Разница между матрицами cmos и ccd. CCD или CMOS? Что лучше? Лидерские качества CMOS
Матрица - это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа - CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше - CCD или CMOS.
Общая информация
Матрицы предназначены для оцифровки параметров световых лучей на их поверхности. Говорить о явном преимуществе одной из технологий не представляется возможным. Можно проводить сравнение по конкретным параметрам и выявлять лидера в том или ином аспекте. Что касается предпочтений пользователей, то зачастую для них главным критерием является стоимость изделия, даже если оно будет уступать по качеству или техническим характеристикам своему конкуренту.
Итак, давайте разберемся, что представляют собой оба типа устройств. CCD-матрица - это микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов; она создана на кремниевой основе. Особенность ее работы заключается в принципе действия устройства с зарядовой связью. CMOS-матрица - это прибор, созданный на основе полупроводниковых имеющих изолированный затвор с каналами различной проводимости.
Принцип работы
Перейдем к выявлению отличий, которые помогут определиться в выборе: что же лучше - матрица CMOS или CCD? Главным различием этих двух технологий является принцип их работы. CCD-устройства заряд от пикселей преобразуют в электрический потенциал, который усиливается за пределами светочувствительных сенсоров. В результате получается изображение в аналоговом виде. После этого проводится оцифровка всей картинки в АЦП. То есть прибор состоит из двух частей - непосредственно матрицы и преобразователя. CMOS-технология характеризуются тем, что производит оцифровывание каждого пикселя в отдельности. На выходе получается уже готовая цифровая картинка. То есть электрический заряд в пикселе матрицы накапливается в конденсаторе, с которого снимается электрический потенциал. Он передается на аналоговый усилитель (встроенный непосредственно в пикселе), после чего оцифровывается в преобразователе.
Что же выбрать: CCD или CMOS?
Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.
Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше - CCD или CMOS, - является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).
Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой - CMOS или CCD - приобрести, всплывает главный параметр - цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.
В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD. Матрица CMOS (КМОП) построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.
Принцип работы технологии следующий:
- Подается сигнал сброса;
- Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
- Происходит считывание параметров.
Основные преимущества
Ключевые причины, по которым стоит сделать выбор в пользу CMOS (КМОП) матрицы :- Невысокая стоимость по сравнению с ПЗС-аналогами. При увеличении размеров разница в стоимости продолжает расти;
- Низкое энергопотребление. Важный фактор при работе камеры от аккумулятора, устаревшей электросети объекта, значительном количестве подключенных устройств;
- Возможность кадрированного считывания – анализа произвольных пикселей, увеличивающая скорость записи. Не нужно считывать сразу всю информацию, как с ПЗС-камерой. Улучшается качество ручной фокусировки;
- Используются в миниатюрных видеокамерах.
Недостатки
Делая выбор в пользу данного типа элементов, стоит учитывать ограничения CMOS-технологии:- Повышенный нагрев устройства, рост шумов;
- Низкая светочувствительность матрицы на старых моделях камер. Сейчас ситуация частично исправлена за счет новой линейки оборудования с технологией Exmor с увеличением светочувствительности пикселей;
- Искривленное изображение быстро перемещающихся объектов. Эффект «rolling shutter».
Область применения CMOS матриц
КМОП-элементы благодаря надежности, низкой стоимости и гибкой настройки получили широкое применение в нескольких сферах нашей жизни. Прежде всего, в фотографии – камеры телефонов и фотоаппаратов оснащены именно этими матрицами, удовлетворяя потребности пользователя. Второе место – видеонаблюдение :- При охране квартир;
- Наблюдении за аэропортом;
- Контроле строительной площадки;
- В офисе;
- В торговом центре;
- На складе;
- Для других объектов с разными условиями эксплуатации.
Матрицы удастся встретить в дорожной (контроль поведения участников дорожного движения), научной сфере, медицине, промышленности.
Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…
Тип матрицы
В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.
CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.
Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.
Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.
Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger , широко представлены сенсоры SOI и т.д.
Как делаются матрицы цифровых камер
Лидерские качества CMOS
CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.
Структура пикселя и CMOS матрицы
Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.
Принцип работы CCD и CMOS матриц
Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.
Да будет цвет
Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.
Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:
Р – светочувствительный элемент
Т - электронные компоненты
Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:
CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…
Почему большой – это хорошо
Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4", 1/3", 2/3", 1/2 дюйма и др.
Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения
Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры
Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2" – 1/4" (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4" матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.
Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8" вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.
Светочувствительность
Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.
Сравнение матриц разных производителей
Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.
Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:
Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:
Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.
Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.
Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 - 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.
Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.
Вот демонстрация технологии Starlight в действии:
Итоги
При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.
Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…
А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.
Для преобразования светового потока в электронный сигнал, который затем переводится в цифровой код, записываемый на карту памяти фотоаппарата.
Матрица состоит из пикселей, назначение каждого - выдать на выходе электронный сигнал, соответствующий количеству света, попадаемого на него.
Различие в матрицах ПЗС и КМОП - в методике преобразования
полученного от пикселя сигнала. В случае ПЗС - последовательно и с минимумом шумов, в случае КМОП - быстро и с меньшим энергопотреблением (а благодаря дополнительным схемам количество шумов существенно уменьшается).
Впрочем, обо всём по порядку...
Различают матрицы ПЗС и КМОП
 |
ПЗС - матрица
Прибор с зарядовой связью (ПЗС, по англ. - CCD) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами - от пикселя к пикселю и, в конечном итоге, выводе заряда из сенсора .
Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу множества регистров (столбцов).
Перед тем, как покинуть ПЗС - сенсор, заряд каждого пикселя усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксель).
Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный
(вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.
Так как ПЗС передаёт электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП- сенсоров.
 |
 |
КМОП - матрица
В КМОП - матрице (КМОП -комплементарный металл - оксидный полупроводник, по англ. - CMOS), обрабатывающее устройство находится рядом с каждым пикселем (порой монтируется на саму матрицу), благодаря чему увеличивается быстродействие системы. Также, в связи с отсутствием дополнительных устройств обработки, отметим низкий уровень энергопотребления КМОП - матриц.
Некоторое представление о процессе считывания информации с матриц можно получить из следующего ролика
Технологии постоянно усовершенствуются, и на сегодняшний день наличие в фотоаппарате либо видеокамере именно КМОП-матрицы говорит о более высоком классе модели. Производители часто акцентируют внимание на моделях с КМОП - матрицами.
В последнее время популярна разработка КМОП-матрицы с тыловым размещением проводников, показывающая лучшие результаты при съёмке в условиях низкого освещения, а также имеющая меньший уровень шумов.
В последние годыCCD (charge-coupled device, ПЗС — прибор с обратной зарядной связью ) иCMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, КМОП комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник ) матрицы находятся в состоянии соперничества друг с другом, но до сих пор битва продолжается а победитель пока не определен.
Постоянно проводятся тесты и различные эксперименты, в ходе которых становятся понятны сильние и слабые стороны этих технологий. В предыдущей статьеЧто такое матрица фотоаппарата? мы рассказали о обеих технологиях, но давайте в этом посте посмотрим на матриц, с научной стороны.
Преимущества и недостатки CMOS матриц
Основная причина, по которой фото-камеры начали выпускать с CMOS матрицами — это дешевая стоимость в производстве, низкое энергопотребление (почти в 100 раз) и высокое быстродействие.
CMOS матрицы имеют возможность произвольного считывания ячеек а в CCD матрице считывание происходит со всех ячеек за один раз.
Благодаря этому способу считывания, у КМОП матриц отсутствует так называемый эффект «смиринга» (от англ. smearing – размазывание), который есть у CCD матриц и проявляется в кадре как вертикальные «столбы света» от точечных ярких объектов, как от солнца, ярких лампочек.
Не смотря на плюсы, у КМОП технологии есть и свои недостатки. Малый размер светочувствительного элемента по сравнению площади пикселя. Большая часть площади занимает электроника, встроенной в пиксель. А малая площадь светочувствительного элемента отражается на малой чувствительностьи, предусиление сигнала, приводит к увеличению шумов на картинке.
Но технология совершенствуется, и с временем КМОП может успешно конкурировать с ПЗС.
У этой технологии ещё и есть так называемый эффект«rolling shutter» (бегущий затвор) . Связан этот эффект, с считыванием сигнала в CMOS матрицах,а здесь кадр считывается строка за строкой.
Rolling shutter эффект наблюдается в основном при съёмках быстро движущихся объектов или когда с автомобиля снимаете улицу, то можно увидеть что вертикальные объекты кривые.
Это происходит потому, что сначала считываются верхние строки матрицы, а в потом – нижние, но за это время, вы уже проедете заметное расстояние и в результате этого дерево на полученном видео будет уже не прямое, а наклонное.
Преимущества и недостатки CCD матриц
CCD сенсоры используются на протяжении многих лет, поэтому
ПЗС-технология совершенствовался со временем и по прежнему имеют
ряд преимуществ перед CMOS матрицами. CCD матицы имеют более
совершенный электронный затвор, который очень важен для фиксации
быстрых перемещений (движений).
Также отличается низким уровнем шума, имеет хорошую
чувствительность в ближнем ИК-диапазоне, при низкой освещенности
снимает очень хорошо.
У ПЗС сенсоров отсутствует вибрация и rolling shutter
эффект,
привычный для КМОП. Для примера посмотрите видео с сравнением
ПЗС и КМОП сенсоров.
Камеры с CCD сенсорами сегодня практически не производятся, но в скором будущем будет другая баталия — CMOS vs Foveon.
На данный момент CMOS технология ни чем не уступает CCD, и с каждым днём развивается, и очень сложно отличить изображение одной матрицы от другого, хотя найдется много людей, которые будут упорно пиарить CMOS, и наоборот.
