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    摄像机CMOS与CCD的差异详解

    作者:施工队长    来源:成都系统集成公司    更新时间:2011-3-8 19:49:07    设计指数:          ★★★ 

      CMOS与CCD技术自诞生以来,它们的抢位之争自诞生至今就没有停止过。正如您所知道的一样,目前安防监控摄像机的图像传感器基础技术,主要也是CCD和CMOS两种技术。目前市面上的模拟摄像机多是CCD为主,而网络摄像机特别是今年兴起的百万像素级高清网络摄像机,尤以CMOS技术应用居多。

      CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。 这种转换的原理与 “太阳能电池”效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道理,将光影像转换为电子数字信号。

      整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异。首先我们还是从CCD和CMOS的不同工作原理说起:

      工作原理差异:CCD在工作时,上百万个像素感光后会生成上百万个电荷,所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变,形成电子信号,因此,这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”,所有电荷由单一通道输出,就像千军万马从一座桥上通过,当数据量大的时候就发生信号“拥堵”,而百万像素高清网络摄像机格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据,因此,在安防监控产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。而CMOS则不同,每个像素点都有一个单独的放大器转换输出,因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题,能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像,因此也能都满足高清网络摄像机的需求。

      ISO 感光度差异:由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此 相同像素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

      成本差异: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;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

      解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在良率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。

      噪点差异: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,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

      耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的电量大约是CMOS的3到10倍。CCD碍于原理特性,无法与时序电路、控制电路、模拟数字转换等相关芯片电路一同整合封装,而CMOS却可以,因此在功能体积上CMOS能比CCD更小。CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势,使得摄像机的体积也就做得更小。

      现在市面上还没有能提供给普通监控用摄像机使用的高清的CCD元件,但是CMOS确已经有了,我们使用的就是一颗400万像素专业级逐行扫描1/2.5",CMOS图像传感器元件作为我们IP摄像机的高清信号采集。有效像素为2320 (水平)×1728 (垂直) 约 400 万像素,录制像素为2288 (水平)×1712 (垂直) 约 392 万像素。


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