. Также многократный съём информации с каждого пикселя во время экспозиции даёт больше данных для последующей обработки процессором цветовой гаммы. В CCD сенсоре информация снимается медленно, потому что все пиксели матрицы используются для сдвига накопленых зарядов, которые пропускаются через один усилитель сигнала. То есть заряды с нижнего ряда CCD матрицы перемещаются в буфер, и потом по очереди проходят через один усилитель сигнала, как пулемётная лента через один пулемёт. Заряды следующего ряда перемещаются на освобождённое место нижнего ряда, и так пока «отстреляется» вся матрица.

    В CMOS сенсоре нет сдвига зарядов от ряда к ряду, но усилитель сигнала стоит на каждом пикселе. Усиленный сигнал снимается сразу с нескольких рядов одновременно в несколько буферов, и потом эта информация проходит через несколько анализаторов, оцифровывается. И так многократно во время экспозиции. Поэтому после длительной выдержки буферная память переполнена, и процессору требуется больше времени на обработку информации.

    Как человек, который работает в микроэлектронных технологиях, могу вас заверить, что из-за ограниченной возможности машин и неоднородности самой кремневой подложки от её центра к краю, значения комплементарных транзисторов (CMOS) неоднородные . Поэтому чем больше сенсор, тем больше неоднородности в его элементах. Теперь представьте себе, что в матрице коэффициент усиления неодинаковый в каждом пикселе. Что получается? — шум на снимке. В то время как на CCD сенсоре все заряды усилились через один и тот же усилительный канал. В результате CCD сенсор даёт меньше шумов, чем CMOS.

  • Ярослав

    Что-то не так

  • Мурзик

    Пару слов о CCD ))
    Есть такая утилита с множеством пересетов,» Калор Эфекс ПРО 4″ называеццо )) Я вам там сделаю и визуализацию «будто ССD» , и зерно Fuji Superia и Kodak Elite Chrome 200 ))))

    • Денис

      это будет сметанный продукт вместо сметаны

    • Алексей Щ

      Когда же народ перестанет путать характерный плёночный рисунок и примитивный цифровой шум…
      А этому Кал_Ору Эффекс типа «ПРО» до настоящей имитации рисунка (не шума) — как до Луны пешком. Но народ реальную плёнку уже не застал и заморачиваться с ней никогда не будет, поэтому схавает любую жалкую имитацию.

  • Igor

    А на этом всё, в этот раз статейка вышла совсем короткая. Но растягивать её просто для объёма я не хочу, а всё, что я хотел, я в статье показал.

    • КалексейГ

      ))))) что-то сломалось!

  • FED2

    Аркадий,а эта статья скоро появится?

  • Аноним

    Вот какой то » траурный» цвет дает CMOS , мне лично CCD фото нравятся , хотя конечно там быстродействие и все такое. Я специально ушел от технических подробностей и попробовал оценить впечатление.

  • Павел

    Это у Кенон он траурный с похоронными унылыми оттенками.. А у Сони он яркий и цветастый, словно разрисованный китайскими дешевыми фломастерами. Такие фотки любят впаривать мамашкам фотографы из городского парка. Не хватает только цветочков и лошадок, добавленных в фотошопе по краям. ЧМОС он многогранный…

    • 1D$_mk3

      Это У Кэнона он такой?!
      А у Никона тогда какой же? Еклмн…

  • Павел

    Никакой. Если честно, здесь у каждого свои тараканы в голове. Кому важна эта разница в цветопередаче между сенсорами, кому нет, а кто ее вобще не видит. Но те, кто раньше плотно сидел на пленочном слайде, видят однозначно. По поводу Найкона: знал я одного фаната этой конторы, через все линейки прошел. Вроде все ему нравилось, на полный кадр собирал. Потом куда-то пропал неожиданно. Но потом объявился. Недавно видел его с 717-й древней сонькой, ну вы знаете, такая серебристая, 2/3 ссд матрица на пять мегапикселей…счастливый,улыбается. Говорит, наконец нашел , что ему нужно. Такие дела….

    • валерий А.

      -А что, отец, невесты в городе есть? — Кому и кобыла невеста.

  • @f_e_d_2

    Нет ни какой разницы!, если снимаем в днем, не на высоких исо. А про какие-то, более интересные цвета — это все сказки!Все одинаково, просто все забыли, чтобы снять информацию с РАВ-файла,необходимы некие настройки профиля камеры, проги, которые часто отличаются, и, почему-то, при переходе на CMOS, картинку на выходе сделали «холоднее». Кому как нравится? мне, например нравится тепле. Но при одной лишь корректировке баланса белого (работаю в Лайтруме), ВСЕ ЛЕГКО ПРИВОДИТСЯ К АБСОЛЮТНО ОДИНАКОВОЙ КАРТИНКЕ!, более того, к «одинаковым» деталям как в светах, так и в теня. Для примера брал кадры с Д5200 и Д200 (великая разница во времени и технологиях), и даже детализацию, не смотря на свою разницу в мегапикселях, оказалась практически одинаковой, на объективе 24-120.
    Теперь о разнице: Чем выше ИСО, тем шумнее матрица CCD, так же, при высоких ИСО, и длинной выдержке — больше горячих пикселей на матрице CCD. Но Это все при том, что технологии CCD перестали развивать, ввиду своей дороговизны, высоким энергопотреблением и т.д (кстати, D200 Держится Значительно дольше, чем D5200, не смотря на возраст, своего родного аккумулятора)
    Главный вывод, который я сделал: Все современные, цифровые камеры, начиная с Fuji S2Pro — Являются

    • @f_e_d_2

      Отличным инструментом, для получения качественных фотографий! Важно только , в каких руках этот инструмент 🙂

      • Аноним

        «ВСЕ ЛЕГКО ПРИВОДИТСЯ К АБСОЛЮТНО ОДИНАКОВОЙ КАРТИНКЕ!»
        Оно и понятно, лайтрум способен испоганить фото — хорошее сравнять с плохим.

    • Вв

      У D200 ёмкость аккума почти в два раза больше, а ещё там используются цилиндрические ячейки (против плоских EN-EL14), у цилиндра более высокая токоотдача.
      Примерно то же самое могу сказать про D5100-D7100: двух аккумов EN-EL14 хватает примерно на то же количество кадров, что и одного EN-EL15.
      Много кушает дисплей, а LiveView -так вообще дохрена — примерно в десять раз меньше кадров выходит.

      • Аноним

        «Много кушает дисплей, а LiveView -так вообще дохрена — примерно в десять раз меньше кадров выходит.»
        ==========================
        ну прям бином ньютона, какие откровения только не узнаешь! оказывается включенный дисплей потребляет много … не знал, не знал.. кто бы мог подумать! )))

    • Аноним

      вы слабо понимаете о чем говорите или у вас проблемы с монитором и/или зрением.
      или все сразу.
      никакой РАВ не добавит вам полутонов если их матрица не отобразила! совсем не добавит! ))))
      никакой проявщик и постобработка не добавит вам цвет если охват сенсора меньше в этой области чем цветовое пространство.
      никакой проявщик и постобработка не исправит кривой цвет если матрица имеет колор шифт в этой области )))
      это азбука цифрового фото.
      Хотя много народа смотрит это все на некалиброванных мониторах или смартах, поэтому можно снимать на что угодно, лишь бы вам нравилось. )))

      • Аноним

        Дайте определение полутона?

      • Онотоле

        Вы слабо понимаете о чём говорите или у вас проблемы с освоением графических редакторов, или всё сразу.
        И недостаток полутонов и цветовой охват и колор шифт и ещё кучу прочей экзотики, с которой не каждый фотолюбитель столкнется хотя бы раз в жизни, прекрасно правится в любом вменяемом фоторедакторе.
        По большому счёту, исправить нельзя только неснятую крышку с объектива.
        Это азбука цифрового фото.
        Хотя много народа смотрит это все на мониторах которые у них считаются за калиброванные, и уверяют, что только в CCD заключена особая магия, короче — можно снимать на что угодно, лишь бы вам нравилось. )))

        • Аноним

          @И недостаток полутонов и цветовой охват и колор шифт и ещё кучу прочей экзотики, с которой не каждый фотолюбитель столкнется хотя бы раз в жизни, прекрасно правится в любом вменяемом фоторедакторе.
          По большому счёту, исправить нельзя только неснятую крышку с объектива.
          Это азбука цифрового фото[email protected]»»
          =====================
          бред. от слова совсем.
          как бы вам объяснить ну совсем просто… если вы не хотите понимать что такое цветовой охват, точность цвета и прочую «экзотику», то это совсем не значит что у вас на снимках отсутствуют эти проблемы )))
          ЛЮБАЯ КАМЕРА работает в цветовом пространстве, ну совсем любая! ))) и вы можете это совсем не знать! ))) а она будет работать! о, как бывает )))
          вы не знаете и не понимаете а она работает )))
          и любая камера имеет свой охват и свою точность цвета, ну абсолютно любая )).
          и вы с этим сталкиваетесь ну с КАЖДЫМ СНИМКОМ.
          и опять таки, если вы настойчиво исправляете в «в любом вменяемом фоторедакторе» отсутствующие полутона, шифт колор и прочие прелести кривой матрицы и кривого цветопрофиля, то это просто означает что вы плохо различаете цвет и не понимаете что вы делаете ))))

          • Онотоле

            То что вы не умеете и не хотите уметь работать с фоторедакторами, совсем не значит, что никто не умеет. Приведите мне пример снимка с тем что вы называете «отсутствующими полутонами», а потом — что-то наподобие — только с «присутствующими».
            А потом — поговорим.

            • Аноним

              Онотоле, да делайте что вам хочется )))
              мне не платят что бы я тратил на вас свое время и учил вас основам даже не цвета а как вообще работает цифровая камера.
              ваш эпический бред что «цветовой охват» это «экзотика», с «которой не каждый фотолюбитель столкнется хотя бы раз в жизни» я тут народу репостил, вечер удался! ))) а как вы ЦВЕТ который не сняла матрица будете править в ББ — это песня! )))
              вопрос не в том что вы ничего не понимаете как работает цифра и что такое цвет в цифре, вопрос в том что вы не пытаетесь просто разобраться а настаиваете на своем невежестве.
              Жду воплей «приведите пример и докажите что земля не на трех китах стоит и вообще не факт что она круглая» ))))

              • Онотоле



                04.05.2019 в 23:00

                Слив засчитан.
                Я попросил пример, а не доказательство.

                И, разумеется, под «цветовой охват» я имел ввиду «явная недостаточность/несоответсвие цветового охвата камеры стандарту sRGB». Виноват, мне следовало точнее выражать свои мысли, а то ведь у кого-то может внезапно удастся вечер.

      • Роман

        Ахахаха. Вот беру я картинку, открываю ее в Lab, переворачиваю каналы и становится у меня красный зеленым или наоборот. Или провожу прочие манипуляции, увеличивая-снижая насыщенность/яркость/тон отдельных оттенков, применяю 3DLut преобразования и меняю картинку как хочу.

        Что такое точность передачи? У вас каждый монитор даже калиброванный будет отображать одну и ту же картинку по разному — достаточно изменить условия просмотра. Точнее, вы будете воспринимать ее по разному. Влияет все — температура и положение источника света в комнате, размер диагонали, даже ваше состояние и настроение. Единственный критерий визуального изображения — вам нравится или не нравится. Все.

        • Покемон

          «Что такое точность передачи?»
          Для меня это точность передачи оттенков жёлтого, красного и синего, и белого, а также скинтон таким как я его запомнил при фотографировании при определённом освещении. У меня неплохая зрительная память, поэтому при обработке raw всегда обращаю вниманию как камера поняла то, чего я от нее хочу.

          • Роман

            Человек не запоминает картинку, запоминание картинок сожрет всю наличную память. Человек запоминает зрительные ощущения. Для воссоздания ощущения заката вас надо или поместить в те же условия, в которых вы наблюдали закат или навернуть цвета, потому что одно дело, когда закат перед вами в панораме на 180 градусов, а другое — он же на экране монитора или тем более телефона.

            Ну и самое идиотское занятие, конечно же, сравнивать камеры по тому, как они проводят внутренню цветокоррекцию отснятого материала. Там сплошная вкусовщина и усреднение.

            Любители скинтона требуют отдельного котла в аду, потому что восприятие человеческого лица вживую и человеческого лица на изображении разнится — мозг вообще очень трепетно относится ко всему, что интерпретирует как лицо. Это не считая того, что цвет лица человека меняется в зависимости как от состояния человека (бледный, красный, жарко, плохо, загорел, заболел, обгорел), так и от условий освещения. А вольности цветокоррекции вообще убивают теорию скинтона напрочь. Посмотрите на Дейенерис в игре престолов, хотя бы даже в последнем сезоне, когда ее снимают с одной коррекцией снаружи Винтерфелла в зимнюю погоду, где она бледная, внутри Виентерфелла при свечах и на Драконьем камне, где тил-оранж и она почти красная. И она ВЕЗДЕ Дейенерис и у нее все офигенно со скинтоном на каждой локации. Потому что важно не мерянье эфемерной точностью цветопередачи, а уместность, достоверность и художественность. Вы портреты людей снимаете или кусок человеческой шкуры?

            • Покемон

              Я прекрасно помню как выглядел оттенок цвета на кузове машины.
              Например Bayside Blue у Скайлайна R34. Как он выглядел при съёмке и КАК должен выглядеть на фото. Также как и при съёмке.
              Повторюсь — у меня хорошая зрительная память и хорошо настроенный монитор.
              То что монитор может быть слегка ошибочно быть настроен — я допускаю(хотя он у меня не апервый год и не первый год перепроверяю корректность цветопередачи), однако проверяю материал не только на мониторе, но и на других устройствах.
              Мне важно, что бы цвета были таким какими я его запомнил при съёмке. Или возможно слегка сакцентированными по насыщенности в теплые оттенки. Главное, чтобы зелень не вылезала. Я бы вообще добавил пресет в камеры отдельных производителей — приглушить насыщенность зелёного.
              Сериалы не смотрю, извините нет времени.

              • Покемон



                07.07.2019 в 19:06

                Со скинтоном согласен сложно — есть дефекты кожи, банальный недосып -всё это видно. Тут уже нужно думать.

    • Покемон

      Как мне нравятся такие посты.
      Я тут пришёл такой весь рыцарь в белом и сейчас все мифы разобью одним махом.
      «Но при одной лишь корректировке баланса белого (работаю в Лайтруме), ВСЕ ЛЕГКО ПРИВОДИТСЯ К АБСОЛЮТНО ОДИНАКОВОЙ КАРТИНКЕ!»
      Весь вопрос: а НАДО ЛИ?
      Я сравнивал картинку, т.к. есть возможность сравнить S3Pro и X100T, а также Сигму на Фовеоне и современные ФФ Никоны.
      Разница есть. Современные камеры выигрывают за счёт более точной работы экспонометра.
      Где-то цвета точнее, где-то баланс белого.
      Нужно снимать в своё удовольствие на те камеры и объективы, которые нравятся и получать от процесса съёмки удовольствие. Нет смысла тут приходить во всём белом и пытаться разбивать какие-то мифы. При определенных условиях Фовеон и CCD могут дать цвета на фотографии симпатичнее или интереснее, чем видите в реале. Да, можно пытаться придрочить каждую фотографию с CMOS в редакторе. Но — она ВСЕГДА будет вторична. Т.к. всегда придётся подсматривать на фотки с CCD/Фовеона. А оно надо? Ну зачем? Зачем чего-то кому-то доказывать? Надо идти и снимать на достойные объективы и камеры. И не пытаться натянуть сову на глобус.

  • Аноним

    мутный холивар какой-то.
    о чем спорите ребята? о зверятах или о железе?
    колористика штука точная, легко измеряемая.
    есть цветовые пространства, есть точность цвета, насыщенность и т.д.
    есть инструменты для замера и получения результата. есть мониторы с калибровкой и т.д. и т.п.
    на сегодня самые лучшие матрицы по цветовому охвату и точности отображение цвета это CMOS — нравится это фанбоям CCD или нет )))
    Что еще обсуждать? стоны что раньше трава была зеленее, колбаса по 2.20 из бумаги и т.д.? Или что кому конкретно нравится? Так это бессмысленно, у всех свое зрение и по статистике 70% населения имеет проблемы с различением цвета и полутонов в частности.))))
    Почему то это тема CMOS VS CCD возбуждает прежде всего никонистов. Ребята, поймите, это не проблема CMOS у камер никона, это проблема Никона который никак не может настроить CMOS в своих камерах на вменяемый цвет! )))
    Поэтому логика — старые CCD никона хорошие по цвету — новые никон на CMOS плохие — значит плохой CMOS — увы, не работает ))))
    Попробуйте камеры с нормальным профилированием цвета и будет вам счастье с CMOS )))

    • Покемон

      Я читал на одном из англоязычных ресурсов интервью одного из инженеров Никон.
      И там было о цвете следующее: дорогие топовые камеры Про сегмента Никон стремится подогнать к реальным или менее насыщенным, чем реальные цвета. Камеры любительского сегмента наоборот к более насыщенным. Речь сейчас о камерном jpg и о цветах в RAW с пресетом «ББ АВТО».
      И это действительно можно увидеть на том же imaging resource внимательно посмотрев на графики цветов. На ПРО камерах цвета настроены точнее, чем на любительских.
      Мне теперь интересно как настраивает Canon свой цветовой профиль из каких побуждений…
      Например на первом или втором пятаке или единицах. Ну ладно, не будем…
      Не являюсь фанатом ни одного из брендов, но просто занятная получается история — снимаем в RAW 14битный, а потом это дело превращаем в 8-ми битный jpg и выкладываем куда-то эти фотки. Где люди смотрят их в пожатом виде с компрессией портящей цвета (как во вконтакте или инстаграмме). Особенно смешно когда потом узнаешь на какую технику было снято это фото. Так вот я о чём — снимаем для себя и для людей. И если это хобби, а не заработок, то главное, не на что снято, а как снято и чтобы и себе и людям эти фотки нравились.
      И тут возникает ещё одна дилемма — себе нравится может одно, а народу главное цвета поярче, поцветастее и все все равно смотрят на эти фотки с телефонов или ноутов на TN матрицах.

      • Вв

        Я с вами согласен, но тут постоянно всплывает ‘смотрят на TN-мониторах и смартфонах…’
        Так вот, большинство современных смартфонов (4-5 летней давности и новее), стоимостью от $100-150 имеют как раз IPS-матрицы со вполне вменяемыми цветами, и ощутимо превосходят матрицы недорогих ноутбуков (почему-то все, или почти все ноуты до $1000 оснащены TN-матрицами, хотя IPS ненамного дороже…) и дешевых мониторов. TN-матрицы, конечно, в плане цвета и полутонов весьма печальны (и нет оправдания тем ‘фотографам’, которые рассуждают о цвете, не имея хотя бы недорого IPS-монитора)

      • Аноним

        не совсем так. в плане цвета все профили на кмосах у никона были ну очень печальны, на никон ру и прочих форумах постоянно шли холивары какой проявщик выбрать чтобы вытащить хоть какой то цвет.
        прорывом стал д850 который был допилен по цвету под профили кенон, и сейчас эта камера считается по праву лучшей среди никонов.
        под кенон допилили Сони а7мк3, новую девятку панаса и почти все олимпусы.
        Один из самых популярных запросов на западных форумах соневодов — где взять профиль для сони чтобы получить цвет Кенона.
        Почему в итоге все сходится к цветопрофилю Кенона? Он наиболее точен и коммерчески успешен, приятен для глаз.
        Нравится это фанбоям прочих брендов или нет, увы, это просто факт.
        Что касается битности, все очень просто — вот видео 4К, делает даунсайз до 1080р и сравним с тем что было изначально 1080р — разница очень заметна. Так надеюсь понятно?
        Ну и само собой никаким ББ или лайтрумом в принципе не вернуть цвет которого нет или исправить экспозицию по каналам (вспоминаем что такое матрица и сколько там цветов на фильтрах…).

  • @f_e_d_2

    А где статья?

  • Ivan Nikolaevich

    пора про матрицу MOS написать

Добавить комментарий




















radojuva.com

Матрицы CCD и CMOS

1. Введение в датчики изображений

Когда изображение объективом видеокамеры, свет проходит через линзы и падает на датчик изображения. Датчик изображения, или матрица, состоит из множества элементов, также называемых пикселями, которые регистрируют количество света, упавшего на них. Полученное количество света пиксели преобразуют в соответствующее количество электронов. Чем больше света упадет на пиксель, тем больше электронов он сгенерирует. Электроны преобразуются в напряжение, а затем конвертируются в числа, согласно значениям АЦП (Аналого-Цифровой Преобразователь, A/D-converter). Сигнал, составленный из таких чисел, обрабатывается электронными цепями внутри видеокамеры.

В настоящее время, существует две основные технологии, которые могут быть использованы при создании датчика изображения в камере, это CCD (Charge-Coupled Device, ПЗС – прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник). Их характеристики, достоинства и недостатки будут рассмотрены в данной статье. На рисунке ниже изображены ПЗС (наверху) и КМОП (внизу) датчики изображений.

Цветовая фильтрация. Как уже было описано выше, датчики изображений регистрируют объем света, упавшего на них, от светлого до темного, но без цветовой информации. Поскольку КМОП и ПЗС датчики изображений «не видят цвет», перед каждым из датчиков ставится фильтр, позволяющий присвоить каждому пикселю в датчике цветовой тон. Два основных метода цветовой регистрации это RGB (Red-Greed-Blue, Красный-Зеленый-Синий) и CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green, Голубой-Пурпурный-Желтый-Зеленый). Красный, зеленый и синий являются основными цветами, различные комбинации которых могут составить большинство цветов, воспринимаемых глазом человека.

Фильтр Байера (или массив Байера, англ. Bayer array), состоящий из сменяющих друг друга строк красно-зеленых и сине-зеленых фильтров, является наиболее распространенным RGB-цветовым фильтром (см. Рис. 2). Фильтр Байера содержит удвоенное количество зеленых «ячеек», т.к. человеческий глаз более чувствителен к зеленому цвету, а не красному или синему. Это также означает, что, при таком соотношении цветов в фильтре, человеческий глаз увидит больше деталей, чем если бы три цвета использовались в равной пропорции в фильтре.

Другой способ фильтровать (или регистрировать) цвет – использовать дополнительные цвета – голубой, пурпурный и желтый. Фильтр из дополнительных цветов обычно комбинируется с зеленым цветовым фильтром в форме CMYG-цветового фильтра (CMYG-color array), как показано на рисунке 2 (справа). CMYG-цветовой фильтр обычно предлагает более высокий сигнал пикселя, т.к. обладает более широкой спектральной полосой пропускания. Тем не менее, сигнал должен быть преобразован в RGB для использования в итоговом изображении, а это влечем за собой дополнительную обработку, и вносит шумы. Следствием этого является снижение отношения сигнал-шум, поэтому CMYG-системы, как правило, не столь хороши при передаче цветов.

CMYG-цветовой фильтр обычно используется в датчиках изображения с чересстрочной разверткой, в то время как RGB-системы в первую очередь используются в датчиках изображения с прогрессивной разверткой.

2. CCD-технология

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 (см. рис. 3).

CCD-технология была изобретена специально для использования в видеокамерах, и CCD-сенсоры используются на протяжении 30 лет. Традиционно, у CCD-сенсоров есть ряд преимуществ перед CMOS-сенсорами, а именно лучшая светочувствительность и низкий уровень шумов. В последнее время, однако, различия едва заметны.

Недостатки CCD-сенсоров заключаются в том, что они являются аналоговыми компонентами, что требует наличия большего числа электроники «около» сенсора, они дороже в производстве и могут потреблять до 100 раз больше энергии, чем CMOS-сенсоры. Повышенное энергопотребление может также привести к повышению температуры в самой камере, что негативно сказывается не только на качестве изображения и увеличивает стоимость конечного продукта, но и степень воздействия на окружающую среду.

CCD-сенсоры также требуют более скоростную передачу данных, т.к. все данные проходят через всего лишь через один или несколько выходных усилителей. Сравните рисунки 4 и 6, показывающие платы с CCD-сенсором и CMOS-сенсором соответственно.

3. CMOS-технология

На ранней стадии, обычные CMOS-чипы использовались для отображения, однако качество картинки было низким, в связи с низкой световой чувствительностью КМОП-элементов. Современные CMOS-сенсоры изготавливаются по  более специализированной технологии, что привело к стремительному росту качества изображения и светочувствительности за последние годы.

CMOS-чипы обладают рядом преимуществ. В отличие от CCD-сенсоров, CMOS-сенсоры содержат в себе усилители и аналого-цифровые преобразователи, что значительно снижает стоимость конечного продукта, т.к. он уже содержит все необходимые элементы для получения изображения. Каждый CMOS-пиксель содержит электронные преобразователи. По сравнению с CCD-сенсорами, CMOS-сенсоры обладают большим функционалом и более широкими возможностями интеграции. Из других преимуществ следует также отметить более быстрое считывание, меньшее потребление энергии, высокую сопротивляемость шумам и меньший размер системы.

Тем не менее, наличие электронных схем внутри чипа приводит к риску появления более структурированного шума, например полос. Калибровка CMOS-сенсоров при производстве также более сложна, по сравнению в CCD-сенсорами. К счастью, современные технологии позволяют производить самокалибрующиеся CMOS-сенсоры.

В CMOS-сенсорах существует возможность считывания изображения с отдельных пикселей, что позволяет «оконизировать» изображение, т.е. считывать показание не всего сенсора, а лишь его определенного участка. Таким образом, можно получить большую частоту кадров с части сенсора для последующей цифровой PTZ (англ. pan/tilt/zoom, панорама/наклон/масштаб) обработки. Кроме того, это дает возможность передавать несколько видеопотоков с одного CMOS-сенсора, имитируя несколько «виртуальных камер»

4. HDTV и мегапиксельные камеры

Мегапиксельные сенсоры и телевиденье высокой четкости позволяет цифровым IP-камерам обеспечивать более высокое разрешение изображения, чем аналоговые CCTV-камеры, т.е. они дают большую возможность различить детали и идентифицировать людей и объекты – ключевой фактор в видеонаблюдении. Мегапиксельная IP-камера обладает как минимум вдвое большей разрешающей способностью, по сравнению с аналоговой CCTV-камерой. Мегапиксельные сенсоры являются ключевым моментов в телевидении высокой четкости, мегапиксельных и мульти-мегапиксельных камерах. И могут быть использованы для обеспечения экстремально высокой детализации изображения и многопотокового видео.

Мегапиксельные CMOS-сенсоры более широко распространены и гораздо дешевле чем мегапиксельные CCD-сенсоры, несмотря на то, что есть и довольно дорогие CMOS-сенсоры.

Сложно изготовить быстрый мегапиксельный CCD-сенсор, что конечно же является недостатком, и следовательно сложно изготовить мульти-мегапиксельную камеру с использованием CCD-технологии.

Большинство сенсоров в мегапиксельных камерах в целом аналогичны по размеру изображения VGA-сенсорам, с разрешением 640х480 пикселей. Однако мегапиксельный сенсор содержит больше пикселей, чем VGA-сенсор, соответственно размер каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре меньше размера пикселя в VGA-сенсоре. Следствием этого является меньшая светочувствительность каждого пикселя в мегапиксельном сенсоре.

Так или иначе, прогресс не стоит на месте. Идет стремительное развитие мегапиксельных сенсоров, и их светочувствительность постоянно возрастает.

 

5. Основные отличия

CMOS-сенсоры содержат в себе усилители, А/Ц-преобразователи и часто микросхемы дл дополнительной обработки, в то время как в камере с CCD-сенсором большинство функций по обработке сигнала проводятся за пределами сенсора. CMOS-сенсоры потребляют меньше энергии в отличие от CCD-сенсоров, что означает, что внутри камеры может поддерживаться более низкая температура. Повышенная температура CCD-сенсоров может увеличить интерференцию. С другой стороны CMOS-сенсоры могут страдать от структурированного шума (полосы и т.д.).

CMOS-сенсоры поддерживают «оконизацию» изображения и многопотоковое видео, что невозможно в CCD-сенсорах. CCD-сенсоры обладают как правило одним А/Ц-преобразователем, в то время как в CMOS-сенсорах им обладает каждый пиксель. Более быстрое считывание в CMOS-сенсорах позволяет их использовать при изготовлении мульти-мегапиксельных камер.

Современные технологические достижения стирают разницу в светочувствительности между CCD- и CMOS-сенсорами.

 

6. Заключение

CCD и CMOS-сенсоры обладают различными преимуществами и недостатками, но технологии стремительно развиваются и ситуация постоянно меняется. Вопрос о том выбрать ли камеру с CCD-сенсором или с CMOS-сенсором становится несущественным. Это выбор зависит лишь от требований, предъявляемых клиентом, к качеству изображения системы видеонаблюдения.

www.asb-video.ru

Что такое CCD-матрица?

Что такое CCD-матрица?

CCD-матрица / Charge-Coupled Device или ПЗС-матрица / Прибор с зарядовой связью – это аналоговая интегральная микросхема, в составе которой есть светочувствительные фотодиоды, выполненные из кремния или оксида олова. Принцип работы данной микросхемы основан на технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).

История CCD-матрицы

Впервые прибор с зарядовой связью был применен Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) в Лабораториях Белла крупнейшей в США корпорации AT&T Bell Labs в 1969 г. Они вели исследования в области видеотелефонии и так называемой «полупроводниковой пузырьковой памяти».

Вскоре миниатюрные приборы получили довольно широкое распространение и стали использоваться как устройства памяти, в которых заряд размещался во входном регистре микросхемы. Спустя какое-то время способность элемента памяти получать заряд за счет фотоэлектрического эффекта стала основной целью применение CCD устройств.

Еще через год, в 1970 году, исследователи все той же Лаборатории смогли зафиксировать изображения с помощью простейших линейных устройств, что собственно и взяли на вооружение инженеры Sony. Данная компания и по сей день активно работает в области CCD технологий, вкладывая в данное направление огромные финансовые вложения, всячески развивая производство ПЗС-матриц для своих видеокамер. Кстати, микросхема ПЗС-матрицы была установлена на надгробной плите главы компании Sony Кадзуо Ивама, который скончался в 1982 году. Ведь именно он стоял у истоков начала производства ПЗС-матрицы в массовом объеме.

Не остался без внимания и вклад изобретателей CCD-матрицы, так в 2006 году Уиллард Бойл и Джордж Смит получили награду Национальной Инженерной Академии США за свои разработки в данной сфере, а в 2009-м году им вручили Нобелевскую премию по физике.

Принцип работы ПЗС-матрицы

CCD-матрица практически полностью выполнена из поликремния, который изначально был отделен от кремниевой подложки специальной мембраной. При подаче напряжения на мембрану посредством поликремневые затворы сильно изменяются электрические потенциалы, расположенные вблизи электродов проводника.

Перед экспонированием и подачей на электроды определенной мощности напряжения, происходит сброс всех зарядов, которые образовались ранее, а также наблюдается преобразование всех элементов в идентичное или первоначальное состояние.

Комбинация напряжений на электродах создает потенциальный запас или так называемую яму, где скапливаются электроны, появившиеся в определенном пикселе матрицы в процессе экспонирования под воздействием световых лучей. В зависимости от интенсивности силы светового потока находится и объем накопившихся электронов в потенциальной яме, поэтому чем она больше, тем выше будет мощность итогового заряда определенного пикселя.

После завершения экспонирования, последовательные изменения напряжения питания электродов происходят в каждом отдельно взятом пикселе, рядом с которым наблюдается распределение потенциалов, в результате чего заряды перемещаются в заданном направлении — к выходным пикселям ПЗС-матрицы.

Состав элементов CCD-матрицы

В общих чертах конструкция CCD-элемента может быть представлена в виде кремниевой подложки p-типа, снабженной каналами из полупроводника n-типа. Над данными каналами располагаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей мембраной из оксида кремния.

После подачи электрического потенциала на данные электроды, в ослабленной зоне под каналом n-типа возникает потенциальная ловушка (яма). Ее основной задачей является сохранение электронов. Частица света, попадающая в кремний, провоцирует генерацию электронов, которые притягиваются потенциальной ловушкой и остаются в ней. Большое количество фотонов или яркий свет обеспечивает мощный заряд ловушки, после чего необходимо рассчитать и усилить значение полученного заряда, который специалисты именуют фототоком.

Процесс считывания фототоков CCD-элементов осуществляется с так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые конвертируют строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данный поток импульсов собственно и является аналоговым сигналом, который поступает на усилитель.

Таким образом, в аналоговый сигнал можно преобразовать заряды строки из CCD-элементов с помощь регистра. На практике же последовательный регистр сдвига в CCD-матрицах выполняется посредством все тех же CCD-элементов, построенных в одну строку. При этом работа данного устройства основывается на умении приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ловушек. Такой процесс осуществляется за счет наличия специализированных электродов переноса, которые размещаются между соседними CCD-элементами. В момент подачи на ближайший электрод повышенного потенциала, при этом заряд переходит под него из потенциальной ямы. В то же время между CCD-элементами обычно располагаются два-четыре электрода переноса, от количества которых зависит фазность регистра сдвига, именуемого двухфазным, трёхфазным или четырёхфазным.

Подача разных потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что переход зарядов потенциальных ловушек всех CCD-элементов регистра выполняется практически одновременно. Так за один «шаг» переноса, CCD-элементы перемещают по цепочке заряды справа налево или слева направо. При этом крайний CCD-элемент отдаёт свой заряд усилителю, который расположен на выходе регистра. Таким образом, становится вполне очевидно, что последовательный регистр сдвига является устройством с последовательным выходом и параллельным входом.

После того, как завершается процесс считывания абсолютно всех зарядов из регистра появляется возможность подать на его вход новую строку, затем еще одну и так далее. В результате получается непрерывный аналоговый сигнал, в основе которого лежит двумерный поток фототоков. После этого, входной параллельный поток, поступающий на последовательный регистр сдвига, обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, именуемой параллельным регистром сдвига. Вся эта конструкция в собранном виде как раз и является устройством, именуемым сегодня CCD-матрицей.

roscam-ufa.ru

Ccd матрица что это – Матрицы CMOS и CCD

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Пролистать наверх