Tip matrice cmos ili. Razumijevanje matrica osjetljivih na svjetlost: CMOS i CCD

Senzor svjetla je "oko" vaše sigurnosne kamere. On hvata svjetlost koja ulazi u leću sigurnosne kamere i pretvara je u elektronički signal.

Format ili veličina matrice određuje pokrivenost vaših sigurnosnih kamera. Najpopularniji formati su 2/3", 1/2" i 1/3".

• Senzor dijagonale 2/3" omogućuje video nadzor na velikim udaljenostima u uvjetima vrlo slabog osvjetljenja.
• Matrica s dijagonalom od 1/2 "- u većini slučajeva je optimalno rješenje s prihvatljivom svjetlosnom osjetljivošću.
• 1/3" senzor nudi dobre performanse pri slabom osvjetljenju i velikom brzinom kadrova.

Najpopularniji tipovi senzora za primijenjenu tehnologiju su CMOS (CMOS) i CCD (CCD).

1. Nadzorne kamere s CMOS matricom: prednosti i nedostaci

CMOS je skraćenica od komplementarnog metalnog oksidnog poluvodiča. CMOS senzor koristi tehnologiju progresivnog skeniranja.

Prednosti i nedostaci nadzorne video kamere s CMOS matricom

Prednosti CMOS nadzorne kamere

• Visoka rezolucija
• Izvrstan prikaz boja
• Visoka brzina kadrova
• Mala potrošnja energije
• Ekonomska učinkovitost

Nedostaci nadzorne kamere s CMOS matricom

• Visoka razina buke
• Umjerena osjetljivost na svjetlo

2. Nadzorne kamere s CCD matricom: prednosti i nedostaci

Skraćenica CCD je skraćenica od Charge Coupled Device. CCD video kamere imaju odličan WDR (široki dinamički raspon), stoga se često koriste u uvjetima slabog osvjetljenja. CCD sigurnosne kamere općenito su manje osjetljive na vibracije od CMOS sigurnosnih kamera.

Snage i slabosti CCD nadzorne kamere

Prednosti CCD nadzorne kamere

• Dobre performanse u uvjetima slabog osvjetljenja
• Dobra WDR tehnologija
• Manje podložan učinku vibracija
• Niska razina buke
• Visoka osjetljivost
• Visoka rezolucija

Nedostaci CCD nadzorne kamere

• Velika potrošnja energije
• Niska brzina kadrova
• Visoka cijena

CMOS ili CCD - što je bolje?

1. krug: Brzina kadrova i potrošnja energije

Sigurnosna kamera sa CMOS senzorom očiti je pobjednik u pogledu brzine kadrova. Sigurnosna kamera s CMOS senzorom može izravno pretvoriti fotoelektrični signal u digitalni signal. Brzina kadrova i konverzija CMOS senzora mnogo je veća od one kod CCD-a.

A/D pretvorba odvija se izvan CCD senzora, pa je potrebno više vremena za formiranje slika i videozapisa. Osim toga, sigurnosne kamere s CCD senzorima slike često pate od problema s pregrijavanjem.

CCTV kamere s CMOS senzorima podržavaju mnogo veće brzine kadrova i koriste manje energije, a također su isplativije od sigurnosnih kamera s CCD senzorima. Obično je cijena CMOS sigurnosne kamere atraktivnija od cijene CCD sigurnosne kamere.

Dakle, pobjednik prvog kruga je video kamera s CMOS matricom!

2. krug: Kvaliteta slike

Tipično, CCD sigurnosne kamere stvaraju slike s više. Međutim, napredak u tehnologiji može staviti CMOS kvalitetu slike u rang s CCD-om. Na primjer, sigurnosne kamere s CMOS senzorima i optičkim zumom mogu proizvesti još oštrije slike od kamera s CCD-om.

Dakle, drugi krug je neriješen!

3. krug: Osjetljivost i buka

Tradicionalno, CCD senzori su manje skloni izobličenju slike i imaju veću svjetlosnu osjetljivost, stoga stvaraju mnogo manje šuma od sigurnosnih kamera s CMOS senzorima. Međutim, u današnje vrijeme, po osjetljivosti, CCTV kamere s CMOS senzorima ponekad čak i nadmašuju CCD kamkordere.

Teško je reći tko će biti pobjednik u kategorijama svjetlosne osjetljivosti i buke. Međutim, na temelju trenutne razine tehnologije i performansi, CCD kamkorderi su pobjednici u trećem krugu (možda privremena pobjeda).

Na temelju gornjih informacija i detaljne usporedbe dvije vrste senzora, vidjet ćete da svaka vrsta senzora ima svoje prednosti i nedostatke.

U ovoj borbi ne može biti pobjednika. Sve se svodi na konkretan slučaj:

1. Možete odabrati sigurnosne kamere s CCD senzorima ako će se koristiti u uvjetima slabog osvjetljenja.

Napomena: Neke sigurnosne kamere s CMOS senzorima također mogu pružiti izvrstan nadzor noću.

2. Nadzorne kamere s CMOS senzorima mogu biti kompaktnije, budući da dimenzije samih CMOS senzora mogu biti vrlo male. Stoga ih možete odabrati ako ne želite privući pozornost na svoju.

3. Odaberite CMOS sigurnosne kamere ako vaša internetska veza nije dovoljno dobra. CMOS kamere imaju manje zahtjeve za širinom pojasa tako da neće preopteretiti vašu mrežu.

Izvor reolink.com. Članak je preveoadministrator straniceElena Ponomarenko.

Matrica je glavni strukturni element kamere i jedan od ključnih parametara koje korisnik uzima u obzir pri odabiru kamere. Matrice modernih digitalnih fotoaparata mogu se klasificirati prema nekoliko znakova, ali glavni i najčešći je čak i podjela matrica prema metoda otkrivanja naboja, na: matrice Ccd vrsta i CMOS matrice. U ovom ćemo članku razmotriti principe rada, kao i prednosti i nedostatke ove dvije vrste matrica, budući da se najčešće koriste u modernoj fotografskoj i video opremi.

CCD matrica

Matrica Ccd također zove CCD(Uređaji s priključkom za punjenje). CCD matrica je pravokutna ploča fotoosjetljivih elemenata (fotodioda) smještena na poluvodičkom silicijskom kristalu. Princip njegova djelovanja temelji se na kretanju redak po red naboja koji su se nakupili u prazninama koje su formirali fotoni u atomima silicija. Odnosno, prilikom sudara s fotodiodom, foton svjetlosti se apsorbira i oslobađa se elektron (javlja se unutarnji fotoelektrični efekt). Kao rezultat toga, formira se naboj, koji se mora nekako pohraniti za daljnju obradu. U tu svrhu u silicijsku podlogu matrice ugrađen je poluvodič, preko kojeg se nalazi prozirna polikristalna silicijska elektroda. A kao rezultat primjene električnog potencijala na danu elektrodu u zoni iscrpljenosti ispod poluvodiča, formira se takozvana potencijalna bušotina u kojoj se pohranjuje naboj primljen od fotona. Kada se električni naboj očita s matrice, naboji (pohranjeni u potencijalnim jažicima) se prenose duž prijenosnih elektroda do ruba matrice (registar serijskog pomaka) i prema pojačalu, koje pojačava signal i prenosi ga na analogni - u digitalni pretvarač (ADC), odakle se konvertirani signal šalje procesoru, koji obrađuje signal i pohranjuje dobivenu sliku na memorijsku karticu .

Za proizvodnju CCD-a koriste se polisilicijske fotodiode. Takve su matrice male veličine i omogućuju dobivanje visokokvalitetnih fotografija pri snimanju u normalnim uvjetima osvjetljenja.

Prednosti CCD-a:

1. Dizajn matrice osigurava visoku gustoću postavljanja fotoćelija (piksela) na podlogu;
2. Visoka učinkovitost (omjer registriranih fotona prema njihovom ukupnom broju je oko 95%);
3. Visoka osjetljivost;
4. Dobar prikaz boja (uz dovoljno osvjetljenja).

Nedostaci CCD-a:

1. Visoka razina buke pri visokom ISO (pri niskom ISO, razina buke je umjerena);
2. Niska radna brzina u usporedbi s CMOS matricama;
3. Velika potrošnja energije;
4. Složenija tehnologija za očitavanje signala, budući da je potrebno mnogo upravljačkih mikro krugova;
5. Proizvodnja je skuplja od CMOS matrica.

CMOS matrica

Matrica CMOS, ili CMOS senzor(Complementary Metal Oxide Semiconductors) koristi senzore aktivne točke. Za razliku od CCD-a, CMOS-ovi sadrže zasebni tranzistor u svakom fotoosjetljivom elementu (pikselu), zbog čega se pretvorba naboja izvodi izravno u pikselu. Rezultirajući naboj može se očitati iz svakog piksela pojedinačno, tako da nema potrebe za prijenosom naboja (kao što se događa u CCD-ovima). Pixels CMOS senzor se integrira izravno s A/D pretvaračem ili čak procesorom. Rezultat ove pametne tehnologije je ušteda energije zbog kraćih procesnih lanaca u odnosu na CCD, kao i niža cijena uređaja zbog jednostavnijeg dizajna.

Kratki princip rada CMOS senzora: 1) Prije snimanja, signal za resetiranje se šalje na tranzistor za resetiranje. 2) Tijekom ekspozicije, svjetlost prodire kroz leću i filter na fotodiodu i kao rezultat fotosinteze nakuplja se naboj u potencijalnoj jažici. 3) Očitava se vrijednost primljenog napona. 4) Obrada podataka i spremanje slike.

Prednosti CMOS nizova:

1. Niska potrošnja energije (osobito u stanju pripravnosti);
2. Visoke performanse;
3. Zahtijeva manje proizvodnih troškova, zbog sličnosti tehnologije s proizvodnjom mikro krugova;
4. Jedinstvo tehnologije s ostalim digitalnim elementima, što omogućuje kombiniranje analognih, digitalnih i procesnih dijelova na jednom kristalu (tj. osim hvatanja svjetlosti u pikselu, možete pretvoriti, obraditi i očistiti signal od šuma).
5. Mogućnost slučajnog pristupa svakom pikselu ili skupini piksela, što može smanjiti veličinu snimljene slike i povećati brzinu čitanja.

Nedostaci CMOS senzora:

1. Fotodioda zauzima malo područje piksela, kao rezultat toga, dobiva se niska osjetljivost na svjetlo matrice, ali u modernim CMOS matricama ovaj minus je praktički eliminiran;
2. Toplinski šum od grijanja tranzistora unutar piksela tijekom očitavanja.
3. Relativno velikih dimenzija, oprema s fluorom s ovom vrstom matrice razlikuje se po velikoj težini i dimenzijama.

Osim spomenutih tipova, postoje i troslojne matrice od kojih je svaki sloj CCD. Razlika je u tome što stanice mogu istovremeno percipirati tri boje, koje nastaju dihroidnim prizmama kada ih udari snop svjetlosti. Zatim se svaki snop usmjerava na zasebnu matricu. Kao rezultat toga, svjetlina plave, crvene i zelene boje odmah se detektira na fotoćeliji. Troslojne matrice koriste se u videokamerama visoke razine, koje imaju posebnu oznaku - 3CCD.

Sumirajući, želio bih napomenuti da se razvojem tehnologija za proizvodnju CCD i CMOS matrica mijenjaju i njihove karakteristike, pa je sve teže reći koja je od matrica definitivno bolja, ali u isto vrijeme , CMOS matrice postaju sve popularnije u proizvodnji SLR fotoaparata. Na temelju karakteristika različitih vrsta matrica možete dobiti jasnu ideju zašto je profesionalna fotografska oprema koja omogućuje visokokvalitetno snimanje prilično glomazna i teška. Ove informacije morate zapamtiti pri odabiru kamere - odnosno uzeti u obzir fizičke dimenzije matrice, a ne broj piksela.

CCD je uređaj s nabojom. Ova vrsta matrice u početku se smatrala kvalitetnijom, ali i skupljom i energetski intenzivnijom. Ako ukratko predstavite osnovni princip rada CCD matrice, onda oni prikupljaju cijelu sliku u analognoj verziji, a tek onda digitaliziraju.

Za razliku od CCD matrica, CMOS matrice (komplementarni metal-oksid-poluvodič, CMOS) digitaliziraju svaki piksel na mjestu. CMOS matrice su u početku bile manje trošile energiju i jeftine, osobito u proizvodnji velikih matrica, ali su bile inferiorne u odnosu na CCD matrice u kvaliteti.

Prednosti CCD matrica uključuju:

• Niska razina buke.
• Visok faktor popunjavanja piksela (oko 100%).
• Visoka učinkovitost (omjer broja registriranih fotona i njihovog ukupnog broja koji pogađaju svjetlosno osjetljivo područje matrice, za CCD - 95%).
• Visok dinamički raspon (osjetljivost).

Nedostaci CCD matrica uključuju:

• Složen princip očitanja signala, a time i tehnologije.
• Visoka razina potrošnje energije (do 2-5W).
• Skuplji za proizvodnju.

Prednosti CMOS matrica:

• Visoke performanse (do 500 sličica u sekundi).
• Mala potrošnja energije (gotovo 100 puta u usporedbi s CCD).
• Jeftinije i lakše za proizvodnju.
• Perspektiva tehnologije (na istom kristalu, u principu, ništa ne košta implementacija svih potrebnih dodatnih sklopova: analogno-digitalnih pretvarača, procesora, memorije, čime se dobiva potpuna digitalna kamera na jednom kristalu. Samsung Electronics i Mitsubishi Električni).

Nedostaci CMOS matrica uključuju

• Nizak faktor popunjavanja piksela, što smanjuje osjetljivost (efektivna površina piksela ~ 75%, ostatak zauzimaju tranzistori).
• Visoka razina buke (to je zbog takozvanih tempo struja - čak i u nedostatku osvjetljenja, prilično značajna struja teče kroz fotodiodu), borba protiv koje komplicira i povećava cijenu tehnologije.
• Nizak dinamički raspon.

Uvod u senzore slike

Kada se slika snimi kroz leću kamkordera, svjetlost prolazi kroz leću i pogađa senzor slike. Senzor slike, ili matrica, sastoji se od mnogih elemenata, koji se nazivaju i pikseli, koji bilježe količinu svjetlosti koja pada na njih. Primljena količina svjetlosti se pretvara u pikselima u odgovarajući broj elektrona. Što više svjetlosti padne na piksel, to će više elektrona generirati. Elektroni se pretvaraju u napon, a zatim pretvaraju u brojeve, prema vrijednostima ADC-a (analogno-digitalni pretvarač, A/D-konverter). Signal sastavljen od takvih brojeva obrađuje se elektroničkim sklopovima unutar kamkordera.

Trenutačno postoje dvije glavne tehnologije koje se mogu koristiti za stvaranje senzora slike unutar fotoaparata, a to su CCD (uređaj spojen s punjenjem) i CMOS (komplimentarni metal-oksidni poluvodič). Njihove karakteristike, prednosti i nedostaci bit će obrađeni u ovom članku. Slika ispod prikazuje senzore slike CCD (gore) i CMOS (dolje).

Filtriranje boja... Kao što je već gore opisano, slikovni senzori bilježe količinu svjetlosti koja pada na njih, od svijetlog do tamnog, ali bez informacija o boji. Budući da CMOS i CCD senzori slike "ne vide boju", filtar se postavlja ispred svakog senzora kako bi svakom pikselu u senzoru dodijelio ton boje. Dvije glavne metode registracije boja su RGB (crvena-pohlepna-plava) i CMYG (cijan-magenta-žuto-zelena). Crvena, zelena i plava su primarne boje, a njihove različite kombinacije mogu činiti većinu boja koje percipira ljudsko oko.

Bayerov filtar (ili Bayerov niz), koji se sastoji od izmjeničnih redova crveno-zelenih i plavo-zelenih filtara, najčešći je RGB filtar boja (vidi sliku 2). Bayer filter sadrži dvostruko veći broj zelenih "ćelija" ljudsko oko je osjetljivije na zelenu, a ne na crvenu ili plavu. To također znači da će s ovim omjerom boja u filteru ljudsko oko vidjeti više detalja nego kad bi se u filteru koristile tri boje u jednakim omjerima.

Drugi način filtriranja (ili registriranja) boje je korištenje komplementarnih boja kao što su cijan, magenta i žuta. Filtar komplementarne boje obično se kombinira s filterom zelene boje u obliku CMYG-boja niza, kao što je prikazano na slici 2 (desno). CMYG filter u boji obično nudi veći signal piksela jer ima širi spektralni pojas. Međutim, signal se mora pretvoriti u RGB za korištenje u konačnoj slici, što podrazumijeva dodatnu obradu i unosi šum. Posljedica toga je smanjenje omjera signal-šum, zbog čega CMYG sustavi u pravilu nisu tako dobri u prikazivanju boja.

CMYG filtar u boji obično se koristi u senzorima isprepletene slike, dok se RGB sustavi prvenstveno koriste u senzorima slike s progresivnim skeniranjem.

Fotoosjetljiva matrica je najvažniji element kamere. Ona je ta koja svjetlost koja pada na nju kroz leću pretvara u električne signale. Matrica se sastoji od piksela – pojedinačnih elemenata osjetljivih na svjetlost. Na modernim matricama ukupan broj fotoosjetljivih elemenata doseže 10 milijuna za amaterske uređaje i 17 milijuna za profesionalne. Senzor od N megapiksela sadrži N milijuna piksela. Što je više piksela na senzoru, to je fotografija detaljnija.

Svaki fotoosjetljivi element je svjetlosno nabijeni kondenzator. Kondenzator je napunjen što je jače svjetlo koje pada na njega ili što je duže izložen svjetlu. Problem je u tome što se naboj kondenzatora može promijeniti ne samo pod utjecajem svjetlosti, već i zbog toplinskog kretanja elektrona u materijalu matrice. Više toplinskih elektrona ulazi u neke piksele, manje u neke. Rezultat je digitalni šum. Ako snimate plavo nebo, na primjer, na slici može izgledati kao da se sastoji od piksela malo različitih boja, a slika snimljena sa zatvorenim objektivom neće se sastojati samo od crnih točkica. Što je manja geometrijska veličina matrice s jednakim brojem megapiksela, veći je njezin šum, lošija je kvaliteta slike.

Za kompaktne digitalne uređaje, veličina matrice se obično označava kao razlomak i mjeri se u inčima. Zanimljivo je da ako pokušate izračunati ovaj razlomak i pretvoriti ga iz inča u milimetre, rezultirajuća vrijednost neće se podudarati sa stvarnim dimenzijama matrice. Ova je proturječnost nastala povijesno, kada je na sličan način označena veličina odašiljačkog televizijskog uređaja (vidicon). Za digitalne SLR fotoaparate, veličina matrice je ili izravno naznačena u milimetrima, ili označena kao faktor izrezivanja - broj koji pokazuje koliko je puta ova veličina manja od okvira standardnog filma od 24x36 mm.

Druga važna značajka matrica je da matrica s N megapiksela zapravo sadrži N megapiksela, a štoviše, slika iz ove matrice također se sastoji od N megapiksela. Što je tako čudno, kažete? A čudna stvar je da se na slici svaki piksel sastoji od tri boje, crvene, zelene i plave. Čini se da bi se na matrici svaki piksel trebao sastojati od tri elementa osjetljiva na svjetlost, redom, crvene, zelene i plave. Međutim, u stvarnosti to nije tako. Svaki piksel se sastoji od samo jednog elementa. Odakle onda boja? Zapravo, filter se primjenjuje na svaki piksel na takav način da svaki piksel percipira samo jednu od boja. Filtri se izmjenjuju – prvi piksel percipira samo crvenu boju, drugi samo zelenu, a treći samo plavu. Nakon čitanja informacija iz matrice, boja za svaki piksel se izračunava iz boja ovog piksela i njegovih susjeda. Naravno, ova metoda malo iskrivljuje sliku, ali algoritam za izračun boje je dizajniran na način da se boja malih detalja može izobličiti, ali ne i njihova svjetlina. A za ljudsko oko, gledajući sliku, važnija je svjetlina, a ne boja ovih detalja, stoga su ta izobličenja praktički nevidljiva. Ova struktura se zove Bayer uzorak po imenu Kodakovog inženjera koji je patentirao ovu strukturu filtera.

Većina modernih senzora slike koji se koriste u kompaktnim digitalnim fotoaparatima imaju dva ili tri načina rada. Glavni način rada služi za fotografiranje i omogućuje čitanje s matrice slike maksimalne rezolucije. Ovaj način rada zahtijeva odsutnost bilo kakvog osvjetljenja matrice tijekom očitavanja okvira, što zauzvrat zahtijeva obveznu prisutnost mehaničkog zatvarača. Drugi način rada velike brzine omogućuje čitanje cijele slike s matrice frekvencijom od 30 puta u sekundi, ali u smanjenoj razlučivosti. Ovaj način rada ne zahtijeva mehanički zatvarač i koristi se za pregled i snimanje videa. Treći način rada omogućuje vam čitanje slike dvostruko brže, ali ne iz cijelog područja matrice. Ovaj način rada koristi se za rad autofokusa. Matrice koje se koriste u DSLR digitalnim fotoaparatima nemaju modove velike brzine.

Ali nisu sve matrice osjetljive na svjetlost dizajnirane na ovaj način. Sigma proizvodi Foveon matrice, u kojima se svaki piksel zapravo sastoji od tri elementa osjetljiva na svijeće. Ove matrice imaju znatno manje megapiksela od svojih konkurenata, ali kvaliteta slike ovih matrica praktički nije inferiorna u odnosu na konkurente s više megapiksela.

Fujijevi SuperCCD imaju još jednu zanimljivu značajku. Pikseli u ovim matricama su heksagonalni i raspoređeni poput saća. S jedne strane, u ovom slučaju se osjetljivost povećava zbog veće površine piksela, a s druge strane, posebnim interpolacijskim algoritmom moguće je dobiti bolju detaljnost slike.

U ovom slučaju, interpolacija vam doista omogućuje poboljšanje detalja slike, za razliku od uređaja drugih proizvođača, gdje se slika interpolira iz matrice s uobičajenim rasporedom piksela. Temeljna razlika između ovih matrica je u tome što je nagib piksela upola manji od samih piksela. To vam omogućuje povećanje detalja slike duž okomitih i vodoravnih linija. Istodobno, obični senzori imaju bolje dijagonalne detalje, ali na stvarnim slikama obično ima manje dijagonalnih linija nego okomitih ili horizontalnih.

Interpolacija- algoritam za izračunavanje vrijednosti koje nedostaju iz susjednih vrijednosti. Ako znamo da je u 8 ujutro temperatura vani bila +16 stupnjeva, a u 10 se popela na +20, ne bismo se puno pogriješili ako pretpostavimo da je u 9 ujutro temperatura bila oko +18.

U CCD senzoru, svjetlost (naboj) koja pada na piksel senzora prenosi se iz mikrosklopa kroz jedan izlazni čvor ili kroz samo nekoliko izlaznih čvorova. Naboji se pretvaraju u razine napona, akumuliraju i šalju kao analogni signal. Taj se signal zatim zbraja i pretvara u brojeve analogno-digitalnim pretvaračem izvan senzora (vidi sliku 3).

CCD tehnologija je izumljena posebno za korištenje u video kamerama, a CCD senzori su u upotrebi već 30 godina. Tradicionalno, CCD senzori imaju niz prednosti u odnosu na CMOS senzore, a to su bolja osjetljivost na svjetlo i niža razina buke. U posljednje vrijeme, međutim, razlike su jedva primjetne.

Nedostaci CCD senzora su to što su analogne komponente, zahtijevaju više elektronike “u blizini” senzora, skuplji su za proizvodnju i mogu potrošiti do 100 puta više energije od CMOS senzora. Povećana potrošnja energije također može dovesti do porasta temperature u samoj kameri, što negativno utječe ne samo na kvalitetu slike i povećava cijenu konačnog proizvoda, već i na stupanj utjecaja na okoliš.

CCD senzori također zahtijevaju brži prijenos podataka kao svi podaci prolaze kroz samo jedno ili više izlaznih pojačala. Usporedite slike 4 i 6 koje prikazuju ploče CCD i CMOS senzora.

U ranim danima za prikaz su se koristili konvencionalni CMOS čipovi, ali je kvaliteta slike bila loša zbog niske osjetljivosti na svjetlo CMOS elemenata. Moderni CMOS senzori proizvedeni su korištenjem specijaliziranije tehnologije, što je dovelo do brzog povećanja kvalitete slike i osjetljivosti na svjetlo posljednjih godina.

CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD senzora, CMOS senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno smanjuje cijenu konačnog proizvoda, jer već sadrži sve potrebne elemente za dobivanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektroničke pretvarače. U usporedbi s CCD senzorima, CMOS senzori nude više funkcionalnosti i šire mogućnosti integracije. Ostale prednosti uključuju brže očitavanje, manju potrošnju energije, visoku otpornost na buku i manju veličinu sustava.

Međutim, prisutnost elektroničkih sklopova unutar čipa dovodi do rizika od više strukturiranih šuma, poput pruga. Kalibracija CMOS senzora tijekom proizvodnje također je teža nego kod CCD senzora. Srećom, trenutna tehnologija omogućuje proizvodnju samokalibrirajućih CMOS senzora.

U CMOS senzorima postoji mogućnost čitanja slike iz pojedinačnih piksela, što omogućuje „prozor“ slike, t.j. očitati indikaciju ne cijelog senzora, već samo njegovog određenog područja. Tako je moguće dobiti veću brzinu kadrova od dijela senzora za naknadnu digitalnu PTZ (pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom) obradu. Osim toga, omogućuje prijenos nekoliko video tokova s ​​jednog CMOS senzora, simulirajući nekoliko "virtualnih kamera"

HDTV i megapikselne kamere

Megapikselni senzori i televizija visoke razlučivosti omogućuju digitalnim IP kamerama da daju višu rezoluciju slike od analognih CCTV kamera, tj. pružaju izvrsnu priliku za razlučivanje detalja i prepoznavanje ljudi i objekata – ključni čimbenik u videonadzoru. Megapikselna IP kamera ima najmanje dvostruko veću rezoluciju u odnosu na analognu CCTV kameru. Megapikselni senzori ključne su značajke televizije visoke razlučivosti, megapikselnih i multi-megapikselnih kamera. I može se koristiti za pružanje slika s iznimno visokim detaljima i višestrukog prijenosa videa.

Megapikselni CMOS senzori su rašireniji i mnogo jeftiniji od megapikselnih CCD senzora, iako postoje i prilično skupi CMOS senzori.

Teško je proizvesti brzi megapikselni CCD senzor, što je, naravno, nedostatak, pa je stoga teško proizvesti multi-megapikselnu kameru koristeći CCD tehnologiju.

Većina senzora u megapikselnim kamerama općenito je slične veličine slike VGA senzorima, s razlučivosti od 640x480 piksela. Međutim, megapikselni senzor sadrži više piksela od VGA senzora, tako da je veličina svakog piksela u megapikselnom senzoru manja od piksela u VGA senzoru. Posljedica toga je niža svjetlosna osjetljivost svakog piksela u megapikselnom senzoru.

Na ovaj ili onaj način, napredak ne miruje. Megapikselni senzori se ubrzano razvijaju, a njihova osjetljivost na svjetlost stalno raste.

Glavne razlike između CMOS-a i CCD-a

CMOS senzori sadrže pojačala, A/D pretvarače i često mikrosklopove za dodatnu obradu, dok se u kameri s CCD senzorom većina funkcija obrade signala obavlja izvan senzora. CMOS senzori troše manje energije od CCD senzora, što znači da se unutar fotoaparata može održavati niža temperatura. Povećana temperatura CCD senzora može povećati smetnje. S druge strane, CMOS senzori mogu patiti od strukturirane buke (opsezi, itd.).

CMOS senzori podržavaju "prozor" slike i višestruki video, što nije moguće s CCD senzorima. CCD senzori obično imaju jedan A/D pretvarač, dok ga u CMOS senzorima posjeduje svaki piksel. Brže očitavanje u CMOS senzorima omogućuje im upotrebu u proizvodnji kamera s više megapiksela.

Suvremeni tehnološki napredak zamagljuje razliku u svjetlosnoj osjetljivosti između CCD i CMOS senzora.

Zaključak

CCD i CMOS senzori imaju različite prednosti i nedostatke, ali tehnologija se brzo razvija i situacija se stalno mijenja. Pitanje hoće li odabrati kameru s CCD senzorom ili CMOS senzorom postaje nebitno. Ovaj izbor ovisi samo o zahtjevima naručitelja za kvalitetom slike sustava video nadzora.

CCD i CMOS senzori su posljednjih nekoliko godina u stalnoj konkurenciji. U ovom članku pokušat ćemo razmotriti prednosti i nedostatke ovih tehnologija. CCD-matrica (skraćeno od "charge-coupled device") ili CCD-matrica (skraćeno od CCD, "Charge-Coupled Device") je specijalizirani analogni integrirani sklop koji se sastoji od fotoosjetljivih fotodioda, izrađenih na bazi silicija, korištenjem CCD tehnologije - uređaji povezani s punjenjem. U CCD senzoru, svjetlost (naboj) koja pada na piksel senzora prenosi se iz mikrosklopa kroz jedan izlazni čvor ili kroz samo nekoliko izlaznih čvorova. Naboji se pretvaraju u razine napona, akumuliraju i šalju kao analogni signal. Taj se signal zatim zbraja i pretvara u brojeve analogno-digitalnim pretvaračem izvan senzora. CMOS (komplementarna logika na tranzistorima metal-oksid-poluvodič; CMOS; engleski CMOS, Complementary-symmetry / metal-oxide semiconductor) je tehnologija za izradu elektroničkih sklopova. U ranim danima za prikaz su se koristili konvencionalni CMOS čipovi, ali je kvaliteta slike bila loša zbog niske osjetljivosti na svjetlo CMOS elemenata. Moderni CMOS senzori proizvedeni su korištenjem specijaliziranije tehnologije, što je dovelo do brzog povećanja kvalitete slike i osjetljivosti na svjetlo posljednjih godina. CMOS čipovi imaju niz prednosti. Za razliku od CCD-senzora, CMOS-senzori sadrže pojačala i analogno-digitalne pretvarače, što značajno smanjuje cijenu konačnog proizvoda, jer već sadrži sve potrebne elemente za dobivanje slike. Svaki CMOS piksel sadrži elektroničke pretvarače. CMOS senzori imaju više funkcionalnosti i šire mogućnosti integracije. Jedan od glavnih problema pri korištenju CMOS matrica u videokamerama bila je kvaliteta slike. CCD-ovi su osigurali i sada pružaju niže razine buke. Kao rezultat toga, CMOS čipovi se ponašaju iznimno loše pri slabom osvjetljenju u usporedbi s CCD čipovima. A budući da je slabo osvjetljenje jedna od glavnih poteškoća u snimanju videa, to je bila glavna prepreka korištenju CMOS senzora. Međutim, proizvodno iskustvo akumulirano tijekom godina razvoja CMOS-a omogućilo je sa svakom novom generacijom ovih senzora da se značajno smanji fiksni i nasumični šum koji utječe na kvalitetu slike. Još jedna slaba točka CMOS-a je izobličenje koje se pojavljuje prilikom snimanja dinamičke slike zbog slabe osjetljivosti senzora. Slike automobila mogu sadržavati vrlo svijetle elemente kao što su prednja svjetla, sunce ili vrlo tamna područja kao što su registarske tablice. Zbog toga je potreban širok dinamički raspon za rukovanje scenama s velikim padom kontrasta. CCD senzor ima dobar dinamički raspon, ali CMOS pristup pojedinačnim pikselima daje vam mnogo više prostora za bolji dinamički raspon. Također, kada koristite CCD-ove, svijetle točke u sceni mogu stvoriti okomite linije na slici i ometati prepoznavanje registarskih pločica zbog blijeđenja i zamućenja. Unatoč činjenici da CCD-ovi imaju veću karakteristiku osjetljivosti, glavni čimbenik koji ograničava njihovu upotrebu je niska stopa očitanja naboja i, kao posljedica toga, nemogućnost pružanja velike brzine snimanja. Što je veća rezolucija matrice, to je sporija brzina slike. Zauzvrat, CMOS tehnologija, koja kombinira fotoosjetljivi element i mikrosklop za obradu, omogućuje dobivanje velike brzine kadrova čak i za senzore od 3 megapiksela. Međutim, korištenje megapikselnih CMOS senzora za IP kamere u sustavima videonadzora zahtijeva učinkovito kompresiju toka podataka. Najčešći algoritmi kompresije u IP CCTV-u danas su M-JPEG, MPEG4 i H.264. Prvi se često implementira izravno na CMOS senzor od strane samog proizvođača matrice. MPEG4 i H.264 algoritmi su učinkovitiji, ali zahtijevaju snažan procesor. Za formiranje streama u stvarnom vremenu s razlučivosti većom od 2 megapiksela, CMOS IP kamere koriste koprocesore koji pružaju dodatne izračune. Trenutno su IP kamere bazirane na CMOS senzorima sve popularnije prvenstveno zahvaljujući tehnološkoj podršci lidera IP video nadzora. Štoviše, njihova je cijena veća od sličnih kamera na CCD-u. To je unatoč činjenici da CMOS tehnologija, kombinirajući analogne i digitalne dijelove uređaja, omogućuje stvaranje jeftinijih kamera. Situacija je takva da je danas cijena IP kamere određena njezinim mogućnostima i karakteristikama. Glavna stvar nije vrsta matrice, već softver koji implementira procesor kamere.

Prednosti CCD matrica: Nizak šum, visok faktor popunjavanja piksela (oko 100%), visoka učinkovitost (omjer broja registriranih fotona i njihovog ukupnog broja koji pada na svjetlosno osjetljivo područje matrice, za CCD-ove - 95 %), veliki dinamički raspon (osjetljivost), dobra osjetljivost u IR rasponu.

Nedostaci CCD matrica: Složen princip očitanja signala, a samim tim i tehnologija, visoka razina potrošnje energije (do 2-5W), skuplja je za proizvodnju.

Prednosti CMOS matrica: Velika brzina (do 500 sličica/s), niska potrošnja energije (gotovo 100 puta u usporedbi s CCD), jeftinija i lakša za proizvodnju, obećavajuća tehnologija (na istom kristalu, u principu, ne košta ništa za implementaciju svi potrebni dodatni sklopovi: analogno-digitalni pretvarači, procesor, memorija, čime se dobiva kompletna digitalna kamera na jednom čipu).

Nedostaci CMOS matrica: Nizak faktor popunjavanja piksela, što smanjuje osjetljivost (efektivna površina piksela je ~ 75%, ostatak zauzimaju tranzistori), visoka razina buke (uzrokuju je tzv. tempo struje - čak i u odsutnosti osvjetljenja, kroz fotodiodu teče prilično značajna struja), borba protiv koje komplicira i povećava cijenu tehnologije, nizak dinamički raspon.

Kao i svaka tehnologija, CMOS i CCD tehnologije imaju prednosti i nedostatke, koje smo pokušali razmotriti u ovom članku. Prilikom odabira kamera potrebno je uzeti u obzir sve prednosti i nedostatke ovih tehnologija, obraćajući pažnju na parametre kao što su osjetljivost na svjetlost, širok dinamički raspon, potrošnja energije, razina buke i cijena kamere.

Matrica kamere obavlja funkciju digitalizacije parametara svjetlosti na svojoj površini. Danas se tržište fotografske opreme podijelilo na dva tabora: uređaje koji koriste CMOS matricu i uređaje koji koriste CCD matricu. Ne može se govoriti o prioritetu jedne tehnologije nad drugom, iako je udio CMOS-a u izvještajima o prodaji nešto veći, ali to se objašnjava objektivnim zahtjevima korisnika, a ne svojstvima samih matrica. Trošak često igra odlučujuću ulogu u procesu odabira.

Definicija

CCD matrica- mikrosklop koji se sastoji od fotodioda osjetljivih na svjetlost i stvoren na bazi silicija. Rad se temelji na principu rada uređaja s nabojom.

CMOS senzor- mikrosklop stvoren na bazi tranzistora s efektom polja s izoliranim vratima s kanalima različite vodljivosti.

Usporedba

Ključna razlika između CMOS-a i CCD-a je u potpuno različitim principima rada. CCD digitalizira rezultirajuću analognu sliku, CMOS digitalizira svaki piksel slike odjednom. Malo detaljnije: električni naboj u pikselima (LED) CCD matrice pretvara se u električni potencijal, pojačava se u analognom pojačalu izvan fotoosjetljivog senzora, a tek onda digitalizira analogno-digitalni pretvarač . Električni naboj u pikselima CMOS matrice se akumulira u kondenzatorima iz kojih se uklanja električni potencijal, prenosi na analogno pojačalo i digitalizira pomoću istog pretvarača. Neki noviji CMOS senzori imaju analogna pojačala ugrađena izravno u piksel.

Još jedna važna točka: broj pojačala za CCD i CMOS matrice je različit. U potonjem je više pojačala, jer je kvaliteta slike tijekom prolaska signala donekle smanjena. Stoga se upravo CCD koristi u stvaranju fotografske opreme dizajnirane za stvaranje slika visokog stupnja detalja, na primjer, za istraživačke, medicinske i industrijske svrhe. S CMOS-om se susrećemo svaki dan: većina kamera u mobilnoj elektronici napravljena je na temelju upravo takvih matrica.

Kvaliteta dobivene slike ovisi o još jednoj okolnosti - gustoći fotodioda. Što su bliže, to je manje područja matrice, gdje fotoni nestaju bez opterećenja. CCD samo nudi raspored bez razmaka između fotodioda, dok u CMOS-u postoje - tranzistori su tamo smješteni.

CCD-ovi su puno skuplji od CMOS-a i troše više energije, pa je njihova ugradnja tamo gdje postoji dovoljna kvaliteta slike blizu prosjeka nepraktična. CCD-matrice imaju visoku osjetljivost, njihov postotak popunjavanja piksela je veći i doseže gotovo 100%, razina šuma je niska. CMOS matrice pružaju visoku razinu performansi, ali su inferiorne u odnosu na CCD u smislu osjetljivosti i šuma. CCD tehnologija, za razliku od CMOS-a, ne dopušta rafalno snimanje ili snimanje videa. Stoga njihova upotreba u mobilnoj elektronici, primjerice, nije opravdana svrhom samih uređaja. Recimo, CCD je matrica za profesionalnu fotografsku opremu.

Stranica zaključaka

1. CCD je niz na bazi silicija koji djeluje kao uređaj s nabojom, CMOS je polje tranzistora s efektom polja.
2. Analogni signal u CCD-u se pretvara izvan fotoosjetljivog senzora, u CMOS matrici - izravno u pikselu.
3. Kvaliteta slike iz CCD-a je viša nego iz CMOS-a.
4. CCD troši više energije.
5. CMOS vam omogućuje snimanje videozapisa i snimanje rafalnih fotografija.
6. CMOS je postao široko rasprostranjen u mobilnoj elektronici.