1. Introduzione ai sensori di immagine
Quando l'immagine viene acquisita attraverso l'obiettivo di una videocamera, la luce passa attraverso l'obiettivo e colpisce il sensore di immagine. Un sensore di immagine, o matrice, è costituito da molti elementi, detti anche pixel, che registrano la quantità di luce che li colpisce. La quantità di luce ricevuta viene convertita dai pixel nel corrispondente numero di elettroni. Più luce cade su un pixel, più elettroni genererà. Gli elettroni vengono convertiti in tensione e quindi convertiti in numeri in base ai valori dell'ADC (Analog to Digital Converter, convertitore A/D). Un segnale composto da tali numeri viene elaborato da circuiti elettronici all'interno della videocamera.
Attualmente, ci sono due tecnologie principali che possono essere utilizzate per creare un sensore di immagine nella fotocamera, sono CCD (dispositivo di accoppiamento di carica) e CMOS (semiconduttore di ossido di metallo gratuito). ... Le loro caratteristiche, vantaggi e svantaggi saranno discussi in questo articolo. La figura seguente mostra i sensori di immagine CCD (in alto) e CMOS (in basso).
Filtraggio colore... Come descritto sopra, i sensori di immagine registrano la quantità di luce incidente su di essi, dal chiaro allo scuro, ma senza informazioni sul colore. Poiché i sensori di immagine CMOS e CCD "non vedono il colore", viene posizionato un filtro davanti a ciascun sensore per assegnare una tonalità di colore a ciascun pixel nel sensore. I due principali metodi di registrazione del colore sono RGB (Red-Greed-Blue) e CMYG (Cyan-Magenta-Yellow-Green). Rosso, verde e blu sono i colori primari e le loro varie combinazioni possono costituire la maggior parte dei colori percepiti dall'occhio umano.
Il filtro Bayer (o array Bayer), costituito da file alternate di filtri rosso-verde e blu-verde, è il filtro colore RGB più comune (vedi Fig. 2). Il filtro Bayer contiene il doppio delle "celle" verdi l'occhio umano è più sensibile al verde piuttosto che al rosso o al blu. Significa anche che con questo rapporto di colore nel filtro, l'occhio umano vedrà più dettagli che se tre colori fossero usati in proporzioni uguali nel filtro.
Un altro modo per filtrare (o registrare) il colore è utilizzare colori complementari come ciano, magenta e giallo. Un filtro di colore complementare è solitamente combinato con un filtro di colore verde sotto forma di una matrice di colori CMYG, come mostrato nella Figura 2 (a destra). Un filtro colore CMYG di solito offre un segnale pixel più alto perché ha una larghezza di banda spettrale più ampia. Tuttavia, il segnale deve essere convertito in RGB per essere utilizzato nell'immagine finale, il che comporta un'elaborazione aggiuntiva e introduce rumore. Ciò si traduce in un rapporto segnale-rumore più basso, motivo per cui i sistemi CMYG generalmente non sono così bravi nel rendering dei colori.
Il filtro colore CMYG è comunemente usato nei sensori di immagine interlacciati, mentre i sistemi RGB sono usati principalmente nei sensori di immagine a scansione progressiva.
2. Tecnologia CCD
In un sensore CCD, la luce (carica) incidente su un pixel del sensore viene trasmessa dal microcircuito attraverso un nodo di uscita o solo alcuni nodi di uscita. Le cariche vengono convertite in livelli di tensione, accumulate e inviate come segnale analogico. Questo segnale viene quindi sommato e convertito in numeri da un convertitore analogico-digitale esterno al sensore (vedi Fig. 3).
La tecnologia CCD è stata inventata appositamente per l'uso nelle videocamere e i sensori CCD sono in uso da 30 anni. Tradizionalmente, i sensori CCD presentano una serie di vantaggi rispetto ai sensori CMOS, ovvero una migliore sensibilità alla luce e un livello di rumore inferiore. Di recente, tuttavia, le differenze sono state appena percettibili.
Gli svantaggi dei sensori CCD sono che sono componenti analogici, richiedono più elettronica "vicino" al sensore, sono più costosi da produrre e possono consumare fino a 100 volte più energia rispetto ai sensori CMOS. L'aumento del consumo energetico può anche portare ad un aumento della temperatura nella fotocamera stessa, che influisce negativamente non solo sulla qualità dell'immagine e aumenta il costo del prodotto finale, ma anche l'impatto ambientale.
I sensori CCD richiedono anche una trasmissione dati più veloce perché tutti i dati passano attraverso uno o più amplificatori di uscita. Confronta le Figure 4 e 6 che mostrano schede con sensori CCD e CMOS rispettivamente.
3. Tecnologia CMOS
All'inizio, per la visualizzazione venivano utilizzati chip CMOS convenzionali, ma la qualità dell'immagine era scarsa a causa della scarsa sensibilità alla luce degli elementi CMOS. I moderni sensori CMOS sono prodotti utilizzando una tecnologia più specializzata, che negli ultimi anni ha portato a un rapido aumento della qualità dell'immagine e della sensibilità alla luce.
I chip CMOS hanno una serie di vantaggi. A differenza dei sensori CCD, i sensori CMOS contengono amplificatori e convertitori analogico-digitale, il che riduce significativamente il costo del prodotto finale, perché contiene già tutti gli elementi necessari per ottenere l'immagine. Ogni pixel CMOS contiene convertitori elettronici. Rispetto ai sensori CCD, i sensori CMOS hanno più funzionalità e possibilità di integrazione più ampie. Altri vantaggi includono letture più veloci, minor consumo energetico, maggiore immunità ai disturbi e dimensioni del sistema più ridotte.
Tuttavia, la presenza di circuiti elettronici all'interno del chip corre il rischio di rumori più strutturati, come le strisce. Anche la calibrazione dei sensori CMOS durante la produzione è più difficile rispetto ai sensori CCD. Fortunatamente, la tecnologia attuale consente di produrre sensori CMOS autocalibranti.
Nei sensori CMOS esiste la possibilità di leggere l'immagine dai singoli pixel, il che rende possibile "finestra" l'immagine, ad es. leggere l'indicazione non dell'intero sensore, ma solo di una certa parte di esso. Pertanto, è possibile ottenere un frame rate più elevato da una parte del sensore per la successiva elaborazione digitale PTZ (pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom). Inoltre, consente di trasmettere più flussi video da un sensore CMOS, simulando più "telecamere virtuali"
4. Telecamere HDTV e megapixel
I sensori megapixel e la televisione ad alta definizione consentono alle telecamere IP digitali di fornire una risoluzione dell'immagine più elevata rispetto alle telecamere CCTV analogiche, ad es. forniscono una grande opportunità per discernere i dettagli e identificare persone e oggetti, un fattore chiave nella videosorveglianza. Una telecamera IP megapixel ha almeno il doppio della risoluzione di una telecamera CCTV analogica. I sensori megapixel sono elementi chiave nella televisione ad alta definizione, nelle fotocamere megapixel e multi-megapixel. E può essere utilizzato per fornire dettagli dell'immagine estremamente elevati e video multi-streaming.
I sensori CMOS megapixel sono più diffusi e molto più economici dei CCD megapixel, sebbene siano disponibili alcuni sensori CMOS piuttosto costosi.
È difficile produrre un sensore CCD megapixel veloce, che ovviamente è uno svantaggio, e quindi è difficile produrre una fotocamera multi-megapixel utilizzando la tecnologia CCD.
La maggior parte dei sensori nelle fotocamere megapixel sono generalmente simili nella dimensione dell'immagine ai sensori VGA, con una risoluzione di 640x480 pixel. Tuttavia, un sensore megapixel contiene più pixel di un sensore VGA, quindi la dimensione di ciascun pixel in un sensore megapixel è inferiore a un pixel in un sensore VGA. La conseguenza di ciò è la minore sensibilità alla luce di ciascun pixel nel sensore megapixel.
In un modo o nell'altro, il progresso non si ferma. I sensori megapixel si stanno sviluppando rapidamente e la loro sensibilità alla luce è in costante aumento.
5. Principali differenze
I sensori CMOS contengono amplificatori, convertitori A/D e spesso microcircuiti per elaborazioni aggiuntive, mentre in una fotocamera con sensore CCD la maggior parte delle funzioni di elaborazione del segnale viene eseguita all'esterno del sensore. I sensori CMOS consumano meno energia rispetto ai sensori CCD, il che significa che è possibile mantenere una temperatura più bassa all'interno della telecamera. L'aumento della temperatura dei sensori CCD può aumentare le interferenze. D'altra parte, i sensori CMOS possono soffrire di rumore strutturato (bande, ecc.).
I sensori CMOS supportano la "finestra" delle immagini e il video multi-stream, cosa non possibile con i sensori CCD. I sensori CCD di solito hanno un convertitore A/D, mentre nei sensori CMOS ogni pixel ne ha uno. La lettura più veloce nei sensori CMOS consente loro di essere utilizzati nella produzione di fotocamere multi-megapixel.
I moderni progressi tecnologici stanno offuscando la differenza di sensibilità alla luce tra i sensori CCD e CMOS.
6. Conclusione
I sensori CCD e CMOS presentano vantaggi e svantaggi diversi, ma la tecnologia è in rapida evoluzione e la situazione è in continua evoluzione. La questione se scegliere una telecamera con un sensore CCD o un sensore CMOS diventa irrilevante. Questa scelta dipende solo dalle esigenze del cliente per la qualità dell'immagine del sistema di videosorveglianza.
La maggior parte dei dispositivi digitali moderni per la ripresa di foto e video utilizza due tipi di sensori: CCD e CMOS.
CCD - dispositivo ad accoppiamento di carica (o CCD - dispositivo con feedback di carica).
CMOS - semiconduttore metallo-ossido complementare (o - logica complementare su transistor metallo-ossido-semiconduttore, CMOS).
In una fotocamera o videocamera digitale, la matrice è un analogo di un film foto-video. Ma a differenza dei film, la matrice non è usa e getta, non è ricoperta da una speciale emulsione che entra in una reazione chimica con la luce, non trattiene il telaio finito.
La matrice è un dispositivo elettronico ad alta tecnologia, la cui funzione principale è quella di digitalizzare la luce che cade sulla sua superficie attraverso l'obiettivo. Successivamente, questa luce digitalizzata viene convertita in uno dei formati digitali più diffusi e archiviata su un disco rigido o su un altro dispositivo previsto a tale scopo.
Le matrici realizzate utilizzando la tecnologia CCD (o CCD) differiscono dalle matrici realizzate utilizzando la tecnologia CMOS (o CMOS) in diversi parametri chiave. Prima di tutto, è la resa cromatica. Si ritiene che sia migliore sui CCD. Tuttavia, è generalmente accettato che i CCD siano molto più rumorosi delle loro controparti CMOS, anche a valori ISO medi. Pertanto, la maggior parte delle moderne fotocamere digitali sono dotate di matrici CMOS. Inoltre, i CCD sono più costosi da produrre e consumano molta più energia dei CMOS.
La principale differenza tra le tecnologie è il principio della risposta superficiale a un segnale. In altre parole, la matrice CCD elabora tutta la luce che la colpisce nella sua interezza. E la matrice CMOS - in parti - ogni pixel separatamente. Grazie all'innovativa tecnologia Active Pixel Sensors (APS), dove con l'ausilio di amplificatori a transistor collegati ad ogni pixel, la qualità di riproduzione del colore delle matrici CMOS è molto vicina al livello delle matrici CCD.
Videocamera a tre matrici />
Per le riprese video è preferibile scegliere apparecchiature basate su matrici CCD. Questo tipo di sensore è molto più bravo a catturare immagini in movimento, che non possono tenere il passo con i sensori CMOS tecnologicamente più lenti. Alcuni, compresi quelli per la fotografia amatoriale, sono dotati di tre matrici CCD contemporaneamente, ognuna delle quali è configurata per fissare un colore separato dal modello RGB. Queste videocamere offrono una migliore riproduzione dei colori e una migliore qualità video. La maggior parte delle videocamere digitali professionali è dotata di esattamente tre matrici CCD.
Per la fotografia, al contrario, sono più adatte le fotocamere che lavorano su matrici CMOS.
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Confronto di matrici in videocamere e fotocamere (CMOS, CCD)
Di recente, nel nostro articolo sulla scelta di una videocamera per una famiglia, abbiamo scritto delle matrici. Lì abbiamo toccato facilmente questo problema, ma oggi proveremo a descrivere entrambe le tecnologie in modo più dettagliato.
Che cos'è una matrice in una videocamera? Questo è un microcircuito che converte un segnale luminoso in uno elettrico. Oggi ci sono 2 tecnologie, cioè 2 tipi di matrici: CCD (CCD) e CMOS (CMOS)... Sono diversi l'uno dall'altro, ognuno ha i suoi pro e contro. È impossibile dire con certezza quale sia meglio e quale peggio. Si sviluppano in parallelo. Non entreremo nei dettagli tecnici, poiché saranno banalmente incomprensibili, ma in termini generali ne definiremo i principali pro e contro.
Tecnologia CMOS (CMOS)
Matrici CMOS vanta principalmente un basso consumo energetico, che è un vantaggio. Una videocamera con questa tecnologia durerà leggermente più a lungo (a seconda della capacità della batteria). Ma queste sono sciocchezze.
La principale differenza e vantaggio è la lettura casuale delle celle (in CCD, la lettura viene eseguita simultaneamente), a causa della quale è esclusa la sfocatura dell'immagine. Hai mai visto "pilastri di luce verticali" da oggetti puntiformi luminosi? Quindi le matrici CMOS escludono la possibilità della loro comparsa. E le fotocamere basate su di loro sono anche più economiche.
Ci sono anche degli svantaggi. Il primo è la piccola dimensione dell'elemento fotosensibile (in relazione alla dimensione dei pixel). Qui, la maggior parte dell'area dei pixel è occupata dall'elettronica, quindi l'area dell'elemento fotosensibile è ridotta. Di conseguenza, la sensibilità della matrice diminuisce.
Perché l'elaborazione elettronica viene eseguita su un pixel, quindi la quantità di rumore nell'immagine aumenta. Anche questo è uno svantaggio, così come il basso tempo di scansione. A causa di ciò, si verifica l'effetto di una "tapparella": quando l'operatore si muove, l'oggetto nell'inquadratura può essere distorto.
Tecnologia CCD (CCD)
Le videocamere con matrici CCD forniscono immagini di alta qualità. Visivamente, è facile notare meno rumore nei video catturati con una videocamera CCD rispetto ai video catturati con una videocamera CMOS. Questo è il primo e più importante vantaggio. E un'altra cosa: l'efficienza delle matrici CCD è semplicemente sorprendente: il fattore di riempimento si avvicina al 100%, il rapporto tra i fotoni registrati è del 95%. Prendi l'occhio umano normale: qui il rapporto è di circa l'1%.
CCD della fotocamera
Il prezzo elevato e l'alto consumo energetico sono gli svantaggi di queste matrici. Il fatto è che il processo di registrazione è incredibilmente difficile qui. La fissazione dell'immagine viene eseguita grazie a molti meccanismi aggiuntivi che non sono disponibili nelle matrici CMOS, pertanto la tecnologia CCD è significativamente più costosa.
Le matrici CCD vengono utilizzate in dispositivi da cui è necessario ottenere un'immagine a colori e di alta qualità e che, possibilmente, gireranno scene dinamiche. Si tratta per la maggior parte di videocamere professionali, sebbene siano anche domestiche. Questi sono anche sistemi di sorveglianza, fotocamere digitali, ecc.
Le matrici CMOS vengono utilizzate dove non ci sono requisiti particolarmente elevati per la qualità dell'immagine: sensori di movimento, smartphone economici ... Tuttavia, questo era il caso prima. Le moderne matrici CMOS hanno diverse modifiche, il che le rende di altissima qualità e degne in termini di concorrenza con le matrici CCD.
Ora è difficile giudicare quale tecnologia sia migliore, perché entrambe dimostrano ottimi risultati. Pertanto, è quantomeno sciocco mettere il tipo di matrice come unico criterio di selezione. Ci sono molte caratteristiche da considerare.
matrice CCD(dispositivo ad accoppiamento di carica inglese), o matrice CCD ( dispositivi ad accoppiamento di carica), è stato sviluppato negli Stati Uniti alla fine degli anni '60 come memoria per computer. Ha iniziato ad essere utilizzato all'inizio degli anni '70. Il principio di funzionamento della matrice CCD si basa sul movimento linea per linea delle cariche accumulate nei fori formati dai fotoni nei suddetti atomi di silicio. Durante la lettura della carica elettrica dalla matrice, le cariche vengono trasferite al bordo della matrice e verso l'amplificatore, che trasmette il segnale amplificato al convertitore analogico-digitale (ADC), quindi il segnale convertito va a il processore.
Le moderne fotocamere digitali utilizzano due tipi di matrici:
Il sensore della fotocamera di tipo CMOS prende il sopravvento
Sensore CMOS(ing. Semiconduttore complementare ossido di metallo), o matrice CMOS ( semiconduttori di ossido di metallo complementare) opera sulla base di sensori puntiformi attivi. A differenza di una matrice CCD, questa matrice converte la carica in tensione direttamente nel pixel. Grazie a un sistema così razionale, la velocità della telecamera durante l'elaborazione delle informazioni dalla matrice è notevolmente aumentata e facilita l'integrazione della matrice CMOS direttamente con un convertitore analogico-digitale o anche con un processore. Di conseguenza, si risparmia energia (la catena di azioni non è lunga come quella delle telecamere con una matrice CCD) e il dispositivo diventa più economico semplificando il suo design.
Prima matrici CCD erano più sensibili e in grado di produrre immagini di qualità superiore rispetto a Matrici CMOS... Ora, con lo sviluppo delle tecnologie, in particolare, con il miglioramento della qualità dei wafer di silicio e il miglioramento del circuito amplificatore, la qualità dell'immagine ottenuta su fotocamere digitali con matrice CMOS non è praticamente inferiore alla qualità dell'immagine ottenuta su fotocamere digitali con matrice CCD. Questo fatto dimostra almeno che Canon ha iniziato a produrre alcune reflex digitali professionali (D-30, D-60, D-10, ecc.) utilizzando una matrice CMOS.
Le matrici di silicio delle fotocamere digitali hanno un'altra sfumatura: i raggi luminosi che passano attraverso l'obiettivo colpiscono il sensore ad angolo retto solo al centro dell'inquadratura, il resto cadono obliquamente. Se questo non ha importanza per il film, per la matrice i raggi incidenti su di essa con un angolo obliquo sono critici e indesiderabili. Pertanto, alcuni produttori ricorrono persino a tali trucchi da installare una microlente sopra ogni pixel, che focalizza la luce con la giusta angolazione e con la giusta forza.
Ed ecco un disegno che dà un'idea di come appaiono matrici di varie dimensioni sullo sfondo di una pellicola da 35 mm o di una matrice a grandezza naturale.
Come saprai, le fotocamere si dividono in due grandi categorie, analogiche e digitali, in base alla superficie fotosensibile che cattura l'immagine. In una macchina fotografica analogica, questa superficie era una pellicola fotografica - una cosa semplice con una certa fotosensibilità, un certo numero di fotogrammi monouso, da cui, dopo l'elaborazione chimica, era possibile ottenere una stampa dell'immagine su carta.
Nelle fotocamere digitali, la matrice assume questo ruolo fondamentale. Matrice- un dispositivo la cui funzione principale è quella di digitalizzare alcuni parametri della luce che colpisce la sua superficie. Questo processo è mostrato in dettaglio e chiaramente in un eccellente video di Discovery nel nostro articolo "", se non l'hai ancora visto, assicurati di farlo!
Esistono due tecnologie a matrice principali, più popolari e allo stesso tempo concorrenti: queste sono Ccd e CMOS... Scopriamolo oggi con cosa differenza tra Ccd e CMOS matrici?
Cercheremo di capire le loro differenze senza immergerci nei dettagli della fisica, solo per avere un'idea non solo di come funziona la fotocamera, ma anche del tipo di matrice che hai sulla tua fotocamera ora. Penso che questo sarà sufficiente per un fotografo alle prime armi, e chi è interessato ai dettagli, sarà in grado di scavare ulteriormente e in modo indipendente.
Matrice CCD, fonte: Wikipedia
Così, Ccd- esso dispositivi ad accoppiamento di carica CCD... Questo tipo di matrice è stato inizialmente considerato di qualità superiore, ma anche più costoso e ad alta intensità energetica. Se presenti il principio di base del funzionamento della matrice CCD in poche parole, raccolgono l'intera immagine in una versione analogica e solo dopo digitalizzano.
A differenza delle matrici CCD, Matrici CMOS (complementare metallo-ossido-semiconduttore, CMOS) digitalizzare ogni pixel in posizione. Le matrici CMOS erano inizialmente meno dispendiose ed economiche, specialmente nella produzione di matrici di grandi dimensioni, ma erano di qualità inferiore alle matrici CCD.
Matrice CMOS, fonte: Wikipedia
I CCD sono caratterizzati da una qualità dell'immagine più elevata e sono ancora popolari nei campi della medicina, dell'industria e della scienza, dove la qualità dell'immagine è fondamentale. Di recente, i sensori CCD hanno ridotto il consumo energetico e i costi e i sensori CMOS hanno notevolmente migliorato la qualità dell'immagine, soprattutto dopo la rivoluzione tecnologica nella produzione di sensori CMOS, quando si utilizza la tecnologia Active Pixel Sensors (APS), è stato aggiunto un amplificatore a transistor per la lettura a ogni pixel, che ha permesso di convertire la carica in tensione proprio nel pixel. Ciò ha fornito una svolta nella tecnologia CMOS, che nel 2008 era diventata praticamente un'alternativa alle matrici CCD. Inoltre, la tecnologia CMOS ha permesso di girare video e introdurre questa funzione nelle moderne fotocamere e la maggior parte delle moderne fotocamere digitali sono dotate di matrici CMOS.
