家 › 電話 › cmos と ccd マトリックスの違い。 CCDかCMOSか？何が良いでしょうか？ CMOS リーダーの資質

cmos と ccd マトリックスの違い。 CCDかCMOSか？何が良いでしょうか？ CMOS リーダーの資質

マトリックスは、あらゆる写真やビデオデバイスの基礎となります。結果として得られる画像の品質とサイズが決まります。現在、マトリックスの製造には、CCD と CMOS という 2 つの異なる技術原理が使用されています。「CCD と CMOS のどちらのマトリクスを選択すればよいですか?」という質問をよく耳にします。これについては、写真やビデオ機器のファンの間で激しい議論が巻き起こっています。この記事では、これら 2 つのタイプを検討し、CCD と CMOS のどちらのマトリックスが優れているかを判断していきます。

一般情報

マトリックスは、その表面上の光線のパラメーターをデジタル化するように設計されています。いずれかのテクノロジーの明確な利点について話すことはできません。特定のパラメータに基づいて比較を行い、何らかの側面でリーダーを特定できます。ユーザーの好みに関しては、たとえ品質や技術的特性が競合他社より劣っていたとしても、主な基準は製品のコストであることがよくあります。

それでは、両方のタイプのデバイスが何であるかを理解しましょう。 CCD マトリックスは、感光性フォトダイオードで構成される超小型回路です。シリコンベースで作成されています。その動作の特徴は、電荷結合素子の動作原理にあります。 CMOSマトリックスは、異なる導電率のチャネルを持つ絶縁ゲートを備えた半導体に基づいて作成されたデバイスです。

動作原理

選択に役立つ違いを特定することに移りましょう。CMOS と CCD マトリックスはどちらが優れているのでしょうか? これら 2 つのテクノロジーの主な違いは、その動作原理です。 CCD デバイスはピクセルからの電荷を電位に変換し、光センサーの外部で増幅されます。結果はアナログ画像になります。この後、画像全体が ADC にデジタル化されます。つまり、デバイスはマトリックス自体とコンバーターの 2 つの部分で構成されます。 CMOS技術の特徴は、各ピクセルを個別にデジタル化することです。出力は完成したデジタル画像です。すなわち、マトリクス画素の電荷がコンデンサに蓄積され、コンデンサの電位が除去される。それはアナログアンプ（ピクセルに直接組み込まれている）に送信され、その後コンバーターでデジタル化されます。

CCD と CMOS のどちらを選択しますか?

これらのテクノロジーの選択を決定する重要なパラメーターの 1 つは、マトリックスアンプの数です。 CMOS デバイスにはこれらのデバイスが (各ポイントに) 多数あるため、信号が通過するにつれて画質がわずかに低下します。したがって、CCD マトリックスは、医療、研究、産業などの目的で、高精細な画像を作成するために使用されます。しかし、CMOSテクノロジーは主に、ウェブカメラ、スマートフォン、タブレット、ラップトップなどの家電製品で使用されています。

CCD と CMOS のどちらのタイプが優れているかを決定する次のパラメータは、フォトダイオードの密度です。値が高いほど、無駄になるフォトンが少なくなり、それに応じて画像も良くなります。このパラメータでは、CCD マトリックスはそのようなギャップのないレイアウトを提供するため、競合他社よりも優れていますが、CMOS にはギャップがあります (トランジスタがその中に配置されています)。

ただし、ユーザーが CMOS と CCD のどちらを購入するかという選択を迫られると、主要なパラメータであるデバイスの価格が表示されます。 CCD テクノロジーは競合他社よりもはるかに高価であり、エネルギー消費量も多くなります。したがって、平均的な品質の画像で十分な場所にインストールすることはお勧めできません。

最新のビデオカメラは、CMOS と CCD の 2 種類のマトリックスを積極的に使用しています。 CMOSセンサー（CMOS） CMOS技術に基づいて構築されており、この技術がこの製品の名前の由来となっています（相補型金属酸化物半導体、相補型金属酸化物半導体構造）。中価格帯のカメラで両方のオプションがほぼ同じ割合で使用される場合、低価格ビデオシステムでは CMOS がより一般的です。

この技術の動作原理は次のとおりです。

リセット信号が与えられます。
ダイオードは露光中に電荷を蓄積します。
パラメータを読み取っています。

長い使用の歴史にもかかわらず、このタイプの行列は時代遅れではありません。これらのおかげで、施設内でビデオ監視を組織するというタスクを完了することができます。 CMOSを搭載したカメラは毎年新しいモデルが発売されています。

主な利点

選択する主な理由 CMOS (CMOS) マトリックス:

CCDアナログに比べて低コスト。サイズが大きくなるにつれて、コストの差は広がり続けます。
低消費電力。カメラがバッテリー電源で動作している場合、施設の電気ネットワークが古い場合、または接続されているデバイスの数が多い場合に重要な要素となります。
クロップ読み取りの可能性 - 任意のピクセルの分析、記録速度の向上。 CCD カメラのようにすべての情報を一度に読み取る必要はありません。マニュアルフォーカスの品質を向上させます。
小型ビデオカメラに使用されています。

欠陥

このタイプの要素を選択する場合は、CMOS テクノロジーの制限を考慮する価値があります。

デバイスの発熱が増加し、ノイズが増加します。
古いカメラモデルのマトリックスの光感度が低い。現在、ピクセル感度が向上した Exmor テクノロジーを備えた新しい機器ラインにより、この状況は部分的に修正されました。
高速で移動するオブジェクトの曲面イメージ。ローリングシャッター効果。

時間の経過とともにテクノロジーは向上し、これらの領域における CCD マトリックスとのギャップは減少します。

CMOSマトリックスの適用範囲

CMOS 素子は、その信頼性、低コスト、柔軟な構成により、私たちの生活のさまざまな分野で広く使用されています。まず第一に、写真の分野では、携帯電話やカメラにはまさにこれらのマトリックスが装備されており、ユーザーのニーズを満たします。 2 位 - ビデオ監視:

アパートを保護する場合。
空港監視;
建設現場の管理;
会社で;
ショッピングセンターの中;
在庫あり;
動作条件が異なるその他のオブジェクトの場合。

マトリックスは、道路 (道路利用者の行動の監視)、科学、医学、産業で見つけることができます。

ビデオカメラの画質は、ビデオカメラに使用されている感光センサー（マトリックス）に大きく依存します。結局のところ、ビデオデジタル化に最適なプロセッサを搭載したとしても、マトリックス上で悪い画像が得られれば、それはもはや良いものにはなりません。後で画像を見るときに耐えられないほど苦痛にならないように、CCTVカメラのセンサーの特性で注意すべき点を一般的な方法で説明してみます...

マトリックスタイプ

インターネット上では、CCTV カメラが CCD (電荷結合素子) および CMOS (相補型金属酸化物半導体) の感光性マトリックスを使用しているという情報を見つけることができるでしょう。忘れて！長い間、CMOS だけ、ハードコアしかありませんでした。

CCD マトリックスは、あらゆる利点 (優れた感光性と演色性、低いノイズレベル) にもかかわらず、ビデオ監視では実際には使用されなくなりました。それは、CCD マトリクスの動作原理そのもの (セル全体の電荷の順次読み取り) が遅すぎて、高速な最新の高解像度ビデオカメラの要求を満たすことができないためです。そうですね、最も重要なことは、CCD は製造コストが高く、今日の競争の激しい環境では、一銭たりとも利益が重要であるということです。このため、すべての主要メーカーが CMOS マトリックスの製造に注力してきました。

ちなみにメーカーも残り少ないです。 2017 年初めの時点での最大手の企業は、オンセミコンダクターコーポレーション (かつては有名な専門会社である Aptina を吸収しました)、オムニビジョンテクノロジーズ、サムスン電子、ソニー株式会社です。さらに、独自のニーズに合わせたマトリックスが、たとえば Canon や Hikvision によって作成されています。

若くて熱意と資金に満ちたSOI（シリコンオプトロニクス社）などの中国の「二流」チップメーカーは、古いブランドに対する競争を起こそうとしているが、その若い芽がいつ生き残るかどうかを言うのは難しい。 CMOS センサー市場は飽和し、過密状態になります。しかし、いずれにせよ、CMOSセンサーの生産をセットアップすることは現代の基準からするとそれほど難しい作業ではないため、この分野での新たなプレーヤーの出現と闘争の激化を排除することはできません。

Hikvision や Dahua などの大手世界的ブランドは、通常、一流のマトリックスメーカーまたは自社のメーカーと協力することを好みます。ローカルのものは動作が異なります。たとえば、Tecsar は、安価なカメラでも ON Semiconductor、Omnivision、Sony の評判の良いマトリックスを使用しています。他の「人気」ブランドの品揃えでは、Berger、SOI センサーなどが広く代表されています。

デジタルカメラのセンサーができるまで

CMOS リーダーの資質

CMOS テクノロジーでは、感光性マトリクスの各ピクセルに電子部品 (コンデンサ、トランジスタ) を直接配置します。

画素構造とCMOSマトリクス

これにより、感光素子の有効面積が減少し、感度が低下するだけでなく、アクティブ素子によりマトリックス自体のノイズのレベルが増加します。しかし、この技術により、感光素子の電荷をマトリックス内で直接電気信号に変換し、ビデオカメラにとって重要なデジタル画像信号をより高速に生成することが可能になります。このため、CMOS は、高速なフレーム変更が必要な CCTV カメラに適しています。

CCDおよびCMOSマトリックスの動作原理

さらに、CMOS マトリックスセルをランダムに読み取る機能により、結果として得られるビデオの品質とビットレートを文字通り「オンザフライ」で変更することが可能になります。これは CCD では不可能です。また、CMOS ソリューションの消費電力は低いため、これは小型監視カメラにとっても重要です。

色を残しましょう

カラー画像を取得するために、マトリックスは光束をその構成色である赤、緑、青に分解します。このために、適切なフィルターが使用されます。メーカーが異なれば、異なる色の感光素子の配置や数が異なりますが、本質は変わりません。

感光性マトリックス上での画像形成の原理:

P – 感光性エレメント
T - 電子部品

キヤノンの次のビデオでも、CMOS カメラセンサーがどのように動作するかを見ることができます。

すべてのメーカーの CMOS マトリックスは上記の一般原則に基づいており、シリコン上での実装の詳細が異なるだけです。たとえば、低コストと超利益を追求するため、チップメーカーは可能な限り小さいマトリックスを製造しようとします。これに対する報復は避けられない…

なぜ大きいことが良いのか

マトリックスの標準サイズ (言い換えれば、フォーマット) は、通常、対角線でインチ単位で測定され、分数で示されます。たとえば、1/4 インチ、1/3 インチ、2/3 インチ、1/2 インチ、等

オン・セミコンダクターが製造したCCTVカメラ用の感光性マトリックス

ビデオカメラボードに設置された感光性マトリクス

悲しいことに、大型のマトリックスは、マトリックス自体とそのレンズの両方が高価であるため、現在では実際には大規模監視カメラには使用されていません。マトリックスにはより大きなレンズが必要であり、それに応じて寸法とコストも高くなります。現在、カメラにはほとんどの場合、1/2 インチから 1/4 インチサイズのマトリックス (これらは最も小さいもの) が装備されています。カメラを選択するときは、SOI によって製造された 1/4 インチマトリックスと透明度の疑わしいプラスチックレンズを備えた小さなレンズを備えた超安価なモデルを購入すると、ビデオ監視を作成できないことを明確に理解する必要があります。許容可能な品質のシステムであり、特に低光量条件で撮影する場合に、キャプチャされたイベントの細部を明確に区別できます。

Sony 1/2.8 インチマトリックスを備えたカメラを選択すると、ビデオ品質の点ではるかに優れた結果がアプリオリに得られます。このようなマトリックスを備えたカメラは、すでにプロのビデオ監視システムで使用できます。また、そのようなカメラの感度は、カメラは明らかに高くなり、悪天候、夕暮れ、薄暗い部屋など、照明条件が悪い場合でもより良い撮影が可能になります。同じマトリックスサイズで解像度が増加するにつれて、光感度は低下します。バックドア近くの暗いゲートウェイに設置されるカメラを選択する際には、マトリックスの感度が低い超高解像度のカメラよりも解像度が低く、感度が高いことも考慮する必要があります。ノイズがあり、明確に区別できるものはありません。

光過敏症

マトリックスの光感度によって、周囲光が低い条件で動作する能力が決まります。物理学の観点から見ると、これはまったく平凡に見えます。マトリックスが画像を生成するのに十分な光エネルギーが少ないほど、その感光性は高くなります。しかし！正直に言うと、もう高感度を追求する価値はあまりありません。実際、最新のビデオ監視カメラは安全に「昼/夜」モードに切り替わり、照度が低下するとマトリクスをより高感度の白黒画像モードに切り替えます。さらに、赤外線照明が自動的に組み込まれるため、カメラは完全な暗闇でも優れた写真を撮影できます。たとえば、窓がなく照明がオフになっている閉め切った部屋で、外部照明のレベルに問題がない場合です。 IR照明のないカメラにとって光感度は依然として重要ですが、現代のビデオ監視でそのようなカメラを使用することはほとんどマナー違反です。もちろんバックライトなしのケースモデルも引き続き販売されていますが。

さまざまなメーカーのマトリックスの比較

一般に、ルールは次のとおりです。照明が高いほど、マトリックスが向上し、それに応じてカメラの撮影も向上します。したがって、たとえ感度が良くても、薄暗い隅にカメラを設置することはお勧めできません。通常、カメラセンサーの仕様は、画像をキャプチャできる最小レベルの照度を示していることに注意してください。しかし、この画像が少なくとも許容できる品質であるとは誰も保証しません。それは100％不快であり、何も理解するのは困難です。少なくとも満足のいく結果を達成するには、少なくともマトリックスの許容最小値より少なくとも 10 ～ 20 倍高い照明で撮影することをお勧めします。

メーカーは、CMOS センサーの感度を向上させ、画像キャプチャ時の光の損失を減らすために、多くの技術的ソリューションを考案してきました。このために、主に 1 つの原理が使用されます。それは、光を集めるマトリックスのマイクロレンズに感光素子をできるだけ近づけることです。まず、ソニーは、マトリックスを通る光の経路を短縮する Exmor テクノロジーを提供しました。

その後、進歩的なメーカーは満場一致で裏面照射型マトリックスの使用に切り替えました。これにより、マトリックスを通る光の経路が短くなるだけでなく、感光層の使用可能な領域が大きくなり、他の電子素子の上に配置できるようになります。セル:

背面照射技術により、カメラの感度が最大になります。したがって、「他のすべての条件が等しい場合」、背面照明を備えたマトリックスを使用したカメラを購入する方が、背面照明なしのカメラを購入するよりも良いという結論になります。

低感度で安価なセンサーを使用して暗い場所での画像を改善するために、カメラメーカーはさまざまなトリックを使用できます。たとえば、「スローシャッター」モード、またはより簡単に言うと、ロングシャッタースピードモードです。ただし、このモードのマトリックスで画像を固定する段階ですでに移動オブジェクトの輪郭が「不鮮明」であるため、多かれ少なかれ高品質のビデオ録画について話すことはできません。したがって、このアプローチはセキュリティ上完全に受け入れられません。詳細が重要なビデオ監視。

画質における決定的な進歩は、2012 年にボッシュのカメラに初めて搭載された Starlight テクノロジーの出現でした。この技術は、マトリックスの非常に高い光感度 (約 0.0001 ～ 0.001 ルクス) と非常に効果的なノイズ低減技術の組み合わせのおかげで、暗い場所や明るい環境でもビデオカメラから非常に高品質のカラー画像を取得することが可能になりました。夜。

IR 照明を使用して低照度を克服する従来の方法では、モノクロモード (グレースケール) でのみ鮮明な画像を取得できますが、Starlight テクノロジーを搭載したカメラを使用すると、はるかに情報量の多いカラー画像を取得できます。特に、暗い場所でも、Starlight テクノロジーを搭載したビデオ監視システムは、車、衣服、その他の重要な機能の色を簡単に識別できます。

以下は、Starlight テクノロジーが実際に動作しているデモです。

結果

CCTV カメラを選択するときは、解像度だけではなく、マトリックスの特性にも必ず注意してください。結局のところ、画像の品質、したがってカメラの有用性はこれに大きく依存します。まず第一に、信頼できるブランド、マトリックスのサイズ、解像度に注意を払う必要があります。感光性は、IR 照明のないカメラの場合にのみ重要です。

私は、マトリックス付きのカメラを購入することを強くお勧めします。マトリックスから詳細情報が記載されたまともなデータシートを見つけることができます。豚を突いて買うのではありません。たとえば、ON Semiconductor、Omnivision、Sony が製造したマトリックスの仕様を簡単に見つけることができます。しかし、SOI マトリクスの多かれ少なかれ詳細な特性は、日中に懐中電灯で照らすだけでは見つけることができません。メーカーが何か隠し事をしているのではないかという疑惑が…。

全体的な結果は次のとおりです。CMOS マトリックスはビデオ監視デバイスにおいて無条件で勝利を収めており、近い将来、競合するテクノロジーに屈することはありません。

光束を電子信号に変換し、その後カメラのメモリカードに記録されるデジタルコードに変換します。
マトリクスはピクセルで構成されており、それぞれの目的は、そこに当たる光の量に対応する電子信号を出力することです。
CCD と CMOS マトリックスの違いは次のとおりです。 変換技術 ピクセルから受信した信号。 CCDの場合は、最小限のノイズでシーケンシャルに実行され、CMOSの場合は、より少ない電力消費で迅速に実行されます（追加の回路のおかげで、ノイズの量は大幅に減少します）。
ただし、まず最初に...

CCDマトリックスとCMOSマトリックスがあります

CCDマトリックス

電荷結合素子 (CCD、英語では CCD) は、感光素子間で電荷を転送する方法にちなんで名付けられました。 ピクセルからピクセルへ そして最終的には センサーから電荷を除去する .

電荷はマトリックスに沿って上から下に線でシフトされます。したがって、電荷は多くのレジスタ (列) のラインを一度に移動します。
CCD センサーを離れる前に、各ピクセルの電荷が増幅され、(ピクセルに当たる光の量に応じて) 異なる電圧を持つアナログ信号が出力されます。この信号は処理前に送信されます。別 (オフチップ) アナログ - デジタルコンバーターに接続され、結果として得られるデジタルデータは、センサーによってキャプチャされた画像のラインを表すバイトに変換されます。

CCD は抵抗が低く、他の電子コンポーネントからの干渉を受けにくい電荷を供給するため、結果として得られる信号には通常、次のような信号が含まれます。 ノイズが少ない CMOSセンサーからの信号と比較します。

CMOSマトリックス

で CMOSマトリックス (CMOS - 相補型金属酸化膜半導体、英語で - CMOS)、処理デバイスは、 すべてのピクセルの隣に (マトリックス自体に取り付けられることもあります)、そのために増加します パフォーマンス システム。また、追加の処理デバイスが不足しているため、 低エネルギー消費 CMOSマトリックス。

行列から情報を読み取るプロセスのアイデアは、次のビデオから取得できます。

技術は常に改良されており、今日ではカメラやビデオカメラに CMOS マトリックスが搭載されているということは、より高級なモデルであることを示しています。メーカーは多くの場合、CMOS マトリックスを備えたモデルに焦点を当てます。
最近では、導体を後方に配置した CMOS マトリクスの開発が一般的になっており、暗い場所での撮影でも良好な結果が得られ、ノイズレベルも低くなります。

近年では CCD(電荷結合素子CCD - 電荷フィードバックデバイス）そして CMOS(相補型金属酸化物半導体、金属酸化膜半導体トランジスタに基づく CMOS 相補型ロジック) マトリックスは互いに競争状態にありますが、戦いはまだ進行中であり、勝者はまだ決定されていません。

テストやさまざまな実験が常に行われており、その過程でこれらの技術の長所と短所が明らかになります。前の記事ではカメラマトリックスとは何ですか? 両方のテクノロジーについて説明しましたが、この投稿では科学的な側面から行列を見てみましょう。

CMOSセンサーのメリットとデメリット

CMOS マトリックスを使用してカメラが製造され始めた主な理由は、製造コストの低さ、消費電力の低さ (ほぼ 100 倍)、および高性能です。

CMOS マトリックスにはランダムにセルを読み取る機能がありますが、CCD マトリックスではすべてのセルから一度に読み取りが行われます。

この読み取り方法のおかげで、CMOS マトリックスには、CCD マトリックスにある、太陽や明るい光などの点状の明るい物体からの垂直な「光柱」としてフレーム内に現れる、いわゆる「スミアリング」効果がありません。電球。

CMOS テクノロジーには利点があるにもかかわらず、欠点もあります。画素領域に比べて感光素子のサイズが小さい。面積の大部分は、ピクセルに組み込まれた電子機器によって占められています。そして、受光素子の小さな領域が低感度に反映され、信号が前置増幅され、画像内のノイズの増加につながります。

しかし、技術は進歩しており、やがて CMOS は CCD とうまく競合できるようになります。

この技術にはいわゆる効果もあります "ロールシャッター"。この効果は CMOS マトリックスでの信号読み取りに関連していますが、ここではフレームが 1 行ずつ読み取られます。

ロールシャッターこの効果は主に、高速で移動する物体を撮影する場合や、車から道路を撮影する場合に観察され、垂直の物体が湾曲していることがわかります。

これは、マトリックスの上部の行が最初に読み取られ、次に下部の行が読み取られるために発生しますが、この間にすでにかなりの距離を移動しているため、結果として得られるビデオの木は真っ直ぐではなくなります。、しかし傾いています。

CCDマトリクスの長所と短所

CCD センサーは長年使用されてきたため、CCD テクノロジーは時間の経過とともに改良されており、CMOS マトリックスに比べて多くの利点を持っています。 CCD マトリックスには、より高度な電子シャッターが備わっており、これは速い動き (動き) を捉えるために非常に重要です。
また、ノイズレベルが低く、近赤外線範囲での感度が高く、暗い場所でも非常によく撮影できます。

CCDセンサーは振動がなく、 ロールシャッター CMOSでおなじみの効果です。例として、CCD センサーと CMOS センサーを比較するビデオをご覧ください。

CCD センサーを搭載したカメラは現在ではほとんど生産されていませんが、近い将来、CMOS 対 Foveon という別の戦いが起こるでしょう。

現時点では、CMOS 技術は CCD に決して劣るものではなく、日々発展しており、CMOS をしつこく推進する人も多くいますが、その逆もまた然りですが、あるマトリクスの画像を別のマトリクスから区別することは非常に困難です。

カテゴリ内で人気のあるもの: