Какая матрица лучше cmos или ccd: Разбираемся в светочувствительных матрицах: CMOS и CCD

Разбираемся в светочувствительных матрицах: CMOS и CCD

25 августа 2017

8 комментариев

Светочувствительная матрица — это «глаз» вашей видеокамеры безопасности. Она захватывает свет, попавший в объектив видеокамеры безопасности, и преобразовывает его в электронный сигнал.

Формат, или размер, матрицы определяет охват ваших камер безопасности. Самыми популярными форматами являются следующие: 2/3″, 1/2″ и 1/3″.

• Матрица с диагональю 2/3″ позволяет вести видеонаблюдение на больших расстояниях в условиях очень низкой освещенности.
• Матрица с диагональю 1/2″ — в большинстве случаев, представляет собой оптимальное решение с приемлемой светочувствительностью.
• Матрица с диагональю 1/3″ обеспечивает хорошую производительность при низкой освещенности и высокой частоте кадров.

Самыми популярными типами матриц по применяемой технологии являются CMOS (КМОП-матрица) и CCD (ПЗС-матрица).

1. Видеокамеры наблюдения с КМОП-матрицей: за и против

КМОП (CMOS) означает комплементарный металл-оксид-полупроводник (Complementary Metal Oxide Semiconductor). В видеокамерах безопасности с матрицей CMOS используется технология прогрессивного сканирования.

Преимущества и недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей

Преимущества видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей

• Высокое разрешение
• Отличная цветопередача
• Высокая кадровая частота
• Низкое энергопотребление
• Экономическая эффективность

Недостатки видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей

• Высокий уровень шума
• Умеренная светочувствительность

2. Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицей: за и против

Аббревиатура ПЗС (CCD) означает прибор с зарядовой связью (Charge Coupled Device). Видеокамеры наблюдения с ПЗС-матрицами имеют отличный WDR (широкий динамический диапазон), поэтому часто используются в условиях низкой освещенности. Камеры безопасности с матрицами CCD, как правило, менее подвержены влиянию вибраций по сравнению с камерами безопасности с матрицами CMOS.

Сильные и слабые стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

Сильные стороны видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

• Хорошая производительность в условиях низкой освещенности
• Хорошая технология WDR
• Меньшая восприимчивость к вибрационному эффекту
• Низкий уровень шума
• Высокая чувствительность
• Высокое разрешение

Недостатки видеокамеры наблюдения с CCD-матрицей

• Высокое энергопотребление
• Низкая кадровая частота
• Дороговизна

CMOS или CCD — что лучше?

Раунд 1: Кадровая частота и потребляемая мощность

Камера безопасности с CMOS-датчиком является однозначным победителем по частоте кадров. Камера безопасности с CMOS-датчиком может напрямую преобразовывать фотоэлектрический сигнал в цифровой сигнал. Частота кадров и скорость процесса преобразования сигнала CMOS-датчиком гораздо больше по сравнению с CCD-датчиком.

Аналого-цифровое преобразование происходит за пределами CCD-датчиков, поэтому формирование изображений и видео происходит дольше. Кроме того, видеокамеры безопасности с датчиками изображения CCD часто страдают от проблемы перегрева.

Камеры видеонаблюдения с CMOS-датчиками поддерживают гораздо более высокую кадровую частоту и потребляют меньше энергии, а также более экономичны по сравнению с камерами безопасности с CCD-датчиками. Обычно цена камеры видеонаблюдения с CMOS-матрицей более приятная, чем цена камеры безопасности с CCD-матрицей.

Поэтому победителем первого раунда становится видеокамера с CMOS-матрицей!

Раунд 2: Качество изображения

Как правило, камеры безопасности с CCD-матрицей создают изображения с более высоким разрешением. Тем не менее, развитие технологий может поставить качество изображений CMOS на один уровень с CCD. Например, видеокамеры безопасности с CMOS датчиками и оптическим зумом могут создавать даже более четкие изображения, чем видеокамеры с матрицами CCD.

Итак, второй раунд — ничья!

Раунд 3: Светочувствительность и шум

Традиционно, ПЗС-датчики менее подвержены искажениям изображения и имеют более высокую светочувствительность, поэтому создают гораздо меньше шума, чем камеры безопасности с датчиками CMOS. Однако, в настоящее время, в плане чувствительности, камеры видеонаблюдения с матрицами CMOS иногда даже превосходят CCD видеокамеры.

Трудно сказать, кто станет победителем в категориях светочувствительности и шума. Однако, исходя из текущего уровня развития технологии и производительности, видеокамеры с матрицей CCD становятся победителями в третьем раунде (возможно, это временная победа).

Основываясь на приведенной выше информации и подробном сравнении двух типов датчиков, можно обнаружить, что каждый тип датчика имеет свои плюсы и минусы.

В этой битве не может быть одного победителя. Все сводится к конкретному случаю:

1. Вы можете выбрать камеры безопасности с CCD-датчиками, если их использование будет происходить в условиях низкой освещенности.

Примечание: Некоторые камеры безопасности с CMOS-матрицами также могут обеспечить отличное наблюдение в темное время суток.

2. Видеокамеры наблюдения с CMOS-датчиками могут быть более компактными, поскольку размеры самих CMOS-датчиков могут быть очень маленькими. Поэтому можете выбрать их, если не хотите привлекать внимания к своей системе наблюдения.

3. Выбирайте видеокамеры безопасности с CMOS-матрицей, если ваше интернет-подключение недостаточно качественное. Видеокамеры наблюдения с CMOS-матрицей имеют меньше требований к ширине полосы пропускания, поэтому не будут перегружать вашу сеть.

Источник reolink.com. Перевод статьи выполнила администратор сайта Елена Пономаренко.

Поделиться

Твитнуть

Поделится

Поделится

Датчик
2 — мегапиксельная CMOS-матрица.
(2 — мегапиксельная,- это хорошо или нет?

Ответить

Действительно толковая статья.

Ответить

Хорошая статья, все описано обстоятельно и грамотно . 5звезд.

Ответить

Новый комментарий

Войти с помощью

Отправить

Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS

Отношение производителей конечной продукции к выбору между CCD и CMOS радикально поменялось в 2001 г., когда основные поставщики впервые высказали общую точку зрения, касающуюся разграничения сфер их применения.

К тому времени стало очевидным, что CCD обеспечивает лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому ее предлагалось использовать для построения систем, требующих высокого качества изображения: цифровых фото- и видео камер, медицинского оборудования и т. д. CMOS же отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая, офисная техника и игрушки.

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.

В современных устройствах их удается избежать, а захват изображения без особых артефактов возможен со скоростью 15-30 кадров/с, и уже 0,3-мегапиксельные CMOS-сенсоры фактически были избавлены от этой проблемы.

Однако победа в конкуренции технологий, скорее всего, лежит в плоскости уменьшения площади пиксела. Для успеха на рынке 1-мегапиксельных при диагонали 1/4 дюйма площадь пиксела должна составлять не более 3 мкм2. При всех усилиях производителей CMOS удовлетворить таким требованиям они пока не могут, поэтому, как считают эксперты, по крайней мере в ближайшее время в данной нише будет господствовать CCD.

Многие крупные производители компонентов выпускают и CMOS-сенсоры, и CCD-матрицы. Например, Sharp, крупнейший в мире поставщик модулей захвата изображения (и CCD, и CMOS), считает 2003 год эпохой настоящего расцвета технологии CCD.
 

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.

CCD против CMOS — разница и сравнение

CMOS и CCD датчики изображения преобразуют изображения (свет) в электронные сигналы. ПЗС-сенсоры немного дешевле и представляют собой более старую и зрелую технологию. ПЗС- и КМОП-сенсоры подвержены различным проблемам: ПЗС-сенсоры более подвержены вертикальному смазыванию от ярких источников света, а КМОП-сенсоры подвержены перекосу, колебанию и частичному экспонированию. Однако ни одна из технологий не является явным победителем по качеству изображения.

Сравнительная таблица

Сравнительная таблица ПЗС и КМОП

	CCD	CMOS
Акроним	Устройства с заряженной парой	Дополнительный полупроводниковый оксид металла
Стоимость	Дороже	Дешевле
Тип затвора	Общий	Роллинг
Перекос	Нет	Да
Колебание	Нет	Да
Частичное воздействие	Нет	Да
Вертикальный мазок	Да	№
Шум	Меньше	Подробнее
Энергоэффективность	Менее эффективный	Более эффективный

Датчик изображения CMOS внутри камеры

Отличия затвора — глобальный затвор против вращающегося затвора

ПЗС-матрицы используют глобальный затвор, который экспонирует все изображение одновременно.

Это может привести к размытию изображения, если во время экспозиции произойдет какое-либо движение, но высокая скорость затвора предотвращает эту проблему.

КМОП-сенсоры оснащены «скользящими шторками», которые экспонируют разные части кадра в разные моменты времени. Это может привести к перекосу, колебанию и частичной экспозиции на фотографиях.

В условиях хорошего освещения различия в механизмах затвора не вызывают никаких проблем. Однако в условиях низкой освещенности или при медленном мерцании света на отснятом материале (в случае видеозаписи) с датчиком CMOS может появиться темная полоса. Другой риск заключается в том, что при использовании вспышки изображение может оказаться разделенным на темную и яркую половины.

Вертикальное смазывание

ПЗС-сенсоры более восприимчивы к вертикальному смазыванию от яркого света, когда матрица перегружена, в то время как высококачественные КМОП-сенсоры не страдают от этой проблемы.

ПЗС-датчик на печатной плате.

Характеристики КМОП-датчиков по сравнению с ПЗС-сенсорами

ПЗС-датчики создают изображения высокого качества с низким уровнем шума (зернистости). Они более чувствительны к свету. Однако датчики CCD потребляют примерно в 100 раз больше энергии, чем эквивалентные датчики CMOS.

КМОП-изображения, как правило, имеют больше шума и нуждаются в большем количестве света для создания изображений с правильной экспозицией. Тем не менее, датчики CMOS намного более энергоэффективны, что приводит к увеличению срока службы батареи, и поскольку они со временем приближаются по качеству к ПЗС.

Как выбрать

ПЗС предпочтительнее, если вы хотите сфокусироваться на высококачественных изображениях с большим количеством пикселей и вам нужна отличная светочувствительность. Датчики CMOS предпочтительнее для высокоскоростных камер, поскольку они быстрее сканируют и выгружают отснятый материал.

Надежность

Хотя ПЗС раньше была более надежной, чем КМОП, в настоящее время между этими двумя типами датчиков нет разницы с точки зрения надежности.

Популярные камеры

Камеры CMOS более популярны — только две из 15 самых продаваемых камер на Amazon используют датчики CCD.

Каталожные номера

• wikipedia:Датчик изображения
• Как работают датчики изображения
• Артефакты сенсора и CMOS Rolling Shutter
• CCD и CMOS для профессиональной видеозаписи — B&H

• Подписаться
• Поделиться
• Ссылка
• Авторы

Поделитесь этим сравнением:

Если вы дочитали до этого места, подписывайтесь на нас:

«ПЗС против КМОП». Diffen.com. Diffen LLC, nd Веб. 24 апр 2023 г. < >

Что лучше датчик изображения CCD или CMOS?

ПЗС и КМОП

1 ПЗС и КМОП

2 Датчики изображения

3 Технология устройств с зарядовой связью (ПЗС)

4 Технология комплементарных оксидов металлов (КМОП)

5 Разрешение

6 Динамический диапазон

7 Запутался, подождите…

ПЗС и КМОП — это датчики изображения. Их можно найти в любом устройстве, создающем образ. Фотоаппараты, веб-камеры, мобильные телефоны. Они являются одной из самых распространенных потребительских электронных устройств в мире. Уже много лет ведутся споры о том, какой датчик изображения: CCD или CMOS. Давайте просто проясним, что обе технологии являются надежными технологиями, которые выжили на рынке электроники благодаря своим характеристикам изображения, изготовлению, упаковке и конкурентоспособным ценам. Таким образом, выбор между той или иной технологией не является таким простым.

В случае формирования изображения тип оптического сенсора является лишь одной переменной в длинном уравнении, включающем линзы, затворы, цветные фильтры и многие другие переменные.

При принятии решения о том, какой датчик вам нужен для вашего приложения, следует помнить о некоторых моментах

1. энергопотребление: КМОП-датчик обычно потребляет меньше энергии, что отражается на более длительном времени автономной работы

2. Качество изображения: ПЗС-датчик имеют тенденцию быть более четкими и менее шумными, чем CMOS

3. Чувствительность: ПЗС имеет тенденцию быть более чувствительным в условиях низкой освещенности, чем КМОП, хотя технология КМОП значительно улучшилась за последние пару лет.

4. Стоимость: здесь КМОП имеет преимущество.

Если вы хотите узнать немного больше о различиях между CMOS и CCD, пожалуйста, продолжайте читать и оставляйте нам любые вопросы в разделе комментариев.

Понимание датчиков изображения

Все камеры CMOS и CCD используют фотоэлектрический эффект для преобразования фотонов в электрический сигнал. Фотоэффект был впервые описан Альбертом Эйнштейном в 1905. Эйнштейн взял идею (у Планка) о том, что свет квантуется небольшими пакетами, называемыми «фотонами». Затем Эйнштейн предположил, что 1) энергия каждого фотона зависит от частоты его электромагнитной волны, 2) что фотон с достаточной энергией может ударить связанный электрон внутри материала, и 3) тогда электрон поглощает энергию фотона и будет выброшен с его текущей орбиты — мы будем называть этот свободный электрон фотоэлектроном. Здесь важно то, что энергия фотона зависит только от его частоты, а не от его интенсивности. Так что только фотоны с правильной частотой смогут убрать электроны с их текущей орбиты. Следовательно, увеличение интенсивности низкочастотного фотона не создаст фотоэлектрон.

После создания фотоэлектрона нам нужно захватить его и определить его количество. Устройства CCD и CMOS используют разные методы для захвата, количественного определения и воссоздания изображения. Как датчики CCD, так и датчики CMOS образованы матрицей пикселей. Каждый пиксель представляет собой светочувствительную область, в которой происходит фотоэлектрический эффект, но как только фотоэлектрон оказывается внутри пикселя, ПЗС и КМОП обрабатывают его совершенно по-разному. В следующих нескольких разделах мы рассмотрим основные операции и различия между устройствами CCD и CMOS.

Забавный факт: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию за работу над фотоэлектрическим эффектом, а не за свою общую теорию относительности необходимы. Большинство камер медицинского и научного назначения основаны на технологии ПЗС. Однако за последние пару лет это изменилось.

Мы можем представить ПЗС-сенсор как матрицу пассивных пикселей. Каждый пиксель получит конечное количество фотонов, которые создадут фотоэлектроны. Затем эти фотоэлектроны захватываются так называемой потенциальной ямой. Каждая потенциальная яма заряжается на определенное время. Количество заряда в каждой потенциальной яме будет зависеть от количества света, освещающего каждый отдельный пиксель. По истечении периода времени сбора появится затвор, который предотвратит сбор дополнительного света.

Давайте представим ПЗС-датчик 5×5. Под датчиком CCD у нас есть так называемый регистр последовательного сдвига (SSR) с размерами 1 × 5. Сдвиговый регистр подключен на одном конце к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и к усилителю. Нам нужно передать весь заряд ПЗС на SSR, чтобы иметь возможность обрабатывать изображение.

Эта передача происходит во время отключения. В течение этого времени каждый столбец будет перемещать заряд на одну строку вниз (они делают это с помощью так называемого регистра сдвига по вертикали). Нижний ряд (ряд 1 в нашем примере) передает свой заряд SSR. Как только заряд строки 1 переносится на твердотельное реле, он будет перемещать весь имеющийся заряд вправо (по одному столбцу за раз) в АЦП и усилитель до тех пор, пока твердотельное реле не опустеет.

Затем SSR остановится и будет ждать следующего цикла для передачи в него очередной строки и процесс повторяется до тех пор, пока не будут прочитаны все пиксели на ПЗС. Как видите, при чтении с ПЗС требуется несколько циклов для передачи каждой строки в SSR и для передачи каждого набора данных из SSR в ADC.

Одним из основных преимуществ ПЗС является низкий уровень шума. Одна из причин этого заключается в том, что вся система использует только один АЦП и усилитель (по крайней мере, в нашем примере), которые являются источниками шума.

Недостатком является то, что они, как правило, медленные, требующие нескольких тактовых циклов для считывания полного датчика CCD, и это число быстро увеличивается по мере увеличения количества пикселей. Также требуется большое количество энергии для переноса всех этих зарядов.

Рис. 1. Процесс транспортировки носителя ПЗС

Технология комплементарных оксидов металлов (КМОП)

Одно из самых больших различий между ПЗС и КМОП сенсорами заключается в том, что каждый пиксель на КМОП имеет собственный усилитель. Мало того, каждый столбец имеет свой собственный АЦП: как только пиксель обнаруживает свет, он усиливает его, а затем подключается к АЦП для этого столбца. В некоторых конфигурациях каждый пиксель может иметь свой собственный АЦП. Следствием такой конфигурации является то, что можно одновременно считывать несколько пикселей (в параллельной конфигурации).

Некоторые из основных преимуществ заключаются в том, что устройства CMOS имеют более низкое энергопотребление, чем ПЗС, стоимость производства ниже, чем у ПЗС, и они быстрее обрабатывают сигналы, чем ПЗС. Поэтому они идеально подходят для быстрого получения изображений. Кроме того, датчики CMOS могут быть изготовлены с использованием полупроводников помимо кремния (таких как арсенид галлия, кремний-германий, арсенид индия-галлия). Эти материалы позволяют КМОП быть чувствительными к длинам волн помимо видимого спектра. Все это большие преимущества, особенно если вы разрабатываете бытовые электронные устройства, такие как цифровые камеры или сотовые телефоны, где очень важны срок службы батареи и стоимость.

Их самый большой недостаток в том, что все эти дополнительные усилители и АЦП создают много шума.

Рис. 2. Процесс чтения CMOS. Электроника интегрирована в каждый пиксель

Разрешение

Важно выбрать правильную камеру, которая позволит нам иметь правильное разрешение для нашего приложения. Для этого обсуждения мы предположим, что выбираем камеру для применения в микроскопии.

Рассчитаем минимальное разрешение для 40-кратного объектива микроскопа с числовой апертурой 0,65. Мы будем использовать критерий Рэлея для этого расчета: минимальное расстояние между двумя образцами, чтобы их можно было различить в плоскости изображения. Мы можем выразить это в следующем уравнении:

где x — расстояние между двумя образцами, λ — длина волны, NA — числовая апертура, а n — показатель преломления между образцом и объективом микроскопа. Предполагая длину волны 550 нм (середина видимого спектра), числовую апертуру 0,65 и n = 1 (воздух), мы получаем минимальное расстояние 540 нм. Это разделение увеличивается в 40 раз объективом, и изображение на датчике будет иметь размер 21,6 мкм. Легко подумать, что нам понадобится как минимум размер пикселя 21,6 мкм; однако мы хотели бы, чтобы это изображение занимало не менее 3 пикселей. Поэтому нам понадобится размер пикселя 7,2 мкм или меньше.

В дополнение к этому нам еще нужно учитывать шум камеры и качество оптических элементов. Разрешение и производительность камеры можно охарактеризовать функцией передачи модуляции (MTF), которая представляет собой способность камеры и оптической системы передавать высококонтрастное изображение при различных разрешениях.

Динамический диапазон

Фотодетектор любого типа будет иметь собственный шум. Мы ничего не можем с этим поделать — этот шум является результатом некоторых квантовых эффектов, вызванных температурой (темновой шум) и вызванных электронными процессами во время AD-разговора и усиления (читай-шум). Если наш фотосигнал захвата ниже, чем общий шум системы, мы не сможем обнаружить этот сигнал, и это будет наш нижний предел обнаружения. Однако наш сигнал не может быть бесконечно большим. Помните, что когда фотоэлектроны генерируются, они хранятся в квантовой яме. Этот колодец имеет конечную емкость, и если мы превысим эту емкость, мы насытим чтение этого пикселя. По сути, у нас есть минимальный и максимальный диапазон фотосигнала, который мы можем обнаружить. Этот диапазон мы называем динамическим диапазоном. Его можно измерить по-разному в зависимости от ваших приложений. В фотографии, например, он измеряется в «стопах», тогда как в микроскопии его чаще измеряют в виде соотношения (1000:1), в децибелах (дБ) или в битовой глубине. Например, 8-битная глубина составляет примерно 50 дБ. Независимо от единиц, концепция одна и та же.

Допустим, вы хотите увеличить динамический диапазон датчика. Вы можете увеличить размер своей квантовой ямы, но это также увеличит размер вашего пикселя, а если вы увеличите размер пикселя, вы уменьшите разрешение устройства. Если вы сделаете пиксель слишком маленьким для увеличения разрешения, вы увеличите темный шум, а в случае CMOS вам нужно будет найти место для всей электроники.

КМОП-устройства, как правило, имеют более широкий динамический диапазон, чем ПЗС (хотя и не всегда). Одна из причин заключается в том, что ПЗС, как правило, имеют очень шумную электронику (что более высокое потребление энергии имеет дополнительные последствия), но высококачественные ПЗС-камеры могут иметь квантовую эффективность 90% (это означает, что на каждые 100 полученных фотонов 90 преобразуются в фотоэлектроны), в то время как КМОП может иметь около 40%.

Забавный факт: колбочки и палочки в наших глазах имеют квантовую эффективность менее 2%

Запутался, просто подождите…

Исследуя эту тему, я попал в кроличью нору. Существует так много информации, что можно было бы преподавать целый семестр по этой теме и только поверхностно. Следует помнить, что КМОП является более новой технологией, чем ПЗС, и поэтому за последние 10 лет были достигнуты важные успехи.