Perhepsykologia 

Mikä on cmos-kamera? Ero CCD- ja CMOS-matriisien välillä. CMOS-matriisien käyttöalue

Matriisi on minkä tahansa valokuva- tai videolaitteen perusta. Se määrittää tuloksena olevan kuvan laadun ja koon. Nykyään matriisien valmistuksessa käytetään kahta erilaista teknologista periaatetta - CCD ja CMOS. Voit usein kuulla kysymyksen: "Mikä matriisi valita: CCD vai CMOS?" Tästä käydään kiivasta keskustelua valokuva- ja videolaitteiden fanien keskuudessa. Tässä artikkelissa tarkastelemme näitä kahta tyyppiä ja yritämme selvittää, mikä matriisi on parempi - CCD vai CMOS.

yleistä tietoa

Matriisit on suunniteltu digitoimaan niiden pinnalla olevien valonsäteiden parametrit. Yhden tekniikan selkeästä edusta ei voida puhua. Voit tehdä vertailuja tiettyjen parametrien perusteella ja tunnistaa johtajan jollakin tavalla. Mitä tulee käyttäjien mieltymyksiin, usein pääkriteeri niille on tuotteen hinta, vaikka se olisi laadultaan tai teknisiltä ominaisuuksiltaan huonompi kuin kilpailija.

Joten ymmärrämme, mitä molemmat laitteet ovat. CCD-matriisi on mikropiiri, joka koostuu valoherkistä valodiodeista; se on luotu piipohjalta. Sen toiminnan erikoisuus piilee varauskytketyn laitteen toimintaperiaatteessa. CMOS-matriisi on puolijohteiden pohjalta luotu laite, jossa on eristetty hila, jossa on eri johtavuus kanavia.

Toimintaperiaate

Siirrytään tunnistamaan erot, jotka auttavat sinua tekemään valinnan: kumpi on parempi - CMOS- vai CCD-matriisi? Suurin ero näiden kahden tekniikan välillä on niiden toimintaperiaate. CCD-laitteet muuntavat pikseleistä tulevan varauksen sähköpotentiaaliksi, joka vahvistuu valoanturien ulkopuolella. Tuloksena on analoginen kuva. Tämän jälkeen koko kuva digitoidaan ADC:hen. Eli laite koostuu kahdesta osasta - itse matriisista ja muuntimesta. CMOS-teknologialle on ominaista se, että se digitoi jokaisen pikselin erikseen. Tulos on valmis digitaalinen kuva. Toisin sanoen matriisipikselin sähkövaraus kerääntyy kondensaattoriin, josta sähköpotentiaali poistetaan. Se lähetetään analogiseen vahvistimeen (rakennettu suoraan pikseliin), minkä jälkeen se digitoidaan muuntimessa.

Mitä valita: CCD vai CMOS?

Yksi tärkeimmistä parametreista, jotka määräävät valinnan näiden tekniikoiden välillä, on matriisivahvistimien lukumäärä. CMOS-laitteissa on suurempi määrä näitä laitteita (jokaisessa kohdassa), joten signaalin kulkeessa kuvan laatu heikkenee hieman. Siksi CCD-matriiseja käytetään erittäin yksityiskohtaisten kuvien luomiseen esimerkiksi lääketieteellisiin, tutkimukseen ja teollisiin tarkoituksiin. Mutta CMOS-tekniikoita käytetään pääasiassa kodinkoneissa: web-kameroissa, älypuhelimissa, tableteissa, kannettavissa tietokoneissa jne.

Seuraava parametri, joka määrittää, mikä tyyppi on parempi - CCD vai CMOS - on valodiodien tiheys. Mitä korkeampi se on, sitä vähemmän fotoneja hukkaan menee, ja vastaavasti kuva on parempi. Tässä parametrissa CCD-matriisit ovat kilpailijoitaan edellä, koska ne tarjoavat asettelun, jossa ei ole tällaisia ​​aukkoja, kun taas CMOS: ssa on niitä (transistorit sijaitsevat niissä).

Kuitenkin, kun käyttäjä on valinnan edessä: kumpi - CMOS tai CCD - ostaa, pääparametri ponnahtaa esiin - laitteen hinta. CCD-tekniikka on paljon kalliimpaa kuin sen kilpailija ja kuluttaa enemmän energiaa. Siksi niitä ei kannata asentaa paikkaan, jossa keskimääräinen kuvanlaatu riittää.

Nykyaikaiset videokamerat käyttävät aktiivisesti kahden tyyppisiä matriiseja: CMOS ja CCD. CMOS-kenno (CMOS) rakennettu CMOS-tekniikan pohjalta, joka antoi tälle tuotteelle nimen (komplementaarinen metallioksidi-puolijohde, komplementaarinen metallioksidi-puolijohderakenne). Jos keskihintaisissa kameroissa molempia vaihtoehtoja käytetään suunnilleen yhtä suuressa suhteessa, niin budjettivideojärjestelmissä CMOS on yleisempi.

Tekniikan toimintaperiaate on seuraava:

  • Nollaussignaali annetaan;
  • Diodit keräävät varausta altistuksen aikana;
  • Parametreja luetaan.
Pitkästä käyttöhistoriasta huolimatta tämän tyyppiset matriisit eivät ole vanhentuneita. Niiden avulla voit silti suorittaa videovalvonnan järjestämisen laitoksessa. Uusia CMOS-kameramalleja julkaistaan ​​joka vuosi.

Tärkeimmät edut

Tärkeimmät syyt valita CMOS (CMOS) matriisit:
  • Edullinen verrattuna CCD-analogeihin. Kun koko kasvaa, kustannusero kasvaa edelleen;
  • Alhainen virrankulutus. Tärkeä tekijä, kun kamera toimii akulla, laitoksen vanhentunut sähköverkko tai huomattava määrä kytkettyjä laitteita;
  • Rajatun lukemisen mahdollisuus - mielivaltaisten pikselien analysointi, tallennusnopeuden lisääminen. Kaikkea tietoa ei tarvitse lukea kerralla, kuten CCD-kamerassa. Parantaa manuaalisen tarkennuksen laatua;
  • Käytetään minivideokameroissa.

Vikoja

Tämän tyyppistä elementtiä valittaessa kannattaa ottaa huomioon CMOS-tekniikan rajoitukset:
  • Laitteen lisääntynyt lämmitys, lisääntynyt melu;
  • Matriisin heikko valoherkkyys vanhemmissa kameramalleissa. Nyt tilanne on osittain korjattu johtuen uudesta laitelinjasta, jossa on Exmor-teknologiaa lisäämällä pikseliherkkyyttä;
  • Kaareva kuva nopeasti liikkuvista kohteista. Rullasuljin efekti.
Ajan myötä tekniikka paranee, ja ero näillä alueilla CCD-matriiseista pienenee.

CMOS-matriisien käyttöalue

CMOS-elementtejä käytetään luotettavuutensa, halpojensa ja joustavan konfigurointinsa ansiosta laajalti useilla elämämme alueilla. Ensinnäkin valokuvauksessa puhelimet ja kamerat on varustettu juuri näillä matriiseilla, jotka täyttävät käyttäjän tarpeet. Toinen sija – videovalvonta:
  • Suojeltaessa asuntoja;
  • Lentokentän valvonta;
  • Rakennustyömaan valvonta;
  • Toimistossa;
  • ostoskeskuksessa;
  • Varastossa;
  • Muille kohteille, joissa on erilaiset käyttöolosuhteet.

Matriiseja löytyy tieltä (tienkäyttäjien käyttäytymisen seuranta), tieteestä, lääketieteestä ja teollisuudesta.

CCD on varaukseen kytketty laite. Tämän tyyppistä matriisia pidettiin alun perin laadukkaampana, mutta myös kalliimpana ja energiaa kuluttavana. Jos kuvittelet CCD-matriisin toimintaperiaatteen pähkinänkuoressa, ne keräävät koko kuvan analogiseen versioon ja vasta sitten digitoivat sen.

Toisin kuin CCD-matriisit, CMOS-matriisit (komplementaarinen metallioksidi-puolijohde, täydentävä logiikka metallioksidi-puolijohdetransistoreilla, CMOS) digitoivat jokaisen pikselin paikoilleen. CMOS-matriisit olivat aluksi vähemmän virtaa kuluttavia ja halvempia, etenkin suurten matriisien tuotannossa, mutta ne olivat laadultaan huonompia kuin CCD-matriisit.

CCD-matriisien etuja ovat:

  • Matala melutaso.
  • Korkea pikselitäyttökerroin (noin 100 %).
  • Korkea hyötysuhde (rekisteröityjen fotonien lukumäärän suhde matriisin valoherkälle alueelle sattuneiden kokonaislukumäärään, CCD:lle - 95%).
  • Korkea dynaaminen alue (herkkyys).

CCD-matriisien haittoja ovat:

  • Signaalin lukemisen periaate ja siten tekniikka on monimutkainen.
  • Korkea energiankulutus (jopa 2-5W).
  • Kalliimpi valmistaa.

CMOS-matriisien edut:

  • Korkea suorituskyky (jopa 500 fps).
  • Alhainen virrankulutus (lähes 100 kertaa CCD:hen verrattuna).
  • Halvempi ja helpompi valmistaa.
  • Tekniikan mahdollisuudet (samalle sirulle periaatteessa ei maksa mitään toteuttaa kaikki tarvittavat lisäpiirit: analogia-digitaalimuuntimet, prosessori, muisti, jolloin saadaan kokonainen digikamera yhdelle sirulle. Muuten, tällaisen laitteen luominen on toteutettu yhdessä vuodesta 2002 lähtien Samsung Electronics ja Mitsubishi Electric).

CMOS-matriisien haittoja ovat mm

  • Matala pikselitäyttökerroin, mikä vähentää herkkyyttä (tehollinen pikselin pinta ~75 %, loput ovat transistoreiden varassa).
  • Korkea melutaso (se johtuu ns. tempovirroista - jopa valaistuksen puuttuessa valodiodin läpi kulkee melko merkittävä virta), jonka torjuminen vaikeuttaa ja lisää tekniikan kustannuksia.
  • Matala dynaaminen alue.

Johdatus kuvasensoreihin

Kun kuva otetaan videokameran linssillä, valo kulkee linssin läpi ja osuu kuvakennoon. Kuvasensori eli matriisi koostuu monista elementeistä, joita kutsutaan myös pikseleiksi ja jotka tallentavat niihin tulevan valon määrän. Pikselit muuttavat tuloksena olevan valomäärän vastaavaksi määräksi elektroneja. Mitä enemmän valoa osuu pikseliin, sitä enemmän elektroneja se tuottaa. Elektronit muunnetaan jännitteeksi ja sitten luvuiksi ADC (Analog to Digital Converter) -arvojen mukaisesti. Tällaisista luvuista muodostuva signaali käsitellään videokameran sisällä olevilla elektronisilla piireillä.

Tällä hetkellä on olemassa kaksi päätekniikkaa, joita voidaan käyttää kuvakennon luomiseen kameraan, nämä ovat CCD (Charge-Coupled Device) ja CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). Niiden ominaisuuksia, etuja ja haittoja käsitellään tässä artikkelissa. Alla olevassa kuvassa on CCD (ylhäällä) ja CMOS (ala) kuvakenno.

Värisuodatus. Kuten edellä on kuvattu, kuvaanturit tallentavat niihin tulevan valon määrän vaaleasta tummaan, mutta ilman väritietoja. Koska CMOS- ja CCD-kuvakennot ovat "värisokeita", kunkin anturin eteen sijoitetaan suodatin, joka määrittää värisävyn jokaiselle anturin pikselille. Kaksi tärkeintä värien rekisteröintimenetelmää ovat RGB (Red-Greed-Blue) ja CMYG (Syaani-Magenta-Yellow-Green). Punainen, vihreä ja sininen ovat päävärejä, joiden eri yhdistelmät voivat muodostaa suurimman osan ihmissilmän havaitsemista väreistä.

Bayer-suodatin (tai Bayer-taulukko), joka koostuu vuorottelevista puna-vihreistä ja sinivihreistä suodattimista, on yleisin RGB-värisuodatin (katso kuva 2). Bayer-suodatin sisältää kaksi kertaa enemmän vihreitä "soluja", koska Ihmissilmä on herkempi vihreälle kuin punaiselle tai siniselle. Tämä tarkoittaa myös sitä, että tällä suodattimen värisuhteella ihmissilmä näkee enemmän yksityiskohtia kuin jos suodattimessa käytettäisiin kolmea väriä yhtä suuressa suhteessa.

Toinen tapa suodattaa (tai rekisteröidä) väriä on käyttää täydentäviä värejä syaani, magenta ja keltainen. Täydentävä värisuodatin yhdistetään yleensä vihreään värisuodattimeen CMYG-värimatriisin muodossa, kuten kuvassa 2 (oikealla). CMYG-värisuodatin tarjoaa yleensä korkeamman pikselisignaalin, koska... sillä on laajempi spektrikaistanleveys. Signaali on kuitenkin muutettava RGB:ksi käytettäväksi lopullisessa kuvassa, mikä edellyttää lisäkäsittelyä ja kohinaa. Tämän seurauksena signaali-kohinasuhde heikkenee, minkä vuoksi CMYG-järjestelmät eivät yleensä ole yhtä hyviä värien toistossa.

CMYG-värisuodatinta käytetään tyypillisesti lomitetuissa skannauskuvaantureissa, kun taas RGB-järjestelmiä käytetään pääasiassa progressiivisessa skannauskuvaantureissa.

Valoherkkä matriisi on kameran tärkein elementti. Hän muuttaa hänelle linssin kautta tulevan valon sähköisiksi signaaleiksi. Matriisi koostuu pikseleistä - yksittäisistä valoherkistä elementeistä. Nykyaikaisilla matriiseilla valoherkkien elementtien kokonaismäärä saavuttaa 10 miljoonaa amatöörilaitteissa ja 17 miljoonaa ammattimaisissa laitteissa. N megapikselin matriisi sisältää N miljoonaa pikseliä. Mitä enemmän pikseleitä matriisissa on, sitä yksityiskohtaisempi kuva on.

Jokainen valoherkkä elementti on kondensaattori, joka latautuu altistuessaan valolle. Kondensaattori latautuu sitä voimakkaammin, mitä kirkkaampi siihen osuu tai mitä pidempään se altistuu valolle. Ongelmana on, että kondensaattorin varaus voi muuttua paitsi valon vaikutuksesta, myös matriisimateriaalissa olevien elektronien lämpöliikkeestä. Jotkut pikselit vastaanottavat enemmän lämpöelektroneja, kun taas toiset vastaanottavat vähemmän. Tuloksena on digitaalinen kohina. Jos otat kuvan esimerkiksi sinisestä taivaasta, kuvassa saattaa näyttää siltä, ​​että se koostuu hieman erivärisistä pikseleistä, ja suljetulla linssillä otettu kuva koostuu muustakin kuin mustista pisteistä. Mitä pienempi geometrinen koko matriisin samalla määrällä megapikseliä, mitä suurempi sen kohina on, sitä huonompi kuvanlaatu.

Pienissä digitaalisissa laitteissa matriisin koko ilmoitetaan yleensä murto-osana ja mitataan tuumina. Mielenkiintoista on, että jos yrität laskea tämän murto-osan ja muuntaa sen tuumista millimetreiksi, tuloksena oleva arvo ei ole sama kuin matriisin todelliset mitat. Tämä ristiriita syntyi historiallisesti, kun television lähetyslaitteen (vidicon) koko ilmoitettiin samalla tavalla. Digitaalisissa SLR-kameroissa matriisin koko ilmoitetaan joko suoraan millimetreinä tai rajauskertoimena - luku, joka osoittaa, kuinka monta kertaa tämä koko on pienempi kuin tavallisen 24x36 mm:n filmin kehys.

Toinen tärkeä matriisien ominaisuus on, että N megapikselin matriisi sisältää itse asiassa N megapikseliä, ja lisäksi tästä matriisista tuleva kuva koostuu myös N megapikselistä. Sanot, mitä outoa tässä on? Mutta outoa on, että kuvassa jokainen pikseli koostuu kolmesta väristä, punaisesta, vihreästä ja sinisestä. Vaikuttaa siltä, ​​​​että matriisissa jokaisen pikselin tulisi koostua kolmesta valoherkästä elementistä, vastaavasti punaisesta, vihreästä ja sinisestä. Todellisuudessa näin ei kuitenkaan ole. Jokainen pikseli koostuu vain yhdestä elementistä. Mistä väri sitten tulee? Itse asiassa jokaiseen pikseliin lisätään valosuodatin siten, että jokainen pikseli havaitsee vain yhden väristä. Suodattimet vuorottelevat - ensimmäinen pikseli havaitsee vain punaisen, toinen - vain vihreän, kolmas - vain sinisen. Kun tiedot on luettu matriisista, kunkin pikselin väri lasketaan tämän pikselin ja sen naapureiden värien perusteella. Tietenkin tämä menetelmä vääristää kuvaa jonkin verran, mutta värilaskenta-algoritmi on suunniteltu siten, että pienten yksityiskohtien väri voi vääristyä, mutta ei niiden kirkkautta. Ja kuvaa katsovalle ihmissilmälle näiden yksityiskohtien kirkkaus on tärkeämpää kuin väri, joten nämä vääristymät ovat melkein näkymättömiä. Tätä rakennetta kutsutaan Bayer-kuvioksi, joka on nimetty tämän suodatinrakenteen patentoineen Kodak-insinöörin mukaan.

Useimmissa nykyaikaisissa digitaalikameroissa käytetyissä valoherkissä matriiseissa on kaksi tai kolme toimintatilaa. Päätilaa käytetään valokuvaamiseen, ja sen avulla voit lukea matriisista suurimman resoluution kuvan. Tämä tila edellyttää, että matriisia ei syty kehyksen lukemisen aikana, mikä puolestaan ​​edellyttää mekaanisen sulkimen läsnäoloa. Toinen nopea tila mahdollistaa koko kuvan lukemisen matriisista 30 kertaa sekunnissa, mutta pienemmällä resoluutiolla. Tämä tila ei vaadi mekaanista suljinta, ja sitä käytetään esikatseluun ja videokuvaukseen. Kolmannen tilan avulla voit lukea kuvan kaksi kertaa nopeammin, mutta ei koko matriisin alueelta. Tätä tilaa käytetään automaattitarkennukseen. SLR-digitaalikameroissa käytetyissä matriiseissa ei ole nopeita tiloja.

Mutta kaikkia valoherkkiä matriiseja ei ole suunniteltu tällä tavalla. Sigma-yhtiö valmistaa Foveon-matriiseja, joissa jokainen pikseli koostuu itse asiassa kolmesta valoherkästä elementistä. Näissä matriiseissa on huomattavasti vähemmän megapikseleitä kuin kilpailijoissaan, mutta kuvanlaatu näistä matriiseista ei käytännössä ole huonompi kuin monimegapikselisten kilpailijoiden.

Fujin SuperCCD-matriiseilla on toinen mielenkiintoinen ominaisuus. Näiden matriisien pikselit ovat muodoltaan kuusikulmaisia ​​ja ne on järjestetty hunajakennoiksi. Toisaalta tässä tapauksessa herkkyys kasvaa suuremman pikselialueen takia, ja toisaalta erityisen interpolointialgoritmin avulla saadaan parempi kuvan yksityiskohta.

Tässä tapauksessa interpoloinnin avulla voit todella parantaa kuvan yksityiskohtia, toisin kuin muiden valmistajien laitteet, joissa interpoloidaan kuva matriisista tavanomaisella pikselijärjestelyllä. Olennainen ero näiden matriisien välillä on, että pikselien välinen etäisyys on puolet niin suuri kuin itse pikselit. Tämän avulla voit lisätä kuvan yksityiskohtia pysty- ja vaakasuoria viivoja pitkin. Samaan aikaan tavanomaisissa matriiseissa on parempi diagonaalinen yksityiskohta, mutta todellisissa valokuvissa on yleensä vähemmän diagonaaliviivoja kuin pysty- tai vaakasuuntaisissa.

Interpolointi– algoritmi puuttuvien arvojen laskemiseen viereisistä arvoista. Jos tiedämme, että kello 8 lämpötila ulkona oli +16 astetta ja kello 10 nousi +20:een, emme erehdy paljon, jos oletamme, että lämpötila oli klo 9 noin +18.

CCD-sensorissa sensoripikseliin kohdistuva valo (varaus) välittyy sirulta yhden lähtösolmun kautta tai vain muutaman lähtösolmun kautta. Varaukset muunnetaan jännitetasolle, kerätään ja lähetetään analogisena signaalina. Tämän jälkeen signaali summataan ja muunnetaan luvuiksi analogia-digitaalimuuntimella anturin ulkopuolella (katso kuva 3).

CCD-tekniikka keksittiin erityisesti käytettäväksi videokameroissa, ja CCD-anturit ovat olleet käytössä 30 vuotta. Perinteisesti CCD-antureilla on useita etuja CMOS-antureihin verrattuna, nimittäin parempi valoherkkyys ja alhainen kohina. Viime aikoina eroja ei kuitenkaan ole juuri havaittavissa.

CCD-antureiden haittapuolena on, että ne ovat analogisia komponentteja, jotka vaativat enemmän elektroniikkaa "lähellä" anturin, ne ovat kalliimpia valmistaa ja voivat kuluttaa jopa 100 kertaa enemmän tehoa kuin CMOS-anturit. Lisääntynyt virrankulutus voi myös johtaa korkeampiin lämpötiloihin itse kamerassa, mikä ei vain vaikuta negatiivisesti kuvanlaatuun ja lisää lopputuotteen kustannuksia, vaan myös ympäristövaikutuksia.

CCD-anturit vaativat myös suurempia tiedonsiirtonopeuksia, koska... kaikki data kulkee vain yhden tai useamman lähtövahvistimen läpi. Vertaa kuvia 4 ja 6, jotka esittävät levyjä, joissa on CCD-anturi ja CMOS-anturi, vastaavasti.

Varhaisessa vaiheessa näyttöön käytettiin perinteisiä CMOS-siruja, mutta kuvanlaatu oli huono CMOS-elementtien heikon valoherkkyyden vuoksi. Nykyaikaiset CMOS-anturit valmistetaan erikoistuneemmalla tekniikalla, mikä on johtanut nopeaan kuvanlaadun ja valoherkkyyden kasvuun viime vuosina.

CMOS-siruilla on useita etuja. Toisin kuin CCD-anturit, CMOS-anturit sisältävät vahvistimia ja analogia-digitaalimuuntimia, mikä vähentää merkittävästi lopputuotteen kustannuksia, koska se sisältää jo kaikki kuvan saamiseksi tarvittavat elementit. Jokainen CMOS-pikseli sisältää elektronisia muuntimia. Verrattuna CCD-antureihin, CMOS-antureissa on enemmän toimintoja ja paremmat integrointimahdollisuudet. Muita etuja ovat nopeampi lukeminen, pienempi virrankulutus, korkea melunsieto ja pienempi järjestelmäkoko.

Elektronisten piirien käyttö sirun sisällä aiheuttaa kuitenkin jäsentyneemmän kohinan, kuten juovien, riskin. CMOS-antureiden kalibrointi tuotannon aikana on myös monimutkaisempaa kuin CCD-antureilla. Onneksi nykyaikainen tekniikka mahdollistaa itsekalibroivien CMOS-anturien tuotannon.

CMOS-antureissa on mahdollista lukea kuva yksittäisistä pikseleistä, mikä mahdollistaa kuvan ”ikkunoinnin”, ts. ei lue koko anturin lukemia, vaan vain tietyn alueen lukemia. Siten on mahdollista saada suurempi kuvataajuus anturin osasta myöhempää digitaalista PTZ-käsittelyä (englanniksi pan/tilt/zoom, pan/tilt/zoom) varten. Lisäksi tämä mahdollistaa useiden videovirtojen siirtämisen yhdestä CMOS-kennosta simuloiden useita "virtuaalikameroita"

HDTV ja megapikselikameroita

Megapikselisensorit ja teräväpiirtotelevisio mahdollistavat digitaalisten IP-kameroiden paremman kuvan resoluution kuin analogiset CCTV-kamerat, ts. ne tarjoavat paremman kyvyn erottaa yksityiskohtia ja tunnistaa ihmisiä ja esineitä - avaintekijä videovalvonnassa. Megapikselin IP-kameran resoluutio on vähintään kaksinkertainen analogiseen CCTV-kameraan verrattuna. Megapikselin anturit ovat avainasemassa teräväpiirtotelevisiossa, megapikselissä ja monen megapikselin kameroissa. Ja sitä voidaan käyttää erittäin korkean kuvan yksityiskohtien ja monivirtavideon tuottamiseen.

Megapikselin CMOS-anturit ovat yleisemmin käytettyjä ja paljon halvempia kuin megapikselin CCD-anturit, vaikka on myös melko kalliita CMOS-antureita.

Nopeaa megapikselistä CCD-kennoa on vaikea valmistaa, mikä on tietysti haitta, ja siksi monimegapikselisen kameran valmistaminen CCD-tekniikalla on vaikeaa.

Useimmat megapikselikameroiden anturit ovat kooltaan yleensä samanlaisia ​​kuin VGA-anturit, joiden resoluutio on 640 x 480 pikseliä. Megapikselisensorissa on kuitenkin enemmän pikseleitä kuin VGA-anturissa, joten megapikselisensorin jokaisen pikselin koko on pienempi kuin VGA-sensorin pikselin koko. Tämän seurauksena megapikselisensorin jokainen pikseli on vähemmän herkkä valolle.

Tavalla tai toisella kehitys ei pysähdy. Megapikselisensorit kehittyvät nopeasti, ja niiden valoherkkyys kasvaa jatkuvasti.

Tärkeimmät erot CMOS:n ja CCD:n välillä

CMOS-anturit sisältävät vahvistimia, A/D-muuntimia ja usein lisäprosessointisiruja, kun taas CCD-kamerassa suurin osa signaalinkäsittelystä tapahtuu anturin ulkopuolella. CMOS-anturit kuluttavat vähemmän virtaa kuin CCD-anturit, mikä tarkoittaa, että kamera voidaan pitää sisällä alhaisemmassa lämpötilassa. CCD-antureiden kohonnut lämpötila voi lisätä häiriöitä. Toisaalta CMOS-anturit voivat kärsiä rakenteellisesta kohinasta (kaistat jne.).

CMOS-anturit tukevat kuvan ikkunointia ja multi-stream-videota, mikä ei ole mahdollista CCD-antureilla. CCD-antureissa on yleensä yksi A/D-muunnin, kun taas CMOS-antureissa jokaisella pikselillä on yksi. CMOS-antureiden nopeampi lukeminen mahdollistaa niiden käytön usean megapikselin kameroiden valmistuksessa.

Nykyaikainen teknologinen kehitys poistaa eron valoherkkyydessä CCD- ja CMOS-kennoilta.

Johtopäätös

CCD- ja CMOS-antureilla on erilaisia ​​etuja ja haittoja, mutta tekniikka kehittyy nopeasti ja tilanne muuttuu jatkuvasti. Kysymys siitä, valitaanko kamera CCD-kennolla vai CMOS-kennolla, on merkityksetön. Tämä valinta riippuu vain asiakkaan vaatimuksista videovalvontajärjestelmän kuvanlaadulle.

Kuten tiedät, kamerat on jaettu kahteen suureen luokkaan - analogiseen ja digitaaliseen - perustuen valoherkkään pintaan, joka ottaa kuvan. Analogisessa kamerassa tämä pinta oli valokuvafilmi - yksinkertainen asia, jolla oli tietty valoherkkyys, tietty määrä kertakäyttöisiä kehyksiä, joista kemiallisen käsittelyn jälkeen oli mahdollista saada kuvan jälki paperille.

Digikameroissa tämän perustavanlaatuisen roolin ottaa matriisi. Matriisi— laite, jonka päätehtävä on digitoida tietyt sen pinnalle putoavan valon parametrit. Tämä prosessi esitetään yksityiskohtaisesti ja selkeästi erinomaisessa Discoveryn videossa artikkelissamme "", jos et ole vielä katsonut sitä, muista tehdä se!

On olemassa kaksi pääasiallista, suosituinta ja samalla kilpailevaa matriisiteknologiaa - nämä ovat CCD Ja CMOS. Selvitetään tänään mitä ero välillä CCD Ja CMOS matriiseja?

Yritämme ymmärtää niiden erot sukeltamatta fysiikan yksityiskohtiin, jotta saisimme käsityksen paitsi kameran toiminnasta, myös siitä, mikä matriisi kamerassasi on tällä hetkellä. Luulen, että tämä riittää aloittelevalle valokuvaajalle, mutta yksityiskohdista kiinnostuneet voivat kaivaa itsekin pidemmälle.

CCD-matriisi, lähde: Wikipedia

Niin, CCD- Tämä latauskytketty laite (CCD - laite palautelatauksella). Tämän tyyppistä matriisia pidettiin alun perin laadukkaampana, mutta myös kalliimpana ja energiaa kuluttavana. Jos kuvittelet CCD-matriisin toimintaperiaatteen pähkinänkuoressa, ne keräävät koko kuvan analogiseen versioon ja vasta sitten digitoivat sen.

Toisin kuin CCD-matriiseja, CMOS matriisi (komplementaarinen metallioksidi-puolijohde, täydentävä logiikka metallioksidi-puolijohdetransistoreilla, CMOS), digitoi jokainen pikseli paikan päällä. CMOS-matriisit olivat aluksi vähemmän virtaa kuluttavia ja halvempia, etenkin suurten matriisien tuotannossa, mutta ne olivat laadultaan huonompia kuin CCD-matriisit.

CMOS-anturi, lähde: Wikipedia

CCD-matriiseilla on parempi kuvanlaatu, ja ne ovat edelleen suosittuja lääketieteen, teollisuuden ja tieteen aloilla, joilla kuvanlaatu on kriittinen. Viime aikoina CCD-matriisit ovat vähentäneet energiankulutusta ja kustannuksia, ja CMOS-matriisit ovat parantaneet kuvanlaatua merkittävästi, varsinkin CMOS-antureiden tuotannon teknologisen vallankumouksen jälkeen, kun Active Pixel Sensors (APS) -teknologiaa käyttämällä kuhunkin lisättiin transistorivahvistin. pikselin lukemista varten, mikä mahdollisti latauksen muuntamisen jännitteeksi heti pikselin kohdalla. Tämä tarjosi läpimurron CMOS-teknologialle vuoteen 2008 mennessä, ja siitä oli tullut käytännössä vaihtoehto CCD-matriiseille. Lisäksi CMOS-tekniikka mahdollisti videokuvauksen ja tämän toiminnon käyttöönoton nykyaikaisissa kameroissa, ja useimmat nykyaikaiset digitaalikamerat on varustettu CMOS-matriiseilla.

Kirjoitimme matriiseista videokameran valinnassa perheelle. Siellä käsittelimme tätä asiaa helposti, mutta tänään yritämme kuvata molempia tekniikoita yksityiskohtaisemmin.

Mikä on videokameran matriisi? Tämä on mikropiiri, joka muuntaa valosignaalin sähkösignaaliksi. Nykyään on olemassa 2 tekniikkaa, eli 2 matriisityyppiä – CCD (CCD) ja CMOS (CMOS). Ne eroavat toisistaan, jokaisella on omat hyvät ja huonot puolensa. On mahdotonta sanoa varmasti, kumpi on parempi ja kumpi huonompi. Ne kehittyvät rinnakkain. Emme mene teknisiin yksityiskohtiin, koska... ne ovat äärimmäisen käsittämättömiä, mutta yleisesti ottaen määrittelemme niiden tärkeimmät edut ja haitat.

CMOS-tekniikka (CMOS)

CMOS matriisit Ensinnäkin he ylpeilevät alhaisella virrankulutuksella, mikä on plussaa. Tällä tekniikalla varustettu videokamera toimii hieman pidempään (akun kapasiteetista riippuen). Mutta nämä ovat pieniä asioita.

Suurin ero ja etu on solujen satunnainen lukeminen (CCD:ssä lukeminen suoritetaan samanaikaisesti), mikä eliminoi kuvan tahriintumisen. Oletko koskaan nähnyt "pystysuoraa valopilaria" pistemäisistä kirkkaista esineistä? Joten CMOS-matriisit sulkevat pois mahdollisuuden niiden esiintymiseen. Ja niihin perustuvat kamerat ovat halvempia.

On myös haittoja. Ensimmäinen niistä on valoherkän elementin pieni koko (suhteessa pikselikokoon). Täällä suurin osa pikselialueesta on elektroniikan käytössä, joten valoherkän elementin pinta-ala pienenee. Tämän seurauksena matriisin herkkyys pienenee.

Koska Koska pikselille suoritetaan elektronista käsittelyä, kohinan määrä kuvassa kasvaa. Tämä on myös haittapuoli, kuten myös lyhyt skannausaika. Tästä johtuen syntyy "rullallinen suljin" -efekti: kun käyttäjä liikkuu, kehyksessä oleva kohde voi vääristyä.

CCD-tekniikkaa

CCD-matriiseilla varustettujen videokameroiden avulla voit saada korkealaatuisia kuvia. Visuaalisesti CCD-pohjaisella videokameralla kuvatussa videossa on helppo havaita vähemmän kohinaa verrattuna CMOS-kameralla kuvattuun videoon. Tämä on ensimmäinen ja tärkein etu. Ja vielä yksi asia: CCD-matriisien tehokkuus on yksinkertaisesti hämmästyttävä: täyttökerroin lähestyy 100%, rekisteröityjen fotonien suhde on 95%. Otetaan tavallinen ihmissilmä - tässä suhde on noin 1%.


Korkea hinta ja korkea energiankulutus ovat näiden matriisien haittoja. Asia on, että tallennusprosessi täällä on uskomattoman vaikeaa. Kuvanotto tapahtuu monien lisämekanismien ansiosta, joita ei löydy CMOS-matriiseista, minkä vuoksi CCD-tekniikka on huomattavasti kalliimpaa.

CCD-matriiseja käytetään laitteissa, jotka vaativat värejä ja korkealaatuisia kuvia ja joita voidaan käyttää dynaamisten kohtausten kuvaamiseen. Nämä ovat enimmäkseen ammattivideokameroita, vaikka niitä on myös kotitalouksille. Nämä ovat myös valvontajärjestelmiä, digikameroita jne.

CMOS-matriiseja käytetään siellä, missä kuvanlaadulle ei ole erityisen suuria vaatimuksia: liiketunnistimia, edullisia älypuhelimia... Näin oli kuitenkin ennenkin. Nykyaikaisissa CMOS-matriiseissa on erilaisia ​​muunnelmia, mikä tekee niistä erittäin laadukkaita ja kelvollisia kilpailemaan CCD-matriisien kanssa.

Nyt on vaikea arvioida, mikä tekniikka on parempi, koska molemmat osoittavat erinomaisia ​​tuloksia. Siksi matriisin tyypin asettaminen ainoaksi valintakriteeriksi on vähintäänkin typerää. On tärkeää ottaa huomioon monet ominaisuudet.


Ole hyvä ja arvioi artikkeli: