Typy kamerových matíc. Čo je lepšie: CCD alebo CMOS? Kritériá výberu

Obrazový snímač je základným prvkom každej videokamery. Takmer všetky fotoaparáty dnes využívajú obrazové snímače CCD alebo CMOS. Oba typy snímačov plnia úlohu premeniť obraz zabudovaný na snímači objektívom na elektrický signál. Otázka, ktorý snímač je lepší, je však stále otvorená.

N.I. Chura
Technický poradca
LLC "Microvideo Group"

CCD je analógový snímač napriek diskrétnosti fotosenzitívnej štruktúry. Keď svetlo dopadne na matricu, každý pixel akumuluje náboj alebo balík elektrónov, ktoré sa pri čítaní na záťaži premenia na napätie video signálu úmerné osvetleniu pixelov. Minimálny počet medziľahlých prechodov tohto náboja a absencia aktívnych zariadení zaisťuje vysokú identitu citlivých prvkov CCD.

CMOS-matrix je digitálne zariadenie s aktívnymi snímacími prvkami (Active Pixel Sensor). Každý pixel má vlastný zosilňovač, ktorý premieňa náboj citlivého prvku na napätie. To umožňuje prakticky individuálne ovládať každý pixel.

Evolúcia CCD

Od vynálezu CCD v Bell Laboratories (alebo Bell Labs) v roku 1969 sa veľkosť obrazového snímača neustále zmenšuje. Zároveň sa zvýšil počet citlivých prvkov. To prirodzene viedlo k zníženiu veľkosti jedného citlivého prvku (pixelu), a teda aj jeho citlivosti. Napríklad od roku 1987 sa tieto veľkosti zmenšili 100-krát. Ale vďaka novým technológiám sa citlivosť jedného prvku (a následne aj celej matice) ešte zvýšila.

Čo umožnilo dominovať
CCD sa od začiatku stali dominantnými snímačmi, pretože poskytujú lepšiu kvalitu obrazu, menší šum, vyššiu citlivosť a väčšiu jednotnosť pixelov. Hlavné úsilie na zlepšenie technológie sa zameralo na zlepšenie výkonu CCD.

Ako rastie citlivosť
V porovnaní s populárnym snímačom Sony HAD so štandardným rozlíšením (500x582) z konca 90. rokov. (ICX055) citlivosť pokročilejšej technológie Super HAD sa zvýšila takmer 3-krát (ICX405) a Ex-view HAD - 4-krát (ICX255). Navyše pre čiernobiele a farebné verzie.

U matíc s vysokým rozlíšením (752x582) je úspešnosť o niečo menej pôsobivá, ale ak porovnáme farebné obrazové modely Super HAD s najmodernejšími technológiami Ex-view HAD II a Super HAD II, tak zvýšenie citlivosti bude 2,5 resp. 2,4-krát, resp. A to aj napriek poklesu veľkosti pixelov o takmer 30 %, keďže hovoríme o matriciach najmodernejšieho formátu 960H so zvýšeným počtom pixelov až na 976x582 pre štandard PAL. Na spracovanie tohto signálu spoločnosť Sony ponúka rad signálových procesorov Effio.

Pridaný IR komponent
Jednou z účinných metód na zvýšenie integrálnej citlivosti je rozšírenie spektrálnych charakteristík citlivosti na infračervený rozsah. To platí najmä pre maticu Ex-view. Pridanie IR zložky trochu skresľuje prenos relatívneho jasu farieb, ale to nie je kritické pre čiernobielu verziu. Jediný problém vzniká pri reprodukcii farieb v denných/nočných kamerách s konštantnou IR citlivosťou, teda bez mechanického IR filtra.

Vývoj tejto technológie v modeloch Ex-view HAD II (ICX658AKA) v porovnaní s predchádzajúcou verziou (ICX258AK) poskytuje zvýšenie integrálnej citlivosti len o 0,8 dB (z 1100 na 1200 mV) pri súčasnom zvýšení citlivosti pri vlnová dĺžka 950 nm x 4,5 dB. Na obr. 1 sú znázornené charakteristiky spektrálnej citlivosti týchto matíc a na obr. 2 - pomer ich integrálnej citlivosti.

Optická inovácia
Ďalšou metódou zvýšenia citlivosti CCD je zvýšenie účinnosti pixelových mikrošošoviek, svetlocitlivej oblasti a optimalizácia farebných filtrov. Na obr. 3 ukazuje pole Super HAD a Super HAD II, ktoré ukazuje zväčšenie plochy šošovky a svetlocitlivej oblasti najnovšej modifikácie.

Matrice Super HAD II navyše výrazne zvyšujú priepustnosť svetelných filtrov a ich odolnosť voči vyblednutiu. Navyše bol rozšírený prenos v krátkovlnnej oblasti spektra (azúrová), čo zlepšuje reprodukciu farieb a vyváženie bielej.

Na obr. 4 sú znázornené spektrálne charakteristiky citlivosti matíc Sony 1/3" Super HAD (ICX229AK) a Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: jedinečná citlivosť

Celkovo tieto opatrenia dosiahli významné výsledky v zlepšení výkonu CCD.

Charakteristiky moderných modelov nie je možné porovnávať s predchádzajúcimi verziami, pretože sa nevyrábali rozšírené farebné matrice, dokonca ani s typickým vysokým rozlíšením. V súčasnosti sa čiernobiele matrice so štandardným rozlíšením nevyrábajú pomocou najnovších technológií Ex-view HAD II a Super HAD II.

Každopádne, čo sa týka citlivosti, CCD sú pre CMOS stále nedosiahnuteľným meradlom, preto sú stále hojne využívané s výnimkou megapixelových verzií, ktoré sú veľmi drahé a používajú sa najmä na špeciálne úlohy.

CMOS: výhody a nevýhody

Snímače CMOS boli vynájdené koncom 70. rokov 20. storočia, no výroba začala až v 90. rokoch minulého storočia kvôli technologickým problémom. A hneď boli načrtnuté ich hlavné výhody a nevýhody, ktoré sú stále aktuálne.

Medzi výhody patrí väčšia integrácia a efektívnosť snímača, širší dynamický rozsah, jednoduchá výroba a nižšie náklady, najmä pri megapixelových možnostiach.

Na druhej strane, snímače CMOS majú nižšiu citlivosť v dôsledku, ak sú ostatné veci rovnaké, veľkým stratám vo filtroch štruktúry RGB, menšej užitočnej ploche fotosenzitívneho prvku. V dôsledku množstva prechodových prvkov, vrátane zosilňovačov v dráhe každého pixelu, je oveľa ťažšie zabezpečiť jednotnosť parametrov všetkých citlivých prvkov v porovnaní s CCD. Pokrok v technológii však umožnil priblížiť citlivosť CMOS najlepším vzorkám CCD, najmä v megapixelových verziách.

Prví zástancovia CMOS tvrdili, že tieto štruktúry by boli oveľa lacnejšie, pretože by sa dali vyrábať s rovnakým hardvérom a technológiami ako pamäťové a logické čipy. V mnohých smeroch sa tento predpoklad potvrdil, no nie úplne, keďže zdokonalením technológie došlo z hľadiska zložitosti k takmer identickému výrobnému procesu ako pri CCD.

S rozširovaním okruhu spotrebiteľov nad rámec štandardnej televízie začalo rozlíšenie matríc kontinuálne rásť. Ide o domáce videokamery, elektronické fotoaparáty a fotoaparáty zabudované v komunikačných médiách. Mimochodom, pre mobilné zariadenia je otázka účinnosti pomerne dôležitá a snímač CMOS tu nemá konkurentov. Napríklad od polovice 90. rokov 20. storočia. rozlíšenie matíc narástlo ročne o 1–2 milióny prvkov a teraz dosahuje 10–12 Mpx. Navyše dopyt po CMOS snímačoch sa stal dominantným a dnes presahuje 100 miliónov kusov.

CMOS: vylepšená citlivosť

Prvé vzorky sledovacích kamier koncom 90-tych rokov - začiatkom 2000-tych rokov s matricami CMOS mali rozlíšenie 352x288 pixelov a citlivosť asi 1 lux aj pre čiernobielu verziu. Farebné verzie štandardného rozlíšenia mali citlivosť okolo 7-10 luxov.

Čo ponúkajú dodávatelia
V súčasnosti sa citlivosť matíc CMOS určite zvýšila, ale pre typické verzie farebného obrazu neprekračuje hodnoty rádovo niekoľko luxov pri rozumných hodnotách F čísla šošovky (1,2–1,4). Potvrdzujú to údaje o technických charakteristikách značiek IP video monitorovania, ktoré používajú snímače CMOS s progresívnym skenovaním. Výrobcovia, ktorí uvádzajú citlivosť okolo desatín luxu, väčšinou uvádzajú, že ide o údaje pre nižšiu snímkovú frekvenciu, akumulačný režim alebo aspoň povolené a dostatočne hlboké AGC (AGC). Navyše u niektorých výrobcov IP kamier dosahuje maximálna hodnota AGC ohromujúcu hodnotu –120 dB (1 miliónkrát). Dúfame, že citlivosť pre tento prípad v mysliach výrobcov predpokladá slušný pomer signálu k šumu, čo vám umožní vidieť na obrazovke viac ako len „sneh“.

Inovácie zlepšujú kvalitu videa
V snahe zlepšiť vlastnosti CMOS snímačov navrhla Sony množstvo nových technológií, ktoré poskytujú praktické porovnanie CMOS snímačov s CCD v citlivosti, pomere signálu k šumu v megapixelových verziách.

Nová technológia výroby matríc Exmor je založená na zmene smeru dopadu svetelného toku na matricu. V typickej architektúre svetlo dopadá na predný povrch kremíkového plátku cez vodiče maticového obvodu a popri nich. Svetlo je týmito prvkami rozptýlené a blokované. V novej modifikácii svetlo vstupuje do zadnej časti kremíkového plátku. To viedlo k výraznému zvýšeniu citlivosti a zníženiu šumu v matrici CMOS. Na obr. 5 vysvetľuje rozdiel medzi štruktúrami typickej matice a Exmorovej matice znázornenej v reze.

Na fotografii 1 sú snímky testovaného objektu získané pri osvetlení 100 luxov (F4,0 a 1/30 s) s CCD (predné osvetlenie) a CMOS Exmor fotoaparátom s rovnakým formátom a rozlíšením 10 Mpx. Je zrejmé, že obraz CMOS kamery je minimálne taký dobrý ako obraz CCD.

Ďalším spôsobom, ako zlepšiť citlivosť snímačov CMOS, je opustiť pravouhlé usporiadanie pixelov s posunom červených a modrých prvkov po riadkoch. V tomto prípade sa pri konštrukcii jedného rozlišovacieho prvku používajú dva zelené pixely - modrý a červený z rôznych čiar. Namiesto toho sa navrhuje diagonálne usporiadanie prvkov pomocou šiestich susediacich zelených prvkov na vytvorenie jedného rozlišovacieho prvku. Táto technológia sa nazýva ClearVid CMOS. Na spracovanie sa predpokladá výkonnejší procesor obrazového signálu. Rozdiel v štruktúrach usporiadania farebných prvkov ilustruje obr. 6.

Informácie sa načítavajú vysokorýchlostným paralelným analógovo-digitálnym prevodníkom. V tomto prípade môže snímková frekvencia progresívneho snímania dosiahnuť 180 a dokonca 240 fps. Paralelné získavanie informácií eliminuje diagonálny posun snímky, ktorý je bežný pre CMOS fotoaparáty so sekvenčnou expozíciou a čítaním signálu, takzvaný Rolling Shutter efekt – kedy úplne chýba charakteristické rozostrenie rýchlo sa pohybujúcich objektov.

Fotografia 2 ukazuje obrázky rotujúceho ventilátora nasnímané CMOS kamerou pri 45 a 180 fps.

Plná súťaž

Ako príklad sme uviedli technológie Sony. Prirodzene, matrice CMOS, podobne ako CCD, vyrábajú iné spoločnosti, aj keď nie v takom rozsahu a nie sú také známe. V každom prípade, všetky tak či onak idú zhruba rovnako a používajú podobné technické riešenia.

Najmä známa technológia matíc Panasonic Live-MOS tiež výrazne zlepšuje charakteristiky matíc CMOS a samozrejme podobnými metódami. V matriciach Panasonic je vzdialenosť od fotodiódy k mikrošošovke znížená. Zjednodušený prenos signálu z povrchu fotodiódy. Počet riadiacich signálov sa znížil z 3 (štandardný CMOS) na 2 (ako v CCD), čím sa zväčšila fotocitlivá plocha pixelu. Používa sa nízkošumový fotodiódový zosilňovač. Používa sa tenšia štruktúra vrstvy snímača. Znížené napájacie napätie znižuje hluk a zahrievanie matrice.

Dá sa konštatovať, že megapixelové CMOS matice už dokážu úspešne konkurovať CCD nielen cenou, ale aj takými problematickými charakteristikami pre túto technológiu, akými sú citlivosť a hladina šumu. V tradičných CCTV televíznych formátoch však CCD matrice zostávajú bezkonkurenčné.

CMOS snímač

Polia CMOS používajú izolované tranzistory s efektom hradlového poľa s kanálmi s rôznou vodivosťou.

Ekvivalentný obvod bunky matrice CMOS: 1 - fotosenzitívny prvok (fotodióda); 2 - uzáver; 3 - kondenzátor, ktorý zadržiava náboj z diódy; 4 - zosilňovač; 5 - zbernica výberu liniek; 6 - vertikálna zbernica prenášajúca signál do procesora; 7 - resetovací signál.

História

Koncom 60. rokov 20. storočia. mnohí výskumníci si všimli, že štruktúry CMOS sú citlivé na svetlo. Zariadenia CCD však poskytovali tak vyššiu citlivosť na svetlo a kvalitu obrazu, že snímače CMOS nezaznamenali žiadny výrazný vývoj.

Začiatkom 90. rokov sa výrazne zlepšili vlastnosti CMOS snímačov, ako aj výrobná technológia. Pokroky v submikrónovej fotolitografii umožnili použitie tenších zlúčenín v CMOS snímačoch. To viedlo k zvýšeniu citlivosti na svetlo v dôsledku väčšieho percenta ožiarenej plochy matrice.

Revolúcia v technológii snímačov CMOS prišla, keď laboratórium NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) úspešne implementovalo aktívne pixelové snímače (APS) - aktívne pixelové snímače . Teoretické štúdie sa uskutočnili pred niekoľkými desaťročiami, ale praktické využitie aktívneho senzora bolo odložené až na rok 1993. APS pridáva ku každému pixelu tranzistorový zosilňovač na snímanie, čo umožňuje premeniť náboj na napätie priamo v pixeli. Poskytoval tiež náhodný prístup k fotodetektorom, podobným tomu, ktorý je implementovaný v mikroobvodoch RAM.

V dôsledku toho sa do roku 2008 CMOS stal prakticky alternatívou k CCD.

Tento rok na veľtrhu MWC v Barcelone Samsung predviedol nový typ snímačov CMOS, ktoré sú zamerané na smartfóny.

Princíp činnosti

• Resetovací signál je daný pred streľbou
• Počas expozície sa náboj akumuluje fotodiódou.
• V procese čítania sa vzorkuje hodnota napätia na kondenzátore

Výhody

• Hlavnou výhodou technológie CMOS je jej nízka statická spotreba energie. To umožňuje použiť takéto matice ako súčasť energeticky nezávislých zariadení, napríklad v pohybových senzoroch a sledovacích systémoch, ktoré sú väčšinu času v režime „spánok“ alebo „čakanie na udalosť“.
• Dôležitou výhodou matice CMOS je jednota technológie s ostatnými digitálnymi prvkami zariadenia. To vedie k možnosti kombinácie analógových, digitálnych a spracovateľských častí na jednom kryštáli (technológia CMOS, ktorá je primárne procesorovou technológiou, znamená nielen „zachytenie“ svetla, ale aj proces konverzie, spracovania, čistenia signálov nielen skutočne zachytené, ale aj komponenty elektronických zariadení tretích strán), ktoré slúžili ako základ pre miniaturizáciu kamier pre širokú škálu zariadení a zníženie ich nákladov v dôsledku odmietnutia ďalších procesorových čipov.
• Pomocou mechanizmu náhodného prístupu môžete čítať vybrané skupiny pixelov. Táto operácia sa nazýva čítanie okien. Orezanie vám umožňuje zmenšiť veľkosť nasnímaného obrazu a potenciálne zvýšiť rýchlosť čítania v porovnaní s CCD snímačmi, pretože v druhom prípade musia byť všetky informácie odstránené pre ďalšie spracovanie. Je možné použiť rovnakú maticu v zásadne odlišných režimoch. Predovšetkým rýchlym prečítaním len malej časti pixelov je možné poskytnúť kvalitný režim živého sledovania obrazu na obrazovke zabudovanej v zariadení s relatívne malým počtom pixelov. Môžete naskenovať iba časť rámu a použiť ju na zobrazenie na celej obrazovke. Získať tak možnosť kvalitného manuálneho zaostrovania. Je možné vykonávať reportážne vysokorýchlostné snímanie s menšou veľkosťou rámu a rozlíšením.
• Okrem zosilňovača v pixeli môžu byť zosilňovacie obvody umiestnené kdekoľvek pozdĺž signálovej cesty. To vám umožňuje vytvárať zosilňovacie stupne a zvyšovať citlivosť pri slabom osvetlení. Možnosť meniť zisk pre každú farbu zlepšuje najmä vyváženie bielej.
• Nízke výrobné náklady v porovnaní s CCD matricami, najmä pri veľkých rozmeroch matíc.

nevýhody

• Bunková fotodióda zaberá výrazne menšiu plochu matricového prvku v porovnaní s full-frame transferovým CCD. Preto skoré CMOS snímače mali výrazne nižšiu svetelnú citlivosť ako CCD. V roku 2007 však spoločnosť Sony uviedla na trh nový rad videokamier a fotoaparátov CMOS novej generácie s technológiou Exmor, ktorá sa predtým používala iba pre snímače CMOS v špecifických optických zariadeniach, ako sú elektrónové teleskopy. V týchto matriciach sa elektronické „viazanie“ pixelu, ktoré bráni fotónom zasiahnuť svetlocitlivý prvok, presunulo z hornej do spodnej vrstvy matrice, čo umožnilo zväčšiť fyzickú veľkosť pixelu s rovnaké geometrické rozmery matice a prístupnosť prvkov svetlu, čím sa zvýšila fotocitlivosť každého pixelu a matice ako celku. Po prvýkrát boli matrice CMOS porovnávané s matricami CCD z hľadiska citlivosti na svetlo, ale ukázalo sa, že sú energeticky efektívnejšie a nemajú hlavnú nevýhodu technológie CCD - „strach“ z bodového svetla. V roku 2009 spoločnosť Sony vylepšila snímače EXMOR CMOS technológiou „Backlight illumination“. Myšlienka technológie je jednoduchá a plne zodpovedá názvu.
• Fotodióda maticového článku má relatívne malú veľkosť, pričom hodnota výsledného výstupného napätia závisí nielen od parametrov samotnej fotodiódy, ale aj od vlastností každého pixelového prvku. Každý pixel matice má teda svoju charakteristickú krivku a vzniká problém rozptylu

Matrica je chrbtovou kosťou akéhokoľvek fotografického alebo video zariadenia. Určuje kvalitu a veľkosť výsledného obrázku. Dnes sa pri výrobe matríc používajú dva odlišné technologické princípy - CCD a CMOS. Veľmi často môžete počuť otázku: "Ktorú maticu si vybrať: CCD alebo CMOS?" O tejto otázke sa vedú búrlivé diskusie medzi fanúšikmi foto a video techniky. V tomto článku preskúmame tieto dva typy a pokúsime sa zistiť, ktorá matica je lepšia - CCD alebo CMOS.

všeobecné informácie

Matrice sú určené na digitalizáciu parametrov svetelných lúčov na ich povrchu. Nedá sa hovoriť o jednoznačnej výhode jednej z technológií. Porovnania možno vykonať podľa špecifických parametrov a lídra možno identifikovať v jednom alebo druhom aspekte. Pokiaľ ide o preferencie používateľov, hlavným kritériom pre nich sú často náklady na výrobok, aj keď je v kvalite alebo technických vlastnostiach horší ako jeho konkurent.

Pozrime sa teda, aké sú oba typy zariadení. CCD je mikroobvod, ktorý pozostáva z fotodiód citlivých na svetlo; je na báze kremíka. Zvláštnosť jeho práce spočíva v princípe fungovania nabíjacieho zariadenia. Matica CMOS je zariadenie založené na polovodičovom zariadení s izolovanou bránou s kanálmi rôznej vodivosti.

Princíp činnosti

Prejdime k identifikácii rozdielov, ktoré nám pomôžu urobiť správnu voľbu: čo je lepšie – matica CMOS alebo CCD? Hlavný rozdiel medzi týmito dvoma technológiami je v tom, ako fungujú. CCD zariadenia premieňajú náboj z pixelov na elektrický potenciál, ktorý je zosilnený mimo fotosenzitívnych senzorov. Výsledkom je analógový obraz. Potom sa celý obraz digitalizuje v ADC. To znamená, že zariadenie pozostáva z dvoch častí - samotnej matrice a prevodníka. Technológia CMOS sa vyznačuje tým, že digitalizuje každý pixel samostatne. Výstupom je hotový digitálny obraz. To znamená, že elektrický náboj v maticovom pixeli sa akumuluje v kondenzátore, z ktorého je odstránený elektrický potenciál. Prenáša sa do analógového zosilňovača (zabudovaného priamo v pixeli), po ktorom sa digitalizuje v prevodníku.

Mali by ste si vybrať CCD alebo CMOS?

Jedným z dôležitých parametrov, ktoré určujú výber medzi týmito technológiami, je počet maticových zosilňovačov. Zariadenia CMOS majú väčší počet týchto zariadení (v každom bode), preto sa pri prechode signálu mierne zníži kvalita obrazu. Preto sa CCD matrice používajú na vytváranie obrázkov s vysokým stupňom detailov, napríklad na lekárske, výskumné a priemyselné účely. Ale technológie CMOS sa používajú najmä v domácich spotrebičoch: webové kamery, smartfóny, tablety, notebooky atď.

Ďalším parametrom, ktorý určuje, ktorý typ je lepší - CCD alebo CMOS - je hustota fotodiód. Čím je vyššia, tým menej fotónov „bude nazmar“, respektíve, obraz bude lepší. V tomto parametri CCD matice prekonávajú svojich konkurentov, keďže ponúkajú rozloženie, ktoré takéto medzery nemá, kým CMOS ich má (sú v nich umiestnené tranzistory).

Keď však používateľ stojí pred voľbou: ktorý z nich - CMOS alebo CCD - kúpiť, objaví sa hlavný parameter - cena zariadenia. Technológia CCD je podstatne drahšia ako jej konkurent a energeticky náročnejšia. Preto je nepraktické ich inštalovať tam, kde postačuje obraz priemernej kvality.

CCD a CMOS snímače sú v posledných rokoch v neustálom konkurenčnom boji. V tomto článku sa pokúsime zvážiť výhody a nevýhody týchto technológií.

CCD(skratka pre "charge coupled device") alebo CCD matrica(skrátene z angl. CCD, "Charge-Coupled Device") - špecializovaný analógový integrovaný obvod, pozostávajúci z fotosenzitívnych fotodiód, vyrobených na báze kremíka, pomocou technológie CCD - zariadení so spojeným nábojom.

V CCD snímači sa svetlo (náboj) dopadajúce na pixel snímača prenáša z mikroobvodu cez jeden výstupný uzol alebo len cez niekoľko výstupných uzlov. Náboje sú prevedené na napäťové úrovne, akumulované a odoslané ako analógový signál. Tento signál je potom sčítaný a prevedený na čísla pomocou analógovo-digitálneho prevodníka mimo snímača.

CMOS (doplnková logika na polovodičových tranzistoroch z oxidu kovu;
KMDP; Angličtina CMOS, komplementárna symetria / polovodič z oxidu kovu) je technológia na konštrukciu elektronických obvodov.

V začiatkoch sa na zobrazovanie používali bežné čipy CMOS, ale kvalita obrazu bola nízka kvôli nízkej citlivosti prvkov CMOS na svetlo. Moderné snímače CMOS sa vyrábajú pomocou špecializovanejšej technológie, ktorá v posledných rokoch viedla k rýchlemu zvýšeniu kvality obrazu a citlivosti na svetlo.

Čipy CMOS majú množstvo výhod. Na rozdiel od CCD snímačov obsahujú CMOS snímače zosilňovače a analógovo-digitálne prevodníky, čo výrazne znižuje náklady na konečný produkt, pretože už obsahuje všetky potrebné prvky na získanie obrazu. Každý pixel CMOS obsahuje elektronické prevodníky. Snímače CMOS majú viac funkcií a širšie možnosti integrácie.

Jeden z hlavných problémov pri používaní CMOS matrice videokamery mali kvalitu obrazu. CCD matrice poskytli a teraz poskytujú nižšiu hladinu hluku. Ako výsledok CMOS čipy sa správali extrémne zle pri slabom osvetlení v porovnaní s CCD čipy... A keďže slabé svetlo je jedným z hlavných problémov pri natáčaní, bolo to veľkou prekážkou pri používaní. CMOS matrice... Výrobné skúsenosti nazbierané za roky vývoja CMOS však umožnili s každou novou generáciou týchto snímačov výrazne znížiť pevný a náhodný šum, ktorý ovplyvňuje kvalitu obrazu.

Ďalšia slabá stránka CMOS- skreslenia, ktoré sa objavujú pri snímaní dynamického obrazu v dôsledku nízkej citlivosti snímača. Obrázky áut môžu obsahovať veľmi jasné prvky, ako sú svetlomety, slnko, alebo veľmi tmavé oblasti, ako sú poznávacie značky. Z tohto dôvodu je potrebný široký dynamický rozsah na zvládnutie scén s veľkými poklesmi kontrastu. CCD snímač má dobrý dynamický rozsah, ale prístup CMOS k jednotlivým pixelom vám dáva oveľa viac priestoru na získanie lepšieho dynamického rozsahu. Pri používaní CCD môžu tiež svetlé body v scéne vytvárať zvislé čiary v obraze a rušiť rozpoznávanie ŠPZ v dôsledku vyblednutia a rozmazania.

Napriek skutočnosti, že CCD majú vyššiu citlivosť, hlavným faktorom obmedzujúcim ich použitie je nízka rýchlosť odčítania náboja a v dôsledku toho nemožnosť poskytnúť vysokú rýchlosť tvorby obrazu. Čím vyššie je rozlíšenie matrice, tým nižšia je rýchlosť zobrazovania. Na druhej strane, technológia CMOS, ktorá kombinuje fotosenzitívny prvok a mikroobvod na spracovanie, umožňuje získať vysokú snímkovú frekvenciu aj pre 3 megapixelové snímače.

Použitie megapixelových snímačov CMOS pre IP kamery vo video monitorovacích systémoch však vyžaduje efektívnu kompresiu dátového toku. Najbežnejšie kompresné algoritmy v IP CCTV sú dnes M-JPEG, MPEG4 a H.264. Prvý je často implementovaný priamo na CMOS snímači samotným výrobcom matrice. Algoritmy MPEG4 a H.264 sú efektívnejšie, ale vyžadujú si výkonný procesor. Na vytvorenie toku v reálnom čase s rozlíšením viac ako 2 megapixely používajú CMOS IP kamery koprocesory, ktoré poskytujú dodatočné výpočty.

V súčasnosti sú IP kamery založené na CMOS snímačoch čoraz obľúbenejšie predovšetkým vďaka technologickej podpore od lídrov v oblasti IP video sledovania. Navyše, ich cena je vyššia ako u podobných kamier na CCD. A to aj napriek tomu, že technológia CMOS, ktorá kombinuje analógovú a digitálnu časť zariadenia, umožňuje vytvárať lacnejšie kamery. Situácia je taká, že dnes sú náklady na IP kameru určené jej schopnosťami a vlastnosťami. Hlavná vec nie je typ matice, ale softvér implementovaný procesorom fotoaparátu.

Výhody CCD matríc:

• Nízka hladina hluku.
• Vysoký faktor vyplnenia pixelov (približne 100 %).
• Vysoká účinnosť (pomer počtu registrovaných fotónov k ich celkovému počtu dopadajúcich na svetlocitlivú oblasť matrice, pre CCD - 95%).
• Vysoký dynamický rozsah (citlivosť).
• Dobrá IR citlivosť.

Nevýhody CCD matríc:

• Komplexný princíp čítania signálu, a teda aj technológie.
• Vysoká spotreba energie (až 2-5W).
• Drahšie na výrobu.

Výhody matíc CMOS:

• Vysoký výkon (až 500 snímok / s).
• Nízka spotreba energie (takmer 100-krát v porovnaní s CCD).
• Lacnejšie a jednoduchšie na výrobu.
• Technológia je sľubná (v zásade nič nestojí implementácia všetkých potrebných dodatočných obvodov na tom istom kryštáli: analógovo-digitálne prevodníky, procesor, pamäť, čím sa získa kompletný digitálny fotoaparát na jednom kryštáli).

Nevýhody matíc CMOS:

• Nízky faktor vyplnenia pixelov, ktorý znižuje citlivosť (účinná plocha pixelov ~ 75 %, zvyšok zaberajú tranzistory).
• Vysoká hlučnosť (je to spôsobené tzv. tempovými prúdmi - aj pri absencii osvetlenia preteká fotodiódou pomerne značný prúd), boj s ktorým komplikuje a predražuje technológiu.
• Nízky dynamický rozsah.

Ako každá technológia, aj technológie CMOS a CCD majú výhody a nevýhody, ktoré sme sa pokúsili zvážiť v tomto článku. Obe technológie sa využívajú pri výrobe snímačov pre kamery VeSta. Digitálne aj analógové kamery VeSta sú vyrábané na báze CMOS a CCD snímačov. Analógové kamery VeSta sa vyrábajú hlavne na báze CCD snímačov. Analógové kamery VeSta založené na snímačoch CMOS sú označené symbolom „C“, napríklad VC-200c. Kamery VeSta IP využívajú hlavne snímače CMOS, existujú však aj kamery založené na matriciach CCD, napríklad VC-6304 IR, vytvorené na základe snímača CCD schopného generovať video obrázky s rozlíšením až 928 * 576 (960H ). Pri výbere kamier VeSta je potrebné vziať do úvahy všetky klady a zápory týchto technológií, pričom treba dbať na parametre ako citlivosť na svetlo, široký dynamický rozsah, spotreba energie, hlučnosť a cena kamery.

Matrica je hlavným konštrukčným prvkom kamery a jedným z kľúčových parametrov, ktoré používateľ berie do úvahy pri výbere kamery. Matice moderných digitálnych fotoaparátov možno klasifikovať podľa niekoľkých znakov, ale hlavným a najbežnejším je dokonca delenie matíc podľa metóda snímania náboja, na: matriky Ccd typu a CMOS matice. V tomto článku zvážime princípy fungovania, ako aj výhody a nevýhody týchto dvoch typov matríc, pretože sa bežne používajú v moderných fotografických a video zariadeniach.

CCD matrica

Matica Ccd tiež nazývaný CCD(Zariadenia s nabíjacím pripojením). CCD matrica je obdĺžniková doska fotosenzitívnych prvkov (fotiód) umiestnená na polovodičovom kremíkovom kryštáli. Princíp jeho pôsobenia je založený na riadkovom pohybe nábojov, ktoré sa nahromadili v medzerách tvorených fotónmi v atómoch kremíka. To znamená, že pri zrážke s fotodiódou sa absorbuje fotón svetla a uvoľní sa elektrón (dochádza k vnútornému fotoelektrickému javu). V dôsledku toho sa vytvorí náboj, ktorý sa musí nejako uložiť na ďalšie spracovanie. Na tento účel je do kremíkového substrátu matrice zapustený polovodič, nad ktorým je umiestnená priehľadná elektróda z polykryštalického kremíka. A v dôsledku aplikácie elektrického potenciálu na danú elektródu v zóne vyčerpania pod polovodičom vzniká takzvaná potenciálová jama, v ktorej je uložený náboj prijatý z fotónov. Keď sa elektrický náboj načíta z matrice, náboje (uložené v potenciálových jamkách) sa prenesú pozdĺž prenosových elektród na okraj matrice (sériový posuvný register) a smerom k zosilňovaču, ktorý zosilní signál a prenesie ho do analógového -na digitálny prevodník (ADC), odkiaľ je prevedený signál odoslaný do procesora, ktorý signál spracuje a výsledný obraz uloží na pamäťovú kartu .

Na výrobu CCD sa používajú polysilikónové fotodiódy. Takéto matrice majú malú veľkosť a umožňujú získať vysokokvalitné fotografie pri fotografovaní v bežných svetelných podmienkach.

Výhody CCD:

1. Konštrukcia matrice poskytuje vysokú hustotu umiestnenia fotobuniek (pixelov) na substráte;
2. Vysoká účinnosť (pomer registrovaných fotónov k ich celkovému počtu je asi 95%);
3. Vysoká citlivosť;
4. Dobré podanie farieb (pri dostatočnom osvetlení).

Nevýhody CCD:

1. Vysoká úroveň šumu pri vysokom ISO (pri nízkom ISO je úroveň šumu stredná);
2. Nízka prevádzková rýchlosť v porovnaní s matricami CMOS;
3. Vysoká spotreba energie;
4. Zložitejšia technológia na čítanie signálu, pretože je potrebných veľa riadiacich mikroobvodov;
5. Výroba je drahšia ako matrice CMOS.

CMOS matrica

Matrix CMOS, alebo CMOS snímač(Complementary Metal Oxide Semiconductors) využíva aktívne bodové senzory. Na rozdiel od CCD CMOS obsahujú samostatný tranzistor v každom fotocitlivom prvku (pixeli), v dôsledku čoho sa konverzia náboja vykonáva priamo v pixeli. Výsledný náboj je možné čítať z každého pixelu jednotlivo, takže nie je potrebné prenášať náboj (ako sa to stáva pri CCD). Pixels CMOS snímač sa integruje priamo s A/D prevodníkom alebo dokonca s procesorom. Výsledkom tejto inteligentnej technológie je úspora energie vďaka kratším procesným reťazcom v porovnaní s CCD, ako aj nižšia cena zariadenia vďaka jednoduchšej konštrukcii.

Stručný princíp činnosti snímača CMOS: 1) Pred snímaním je do resetovacieho tranzistora odoslaný resetovací signál. 2) Počas expozície svetlo preniká cez šošovku a filter na fotodiódu a následkom fotosyntézy sa v potenciálovej jamke hromadí náboj. 3) Načíta sa hodnota prijatého napätia. 4) Spracovanie údajov a ukladanie obrázkov.

Výhody polí CMOS:

1. Nízka spotreba energie (najmä v pohotovostnom režime);
2. Vysoký výkon;
3. Vyžaduje nižšie výrobné náklady v dôsledku podobnosti technológie s výrobou mikroobvodov;
4. Jednota technológie s ďalšími digitálnymi prvkami, ktorá umožňuje kombinovať analógové, digitálne a spracovateľské časti na jednom kryštáli (t.j. okrem zachytenia svetla v pixeli môžete signál konvertovať, spracovať a vyčistiť od šumu).
5. Možnosť náhodného prístupu ku každému pixelu alebo skupine pixelov, čo môže zmenšiť veľkosť zachyteného obrázka a zvýšiť rýchlosť čítania.

Nevýhody CMOS snímačov:

1. Fotodióda zaberá malú plochu pixelov, v dôsledku čoho sa získa matica s nízkou citlivosťou na svetlo, ale v moderných matriciach CMOS je toto mínus prakticky eliminované;
2. Tepelný šum zo zahrievacích tranzistorov vo vnútri pixelu počas odčítania.
3. Pomerne veľké rozmery, fluórové zariadenie s týmto typom matrice sa vyznačuje veľkou hmotnosťou a rozmermi.

Okrem vyššie uvedených typov existujú aj trojvrstvové matrice, z ktorých každá vrstva je CCD. Rozdiel je v tom, že bunky dokážu súčasne vnímať tri farby, ktoré sú tvorené dichroidnými hranolmi, keď na ne dopadá lúč svetla. Potom je každý lúč nasmerovaný do samostatnej matrice. Vďaka tomu je na fotobunke okamžite detekovaný jas modrej, červenej a zelenej farby. Trojvrstvové matrice sa používajú vo videokamerách vysokej úrovne, ktoré majú špeciálne označenie - 3CCD.

Suma sumárum podotýkam, že s rozvojom technológií na výrobu matíc CCD a CMOS sa menia aj ich charakteristiky, takže je čoraz ťažšie povedať, ktorá z matíc je určite lepšia, no zároveň , CMOS matrice sú pri výrobe zrkadloviek čoraz populárnejšie. Na základe charakteristických vlastností rôznych typov matríc môžete získať jasnú predstavu, prečo sú profesionálne fotografické zariadenia, ktoré poskytujú vysokokvalitné filmovanie, pomerne objemné a ťažké. Na túto informáciu treba pamätať pri výbere fotoaparátu – to znamená brať do úvahy fyzické rozmery matice, a nie počet pixelov.