Wat is een cmos-camera? Verschil tussen CCD- en CMOS-matrices. Toepassingsgebied van CMOS-matrices
De matrix vormt de basis van elk foto- of videoapparaat. Het bepaalt de kwaliteit en grootte van de resulterende afbeelding. Tegenwoordig worden twee verschillende technologische principes gebruikt bij de vervaardiging van matrices: CCD en CMOS. Vaak hoor je de vraag: “Welke matrix moet je kiezen: CCD of CMOS?” Daarover bestaan verhitte debatten onder liefhebbers van foto- en videoapparatuur. In dit artikel zullen we deze twee typen bespreken en proberen erachter te komen welke matrix beter is: CCD of CMOS.
algemene informatie
De matrices zijn ontworpen om de parameters van lichtstralen op hun oppervlak te digitaliseren. Het is niet mogelijk om te praten over een duidelijk voordeel van een van de technologieën. U kunt vergelijkingen maken op basis van specifieke parameters en een leider op een of ander aspect identificeren. Wat gebruikersvoorkeuren betreft, zijn de kosten van het product vaak het belangrijkste criterium, zelfs als het qua kwaliteit of technische kenmerken inferieur is aan de concurrent.
Laten we dus begrijpen wat beide soorten apparaten zijn. Een CCD-matrix is een microschakeling die bestaat uit lichtgevoelige fotodiodes; het is gemaakt op siliciumbasis. De eigenaardigheid van de werking ervan ligt in het principe van de werking van een ladingsgekoppeld apparaat. Een CMOS-matrix is een apparaat dat is gemaakt op basis van halfgeleiders met een geïsoleerde poort met kanalen met verschillende geleidbaarheid.
Werkingsprincipe
Laten we verder gaan met het identificeren van de verschillen die u zullen helpen bij het maken van uw keuze: wat is beter: een CMOS- of CCD-matrix? Het belangrijkste verschil tussen deze twee technologieën is het principe van hun werking. CCD-apparaten zetten de lading van de pixels om in een elektrische potentiaal, die buiten de lichtsensoren wordt versterkt. Het resultaat is een analoog beeld. Hierna wordt het gehele beeld gedigitaliseerd in de ADC. Dat wil zeggen, het apparaat bestaat uit twee delen: de matrix zelf en de converter. CMOS-technologie wordt gekenmerkt door het feit dat elke pixel afzonderlijk wordt gedigitaliseerd. De uitvoer is een voltooid digitaal beeld. Dat wil zeggen dat de elektrische lading in de matrixpixel zich ophoopt in een condensator, waaruit de elektrische potentiaal wordt verwijderd. Het wordt verzonden naar een analoge versterker (direct in de pixel ingebouwd), waarna het in een converter wordt gedigitaliseerd.
Wat te kiezen: CCD of CMOS?
Eén van de belangrijke parameters die de keuze tussen deze technologieën bepalen, is het aantal matrixversterkers. CMOS-apparaten hebben een groter aantal van deze apparaten (op elk punt), dus naarmate het signaal erdoorheen gaat, neemt de beeldkwaliteit iets af. Daarom worden CCD-matrices gebruikt om beelden met een hoge mate van detail te creëren, bijvoorbeeld voor medische, onderzoeks- en industriële doeleinden. Maar CMOS-technologieën worden vooral gebruikt in huishoudelijke apparaten: webcams, smartphones, tablets, laptops, enz.
De volgende parameter die bepaalt welk type beter is – CCD of CMOS – is de dichtheid van de fotodiodes. Hoe hoger het is, hoe minder fotonen worden verspild, en dienovereenkomstig zal het beeld beter zijn. In deze parameter lopen CCD-matrices voor op hun concurrenten, omdat ze een lay-out bieden die dergelijke gaten niet kent, terwijl CMOS ze wel heeft (er zitten transistors in).
Wanneer de gebruiker echter voor de keuze staat: welke - CMOS of CCD - hij moet kopen, komt de belangrijkste parameter naar voren: de prijs van het apparaat. CCD-technologie is veel duurder dan zijn concurrent en verbruikt meer energie. Daarom is het niet raadzaam om ze te installeren op plaatsen waar een gemiddelde beeldkwaliteit voldoende is.
Moderne videocamera's maken actief gebruik van 2 soorten matrices: CMOS en CCD. CMOS-sensor (CMOS) gebouwd op basis van de CMOS-technologie, die de naam aan dit product gaf (complementaire metaaloxide-halfgeleider, complementaire metaaloxide-halfgeleiderstructuur). Als bij camera's in het middenprijssegment beide opties in ongeveer gelijke verhoudingen worden gebruikt, dan komt bij budgetvideosystemen CMOS vaker voor.
Het werkingsprincipe van de technologie is als volgt:
- Er wordt een resetsignaal gegeven;
- Diodes accumuleren lading tijdens blootstelling;
- De parameters worden gelezen.
Belangrijkste voordelen
Belangrijkste redenen om te kiezen CMOS (CMOS)-matrices:- Lage kosten vergeleken met CCD-analogen. Naarmate de maten groter worden, blijft het kostenverschil groeien;
- Laag energieverbruik. Een belangrijke factor wanneer de camera op een batterij werkt, een verouderd elektrisch netwerk van de faciliteit of een aanzienlijk aantal aangesloten apparaten;
- Mogelijkheid tot bijgesneden lezing - analyse van willekeurige pixels, verhoging van de opnamesnelheid. Het is niet nodig om alle informatie in één keer te lezen, zoals bij een CCD-camera. Verbetert de kwaliteit van handmatige scherpstelling;
- Gebruikt in miniatuurvideocamera's.
Gebreken
Bij het kiezen van dit type element is het de moeite waard om rekening te houden met de beperkingen van CMOS-technologie:- Verhoogde verwarming van het apparaat, meer geluid;
- Lage lichtgevoeligheid van de matrix op oudere cameramodellen. Nu is de situatie gedeeltelijk gecorrigeerd dankzij een nieuwe lijn apparatuur met Exmor-technologie met een verhoogde pixelgevoeligheid;
- Gebogen beeld van snel bewegende objecten. Rolluikeffect.
Toepassingsgebied van CMOS-matrices
Vanwege hun betrouwbaarheid, lage kosten en flexibele configuratie worden CMOS-elementen op grote schaal gebruikt in verschillende gebieden van ons leven. Allereerst zijn telefoons en camera's in de fotografie uitgerust met precies deze matrices, die voldoen aan de behoeften van de gebruiker. Tweede plaats - videobewaking:- Bij het beveiligen van appartementen;
- Luchthavenbewaking;
- Controle op de bouwplaats;
- Op kantoor;
- In het winkelcentrum;
- Op voorraad;
- Voor andere objecten met verschillende bedrijfsomstandigheden.
Matrices zijn te vinden in de weg (het monitoren van het gedrag van weggebruikers), de wetenschap, de geneeskunde en de industrie.
CCD is een ladingsgekoppeld apparaat. Dit type matrix werd aanvankelijk beschouwd als kwalitatief beter, maar ook duurder en energieverbruiker. Als je je het basisprincipe van de werking van een CCD-matrix in een notendop voorstelt, dan verzamelen ze het hele beeld in een analoge versie en digitaliseren het dan pas.
In tegenstelling tot CCD-matrices digitaliseren CMOS-matrices (complementaire metaaloxide-halfgeleider, complementaire logica op metaaloxide-halfgeleidertransistors, CMOS) elke pixel op zijn plaats. CMOS-matrices waren aanvankelijk minder stroomverbruikend en goedkoper, vooral bij de productie van grote matrices, maar waren qua kwaliteit inferieur aan CCD-matrices.
De voordelen van CCD-matrices zijn onder meer:
- Laag geluidsniveau.
- Hoge pixelvulfactor (ongeveer 100%).
- Hoog rendement (de verhouding van het aantal geregistreerde fotonen tot hun totale aantal invallen op het lichtgevoelige gebied van de matrix, voor CCD - 95%).
- Hoog dynamisch bereik (gevoeligheid).
De nadelen van CCD-matrices zijn onder meer:
- Het principe van signaallezen, en dus de technologie, is complex.
- Hoog energieverbruik (tot 2-5W).
- Duurder om te produceren.
Voordelen van CMOS-matrices:
- Hoge prestaties (tot 500 fps).
- Laag stroomverbruik (bijna 100 keer vergeleken met CCD).
- Goedkoper en makkelijker te produceren.
- De vooruitzichten van de technologie (op dezelfde chip kost het in principe niets om alle noodzakelijke extra circuits te implementeren: analoog-naar-digitaal converters, processor, geheugen, waardoor een complete digitale camera op één chip wordt verkregen. Trouwens, de creatie van een dergelijk apparaat wordt sinds 2002 gezamenlijk uitgevoerd door Samsung Electronics en Mitsubishi Electric).
De nadelen van CMOS-matrices zijn onder meer:
- Lage pixelvulfactor, die de gevoeligheid vermindert (effectief pixeloppervlak ~75%, de rest wordt ingenomen door transistors).
- Een hoog geluidsniveau (het wordt veroorzaakt door de zogenaamde tempostromen - zelfs bij afwezigheid van verlichting stroomt er een vrij aanzienlijke stroom door de fotodiode), waarvan de strijd de kosten van de technologie ingewikkelder maakt en verhoogt.
- Laag dynamisch bereik.
Inleiding tot beeldsensoren
Wanneer een beeld wordt vastgelegd door een videocameralens, gaat het licht door de lens en valt op de beeldsensor. De beeldsensor, of matrix, bestaat uit veel elementen, ook wel pixels genoemd, die registreren hoeveel licht erop valt. De pixels zetten de resulterende hoeveelheid licht om in het overeenkomstige aantal elektronen. Hoe meer licht een pixel raakt, hoe meer elektronen deze zal genereren. De elektronen worden omgezet in spanning en vervolgens omgezet in getallen volgens de ADC-waarden (Analog to Digital Converter). Het signaal dat uit dergelijke getallen bestaat, wordt verwerkt door elektronische circuits in de videocamera.
Momenteel zijn er twee belangrijke technologieën die kunnen worden gebruikt om een beeldsensor in een camera te creëren, dit zijn CCD (Charge-Coupled Device) en CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor). Hun kenmerken, voor- en nadelen worden in dit artikel besproken. De onderstaande afbeelding toont CCD- (boven) en CMOS-beeldsensoren (onder).
Kleurfiltering. Zoals hierboven beschreven registreren beeldsensoren de hoeveelheid licht die erop valt, van licht naar donker, maar zonder kleurinformatie. Omdat CMOS- en CCD-beeldsensoren ‘kleurenblind’ zijn, wordt vóór elke sensor een filter geplaatst om aan elke pixel in de sensor een kleurtoon toe te wijzen. De twee belangrijkste kleurregistratiemethoden zijn RGB (Rood-Greed-Blauw) en CMYG (Cyaan-Magenta-Geel-Groen). Rood, groen en blauw zijn de primaire kleuren, waarvan verschillende combinaties het merendeel van de door het menselijk oog waargenomen kleuren kunnen vormen.
Het Bayer-filter (of Bayer-array), bestaande uit afwisselende rijen rood-groene en blauw-groene filters, is het meest voorkomende RGB-kleurenfilter (zie figuur 2). Het Bayer-filter bevat tweemaal zoveel groene “cellen” omdat Het menselijk oog is gevoeliger voor groen dan voor rood of blauw. Dit betekent ook dat het menselijk oog met deze verhouding van kleuren in het filter meer details zal zien dan wanneer er drie kleuren in gelijke verhoudingen in het filter zouden worden gebruikt.
Een andere manier om kleur te filteren (of te registreren) is door de complementaire kleuren cyaan, magenta en geel te gebruiken. Het complementaire kleurenfilter wordt meestal gecombineerd met een groen kleurenfilter in de vorm van een CMYG-kleurenarray, zoals weergegeven in Figuur 2 (rechts). Een CMYG-kleurenfilter biedt doorgaans een hoger pixelsignaal omdat... heeft een grotere spectrale bandbreedte. Het signaal moet echter worden omgezet naar RGB voor gebruik in het uiteindelijke beeld, wat extra verwerking met zich meebrengt en ruis introduceert. Het gevolg hiervan is een afname van de signaal-ruisverhouding, waardoor CMYG-systemen over het algemeen niet zo goed zijn in het weergeven van kleuren.
Het CMYG-kleurenfilter wordt doorgaans gebruikt in geïnterlinieerde scanbeeldsensoren, terwijl RGB-systemen voornamelijk worden gebruikt in progressieve scanbeeldsensoren.
De lichtgevoelige matrix is het belangrijkste element van de camera. Zij is het die het licht dat door de lens op haar valt, omzet in elektrische signalen. De matrix bestaat uit pixels - individuele lichtgevoelige elementen. Op moderne matrices bereikt het totale aantal lichtgevoelige elementen 10 miljoen voor amateurapparaten en 17 miljoen voor professionele apparaten. Een matrix van N megapixels bevat N miljoen pixels. Hoe meer pixels op de matrix, hoe gedetailleerder de foto wordt.
Elk lichtgevoelig element is een condensator die oplaadt bij blootstelling aan licht. De condensator laadt sterker op naarmate het licht erop valt, of hoe langer hij aan licht wordt blootgesteld. Het probleem is dat de lading van de condensator niet alleen kan veranderen onder invloed van licht, maar ook door de thermische beweging van elektronen in het matrixmateriaal. Sommige pixels ontvangen meer thermische elektronen, terwijl andere minder ontvangen. Het resultaat is digitale ruis. Als u bijvoorbeeld een foto maakt van een blauwe lucht, kan het lijken alsof deze bestaat uit pixels van enigszins verschillende kleuren, en een foto gemaakt met een gesloten lens zal uit meer dan alleen zwarte stippen bestaan. Hoe kleiner de geometrische grootte van de matrix met hetzelfde aantal megapixels, hoe hoger de ruis, hoe slechter de beeldkwaliteit.
Voor compacte digitale apparaten wordt de matrixgrootte meestal aangegeven als een breuk en gemeten in inches. Wat interessant is, is dat als je deze breuk probeert te berekenen en deze van inches naar millimeters om te zetten, de resulterende waarde niet samenvalt met de werkelijke afmetingen van de matrix. Deze tegenstrijdigheid ontstond historisch toen de grootte van een televisiezendapparaat (vidicon) op een vergelijkbare manier werd aangegeven. Bij digitale spiegelreflexcamera's wordt de matrixgrootte direct aangegeven in millimeters, of aangegeven als cropfactor - een getal dat aangeeft hoe vaak dit formaat kleiner is dan het frame van een standaard 24x36 mm film.
Een ander belangrijk kenmerk van matrices is dat een matrix met N megapixels ook daadwerkelijk N megapixels bevat, en bovendien bestaat het beeld uit deze matrix ook uit N megapixels. U zegt: wat is hier vreemd aan? Maar het vreemde is dat in het beeld elke pixel uit drie kleuren bestaat, rood, groen en blauw. Het lijkt erop dat elke pixel op de matrix uit drie lichtgevoelige elementen moet bestaan, respectievelijk rood, groen en blauw. In werkelijkheid is dit echter niet het geval. Elke pixel bestaat uit slechts één element. Waar komt kleur dan vandaan? In feite wordt op elke pixel een lichtfilter toegepast, zodanig dat elke pixel slechts één van de kleuren waarneemt. De filters wisselen elkaar af - de eerste pixel neemt alleen rood waar, de tweede - alleen groen, de derde - alleen blauw. Na het lezen van informatie uit de matrix wordt de kleur voor elke pixel berekend op basis van de kleuren van deze pixel en zijn buren. Natuurlijk vervormt deze methode het beeld enigszins, maar het kleurberekeningsalgoritme is zo ontworpen dat de kleur van kleine details kan worden vervormd, maar niet hun helderheid. En voor het menselijk oog dat naar de foto kijkt, is de helderheid en niet de kleur van deze details belangrijker, zodat deze vervormingen vrijwel onzichtbaar zijn. Deze structuur wordt het Bayer-patroon genoemd, genoemd naar de Kodak-ingenieur die deze filterstructuur patenteerde.
De meeste moderne lichtgevoelige matrices die in compacte digitale camera's worden gebruikt, hebben twee of drie bedrijfsmodi. De hoofdmodus wordt gebruikt voor fotografie en stelt u in staat een afbeelding met maximale resolutie uit de matrix te lezen. Deze modus vereist de afwezigheid van enige verlichting van de matrix tijdens het lezen van frames, wat op zijn beurt de aanwezigheid van een mechanische sluiter vereist. Met een andere, snelle modus kunt u het volledige beeld uit de matrix lezen met een frequentie van 30 keer per seconde, maar met een lagere resolutie. Deze modus vereist geen mechanische sluiter en wordt gebruikt voor previews en video-opnamen. Met de derde modus kun je de afbeelding twee keer zo snel lezen, maar niet vanuit het hele gebied van de matrix. Deze modus wordt gebruikt voor autofocus. De matrices die in digitale spiegelreflexcamera's worden gebruikt, beschikken niet over hogesnelheidsmodi.
Maar niet alle lichtgevoelige matrices zijn op deze manier ontworpen. Het bedrijf Sigma produceert Foveon-matrices, waarbij elke pixel feitelijk uit drie lichtgevoelige elementen bestaat. Deze matrices hebben aanzienlijk minder megapixels dan hun concurrenten, maar de beeldkwaliteit van deze matrices is praktisch niet onderdoen voor die van hun concurrenten met meerdere megapixels.
Fuji's SuperCCD-matrices hebben nog een interessante eigenschap. De pixels in deze matrices zijn zeshoekig van vorm en gerangschikt als een honingraat. Enerzijds neemt in dit geval de gevoeligheid toe vanwege het grotere pixeloppervlak, en anderzijds kan met behulp van een speciaal interpolatiealgoritme een beter beelddetail worden verkregen.
In dit geval kun je met interpolatie echt de details van het beeld verbeteren, in tegenstelling tot apparaten van andere fabrikanten, waarbij het beeld uit een matrix met een conventionele pixelopstelling wordt geïnterpoleerd. Het fundamentele verschil tussen deze matrices is dat de pixelafstand half zo groot is als de pixels zelf. Hiermee kunt u de beelddetails langs verticale en horizontale lijnen vergroten. Tegelijkertijd hebben conventionele matrices betere diagonale details, maar op echte foto's zijn er meestal minder diagonale lijnen dan verticale of horizontale lijnen.
Interpolatie– algoritme voor het berekenen van ontbrekende waarden uit aangrenzende waarden. Als we weten dat de buitentemperatuur om 8 uur 's ochtends +16 graden was en om 10 uur steeg tot +20, zullen we ons niet veel vergissen als we aannemen dat de temperatuur om 9 uur ongeveer +18 was.
In een CCD-sensor wordt licht (lading) dat op een sensorpixel valt, vanaf de chip verzonden via één uitgangsknooppunt, of via slechts een paar uitgangsknooppunten. De ladingen worden omgezet naar een spanningsniveau, geaccumuleerd en verzonden als een analoog signaal. Dit signaal wordt vervolgens opgeteld en omgezet in getallen door een analoog-digitaalomzetter, buiten de sensor (zie figuur 3).
CCD-technologie is speciaal uitgevonden voor gebruik in videocamera's en CCD-sensoren worden al 30 jaar gebruikt. Traditioneel hebben CCD-sensoren een aantal voordelen ten opzichte van CMOS-sensoren, namelijk een betere lichtgevoeligheid en weinig ruis. De laatste tijd zijn de verschillen echter nauwelijks merkbaar.
De nadelen van CCD-sensoren zijn dat het analoge componenten zijn, waarvoor meer elektronica "in de buurt" van de sensor nodig is, dat ze duurder zijn om te produceren en tot 100 keer meer stroom kunnen verbruiken dan CMOS-sensoren. Een hoger energieverbruik kan ook leiden tot hogere temperaturen in de camera zelf, wat niet alleen een negatieve invloed heeft op de beeldkwaliteit en de kosten van het eindproduct verhoogt, maar ook de impact op het milieu.
CCD-sensoren vereisen ook hogere datatransmissiesnelheden, omdat... alle gegevens gaan door slechts één of meer eindversterkers. Vergelijk figuren 4 en 6, waarin kaarten met respectievelijk een CCD-sensor en een CMOS-sensor worden weergegeven.
In een vroeg stadium werden voor de weergave conventionele CMOS-chips gebruikt, maar de beeldkwaliteit was slecht vanwege de lage lichtgevoeligheid van CMOS-elementen. Moderne CMOS-sensoren worden vervaardigd met behulp van meer gespecialiseerde technologie, wat de afgelopen jaren heeft geleid tot een snelle groei in beeldkwaliteit en lichtgevoeligheid.
CMOS-chips hebben een aantal voordelen. In tegenstelling tot CCD-sensoren bevatten CMOS-sensoren versterkers en analoog-naar-digitaal-converters, waardoor de kosten van het eindproduct aanzienlijk worden verlaagd, omdat het bevat al alle noodzakelijke elementen om het beeld te verkrijgen. Elke CMOS-pixel bevat elektronische converters. Vergeleken met CCD-sensoren hebben CMOS-sensoren een grotere functionaliteit en grotere integratiemogelijkheden. Andere voordelen zijn een snellere uitlezing, een lager energieverbruik, een hoge ruisimmuniteit en een kleinere systeemgrootte.
Het gebruik van elektronische circuits in de chip brengt echter wel het risico met zich mee van meer gestructureerde ruis, zoals strepen. Ook de kalibratie van CMOS-sensoren tijdens de productie is complexer dan bij CCD-sensoren. Gelukkig maakt de moderne technologie de productie van zelfkalibrerende CMOS-sensoren mogelijk.
Bij CMOS-sensoren is het mogelijk om een beeld uit individuele pixels te lezen, waardoor je het beeld kunt “vensteren”, d.w.z. lees de meetwaarden van niet de hele sensor, maar slechts een bepaald deel ervan. Het is dus mogelijk om een hogere framesnelheid te verkrijgen van een deel van de sensor voor daaropvolgende digitale PTZ-verwerking (eng. pan/tilt/zoom, panorama/tilt/zoom). Bovendien maakt dit het mogelijk om meerdere videostreams vanaf één CMOS-sensor te verzenden, waardoor meerdere “virtuele camera’s” worden gesimuleerd
HDTV- en megapixelcamera's
Dankzij megapixelsensoren en high-definition televisie kunnen digitale IP-camera's een hogere beeldresolutie bieden dan analoge CCTV-camera's. ze bieden een groter vermogen om details te onderscheiden en mensen en objecten te identificeren - een sleutelfactor bij videobewaking. Een megapixel IP-camera heeft minimaal twee keer de resolutie van een analoge CCTV-camera. Megapixelsensoren zijn de sleutel tot high-definition televisie, megapixel- en multi-megapixelcamera's. En kan worden gebruikt om extreem hoge beelddetails en multi-stream video te bieden.
Megapixel CMOS-sensoren worden op grotere schaal gebruikt en veel goedkoper dan megapixel CCD-sensoren, hoewel er ook vrij dure CMOS-sensoren zijn.
Het is moeilijk om een snelle megapixel CCD-sensor te vervaardigen, wat natuurlijk een nadeel is, en daarom is het moeilijk om een multi-megapixelcamera te vervaardigen met behulp van CCD-technologie.
De meeste sensoren in megapixelcamera's zijn qua beeldgrootte over het algemeen vergelijkbaar met VGA-sensoren, met een resolutie van 640x480 pixels. Een megapixelsensor bevat echter meer pixels dan een VGA-sensor, waardoor de grootte van elke pixel in een megapixelsensor kleiner is dan de grootte van een pixel in een VGA-sensor. Het gevolg hiervan is dat elke pixel in een megapixelsensor minder gevoelig is voor licht.
Op de een of andere manier staat de vooruitgang niet stil. Megapixelsensoren ontwikkelen zich snel en hun lichtgevoeligheid neemt voortdurend toe.
Belangrijkste verschillen tussen CMOS en CCD
CMOS-sensoren bevatten versterkers, A/D-converters en vaak extra verwerkingschips, terwijl bij een CCD-camera het grootste deel van de signaalverwerking buiten de sensor plaatsvindt. CMOS-sensoren verbruiken minder stroom dan CCD-sensoren, waardoor de camera binnen op een lagere temperatuur kan worden gehouden. Een hogere temperatuur van CCD-sensoren kan de interferentie vergroten. Aan de andere kant kunnen CMOS-sensoren last hebben van gestructureerde ruis (bandvorming, enz.).
CMOS-sensoren ondersteunen beeldvensters en multi-stream video, wat niet mogelijk is met CCD-sensoren. CCD-sensoren hebben doorgaans één A/D-omzetter, terwijl bij CMOS-sensoren elke pixel er één heeft. Door de snellere uitlezing van CMOS-sensoren kunnen ze worden gebruikt bij de vervaardiging van multi-megapixelcamera's.
Moderne technologische vooruitgang heft het verschil in lichtgevoeligheid tussen CCD- en CMOS-sensoren op.
Conclusie
CCD- en CMOS-sensoren hebben verschillende voor- en nadelen, maar de technologie ontwikkelt zich snel en de situatie verandert voortdurend. De vraag of je een camera met een CCD-sensor of een CMOS-sensor moet kiezen, wordt irrelevant. Deze keuze hangt alleen af van de eisen die de klant stelt aan de beeldkwaliteit van het videobewakingssysteem.
Zoals u weet, zijn camera's onderverdeeld in twee grote categorieën: analoog en digitaal, op basis van het lichtgevoelige oppervlak dat het beeld vastlegt. In een analoge camera was dit oppervlak een fotografische film - een eenvoudig ding met een zekere lichtgevoeligheid, een bepaald aantal frames voor eenmalig gebruik, waaruit het na chemische verwerking mogelijk was een afdruk van het beeld op papier te verkrijgen.
Bij digitale camera's wordt deze fundamentele rol overgenomen door de matrix. Matrix— een apparaat waarvan de voornaamste functie het digitaliseren van bepaalde parameters van het licht is dat op het oppervlak valt. Dit proces wordt gedetailleerd en duidelijk weergegeven in een uitstekende video van Discovery in ons artikel ““, als je het nog niet hebt bekeken, doe dat dan zeker!
Er zijn twee belangrijke, meest populaire en tegelijkertijd concurrerende matrixtechnologieën: dit zijn ze CCD En CMOS. Laten we vandaag uitzoeken wat verschil tussen CCD En CMOS matrixen?
We zullen proberen hun verschillen te begrijpen zonder in de details van de natuurkunde te duiken, alleen om een idee te krijgen, niet alleen van hoe de camera werkt, maar ook van welke matrix zich momenteel op je camera bevindt. Ik denk dat dit genoeg zal zijn voor een beginnende fotograaf, maar degenen die geïnteresseerd zijn in details kunnen er zelf verder in duiken.
CCD-matrix, bron: Wikipedia
Dus, CCD- Dit ladingsgekoppeld apparaat (CCD - apparaat met feedbackladen). Dit type matrix werd aanvankelijk beschouwd als kwalitatief beter, maar ook duurder en energieverbruiker. Als je je het basisprincipe van de werking van een CCD-matrix in een notendop voorstelt, dan verzamelen ze het hele beeld in een analoge versie en digitaliseren het dan pas.
In tegenstelling tot CCD-matrices, CMOS-matrix (complementaire metaaloxide-halfgeleider, complementaire logica op metaaloxide-halfgeleidertransistors, CMOS), digitaliseer elke pixel ter plaatse. CMOS-matrices waren aanvankelijk minder stroomverbruikend en goedkoper, vooral bij de productie van grote matrices, maar waren qua kwaliteit inferieur aan CCD-matrices.
CMOS-sensor, bron: Wikipedia
CCD-matrices hebben een hogere beeldkwaliteit en blijven nog steeds populair op het gebied van de geneeskunde, de industrie en de wetenschap, waar beeldkwaliteit van cruciaal belang is. Onlangs hebben CCD-matrices het energieverbruik en de kosten verlaagd, en CMOS-matrices hebben de beeldkwaliteit aanzienlijk verbeterd, vooral na een technologische revolutie in de productie van CMOS-sensoren, toen met behulp van Active Pixel Sensors (APS)-technologie aan elke sensor een transistorversterker werd toegevoegd. pixel voor het lezen, waardoor het mogelijk werd om lading direct bij de pixel in spanning om te zetten. Dit zorgde voor een doorbraak voor de CMOS-technologie; in 2008 was het praktisch een alternatief voor CCD-matrices geworden. Bovendien maakte de CMOS-technologie het mogelijk om video op te nemen en deze functie in moderne camera's te introduceren, en de meeste moderne digitale camera's zijn uitgerust met CMOS-matrices.
We schreven over matrixen over het kiezen van een videocamera voor een gezin. Daar hebben we dit probleem gemakkelijk besproken, maar vandaag zullen we proberen beide technologieën in meer detail te beschrijven.
Wat is de matrix in een videocamera? Dit is een microschakeling die een lichtsignaal omzet in een elektrisch signaal. Tegenwoordig zijn er twee technologieën 2 soorten matrices – CCD (CCD) en CMOS (CMOS). Ze verschillen van elkaar, elk heeft zijn eigen voor- en nadelen. Het is onmogelijk om met zekerheid te zeggen welke beter en welke slechter is. Ze ontwikkelen zich parallel. We zullen niet ingaan op technische details, omdat... ze zullen volkomen onbegrijpelijk zijn, maar in algemene termen zullen we hun belangrijkste voor- en nadelen definiëren.
CMOS-technologie (CMOS)
CMOS-matrices Allereerst scheppen ze op over een laag stroomverbruik, wat een pluspunt is. Een videocamera met deze technologie werkt iets langer (afhankelijk van de batterijcapaciteit). Maar dit zijn kleine dingen.
Het belangrijkste verschil en voordeel is het willekeurig lezen van cellen (in CCD wordt het lezen gelijktijdig uitgevoerd), waardoor vervaging van het beeld wordt geëlimineerd. Heb je ooit ‘verticale lichtzuilen’ gezien van puntachtige heldere objecten? CMOS-matrices sluiten dus de mogelijkheid van hun verschijning uit. En camera's die daarop zijn gebaseerd, zijn goedkoper.
Er zijn ook nadelen. De eerste daarvan is het kleine formaat van het lichtgevoelige element (in verhouding tot de pixelgrootte). Hier wordt het grootste deel van het pixelgebied ingenomen door elektronica, waardoor het gebied van het lichtgevoelige element wordt verkleind. Als gevolg hiervan neemt de gevoeligheid van de matrix af.
Omdat Omdat elektronische verwerking op de pixel wordt uitgevoerd, neemt de hoeveelheid ruis in het beeld toe. Ook dit is een nadeel, evenals de lage scantijd. Hierdoor ontstaat er een “rolling shutter”-effect: wanneer de operator beweegt, kan het object in het frame vervormd raken.
CCD-technologie
Met videocamera's met CCD-matrices kunt u beelden van hoge kwaliteit verkrijgen. Visueel is het gemakkelijk om minder ruis op te merken in video opgenomen met een CCD-gebaseerde camcorder vergeleken met video opgenomen met een CMOS-camera. Dit is het allereerste en belangrijkste voordeel. En nog iets: de efficiëntie van CCD-matrices is gewoonweg verbazingwekkend: de vulfactor nadert de 100%, de verhouding van geregistreerde fotonen is 95%. Neem het gewone menselijke oog: hier is de verhouding ongeveer 1%.
Hoge prijs en hoog energieverbruik zijn de nadelen van deze matrices. Het punt is dat het opnameproces hier ongelooflijk moeilijk is. Het vastleggen van beelden wordt uitgevoerd dankzij vele extra mechanismen die niet voorkomen in CMOS-matrices, dus CCD-technologie is aanzienlijk duurder.
CCD-matrices worden gebruikt in apparaten die kleuren en afbeeldingen van hoge kwaliteit vereisen, en die kunnen worden gebruikt om dynamische scènes op te nemen. Dit zijn meestal professionele videocamera's, maar er zijn ook huishoudelijke camera's. Dit zijn ook bewakingssystemen, digitale camera's, enz.
CMOS-matrices worden gebruikt waar geen bijzonder hoge eisen aan de beeldkwaliteit worden gesteld: bewegingssensoren, goedkope smartphones... Vroeger was dit echter wel het geval. Moderne CMOS-matrices hebben verschillende modificaties, waardoor ze van zeer hoge kwaliteit zijn en vanuit het oogpunt van concurrentie met CCD-matrices de moeite waard zijn.
Nu is het moeilijk te beoordelen welke technologie beter is, omdat beide uitstekende resultaten laten zien. Daarom is het op zijn minst dom om het type matrix als enige selectiecriterium in te stellen. Het is belangrijk om met veel kenmerken rekening te houden.
Beoordeel het artikel: