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高清摄像中CCD与CMOS的分析比较

编辑:     来源:深安协    日期:2010/6/2    字号:    

  随着安防行业的发展,视频监控网络化、数字化的趋势越来越明显。从1998年第一台网络摄像机初现国内市场,伴随着互联网的迅速普及和网络技术的日益成熟,目前网络摄像机行业已进入爆发式的增长阶段。其中的百万像素高清摄像机,在经过近两年的市场培育后,成为当前安防市场上最热门的话题。


  百万像素高清摄像机主要由两个核心部分组成:图像传感器以及压缩处理芯片。其中,图像传感器是图像采集处理部分的核心。众所周知,目前的图像传感器主要分为CCD和CMOS两大阵营。在传统观念中,CCD具有高解析度、低噪点等优点;而CMOS由于噪点问题,一直与电脑摄像头、手机摄像头等低画质的电子产品联系在一起。其实不然,现在CMOS摄像机绝非只局限于简单、低端的应用,甚至在高清摄像领域有了与CCD一较高下的实力。本文就CCD与CMOS的工作原理、区别、优劣和适用场合作出详细的分析。


 
 CCD和CMOS传感器的工作原理

  CCD是英文Charge Coupled Device的缩写,中文翻译为电荷耦合器件。它是1969年美国贝尔实验室的W·B·博伊尔(W·B·Boyle)和G·E·史密斯(G·E·Smith)等人研制出来的,其使用一种高感光度的半导体材料制成,包含众多感光元件,每个感光元件叫一个像素,CCD可以看做这些像素的集合体。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

  而CMOS英文全称是Comple-mentary Metal-Oxide Semicon-ductor,即互补金属氧化物半导体,与CCD一样也是记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带负电(N极) 和 正电(P极)的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。再透过芯片上的模数转换器(ADC)将获得的模拟影像信号转变为数字信号输出。

  可以看到,无论是CCD还是CMOS,它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段,其核心都是一个感光二极管(photodiode),该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流,而电流的强度则与光照的强度对应。

  
CCD与CMOS的区别

  像素结构不同

  CCD与CMOS的第一个区别体现在感光单位即像素结构不同。前者的感光元件除了感光二极管之外,包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,感光二极管占据了绝大部分面积。而CMOS感光元件的构成比较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还包括放大器与模数转换电路,每个像点构成为一个感光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。

  相较于CMOS传感器,CCD感光元件中的有效感光面积大,在同等条件下可接收较强的光信号,对应的输出电信号也更强;体现在输出结果上,就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器丰富、锐度较差、图像细节丢失情况严重且噪点明显,这也是早期CMOS传感器大多用于低端场合的原因。

 
 ADC位置和数量不同

  CCD与CMOS的第二个区别体现在ADC(模数转换器)位置和数量的不同。CCD每行像素点只对应着一ADC,感光元件每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,由控制电路以串行的方式依序传入"缓冲器"中,由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大,再串联ADC输出;相对地,CMOS的设计中每个像素点旁连着一个ADC,信号直接放大并转换成数字信号。

  也正是由于这点不同,CCD传感器中每一个感光元件的信号能形成统一的输出,这些输出数据经放大器统一处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;而CMOS每一个感光元件携带一个ADC,无法保证每个像点的放大率严格一致,致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌。体现在最终的输出结果上,就是图像中不可避免地出现噪点,图像品质低于CCD传感器。

 
 CCD与CMOS优劣比较

  看了以上的介绍,也许大家会认为CCD成像清晰、噪点少,所以相对CMOS优势明显。其实不然,虽然大量的ADC给CMOS带来了低噪点的缺陷,但也在其他方面显示出了极大的好处。

  比较CCD与CMOS,它们在以下五个方面互有优劣:

  
灵敏度

  由于CMOS每个像素包含一个感光二极管、一个电荷/电压转换单元、一个晶体管以及一个放大器,导致感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。过多的额外设备压缩单一像素的有效感光区域的表面积,因此在像素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。直接的后果就是低照度环境下,CMOS无法像CCD一样灵敏,成像清晰度大大降低。

 
 成本

  CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。如果专用通道中有一个像素故障,就会导致一整排的信号拥塞而无法传递。因此CCD的良率比CMOS低。而CMOS应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失,成本大为降低。

 
 噪点

  由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器。由于放大器属于模拟器件,无法保证每个像点的放大率严格一致,致使放大后的图像无法代表拍摄物体的原貌。因此,对比每行只有单个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

 
 速度
  CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多。

  功耗

  CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外,电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;而CMOS光电传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

  
CCD与CMOS摄像机应用场合

  通过以上比较分析,能看出CCD与CMOS各有优势。基于此,我们可以做到扬长避短,在不同应用场合合理选择CCD或CMOS摄像机。

  低照度环境下宜使用CCD摄像机

  由于CCD感光单元有效面积大,在光照强度较低的环境中,能相对清晰地呈现出被摄物体原貌。相反,CMOS传感器灵敏度低,ISO感光度差,低照时成像清晰度大大降低。所以,在低照度环境下,如灯光较暗的停车场、楼梯间、封闭通道和暗室等,宜选用感光灵敏的CCD摄像机。

 
 隐蔽环境中使用CMOS摄像机

  CMOS传感器可以将所有逻糪-和控制环都放在同一个硅芯片块上,使摄像机变得简单灵巧,因此CMOS摄像机可以做得非常小。而CCD摄像机限于外围复杂电路影响,体积无法做到CMOS般微型化。对于道路、门口等摄像机易受不法分子攻击破坏的场合,选用CMOS摄像机能达到隐蔽执法、避免攻击的作用。

  图像质量要求高的场合选用CCD摄像机

  CCD结构中由于每行仅有一个ADC,信号放大比例一致,所以图像还原真实自然、噪点低,在对画质要求苛刻的场合宜选用CCD摄像机。像素越高、尺寸越大的CCD拥有更好的图像品质。目前监控用CCD摄像机已能做到200万至500万高像素,而CCD也囊括了1英寸(12.8mm×9.6mm)、2/3英寸(8.8mm×6.6mm)、1/2英寸(6.4mm×4.8mm)、1/3英寸(4.8mm×3.6mm)、1/4英寸(3.2mm×2.4mm)等多种尺寸。

  高帧摄像时选用CMOS摄像机更佳

  CCD在工作时,上百万个像素感光后会生成上百万个电荷,每个专用通道中的电荷全部经过一个"放大器"进行电压转变。因此,这个"放大器"就成为了制约图像处理速度的瓶颈。所有电荷由单一通道输出,当数据量大时就容易发生信号拥堵。而像素越高,需要传输和处理的数据也就越多,使用单CCD无法满足高速读取大量高清数据的需要。而CMOS传感器不需要复杂的处理过程,直接将图像半导体产生的光电信号转变成数字信号,因此处理非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用,速度能达到400到2000帧/秒。所以对于高速摄像场所,选用CMOS摄像机效果更佳。

 
 结束语

  随着高清监控的发展,百万像素网络摄像机需求激增。CCD在影像品质等方面优于CMOS,但CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。CMOS的成熟工艺和大批量产,极大地降低了成本,提高了产品稳定性,也正是由于技术和工艺的不断改良更新,使得CCD与CMOS间的差异逐渐缩小。新一代的CCD将多CCD和低功耗作为改进目标;CMOS系列则开始朝大尺寸与高速影像处理晶片相结合、借由后续的影像处理修正噪点、提升画质的方向发展。相信随着CCD和CMOS在竞争中的改进和提高,未来的高清摄像领域必将精彩纷呈、惊喜不断。
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