ماتریس CCD یا CMOS کدام بهتر است؟ کدام بهتر است: CCD یا CMOS؟ معیارهای انتخاب

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.

همانطور که می دانید دوربین ها بر اساس سطح حساس به نور که تصویر را ثبت می کنند به دو دسته بزرگ آنالوگ و دیجیتال تقسیم می شوند. در یک دوربین آنالوگ، این سطح فیلم عکاسی بود - یک چیز ساده با حساسیت به نور خاص، تعداد معینی فریم یکبار مصرف، که پس از پردازش شیمیایی، می‌توان اثری از تصویر را روی کاغذ به دست آورد.

در دوربین های دیجیتال، این نقش اساسی توسط ماتریس بر عهده می گیرد. ماتریس- دستگاهی که وظیفه اصلی آن دیجیتالی کردن پارامترهای خاصی از نوری است که روی سطح آن فرو می‌افتد. این روند با جزئیات و به وضوح در یک ویدیوی عالی از Discovery در مقاله ما "" نشان داده شده است، اگر هنوز آن را تماشا نکرده اید، حتما این کار را انجام دهید!

دو فناوری اصلی، محبوب ترین و در عین حال رقیب ماتریس وجود دارد - اینها هستند CCDو CMOS. بیایید امروز بفهمیم چه چیزی تفاوت بین CCD و CMOS ماتریس ها؟

ما سعی خواهیم کرد تفاوت های آنها را بدون غواصی در جزئیات فیزیک درک کنیم، فقط برای اینکه ایده ای داشته باشیم که نه تنها چگونه دوربین کار می کند، بلکه در مورد ماتریسی که در حال حاضر روی دوربین شما قرار دارد نیز فکر کنیم. من فکر می کنم این برای یک عکاس تازه کار کافی است، اما کسانی که به جزئیات علاقه مند هستند می توانند خودشان بیشتر به جستجو بپردازند.

ماتریس CCD، منبع: ویکی پدیا

بنابراین، CCD- این دستگاه با شارژ (CCD - دستگاه با شارژ بازخورد). این نوع ماتریس در ابتدا کیفیت بالاتری داشت، اما گرانتر و انرژی گیرتر بود. اگر به طور خلاصه اصل اساسی عملکرد یک ماتریس CCD را تصور کنید، آنها کل تصویر را در یک نسخه آنالوگ جمع آوری می کنند و تنها پس از آن دیجیتالی می کنند.

برخلاف ماتریس های CCD، ماتریس CMOS (مکمل فلز-اکسید-نیمه هادی، منطق مکمل در ترانزیستورهای فلز-اکسید-نیمه هادی، CMOS)، هر پیکسل را در محل دیجیتالی کنید. ماتریس های CMOS در ابتدا کم مصرف و ارزان تر بودند، به خصوص در تولید ماتریس های بزرگ، اما از نظر کیفیت نسبت به ماتریس های CCD پایین تر بودند.

سنسور CMOS منبع: ویکی پدیا

ماتریس‌های CCD کیفیت تصویر بالاتری دارند و همچنان در زمینه‌های پزشکی، صنعت و علم محبوب هستند، جایی که کیفیت تصویر بسیار مهم است. اخیراً، ماتریس‌های CCD مصرف انرژی و هزینه را کاهش داده‌اند و ماتریس‌های CMOS کیفیت تصویر را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشیده‌اند، به‌ویژه پس از انقلاب تکنولوژیکی در تولید سنسورهای CMOS، زمانی که با استفاده از فناوری Active Pixel Sensors (APS)، یک تقویت‌کننده ترانزیستوری به هر یک اضافه شد. پیکسل برای خواندن، که امکان تبدیل شارژ به ولتاژ درست در پیکسل را فراهم می کند. این پیشرفتی را برای فناوری CMOS ایجاد کرد؛ تا سال 2008 عملاً جایگزینی برای ماتریس های CCD شد. علاوه بر این، فناوری CMOS امکان فیلمبرداری و معرفی این عملکرد را در دوربین های مدرن فراهم کرد و اکثر دوربین های دیجیتال مدرن به ماتریس های CMOS مجهز هستند.

ماتریس CCD(eng. Charge-Coupled Device) یا ماتریس CCD ( دستگاه های متصل به شارژ، در اواخر دهه 1960 در ایالات متحده آمریکا به عنوان حافظه برای رایانه ها توسعه یافت. استفاده از آن در اوایل دهه 1970 آغاز شد. اصل عملکرد ماتریس CCD بر اساس حرکت ردیف به ردیف بارهای انباشته شده در سوراخ های تشکیل شده توسط فوتون ها در اتم های سیلیکون فوق الذکر است. هنگام خواندن بار الکتریکی از ماتریس، بارها به لبه ماتریس و به سمت تقویت کننده منتقل می شود که سیگنال تقویت شده را به مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) منتقل می کند و سپس سیگنال تبدیل شده وارد پردازنده می شود.

دوربین های دیجیتال مدرن از دو نوع ماتریس استفاده می کنند:

ماتریس دوربین CMOS حرف اول را می زند

سنسور CMOS(انگلیسی) مکمل اکسید فلز نیمه رسانا، یا ماتریس CMOS ( نیمه هادی های اکسید فلزی مکمل) بر اساس سنسورهای نقطه فعال عمل می کند. برخلاف ماتریس CCD، این ماتریس شارژ را مستقیماً در پیکسل به ولتاژ تبدیل می کند. به لطف چنین سیستم منطقی، سرعت دوربین در هنگام پردازش اطلاعات از ماتریس به طور قابل توجهی افزایش می یابد و ادغام ماتریس CMOS را مستقیماً با مبدل آنالوگ به دیجیتال یا حتی با یک پردازنده تسهیل می کند. در نتیجه در مصرف انرژی صرفه جویی می شود (زنجیره اقدامات به اندازه دوربین های دارای ماتریس CCD طولانی نیست) و هزینه دستگاه با ساده سازی طراحی آن کاهش می یابد.

اوایل ماتریس های CCDحساس تر بودند و قادر به تولید تصاویر با کیفیت بالاتر از سنسورهای CMOS. امروزه با پیشرفت تکنولوژی، به ویژه با بهبود کیفیت ویفرهای سیلیکونی و بهبود مدارهای تقویت کننده، کیفیت تصویر به دست آمده در دوربین های دیجیتال با ماتریس CMOS عملا کمتر از کیفیت تصویر نیست. به دست آمده در دوربین های دیجیتال با ماتریس CCD. این واقعیت حداقل با این واقعیت ثابت می شود که کانن شروع به تولید برخی از دوربین های DSLR حرفه ای (D-30، D-60، D-10، و غیره) با استفاده از یک ماتریس CMOS کرد.

ماتریس های سیلیکونی در دوربین های دیجیتال یک تفاوت دیگر دارند: پرتوهای نوری که از لنز عبور می کنند فقط در مرکز قاب با زاویه قائم به سنسور برخورد می کنند و بقیه به صورت مایل می افتند. اگر این موضوع برای فیلم مهم نیست، برای اینکه پرتوهای ماتریسی که با زاویه ای مایل به آن می تابند بسیار مهم و نامطلوب هستند. بنابراین، برخی از سازندگان حتی تا جایی پیش می روند که بالای هر پیکسل یک میکرولنز نصب می کنند که نور را در زاویه مناسب و با قدرت مناسب متمرکز می کند.

و در اینجا تصویری وجود دارد که نشان می دهد ماتریس هایی با اندازه های مختلف در پس زمینه فیلم 35 میلی متری یا یک ماتریس با اندازه کامل چگونه به نظر می رسند.

مقایسه ماتریس ها در دوربین های فیلمبرداری و دوربین ها (CMOS، CCD)

اخیراً در مقاله خود در مورد انتخاب دوربین فیلمبرداری برای خانواده ، در مورد ماتریس ها نوشتیم. در آنجا به راحتی به این موضوع پرداختیم، اما امروز سعی خواهیم کرد هر دو فناوری را با جزئیات بیشتری شرح دهیم.

ماتریس در دوربین فیلمبرداری چیست؟ این یک میکرو مدار است که سیگنال نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. امروزه 2 فناوری وجود دارد، یعنی 2 نوع ماتریس - CCD (CCD) و CMOS (CMOS). آنها با یکدیگر متفاوت هستند، هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. نمی توان با اطمینان گفت که کدام یک بهتر و کدام یک بدتر است. آنها به صورت موازی توسعه می یابند. ما وارد جزئیات فنی نمی شویم، زیرا ... آنها کاملاً غیرقابل درک خواهند بود، اما به طور کلی ما مزایا و معایب اصلی آنها را تعریف خواهیم کرد.

فناوری CMOS (CMOS)

ماتریس های CMOSاول از همه، آنها به مصرف برق کم خود افتخار می کنند، که یک مزیت است. دوربین فیلمبرداری با این فناوری کمی بیشتر کار می کند (بسته به ظرفیت باتری). اما اینها چیزهای جزئی هستند.

تفاوت و مزیت اصلی خواندن تصادفی سلول ها است (در CCD خواندن به طور همزمان انجام می شود) که لکه دار شدن تصویر را از بین می برد. آیا تا به حال "ستون های نور عمودی" را از اجسام درخشان نقطه مانند دیده اید؟ بنابراین ماتریس های CMOS امکان ظاهر شدن آنها را حذف می کنند. و دوربین های مبتنی بر آنها ارزان تر هستند.

معایبی هم دارد. اولین آنها اندازه کوچک عنصر حساس به نور (در رابطه با اندازه پیکسل) است. در اینجا، بیشتر منطقه پیکسل توسط الکترونیک اشغال شده است، بنابراین مساحت عنصر حساس به نور کاهش می یابد. در نتیجه، حساسیت ماتریس کاهش می یابد.

زیرا از آنجایی که پردازش الکترونیکی روی پیکسل انجام می شود، میزان نویز در تصویر افزایش می یابد. این نیز یک نقطه ضعف است، همانطور که زمان اسکن کم است. به همین دلیل، یک اثر "دریچه نورد" رخ می دهد: هنگامی که اپراتور حرکت می کند، ممکن است شی موجود در قاب دچار اعوجاج شود.

تکنولوژی CCD

دوربین های ویدئویی با ماتریس های CCD به شما امکان می دهند تصاویر با کیفیت بالا به دست آورید. از نظر بصری، به راحتی می توان نویز کمتری را در فیلم های ضبط شده با دوربین فیلمبرداری مبتنی بر CCD در مقایسه با فیلم های ضبط شده با دوربین CMOS مشاهده کرد. این اولین و مهمترین مزیت است. و یک چیز دیگر: کارایی ماتریس های CCD به سادگی شگفت انگیز است: ضریب پر شدن به 100٪ نزدیک می شود، نسبت فوتون های ثبت شده 95٪ است. چشم انسان معمولی را در نظر بگیرید - در اینجا این نسبت تقریباً 1٪ است.

دوربین CCD

قیمت بالا و مصرف انرژی بالا از معایب این ماتریس ها است. مسئله این است که فرآیند ضبط در اینجا فوق العاده دشوار است. ضبط تصویر به لطف بسیاری از مکانیسم های اضافی انجام می شود که در ماتریس های CMOS یافت نمی شوند، به همین دلیل است که فناوری CCD به طور قابل توجهی گران تر است.

ماتریس‌های CCD در دستگاه‌هایی استفاده می‌شوند که به تصاویر رنگی و باکیفیت نیاز دارند و ممکن است برای تصویربرداری از صحنه‌های پویا استفاده شوند. اینها عمدتاً دوربین های فیلمبرداری حرفه ای هستند، اگرچه دوربین های خانگی نیز وجود دارند. اینها همچنین سیستم های نظارتی، دوربین های دیجیتال و غیره هستند.

ماتریس‌های CMOS در جاهایی استفاده می‌شوند که الزامات بالایی برای کیفیت تصویر وجود ندارد: حسگرهای حرکتی، تلفن‌های هوشمند ارزان قیمت... با این حال، قبلاً چنین بود. ماتریس های مدرن CMOS دارای اصلاحات مختلفی هستند که باعث می شود از نظر رقابت با ماتریس های CCD بسیار با کیفیت و شایسته باشند.

اکنون قضاوت در مورد اینکه کدام فناوری بهتر است دشوار است، زیرا هر دو نتایج عالی را نشان می دهند. بنابراین، تعیین نوع ماتریس به عنوان تنها معیار انتخاب، حداقل احمقانه است. مهم است که بسیاری از ویژگی ها را در نظر بگیرید.

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 امر ناشی از جریان های به اصطلاح سرعت 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.