کدام نوع ماتریس از ccd cmos بهتر است. ماتریس های CMOS و CCD

1. مقدمه ای بر حسگرهای تصویر

هنگامی که یک تصویر توسط لنز دوربین فیلمبرداری گرفته می شود، نور از لنز عبور می کند و به سنسور تصویر برخورد می کند. سنسور تصویر یا حسگر از عناصر بسیاری تشکیل شده است که پیکسل نیز نامیده می شود و میزان نوری را که به آنها برخورد می کند را ثبت می کند. پیکسل ها مقدار نور حاصل را به تعداد متناظر الکترون تبدیل می کنند. هر چه نور بیشتری به یک پیکسل برخورد کند، الکترون های بیشتری تولید می کند. الکترون ها به ولتاژ تبدیل می شوند و سپس با توجه به مقادیر ADC (مبدل آنالوگ به دیجیتال، مبدل A/D) به اعداد تبدیل می شوند. سیگنال ساخته شده از چنین اعدادی توسط مدارهای الکترونیکی داخل دوربین فیلمبرداری پردازش می شود.

در حال حاضر، دو فناوری اصلی وجود دارد که می توان از آنها برای ایجاد حسگر تصویر در دوربین استفاده کرد، اینها CCD (دستگاه همراه با شارژ) و CMOS (نیمه هادی اکسید فلزی رایگان). ویژگی ها، مزایا و معایب آنها در این مقاله مورد بحث قرار خواهد گرفت. تصویر زیر سنسورهای تصویر CCD (بالا) و CMOS (پایین) را نشان می دهد.

فیلتر رنگ. همانطور که در بالا توضیح داده شد، حسگرهای تصویر میزان نوری را که بر روی آنها می افتد، از روشن تا تاریک، اما بدون اطلاعات رنگ، ثبت می کنند. از آنجایی که سنسورهای تصویر CMOS و CCD "کور رنگ" هستند، یک فیلتر در جلوی هر سنسور قرار می‌گیرد تا یک تن رنگ به هر پیکسل در سنسور اختصاص دهد. دو روش اصلی ثبت رنگ عبارتند از RGB (قرمز-طمع-آبی) و CMYG (فیروزه ای- سرخابی-زرد-سبز). قرمز، سبز و آبی رنگ‌های اصلی هستند که ترکیب‌های مختلف آن‌ها می‌تواند اکثریت رنگ‌های درک شده توسط چشم انسان را تشکیل دهد.

فیلتر بایر (یا آرایه بایر)، متشکل از ردیف های متناوب فیلترهای قرمز-سبز و آبی-سبز، رایج ترین فیلتر رنگی RGB است (شکل 2 را ببینید). فیلتر Bayer حاوی دو برابر تعداد "سلول" سبز رنگ است زیرا چشم انسان بیشتر به رنگ سبز حساس است تا قرمز یا آبی. این همچنین به این معنی است که با این نسبت رنگ ها در فیلتر، چشم انسان جزئیات بیشتری را نسبت به زمانی که سه رنگ به نسبت مساوی در فیلتر استفاده می کردند، می بیند.

راه دیگر برای فیلتر (یا ثبت) رنگ استفاده از رنگ های مکمل فیروزه ای، سرخابی و زرد است. فیلتر رنگ مکمل معمولاً با یک فیلتر رنگ سبز به شکل یک آرایه رنگی CMYG ترکیب می شود، همانطور که در شکل 2 (راست) نشان داده شده است. فیلتر رنگی CMYG معمولا سیگنال پیکسل بالاتری را ارائه می دهد زیرا ... پهنای باند طیفی وسیع تری دارد. با این حال، سیگنال باید برای استفاده در تصویر نهایی به RGB تبدیل شود، که مستلزم پردازش اضافی و ایجاد نویز است. نتیجه این کاهش نسبت سیگنال به نویز است، به همین دلیل است که سیستم‌های CMYG در ارائه رنگ‌ها کمتر خوب هستند.

فیلتر رنگی CMYG معمولاً در حسگرهای تصویر اسکن درهم استفاده می‌شود، در حالی که سیستم‌های RGB عمدتاً در سنسورهای تصویر اسکن پیشرونده استفاده می‌شوند.

2. تکنولوژی CCD

در حسگر CCD، نور (شارژ) وارد شده بر روی یک پیکسل حسگر از طریق یک گره خروجی منفرد یا فقط از طریق چند گره خروجی از تراشه منتقل می‌شود. شارژها به سطح ولتاژ تبدیل می شوند، جمع می شوند و به عنوان سیگنال آنالوگ ارسال می شوند. سپس این سیگنال توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال در خارج از حسگر جمع شده و به اعداد تبدیل می شود (شکل 3 را ببینید).

فناوری CCD به طور خاص برای استفاده در دوربین های فیلمبرداری اختراع شد و سنسورهای CCD 30 سال است که مورد استفاده قرار می گیرند. به طور سنتی، سنسورهای CCD دارای تعدادی مزیت نسبت به سنسورهای CMOS هستند، یعنی حساسیت بهتر به نور و نویز کم. که در اخیرابا این حال، تفاوت ها به سختی قابل توجه است.

معایب سنسورهای CCD این است که اجزای آنالوگ هستند، که نیاز به الکترونیک بیشتری "نزدیک" حسگر دارند، ساخت آنها گرانتر است و می توانند تا 100 برابر بیشتر از سنسورهای CMOS انرژی مصرف کنند. افزایش مصرف انرژی همچنین می تواند منجر به دماهای بالاتر در خود دوربین شود که نه تنها بر کیفیت تصویر تاثیر منفی می گذارد و هزینه محصول نهایی را افزایش می دهد، بلکه اثرات زیست محیطی نیز دارد.

سنسورهای CCD همچنین به سرعت انتقال داده بالاتری نیاز دارند، زیرا ... تمام داده ها فقط از یک یا چند تقویت کننده خروجی عبور می کنند. شکل های 4 و 6 را که به ترتیب تابلوهایی را با سنسور CCD و سنسور CMOS نشان می دهند، مقایسه کنید.

3. تکنولوژی CMOS

در مراحل اولیه، از تراشه‌های CMOS معمولی برای نمایش استفاده می‌شد، اما کیفیت تصویر به دلیل حساسیت کم عناصر CMOS به نور ضعیف بود. سنسورهای مدرن CMOS با استفاده از فناوری تخصصی تر تولید می شوند که منجر به رشد سریع کیفیت تصویر و حساسیت به نور در سال های اخیر شده است.

تراشه های CMOS چندین مزیت دارند. برخلاف سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS حاوی تقویت‌کننده‌ها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال هستند که هزینه محصول نهایی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد، زیرا از قبل شامل تمام عناصر لازم برای به دست آوردن تصویر است. هر پیکسل CMOS حاوی مبدل های الکترونیکی است. در مقایسه با سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS دارای عملکرد بیشتر و قابلیت ادغام بیشتری هستند. مزایای دیگر عبارتند از زمان خواندن سریعتر، مصرف انرژی کمتر، ایمنی بیشتر در برابر نویز و اندازه سیستم کوچکتر.

با این حال، وجود مدارهای الکترونیکی در داخل تراشه خطر نویزهای ساختاریافته تر، مانند رگه شدن را به همراه دارد. کالیبراسیون ساخت حسگرهای CMOS نیز پیچیده تر از سنسورهای CCD است. خوشبختانه، فناوری مدرن امکان تولید حسگرهای CMOS خود کالیبره شونده را فراهم می کند.

در سنسورهای CMOS، خواندن یک تصویر از پیکسل های جداگانه امکان پذیر است، که به شما امکان می دهد تصویر را "پنجره" کنید، به عنوان مثال. خوانش نه کل سنسور، بلکه فقط قسمت خاصی از آن را بخوانید. بنابراین، می توان نرخ فریم بالاتری را از قسمت حسگر برای پردازش PTZ دیجیتال بعدی (انگلیسی پان / شیب / زوم، پانوراما / شیب / زوم) به دست آورد. علاوه بر این، این امکان را فراهم می کند تا چندین جریان ویدیویی را از یک سنسور CMOS منتقل کند و چندین دوربین مجازی را شبیه سازی کند.

4. دوربین های HDTV و مگاپیکسلی

سنسورهای مگاپیکسلی و تلویزیون با کیفیت بالا به دوربین‌های دیجیتال IP اجازه می‌دهند تا وضوح تصویر بالاتری نسبت به دوربین‌های مداربسته آنالوگ ارائه دهند. آنها توانایی بیشتری برای تشخیص جزئیات و شناسایی افراد و اشیاء - یک عامل کلیدی در نظارت تصویری - ارائه می دهند. یک دوربین IP مگاپیکسلی حداقل دو برابر دوربین مداربسته آنالوگ رزولوشن دارد. سنسورهای مگاپیکسلی در دوربین های تلویزیون با کیفیت بالا، مگاپیکسل و دوربین های چند مگاپیکسلی کلیدی هستند. و می توان از آن برای ارائه جزئیات تصویر بسیار بالا و ویدیوی چند جریانی استفاده کرد.

سنسورهای مگاپیکسلی CMOS پرکاربردتر و بسیار ارزانتر از سنسورهای CCD مگاپیکسلی هستند، اگرچه سنسورهای CMOS بسیار گرانی نیز وجود دارند.

ساخت یک سنسور CCD مگاپیکسلی سریع دشوار است که البته یک نقطه ضعف است و به همین دلیل ساخت یک دوربین چند مگاپیکسلی با استفاده از فناوری CCD دشوار است.

اکثر سنسورهای دوربین‌های مگاپیکسلی معمولاً از نظر اندازه تصویر مشابه سنسورهای VGA هستند و وضوح آن 640x480 پیکسل است. با این حال، یک سنسور مگاپیکسلی حاوی پیکسل های بیشتری نسبت به یک سنسور VGA است، بنابراین اندازه هر پیکسل در یک سنسور مگاپیکسلی کوچکتر از اندازه یک پیکسل در یک سنسور VGA است. نتیجه این امر این است که هر پیکسل در یک سنسور مگاپیکسلی حساسیت کمتری به نور دارد.

به هر شکلی، پیشرفت متوقف نمی شود. سنسورهای مگاپیکسلی به سرعت در حال توسعه هستند و حساسیت نوری آنها به طور مداوم در حال افزایش است.

5. تفاوت های اصلی

سنسورهای CMOS حاوی تقویت‌کننده‌ها، مبدل‌های A/D و اغلب تراشه‌های پردازشی اضافی هستند، در حالی که در دوربین‌های CCD، بیشتر پردازش سیگنال خارج از سنسور انجام می‌شود. حسگرهای CMOS نسبت به سنسورهای CCD انرژی کمتری مصرف می کنند، به این معنی که دوربین را می توان در دمای پایین تری در داخل نگه داشت. افزایش دمای سنسورهای CCD ممکن است تداخل را افزایش دهد. از طرف دیگر، سنسورهای CMOS می توانند از نویز ساختاری (باندبندی و غیره) رنج ببرند.

سنسورهای CMOS از پنجره‌سازی تصویر و ویدئوی چند جریانی پشتیبانی می‌کنند که با سنسورهای CCD امکان‌پذیر نیست. سنسورهای CCD معمولا یک مبدل A/D دارند، در حالی که در سنسورهای CMOS هر پیکسل یک مبدل دارد. خواندن سریعتر در سنسورهای CMOS به آنها اجازه می دهد تا در ساخت دوربین های چند مگاپیکسلی استفاده شوند.

پیشرفت های تکنولوژیک مدرن تفاوت حساسیت نور بین سنسورهای CCD و CMOS را از بین می برد.

6. نتیجه گیری

سنسورهای CCD و CMOS مزایا و معایب متفاوتی دارند، اما تکنولوژی به سرعت در حال پیشرفت است و وضعیت دائما در حال تغییر است. این سوال که آیا دوربینی با سنسور CCD یا سنسور CMOS انتخاب کنید بی ربط می شود. این انتخاب فقط به نیازهای مشتری برای کیفیت تصویر سیستم نظارت تصویری بستگی دارد.

سنسورهای CCD و CMOS در چند سال گذشته در رقابت دائمی بوده‌اند. در این مقاله سعی می کنیم مزایا و معایب این فناوری ها را در نظر بگیریم. ماتریس CCD (به اختصار «دستگاه با شارژ») یا ماتریس CCD (مخفف از CCD انگلیسی، «دستگاه اتصال شارژ») یک مدار مجتمع آنالوگ تخصصی متشکل از دیودهای نوری حساس به نور است که بر روی سیلیکون و با استفاده از فناوری CCD - شارژ ساخته شده است. -دستگاه های جفت شده در حسگر CCD، نور (شارژ) وارد شده بر روی یک پیکسل حسگر از طریق یک گره خروجی منفرد یا فقط از طریق چند گره خروجی از تراشه منتقل می‌شود. شارژها به سطح ولتاژ تبدیل می شوند، جمع می شوند و به عنوان سیگنال آنالوگ ارسال می شوند. سپس این سیگنال توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال در خارج از حسگر جمع شده و به اعداد تبدیل می شود. CMOS (منطق مکمل در ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمه رسانا؛ CMOS؛ نیمه هادی-تقارن مکمل/ اکسید فلز) یک فناوری برای ساخت مدارهای الکترونیکی است. در مراحل اولیه، از تراشه‌های CMOS معمولی برای نمایش استفاده می‌شد، اما کیفیت تصویر به دلیل حساسیت کم عناصر CMOS به نور ضعیف بود. سنسورهای مدرن CMOS با استفاده از فناوری تخصصی تر تولید می شوند که منجر به رشد سریع کیفیت تصویر و حساسیت به نور در سال های اخیر شده است. تراشه های CMOS چندین مزیت دارند. برخلاف سنسورهای CCD، سنسورهای CMOS حاوی تقویت‌کننده‌ها و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال هستند که هزینه محصول نهایی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد، زیرا از قبل شامل تمام عناصر لازم برای به دست آوردن تصویر است. هر پیکسل CMOS حاوی مبدل های الکترونیکی است. سنسورهای CMOS عملکرد بیشتر و قابلیت یکپارچه سازی بیشتری دارند. یکی از مشکلات اصلی استفاده از سنسورهای CMOS در دوربین های فیلمبرداری کیفیت تصویر بود. ماتریس های CCD ارائه شده و اکنون سطوح نویز کمتری را ارائه می دهند. در نتیجه، تراشه‌های CMOS در نور کم در مقایسه با تراشه‌های CCD عملکرد بسیار ضعیفی داشتند. و از آنجایی که نور کم یکی از مشکلات اصلی در فیلمبرداری است، این یک مانع بزرگ برای استفاده از سنسورهای CMOS بوده است. با این حال، تجربه تولیدی که در طول سال‌های توسعه CMOS انباشته شده است، این امکان را برای هر نسل جدید از این حسگرها فراهم کرده است که نویز ثابت و تصادفی را که بر کیفیت تصویر تأثیر می‌گذارد، به میزان قابل توجهی کاهش دهد. یکی دیگر از نقاط ضعف CMOS اعوجاجی است که در هنگام ثبت یک تصویر پویا به دلیل حساسیت ضعیف سنسور ظاهر می شود. تصاویر خودرو ممکن است حاوی عناصر بسیار روشن مانند چراغ های جلو، خورشید و همچنین مناطق بسیار تاریک مانند پلاک باشد. به همین دلیل، برای پردازش صحنه هایی با تفاوت کنتراست زیاد، به محدوده دینامیکی وسیعی نیاز است. سنسور CCD دارای محدوده دینامیکی خوبی است، اما دسترسی CMOS به پیکسل‌های مجزا به آن فضای بسیار بیشتری برای دستیابی به محدوده دینامیکی بهتر می‌دهد. همچنین هنگام استفاده از ماتریس های CCD، نقاط روشن در صحنه می توانند خطوط عمودی را در تصویر ایجاد کنند و به دلیل محو شدن و تار شدن، در تشخیص پلاک خودرو اختلال ایجاد کنند. با وجود این واقعیت که ماتریس های CCD دارای ویژگی حساسیت بالاتری هستند، عامل اصلی محدود کننده استفاده از آنها، سرعت بازخوانی شارژ پایین و در نتیجه عدم توانایی در ارائه سرعت تشکیل تصویر بالا است. هر چه رزولوشن ماتریس بالاتر باشد، سرعت تشکیل تصویر کمتر می شود. به نوبه خود، فناوری CMOS، که ترکیبی از یک عنصر حساس به نور و یک تراشه پردازشی است، امکان سرعت بالای تشکیل فریم را حتی برای سنسورهای 3 مگاپیکسلی فراهم می‌کند. با این حال، استفاده از سنسورهای CMOS مگاپیکسلی برای دوربین های IP در سیستم های نظارت تصویری نیاز به فشرده سازی موثر جریان داده دارد. رایج ترین الگوریتم های فشرده سازی در دوربین مدار بسته IP در حال حاضر M-JPEG، MPEG4 و H.264 هستند. اولین مورد اغلب مستقیماً توسط خود سازنده ماتریس روی حسگر CMOS پیاده سازی می شود. الگوریتم های MPEG4 و H.264 کارآمدتر هستند، اما به یک پردازنده قدرتمند نیاز دارند. برای تولید یک جریان بیدرنگ با وضوح بیش از 2 مگاپیکسل، دوربین های IP CMOS از پردازنده های کمکی استفاده می کنند که محاسبات اضافی را ارائه می دهند. در حال حاضر، دوربین های IP مبتنی بر حسگرهای CMOS به طور فزاینده ای محبوب شده اند، که در درجه اول به دلیل پشتیبانی از فناوری توسط رهبران نظارت تصویری IP است. با این حال، هزینه آنها بیشتر از دوربین های CCD مشابه است. این در حالی است که فناوری CMOS که ترکیبی از قطعات آنالوگ و دیجیتال دستگاه است، امکان ساخت دوربین‌های ارزان‌تر را فراهم می‌کند. وضعیت به این صورت است که امروزه هزینه یک دوربین IP با توجه به قابلیت ها و ویژگی های آن تعیین می شود. آنچه مهم است نوع ماتریس نیست، بلکه نرم افزار پیاده سازی شده توسط پردازنده دوربین است.

مزایای ماتریس های CCD: سطح نویز کم، ضریب پر کردن پیکسل بالا (حدود 100٪)، راندمان بالا (نسبت تعداد فوتون های ثبت شده به تعداد کل آنها که در ناحیه حساس به نور ماتریس برخورد می کنند، برای CCD - 95٪). )، محدوده دینامیکی بالا (حساسیت)، حساسیت خوب در محدوده IR.

معایب ماتریس های CCD: اصل پیچیده خواندن سیگنال، و در نتیجه تکنولوژی، مصرف انرژی بالا (تا 2-5 وات)، گران تر برای ساخت.

مزایای ماتریس های CMOS: کارایی بالا (تا 500 فریم بر ثانیه)، مصرف انرژی کم (تقریبا 100 برابر در مقایسه با CCD)، ارزان تر و آسان تر ساختن، فناوری امیدوارکننده (در اصل، در همان تراشه، اجرای آن هیچ هزینه ای ندارد. تمام مدارهای اضافی لازم: مبدل های آنالوگ به دیجیتال، پردازنده، حافظه، بنابراین یک دوربین دیجیتال کامل روی یک تراشه به دست می آید.

معایب ماتریس های CMOS: ضریب پرکردن پیکسل پایین، که حساسیت را کاهش می دهد (سطح پیکسل موثر ~ 75٪، بقیه توسط ترانزیستورها گرفته می شود)، سطح نویز بالا (این ناشی از جریان های به اصطلاح تمپو است - حتی در غیاب روشنایی، جریان بسیار قابل توجهی از طریق فتودیود می گذرد) برای مبارزه با آن محدوده دینامیکی کم این فناوری را پیچیده تر و گران تر می کند.

مانند هر تکنولوژی، فناوری های CMOS و CCD دارای مزایا و معایبی هستند که در این مقاله سعی کردیم به آنها توجه کنیم. هنگام انتخاب دوربین ها، باید تمام جوانب مثبت و منفی این فناوری ها را در نظر گرفت و به پارامترهایی مانند حساسیت به نور، دامنه دینامیکی گسترده، مصرف برق، سطح نویز و هزینه دوربین توجه کرد.

در این زمان مشخص شد که CCD عملکرد بهتری را هنگام عکاسی از اجسام پویا و کوچک ارائه می دهد، بنابراین پیشنهاد شد از آن برای ساخت سیستم هایی استفاده شود که به کیفیت تصویر بالا نیاز دارند: دوربین های دیجیتال عکس و فیلمبرداری، تجهیزات پزشکی و غیره. CMOS یک طاقچه برای دستگاه هایی که هزینه نهایی آنها بسیار مهم است - دوربین های ارزان قیمت، تجهیزات خانگی و اداری و اسباب بازی ها.

تجربه تولیدی که در طول سال‌های توسعه CMOS انباشته شده است، این امکان را برای هر نسل جدید از این سنسورها فراهم کرده است تا نویز ثابت و تصادفی را که بر کیفیت تصویر تأثیر می‌گذارد، به میزان قابل توجهی کاهش دهد. یکی دیگر از نقاط ضعف CMOS اعوجاج است که در هنگام ثبت یک تصویر پویا به دلیل حساسیت ضعیف سنسور ظاهر می شود. در دستگاه های مدرن می توان از آنها اجتناب کرد و گرفتن تصویر بدون هیچ گونه مصنوعات با سرعت 15-30 فریم بر ثانیه امکان پذیر است و سنسورهای CMOS 0.3 مگاپیکسلی در واقع از این مشکل حذف شده اند.

با این حال، برنده شدن در رقابت فناوری به احتمال زیاد در کاهش ناحیه پیکسل نهفته است. برای موفقیت در بازار 1 مگاپیکسل با قطر 1/4 اینچ، مساحت پیکسل نباید بیشتر از 3 میکرون باشد. با وجود تمام تلاش های تولید کنندگان CMOS، آنها هنوز نمی توانند چنین الزاماتی را برآورده کنند، بنابراین، به گفته کارشناسان، حداقل در آینده نزدیک، CCD بر این طاقچه مسلط خواهد شد.

بسیاری از سازندگان قطعات بزرگ هم سنسورهای CMOS و هم ماتریس های CCD را تولید می کنند. به عنوان مثال، شارپ، بزرگترین تامین کننده ماژول های ضبط تصویر (هم CCD و هم CMOS)، سال 2003 را دورانی می داند که فناوری CCD واقعاً شکوفا شد.

مزایای ماتریس CCD عبارتند از:

1. سطح سر و صدای کم.

2. ضریب پر شدن پیکسل بالا (حدود 100٪).

3. راندمان بالا (نسبت تعداد فوتون های ثبت شده به تعداد کل آنها در ناحیه حساس به نور ماتریس، برای CCD - 95٪).

4. محدوده دینامیکی بالا (حساسیت).

معایب ماتریس های CCD عبارتند از:

1. اصل پیچیده خواندن سیگنال و در نتیجه فناوری.

2. سطح بالای مصرف انرژی (تا 2-5W).

3. گران تر برای تولید.

مزایای ماتریس های CMOS:

1. عملکرد بالا (تا 500 فریم در ثانیه).

2. مصرف برق کم (تقریبا 100 برابر نسبت به CCD).

3. ارزان تر و آسان تر برای تولید.

4. چشم انداز فن آوری (در یک تراشه، اصولاً اجرای تمام مدارهای اضافی لازم هزینه ای ندارد: مبدل های آنالوگ به دیجیتال، پردازنده، حافظه، بنابراین یک دوربین دیجیتال کامل بر روی یک تراشه به دست می آید. ساخت چنین دستگاهی از سال 2002 به طور مشترک توسط سامسونگ الکترونیکس و میتسوبیشی الکتریک انجام شده است.

معایب ماتریس های CMOS عبارتند از

1. ضریب پر شدن پیکسل پایین، که حساسیت را کاهش می دهد (سطح پیکسل موثر ~ 75٪، بقیه توسط ترانزیستورها اشغال می شود).

2. سطح نویز بالا (این ناشی از جریان های به اصطلاح تمپو است - حتی در غیاب روشنایی، جریان نسبتاً قابل توجهی از طریق فوتودیود جریان می یابد) که مبارزه با آن پیچیده و هزینه فناوری را افزایش می دهد.

3. محدوده دینامیکی پایین.

اطلاعات کلی در مورد دوربین های با ماتریس SONY

شرکت سونی اولین شرکتی بود که اصل دیجیتالی کردن سیگنال ماتریس CCD را در یک دوربین مداربسته (دوربین ویدیویی) با پردازش دیجیتال بعدی آن با استفاده از یک پردازنده اعمال کرد - DSP (پردازنده سیگنال دیجیتال - پردازشگر دیجیتال سیگنال). این اتفاق در سال 1997 با انتشار اولین DSP از سری SS رخ داد. دوربین های مبتنی بر آن به دلیل کیفیت و قابلیت اطمینان بالا در سراسر جهان محبوبیت پیدا کرده اند و اصل جدید پردازش تصویر رنگی طی سالیان متمادی به استانداردی برای ساخت دوربین های نظارت تصویری تبدیل شده است. قلب چنین دوربین های مداربسته ای یک ماتریس CCD با فرمت 760H با تعدادی پیکسل موثر به ترتیب 752x582 به صورت افقی و عمودی است. این فرمت ماتریسی مدت‌هاست که در دوربین‌های با وضوح بالا از جمله دوربین‌هایی با رزولوشن‌های 480 TVL، 500 TVL، 520 TVL و 540 TVL استفاده می‌شود. چگونه وضوح افقی بالاتر 600 TVL در یک ماتریس کلاسیک به دست می آید؟ پاسخ ساده است - مانند تمام افزایش های قبلی در وضوح، از 480 TVL به 540 TVL، آنها از طریق استفاده از یک پردازنده سیگنال ویدئویی کارآمدتر - ISP (پردازنده سیگنال تصویر) انجام شدند. دوربین‌هایی با رزولوشن 600 TVL از یک پردازنده ویدئویی نسل چهارم استفاده می‌کنند که با افزایش ظرفیت دیجیتالی سیگنال ویدیویی گرفته شده از ماتریس CCD رنگی، پاسخ فرکانس گسترده مسیرهای پردازش ویدیو و توانایی تولید CSVB یا S-Video مشخص می‌شود. سیگنال های خروجی با استفاده از مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) که در پردازنده تعبیه شده است. مانند تمام پردازنده‌های قبلی، ISP جدید پردازش تصویر را به صورت کد دیجیتال انجام می‌دهد و تعدادی از عملکردهای قدیمی را برای دوربین‌های مداربسته اجرا می‌کند، یعنی:

• DN (روز-شب) - "روز-شب"- تشکیل تصویر سیاه و سفید در نور کم با قابلیت تنظیم آستانه و تاخیرهای انتقال بین حالت های سیاه و سفید و رنگی
• AE (نور خودکار) - شاتر الکترونیکی به شما امکان می دهد روشنایی تصویر را بدون توجه به روشنایی صحنه مشاهده شده حفظ کنید.
• AGC (کنترل دستیابی خودکار) - کنترل خودکار بهره در حالت شب، ایجاد یک تصویر روشن و قابل تشخیص را در شرایط کم نور و کار در شب تضمین می کند.
• BLC (جبران نور پس زمینه) - جبران نور پس زمینه با قابلیت پیکربندی تا 4 منطقه، تنظیم سطح روشنایی در هر یک از آنها نسبت به سطح روشنایی کلی تصویر (برای دوربین های دارای OSD)، که به عنوان مثال، امکان جبران برای روشنایی بیش از حد پنجره ها در پس زمینه کلی اتاق که کنتراست و وضوح تصویر را تنظیم می کند

طیف گسترده ای از پارامترهای پردازش ویدیو به شما امکان می دهد دوربین را پیکربندی کنید و تصویری عالی را تحت هر شرایط کاری دریافت کنید: در اتاق های تاریک و روشن، در فضای باز و داخل ساختمان، هنگام کار با نور پس زمینه و در صحنه هایی با طیف گسترده ای از روشنایی، و همچنین در تاریکی کامل هنگام استفاده از نور مادون قرمز (IR).

امروزه، شرکت SONY طیف زیر از ماتریس‌های CCD را برای دوربین‌های امنیتی آنالوگ رنگی که برای عملکرد در استاندارد PAL طراحی شده‌اند، تولید می‌کند.

CCD های رنگی SONY:

ماتریس عنصر ساختاری اصلی دوربین و یکی از پارامترهای کلیدی است که کاربر هنگام انتخاب دوربین به آن توجه می کند. ماتریس‌های دوربین‌های دیجیتال مدرن را می‌توان بر اساس چندین علامت طبقه‌بندی کرد، اما اصلی‌ترین و رایج‌ترین آنها هنوز تقسیم ماتریس‌ها بر اساس روش خواندن شارژ، در: ماتریس ها CCDنوع و CMOSماتریس ها در این مقاله به اصول عملکرد و همچنین مزایا و معایب این دو نوع ماتریس می پردازیم، زیرا آنها مواردی هستند که در تجهیزات مدرن عکاسی و فیلمبرداری کاربرد فراوانی دارند.

ماتریس CCD

ماتریس CCDهمچنین به نام ماتریس CCD(شارژ دستگاه های جفت شده). CCDماتریس یک صفحه مستطیل شکل از عناصر حساس به نور (فتودیود) است که روی یک کریستال سیلیکونی نیمه هادی قرار دارد. اصل عملکرد آن بر اساس حرکت خط به خط بارهایی است که در سوراخ های ایجاد شده توسط فوتون ها در اتم های سیلیکون انباشته شده اند. یعنی هنگام برخورد با فتودیود، یک فوتون نور جذب می شود و یک الکترون آزاد می شود (یک اثر فوتوالکتریک داخلی رخ می دهد). در نتیجه شارژی تشکیل می شود که باید به نحوی برای پردازش بیشتر ذخیره شود. برای این منظور، یک نیمه رسانا در زیرلایه سیلیکونی ماتریس تعبیه شده است که در بالای آن یک الکترود شفاف ساخته شده از سیلیکون پلی کریستال قرار دارد. و در نتیجه اعمال پتانسیل الکتریکی به این الکترود، در ناحیه تخلیه زیر نیمه هادی به اصطلاح چاه پتانسیل تشکیل می شود که بار دریافتی از فوتون ها در آن ذخیره می شود. هنگام خواندن بار الکتریکی از ماتریس، بارها (ذخیره شده در چاه های پتانسیل) در امتداد الکترودهای انتقال به لبه ماتریس (رجیستر شیفت سریال) و به سمت تقویت کننده منتقل می شوند که سیگنال را تقویت می کند و آن را به یک آنالوگ به- ارسال می کند. مبدل دیجیتال (ADC)، که از آنجا سیگنال تبدیل شده به یک پردازنده ارسال می شود که سیگنال را پردازش می کند و تصویر حاصل را در کارت حافظه ذخیره می کند. .

فتودیودهای پلی سیلیکونی برای ساخت ماتریس های CCD استفاده می شوند. چنین ماتریس هایی از نظر اندازه کوچک هستند و به شما امکان می دهند هنگام عکاسی در نور معمولی عکس های نسبتاً باکیفیتی به دست آورید.

مزایای CCD ها:

1. طراحی ماتریس چگالی بالایی از قرار دادن فتوسل ها (پیکسل ها) روی بستر را فراهم می کند.
2. راندمان بالا (نسبت فوتون های ثبت شده به تعداد کل آنها حدود 95٪ است).
3. حساسیت بالا؛
4. رندر رنگی خوب (با نور کافی).

معایب CCD ها:

1. سطح نویز بالا در ISO بالا (در ISO پایین، سطح نویز متوسط ​​است).
2. سرعت عملیات پایین در مقایسه با ماتریس های CMOS.
3. مصرف برق بالا؛
4. فناوری خواندن سیگنال پیچیده تر، زیرا تراشه های کنترل زیادی مورد نیاز است.
5. تولید گران تر از ماتریس های CMOS است.

ماتریس CMOS

ماتریس CMOS، یا ماتریس CMOS(نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل) از سنسورهای نقطه فعال استفاده می کند. برخلاف CCD ها، حسگرهای CMOS حاوی یک ترانزیستور جداگانه در هر عنصر حساس به نور (پیکسل) هستند که در نتیجه تبدیل شارژ مستقیماً در پیکسل انجام می شود. بار حاصل را می توان از هر پیکسل به صورت جداگانه خواند و نیاز به انتقال بار را از بین برد (همانطور که در CCD ها اتفاق می افتد). پیکسل های سنسور CMOS مستقیماً با مبدل آنالوگ به دیجیتال یا حتی پردازنده یکپارچه می شوند. در نتیجه استفاده از چنین فناوری منطقی، صرفه جویی در انرژی به دلیل کاهش زنجیره عملکرد در مقایسه با ماتریس های CCD و همچنین کاهش هزینه دستگاه به دلیل طراحی ساده تر رخ می دهد.

اصول عملکرد مختصر یک سنسور CMOS: 1) قبل از عکسبرداری، یک سیگنال تنظیم مجدد به ترانزیستور تنظیم مجدد اعمال می شود. 2) در هنگام قرار گرفتن در معرض، نور از طریق عدسی و فیلتر به فتودیود نفوذ می کند و در نتیجه فتوسنتز، باری در چاه پتانسیل جمع می شود. 3) مقدار ولتاژ دریافتی خوانده می شود. 4) پردازش داده و ذخیره تصویر.

مزایای سنسورهای CMOS:

1. مصرف برق کم (به ویژه در حالت های آماده به کار)؛
2. عملکرد بالا؛
3. به دلیل شباهت فناوری با تولید ریز مدارها، به هزینه تولید کمتری نیاز دارد.
4. وحدت فناوری با سایر عناصر دیجیتال، که به شما امکان می دهد قطعات آنالوگ، دیجیتال و پردازشی را روی یک تراشه ترکیب کنید (یعنی علاوه بر گرفتن نور در یک پیکسل، می توانید سیگنال را تبدیل، پردازش و از نویز پاک کنید).
5. امکان دسترسی تصادفی به هر پیکسل یا گروهی از پیکسل ها که به شما امکان می دهد اندازه تصویر گرفته شده را کاهش دهید و سرعت بازخوانی را افزایش دهید.

معایب ماتریس های CMOS:

1. فتودیود ناحیه کوچکی از پیکسل را اشغال می کند و در نتیجه حساسیت ماتریس به نور کم است، اما در ماتریس های CMOS مدرن این نقطه ضعف عملاً از بین رفته است.
2. وجود نویز حرارتی ناشی از گرمایش ترانزیستورها در داخل پیکسل در طول فرآیند خواندن.
3. از نظر اندازه نسبتاً بزرگ، تجهیزات عکاسی با این نوع ماتریس با وزن و اندازه بزرگ مشخص می شوند.

علاوه بر انواع فوق، ماتریس های سه لایه نیز وجود دارد که هر لایه آن یک CCD است. تفاوت این است که سلول ها می توانند به طور همزمان سه رنگ را درک کنند که با برخورد پرتوی نور به آنها توسط منشورهای دو رنگی شکل می گیرد. سپس هر پرتو به یک ماتریس جداگانه هدایت می شود. در نتیجه روشنایی رنگ های آبی، قرمز و سبز بلافاصله بر روی فتوسل مشخص می شود. ماتریس های سه لایه در دوربین های فیلمبرداری سطح بالا استفاده می شوند که دارای یک نام خاص هستند - 3CCD.

به طور خلاصه، می خواهم توجه داشته باشم که با توسعه فناوری های تولید ماتریس های CCD و CMOS، ویژگی های آنها نیز تغییر می کند، بنابراین به طور فزاینده ای دشوار است که بگوییم کدام یک از ماتریس ها قطعا بهتر است، اما در عین حال، CMOS ماتریس ها اخیراً به طور فزاینده ای در تولید دوربین های SLR محبوب شده اند. بر اساس ویژگی های مشخصه انواع مختلف ماتریس ها، می توان ایده روشنی در مورد اینکه چرا تجهیزات عکاسی حرفه ای که عکاسی با کیفیت بالا را ارائه می دهند، کاملاً حجیم و سنگین هستند، دریافت کرد. این اطلاعات را باید در هنگام انتخاب دوربین به خاطر بسپارید - یعنی ابعاد فیزیکی ماتریس را در نظر بگیرید و نه تعداد پیکسل ها را.