CMOS-Matrixbeschreibung. Unterschied zwischen CCD- und CMOS-Sensoren

1. Einführung in Bildsensoren

Wenn das Bild durch die Linse eines Camcorders aufgenommen wird, tritt Licht durch die Linse und trifft auf den Bildsensor. Ein Bildsensor oder eine Matrix besteht aus vielen Elementen, auch Pixel genannt, die die Lichtmenge aufzeichnen, die auf sie trifft. Die empfangene Lichtmenge wird durch Pixel in die entsprechende Anzahl von Elektronen umgewandelt. Je mehr Licht auf ein Pixel fällt, desto mehr Elektronen werden erzeugt. Elektronen werden in Spannung umgewandelt und dann gemäß den Werten des ADC (Analog-Digital-Wandler, A / D-Wandler) in Zahlen umgewandelt. Ein aus solchen Zahlen bestehendes Signal wird von elektronischen Schaltkreisen in der Videokamera verarbeitet.

Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien, mit denen ein Bildsensor in der Kamera erstellt werden kann: CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor). ... Ihre Eigenschaften, Vor- und Nachteile werden in diesem Artikel erörtert. Die folgende Abbildung zeigt die Bildsensoren CCD (oben) und CMOS (unten).

Farbfilterung... Wie oben beschrieben, zeichnen Bildsensoren die auf sie einfallende Lichtmenge von hell bis dunkel auf, jedoch ohne Farbinformationen. Da CMOS- und CCD-Bildsensoren „keine Farbe sehen“, wird vor jedem Sensor ein Filter platziert, um jedem Pixel im Sensor einen Farbton zuzuweisen. Die beiden wichtigsten Farbregistrierungsmethoden sind RGB (Rot-Gier-Blau) und CMYG (Cyan-Magenta-Gelb-Grün). Rot, Grün und Blau sind die Grundfarben, und ihre verschiedenen Kombinationen können die Mehrheit der vom menschlichen Auge wahrgenommenen Farben ausmachen.

Das Bayer-Filter (oder Bayer-Array), das aus abwechselnden Reihen von Rot-Grün- und Blaugrün-Filtern besteht, ist das am häufigsten verwendete RGB-Farbfilter (siehe Abb. 2). Der Bayer-Filter enthält doppelt so viele grüne "Zellen", weil Das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf Grün als auf Rot oder Blau. Dies bedeutet auch, dass das menschliche Auge mit diesem Farbverhältnis im Filter mehr Details sieht, als wenn drei Farben in gleichen Anteilen im Filter verwendet würden.

Eine andere Möglichkeit, Farben zu filtern (oder zu registrieren), besteht darin, Komplementärfarben zu verwenden - Cyan, Magenta und Gelb. Ein komplementärer Farbfilter wird normalerweise mit einem grünen Farbfilter in Form eines CMYG-Farbarrays kombiniert, wie in Abbildung 2 (rechts) dargestellt. Ein CMYG-Farbfilter bietet normalerweise ein höheres Pixelsignal, weil hat eine größere spektrale Bandbreite. Das Signal muss jedoch zur Verwendung im endgültigen Bild in RGB umgewandelt werden, was eine zusätzliche Verarbeitung erfordert und Rauschen einführt. Dies führt zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis, sodass CMYG-Systeme im Allgemeinen nicht so gut Farben wiedergeben können.

Ein CMYG-Farbfilter wird üblicherweise in Interlaced-Bildsensoren verwendet, während RGB-Systeme hauptsächlich in Progressive-Scan-Bildsensoren verwendet werden.

2. CCD-Technologie

In einem CCD-Sensor wird auf ein Sensorpixel einfallendes Licht (Ladung) vom Chip über einen Ausgangsknoten oder nur über wenige Ausgangsknoten übertragen. Die Ladungen werden in einen Spannungspegel umgewandelt, akkumuliert und als analoges Signal ausgesendet. Dieses Signal wird dann summiert und von einem Analog-Digital-Wandler außerhalb des Sensors in Zahlen umgewandelt (siehe Abbildung 3).

Die CCD-Technologie wurde speziell für die Verwendung in Videokameras erfunden, und CCD-Sensoren werden seit über 30 Jahren verwendet. Traditionell haben CCD-Sensoren gegenüber CMOS-Sensoren eine Reihe von Vorteilen, nämlich eine bessere Lichtempfindlichkeit und ein geringeres Rauschen. In letzter Zeit waren die Unterschiede jedoch kaum spürbar.

Die Nachteile von CCD-Sensoren bestehen darin, dass es sich um analoge Komponenten handelt, die mehr Elektronik „in der Nähe“ des Sensors erfordern, teurer in der Herstellung sind und bis zu 100-mal mehr Strom verbrauchen können als CMOS-Sensoren. Ein erhöhter Stromverbrauch kann auch zu einem Temperaturanstieg in der Kamera selbst führen, was sich nicht nur negativ auf die Bildqualität und die Kosten des Endprodukts, sondern auch auf die Umwelt auswirkt.

CCD-Sensoren erfordern auch eine schnellere Datenübertragung, weil Alle Daten durchlaufen nur einen oder mehrere Ausgangsverstärker. Vergleichen Sie die Abbildungen 4 und 6, in denen die Karten mit CCD- bzw. CMOS-Sensoren dargestellt sind.

3. CMOS-Technologie

In den frühen Tagen wurden herkömmliche CMOS-Chips für die Anzeige verwendet, aber die Bildqualität war aufgrund der geringen Lichtempfindlichkeit der CMOS-Elemente schlecht. Moderne CMOS-Sensoren werden mit speziellerer Technologie hergestellt, was in den letzten Jahren zu einem raschen Anstieg der Bildqualität und Lichtempfindlichkeit geführt hat.

CMOS-Chips haben mehrere Vorteile. Im Gegensatz zu CCD-Sensoren enthalten CMOS-Sensoren Verstärker und Analog-Digital-Wandler, wodurch die Kosten für das Endprodukt erheblich gesenkt werden Es enthält bereits alle notwendigen Elemente, um das Bild zu erhalten. Jedes CMOS-Pixel enthält elektronische Wandler. Im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten CMOS-Sensoren mehr Funktionalität und umfassendere Integrationsmöglichkeiten. Weitere Vorteile sind schnellere Anzeigen, geringerer Stromverbrauch, höhere Störfestigkeit und ein kleineres System.

Allerdings ist die Anwesenheit elektronische Schaltkreise Im Inneren des Chips besteht die Gefahr von strukturierteren Geräuschen wie Streifen. Die Kalibrierung von CMOS-Sensoren während der Herstellung ist ebenfalls schwieriger als bei CCD-Sensoren. Glücklicherweise ermöglicht die derzeitige Technologie die Herstellung selbstkalibrierender CMOS-Sensoren.

Bei CMOS-Sensoren besteht die Möglichkeit, das Bild aus einzelnen Pixeln zu lesen, wodurch das Bild "gefenstert" werden kann, d. H. um die Anzeige nicht des gesamten Sensors, sondern nur seines spezifischen Bereichs zu lesen. Somit ist es möglich, eine hohe Bildrate von einem Teil des Sensors für die nachfolgende digitale PTZ-Verarbeitung (Schwenken / Neigen / Zoomen, Schwenken / Neigen / Zoomen) zu erhalten. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Videostreams von einem CMOS-Sensor zu übertragen und mehrere "virtuelle Kameras" zu simulieren.

4. HDTV- und Megapixel-Kameras

Megapixel-Sensoren und HDTV ermöglichen es digitalen IP-Kameras, eine höhere Bildauflösung als analoge CCTV-Kameras bereitzustellen, d.h. Sie bieten eine großartige Möglichkeit, Details zu erkennen und Personen und Objekte zu identifizieren - ein Schlüsselfaktor bei der Videoüberwachung. Eine Megapixel-IP-Kamera hat mindestens die doppelte Auflösung einer analogen CCTV-Kamera. Megapixel-Sensoren sind Schlüsselmerkmale in hochauflösenden Fernseh-, Megapixel- und Multi-Megapixel-Kameras. Und kann verwendet werden, um extrem hohe Bilddetails und Multi-Streaming-Videos bereitzustellen.

Megapixel-CMOS-Sensoren sind weiter verbreitet und viel billiger als Megapixel-CCD-Sensoren, obwohl auch recht teure CMOS-Sensoren verfügbar sind.

Es ist schwierig, einen schnellen Megapixel-CCD-Sensor herzustellen, was natürlich ein Nachteil ist, und daher ist es schwierig, eine Multi-Megapixel-Kamera unter Verwendung der CCD-Technologie herzustellen.

Die meisten Sensoren in Megapixel-Kameras haben im Allgemeinen eine ähnliche Bildgröße wie VGA-Sensoren mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel. Ein Megapixel-Sensor enthält jedoch mehr Pixel als ein VGA-Sensor, sodass die Größe jedes Pixels in einem Megapixel-Sensor kleiner ist als ein Pixel in einem VGA-Sensor. Die Folge davon ist eine geringere Lichtempfindlichkeit jedes Pixels in einem Megapixel-Sensor.

Auf die eine oder andere Weise steht der Fortschritt nicht still. Megapixel-Sensoren entwickeln sich schnell und ihre Lichtempfindlichkeit nimmt ständig zu.

5. Hauptunterschiede

CMOS-Sensoren enthalten Verstärker, A / D-Wandler und häufig Chips für die zusätzliche Verarbeitung, während in einer CCD-Kamera die meisten Signalverarbeitungsfunktionen außerhalb des Sensors ausgeführt werden. CMOS-Sensoren verbrauchen weniger Strom als CCD-Sensoren, was bedeutet, dass eine niedrigere Temperatur in der Kamera aufrechterhalten werden kann. Eine erhöhte Temperatur von CCD-Sensoren kann die Interferenz erhöhen. Andererseits können CMOS-Sensoren unter strukturiertem Rauschen (Bändern usw.) leiden.

CMOS-Sensoren unterstützen Bildfensterung und Multi-Stream-Video, was mit CCD-Sensoren nicht möglich ist. CCD-Sensoren haben normalerweise einen A / D-Wandler, während bei CMOS-Sensoren jedes Pixel einen hat. Das schnellere Auslesen in CMOS-Sensoren ermöglicht die Verwendung bei der Herstellung von Multimegapixel-Kameras.

Moderne technologische Fortschritte verwischen den Empfindlichkeitsunterschied zwischen CCD- und CMOS-Sensoren.

6. Fazit

CCD- und CMOS-Sensoren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, aber die Technologie entwickelt sich schnell weiter und die Situation ändert sich ständig. Die Frage, ob eine Kamera mit einem CCD-Sensor oder einem CMOS-Sensor ausgewählt werden soll, spielt keine Rolle mehr. Diese Wahl hängt nur von den Anforderungen des Kunden an die Bildqualität des Videoüberwachungssystems ab.

Das CCD ist ein ladungsgekoppeltes Gerät (CCD - Gerät mit Ladungsrückmeldung). Diese Art von Matrix wurde ursprünglich als qualitativ hochwertiger, aber auch teurer und energieintensiver angesehen. Wenn Sie das Grundprinzip der CCD-Matrix auf den Punkt bringen, wird das gesamte Bild in einer analogen Version erfasst und erst dann digitalisiert.

Im Gegensatz zu CCD-Matrizen digitalisieren CMOS-Matrizen (komplementärer Metalloxid-Halbleiter, CMOS) jedes Pixel an Ort und Stelle. CMOS-Matrizen waren anfangs weniger energieaufwendig und billig, insbesondere bei der Herstellung großer Matrizen, aber sie waren CCD-Matrizen in ihrer Qualität unterlegen.

Die Vorteile von CCD-Matrizen umfassen:

Niedriger Geräuschpegel.
Hoher Pixelfüllfaktor (ca. 100%).
Hohe Effizienz (das Verhältnis der Anzahl der registrierten Photonen zu ihrer Gesamtzahl, die auf den lichtempfindlichen Bereich der Matrix trifft, für eine CCD - 95%).
groß dynamikbereich (Empfindlichkeit).

Die Nachteile von CCD-Matrizen umfassen:

Das komplexe Prinzip des Lesens des Signals und damit der Technologie.
Hoher Stromverbrauch (bis zu 2-5W).
Teurer in der Herstellung.

Vorteile von CMOS-Matrizen:

Hohe Leistung (bis zu 500 Bilder / s).
Geringer Stromverbrauch (fast 100-fach im Vergleich zu CCD).
Billiger und einfacher herzustellen.
Perspektiven der Technologie (auf demselben Kristall kostet es im Prinzip nichts, alle erforderlichen zusätzlichen Schaltungen zu implementieren: Analog-Digital-Wandler, Prozessor, Speicher, wodurch eine vollständige Digitalkamera auf einem Kristall erhalten wird. Übrigens arbeiten sie seit 2002 zusammen, um ein solches Gerät zu entwickeln Samsung Electronics und Mitsubishi Electric).

Die Nachteile von CMOS-Matrizen umfassen

Niedriger Pixelfüllfaktor, der die Empfindlichkeit verringert (die effektive Pixeloberfläche beträgt ~ 75%, der Rest wird von Transistoren belegt).
Ein hoher Rauschpegel (verursacht durch die sogenannten Tempo-Ströme - auch ohne Beleuchtung fließt ein ziemlich erheblicher Strom durch die Fotodiode), dessen Kampf die Kosten der Technologie verkompliziert und erhöht.
Niedriger Dynamikbereich.

Einführung in Bildsensoren

Wenn das Bild durch die Linse eines Camcorders aufgenommen wird, tritt Licht durch die Linse und trifft auf den Bildsensor. Ein Bildsensor oder eine Matrix besteht aus vielen Elementen, auch Pixel genannt, die die auf sie fallende Lichtmenge registrieren. Die empfangene Lichtmenge wird durch Pixel in die entsprechende Anzahl von Elektronen umgewandelt. Je mehr Licht auf ein Pixel fällt, desto mehr Elektronen werden erzeugt. Elektronen werden gemäß den Werten des ADC (Analog-Digital-Wandler, A / D-Wandler) in Spannung und dann in Zahlen umgewandelt. Ein aus solchen Zahlen bestehendes Signal wird von elektronischen Schaltkreisen in der Videokamera verarbeitet.

Derzeit gibt es zwei Haupttechnologien, mit denen ein Bildsensor in einer Kamera erstellt werden kann: CCD (Charge-Coupled Device) und CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor). ... Ihre Eigenschaften, Vor- und Nachteile werden in diesem Artikel erörtert. Die folgende Abbildung zeigt die Bildsensoren CCD (oben) und CMOS (unten).

Farbfilterung... Wie bereits oben beschrieben, erfassen Bildsensoren die auf sie einfallende Lichtmenge von hell bis dunkel, jedoch ohne Farbinformationen. Da CMOS- und CCD-Bildsensoren „keine Farbe sehen“, wird vor jedem Sensor ein Filter platziert, um jedem Pixel im Sensor einen Farbton zuzuweisen. Die beiden wichtigsten Farbregistrierungsmethoden sind RGB (Rot-Gier-Blau) und CMYG (Cyan-Magenta-Gelb-Grün). Rot, Grün und Blau sind die Grundfarben, und ihre verschiedenen Kombinationen können die Mehrheit der vom menschlichen Auge wahrgenommenen Farben ausmachen.

Eine andere Möglichkeit, Farben zu filtern (oder zu registrieren), besteht darin, Komplementärfarben wie Cyan, Magenta und Gelb zu verwenden. Ein komplementärer Farbfilter wird typischerweise mit einem grünen Farbfilter in Form eines CMYG-Farbarrays kombiniert, wie in Abbildung 2 (rechts) gezeigt. Ein CMYG-Farbfilter bietet normalerweise ein höheres Pixelsignal, weil hat eine größere spektrale Bandbreite. Das Signal muss jedoch zur Verwendung im endgültigen Bild in RGB umgewandelt werden, was eine zusätzliche Verarbeitung erfordert und Rauschen einführt. Die Folge davon ist eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses, weshalb CMYG-Systeme in der Regel nicht so gut Farben wiedergeben können.

Der CMYG-Farbfilter wird üblicherweise in Interlaced-Bildsensoren verwendet, während RGB-Systeme hauptsächlich in Progressive-Scan-Bildsensoren verwendet werden.

Die lichtempfindliche Matrix ist das wichtigste Element der Kamera. Sie ist es, die das durch die Linse auf sie fallende Licht in elektrische Signale umwandelt. Die Matrix besteht aus Pixeln - einzelnen lichtempfindlichen Elementen. Auf modernen Matrizen erreicht die Gesamtzahl der lichtempfindlichen Elemente 10 Millionen für Amateurgeräte und 17 Millionen für professionelle. Ein N-Megapixel-Sensor enthält N Millionen Pixel. Je mehr Pixel sich auf dem Sensor befinden, desto detaillierter ist das Foto.

Jedes lichtempfindliche Element ist ein lichtgeladener Kondensator. Je mehr der Kondensator aufgeladen wird, desto heller fällt das darauf fallende Licht oder desto länger ist er dem Licht ausgesetzt. Das Problem ist, dass sich die Ladung eines Kondensators nicht nur unter dem Einfluss von Licht ändern kann, sondern auch durch die thermische Bewegung von Elektronen im Matrixmaterial. In einige Pixel gelangen mehr thermische Elektronen, in einige weniger. Das Ergebnis ist digitales Rauschen. Wenn Sie beispielsweise einen blauen Himmel aufnehmen, sieht das Bild möglicherweise so aus, als bestünde es aus Pixeln mit leicht unterschiedlichen Farben, und ein Bild, das mit geschlossenem Objektiv aufgenommen wurde, besteht nicht nur aus schwarzen Punkten. Je kleiner die geometrische Größe der Matrix bei gleicher Anzahl von Megapixeln ist, desto höher ist das Rauschen und desto schlechter ist die Bildqualität.

Bei kompakten digitalen Geräten wird die Größe der Matrix normalerweise als Bruchteil angegeben und in Zoll gemessen. Interessanterweise stimmt der resultierende Wert nicht mit den tatsächlichen Abmessungen der Matrix überein, wenn Sie versuchen, diesen Bruch zu berechnen und von Zoll in Millimeter umzurechnen. Dieser Widerspruch trat historisch auf, als die Größe des sendenden Fernsehgeräts (Vidicon) auf ähnliche Weise bezeichnet wurde. Bei digitalen Spiegelreflexkameras wird die Größe der Matrix entweder direkt in Millimetern oder als Zuschneidefaktor angegeben - eine Zahl, die angibt, wie oft diese Größe kleiner ist als ein Rahmen eines Standardfilms mit 24 x 36 mm.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Matrizen ist, dass die Matrix mit N Megapixeln wirklich N Megapixel enthält, und außerdem besteht das Bild aus dieser Matrix auch aus N Megapixeln. Sie sagen, was ist daran so seltsam? Und das Seltsame ist, dass jedes Bild im Bild aus drei Farben besteht: Rot, Grün und Blau. Es scheint, dass auf der Matrix jedes Pixel auch aus drei lichtempfindlichen Elementen bestehen sollte, rot, grün und blau. In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall. Jedes Pixel besteht nur aus einem Element. Woher kommt dann die Farbe? Tatsächlich wird auf jedes Pixel ein Filter angewendet, so dass jedes Pixel nur eine der Farben wahrnimmt. Die Filter wechseln sich ab - das erste Pixel nimmt nur Rot, das zweite nur Grün und das dritte nur Blau wahr. Nach dem Lesen der Informationen aus der Matrix wird die Farbe für jedes Pixel aus den Farben dieses Pixels und seiner Nachbarn berechnet. Natürlich verzerrt diese Methode das Bild geringfügig, aber der Farbberechnungsalgorithmus ist so konzipiert, dass die Farbe kleiner Details verzerrt werden kann, nicht jedoch deren Helligkeit. Und für das menschliche Auge ist beim Betrachten des Bildes die Helligkeit wichtiger als die Farbe dieser Details, daher sind diese Verzerrungen fast unsichtbar. Diese Struktur wird nach dem Namen des Kodak-Ingenieurs, der diese Filterstruktur patentiert hat, als Bayer-Muster bezeichnet.

Die meisten modernen lichtempfindlichen Sensoren, die in kompakten Digitalkameras verwendet werden, verfügen über zwei oder drei Betriebsarten. Der Hauptmodus wird für die Fotografie verwendet und ermöglicht das Lesen eines Bildes mit maximaler Auflösung aus der Matrix. Dieser Modus erfordert das Fehlen jeglicher Beleuchtung der Matrix während des Auslesens des Rahmens, was wiederum das obligatorische Vorhandensein eines mechanischen Verschlusses erfordert. In einem anderen Hochgeschwindigkeitsmodus können Sie ein Vollbild mit einer Frequenz von 30 Mal pro Sekunde, jedoch mit einer reduzierten Auflösung, aus der Matrix lesen. Dieser Modus erfordert keinen mechanischen Verschluss und wird für die Vorschau und Videoaufnahme verwendet. Im dritten Modus können Sie das Bild doppelt so schnell lesen, jedoch nicht aus dem gesamten Bereich der Matrix. Dieser Modus wird für den Autofokusbetrieb verwendet. In SLR-Digitalkameras verwendete Matrizen verfügen nicht über Hochgeschwindigkeitsmodi.

Aber nicht alle lichtempfindlichen Matrizen sind so ausgelegt. Sigma produziert Foveon-Matrizen, bei denen jedes Pixel tatsächlich aus drei kerzensensitiven Elementen besteht. Diese Matrizen haben deutlich weniger Megapixel als ihre Konkurrenten, aber die Bildqualität dieser Matrizen ist den Konkurrenten mit mehreren Megapixeln praktisch nicht unterlegen.

Fujis SuperCCDs haben eine weitere interessante Funktion. Die Pixel in diesen Matrizen sind sechseckig und wie eine Wabe angeordnet. Einerseits erhöht sich in diesem Fall die Empfindlichkeit aufgrund der größeren Fläche des Pixels, andererseits ist es unter Verwendung eines speziellen Interpolationsalgorithmus möglich, bessere Bilddetails zu erhalten.

In diesem Fall können Sie durch Interpolation die Bilddetails verbessern, im Gegensatz zu Geräten anderer Hersteller, bei denen das Bild aus einer Matrix mit der üblichen Anordnung von Pixeln interpoliert wird. Der grundlegende Unterschied zwischen diesen Matrizen besteht darin, dass der Pixelabstand halb so groß ist wie der der Pixel selbst. Auf diese Weise können Sie die Detailgenauigkeit des Bildes entlang der vertikalen und horizontalen Linien erhöhen. Gleichzeitig haben gewöhnliche Sensoren bessere diagonale Details, aber in realen Bildern gibt es normalerweise weniger diagonale Linien als vertikale oder horizontale.

Interpolation - ein Algorithmus zur Berechnung fehlender Werte aus benachbarten Werten. Wenn wir wissen, dass die Außentemperatur um 8 Uhr morgens +16 Grad betrug und um 10 Uhr auf +20 Grad anstieg, würden wir uns nicht irren, wenn wir annehmen, dass die Temperatur um 9 Uhr morgens etwa +18 Grad betrug.

Bei einem CCD-Sensor wird das auf das Sensorpixel einfallende Licht (Ladung) von der Mikroschaltung über einen Ausgangsknoten oder nur über wenige Ausgangsknoten übertragen. Die Ladungen werden in Spannungspegel umgewandelt, akkumuliert und als analoges Signal ausgesendet. Dieses Signal wird dann summiert und von einem Analog-Digital-Wandler außerhalb des Sensors in Zahlen umgewandelt (siehe Abb. 3).

Die CCD-Technologie wurde speziell für den Einsatz in Videokameras erfunden und CCD-Sensoren werden seit 30 Jahren eingesetzt. Traditionell haben CCD-Sensoren gegenüber CMOS-Sensoren eine Reihe von Vorteilen, nämlich eine bessere Lichtempfindlichkeit und ein geringeres Rauschen. In letzter Zeit waren die Unterschiede jedoch kaum spürbar.

Die Nachteile von CCD-Sensoren bestehen darin, dass es sich um analoge Komponenten handelt, die mehr Elektronik „in der Nähe“ des Sensors erfordern, teurer in der Herstellung sind und bis zu 100-mal mehr Strom verbrauchen können als CMOS-Sensoren. Ein erhöhter Stromverbrauch kann auch zu einem Temperaturanstieg in der Kamera selbst führen, was sich nicht nur negativ auf die Bildqualität auswirkt und die Kosten des Endprodukts erhöht, sondern auch den Grad der Umweltbelastung.

CCD-Sensoren erfordern auch eine schnellere Datenübertragung als Alle Daten durchlaufen nur einen oder mehrere Ausgangsverstärker. Vergleiche die Abbildungen 4 und 6 mit CCD- bzw. CMOS-Sensorplatinen.

CMOS-Chips haben mehrere Vorteile. Im Gegensatz zu CCD-Sensoren enthalten CMOS-Sensoren Verstärker und Analog-Digital-Wandler, wodurch die Kosten für das Endprodukt erheblich gesenkt werden Es enthält bereits alle notwendigen Elemente, um ein Bild zu erhalten. Jedes CMOS-Pixel enthält elektronische Wandler. Im Vergleich zu CCD-Sensoren bieten CMOS-Sensoren mehr Funktionalität und umfassendere Integrationsmöglichkeiten. Weitere Vorteile sind ein schnelleres Auslesen, ein geringerer Stromverbrauch, eine hohe Störfestigkeit und eine kleinere Systemgröße.

Das Vorhandensein elektronischer Schaltungen im Chip birgt jedoch das Risiko strukturierterer Störungen wie Streifen. Die Kalibrierung von CMOS-Sensoren während der Herstellung ist ebenfalls schwieriger als bei CCD-Sensoren. Glücklicherweise ermöglicht die derzeitige Technologie die Herstellung selbstkalibrierender CMOS-Sensoren.

Bei CMOS-Sensoren besteht die Möglichkeit, das Bild aus einzelnen Pixeln zu lesen, wodurch das Bild "gefenstert" werden kann, d. H. die Anzeige nicht des gesamten Sensors, sondern nur seines bestimmten Bereichs zu lesen. Somit ist es möglich, eine höhere Bildrate von einem Teil des Sensors für die nachfolgende digitale PTZ-Verarbeitung (Schwenken / Neigen / Zoomen, Schwenken / Neigen / Zoomen) zu erhalten. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Videostreams von einem CMOS-Sensor zu übertragen und mehrere "virtuelle Kameras" zu simulieren.

HDTV- und Megapixel-Kameras

Megapixel-Sensoren und HDTV ermöglichen es digitalen IP-Kameras, eine höhere Bildauflösung als analoge CCTV-Kameras bereitzustellen, d.h. Sie bieten eine großartige Möglichkeit, Details zu erkennen und Personen und Objekte zu identifizieren - ein Schlüsselfaktor bei der Videoüberwachung. Die Megapixel-IP-Kamera hat im Vergleich zu einer analogen CCTV-Kamera mindestens die doppelte Auflösung. Megapixel-Sensoren sind Schlüsselelemente in hochauflösenden Fernseh-, Megapixel- und Multi-Megapixel-Kameras. Und kann verwendet werden, um extrem detailreiche Bilder und Multi-Streaming-Videos bereitzustellen.

Megapixel-CMOS-Sensoren sind weiter verbreitet und viel billiger als Megapixel-CCD-Sensoren, obwohl es auch recht teure CMOS-Sensoren gibt.

Auf die eine oder andere Weise steht der Fortschritt nicht still. Megapixel-Sensoren entwickeln sich schnell und ihre Lichtempfindlichkeit nimmt ständig zu.

Die Hauptunterschiede zwischen CMOS und CCD

CMOS-Sensoren enthalten Verstärker, A / D-Wandler und häufig Mikroschaltungen für die zusätzliche Verarbeitung, während in einer Kamera mit einem CCD-Sensor die meisten Signalverarbeitungsfunktionen außerhalb des Sensors ausgeführt werden. CMOS-Sensoren verbrauchen weniger Strom als CCD-Sensoren, was bedeutet, dass eine niedrigere Temperatur in der Kamera aufrechterhalten werden kann. Eine erhöhte Temperatur von CCD-Sensoren kann die Interferenz erhöhen. Andererseits können CMOS-Sensoren unter strukturiertem Rauschen (Bändern usw.) leiden.

CMOS-Sensoren unterstützen Bildfensterung und Multi-Stream-Video, was mit CCD-Sensoren nicht möglich ist. CCD-Sensoren haben normalerweise einen A / D-Wandler, während bei CMOS-Sensoren jedes Pixel diesen besitzt. Durch schnelleres Auslesen in CMOS-Sensoren können diese bei der Herstellung von Multimegapixel-Kameras verwendet werden.

Moderne technologische Fortschritte verwischen den Empfindlichkeitsunterschied zwischen CCD- und CMOS-Sensoren.

Fazit

Die Kameramatrix übernimmt die Funktion der Digitalisierung der Lichtparameter auf ihrer Oberfläche. Heute hat sich der Markt für Fotoausrüstung in zwei Lager aufgeteilt: Geräte mit einer CMOS-Matrix und Geräte mit einer CCD-Matrix. Es ist nicht möglich, über die Priorität einer Technologie gegenüber einer anderen zu sprechen, obwohl der Anteil von CMOS in Verkaufsberichten etwas höher ist. Dies erklärt sich jedoch aus den objektiven Anforderungen des Benutzers und nicht aus den Eigenschaften der Matrizen selbst. Bei der Auswahl spielen oft die Kosten eine entscheidende Rolle.

Definition

CCD-Matrix - eine Mikroschaltung, die aus lichtempfindlichen Fotodioden besteht und auf Siliziumbasis erzeugt wird. Der Betrieb basiert auf dem Funktionsprinzip einer ladungsgekoppelten Vorrichtung.

CMOS-Sensor- eine Mikroschaltung, die auf der Basis von Feldeffekttransistoren mit einem isolierten Gate mit Kanälen unterschiedlicher Leitfähigkeit erstellt wurde.

Vergleich

Der Hauptunterschied zwischen CMOS und CCDs liegt in völlig unterschiedlichen Funktionsprinzipien. CCD digitalisiert das empfangene analoge Bild, CMOS digitalisiert jedes Pixel des Bildes auf einmal. Etwas detaillierter: Die elektrische Ladung in den Pixeln (LEDs) der CCD-Matrix wird in ein elektrisches Potential umgewandelt, in einem analogen Verstärker außerhalb des lichtempfindlichen Sensors verstärkt und erst dann mittels eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert. Die elektrische Ladung in den Pixeln der CMOS-Matrix wird in Kondensatoren akkumuliert, von denen das elektrische Potential entfernt, auf einen analogen Verstärker übertragen und mittels desselben Wandlers digitalisiert wird. Einige neuere CMOS-Sensoren verfügen über analoge Signalverstärker, die direkt in das Pixel integriert sind.

Ein weiterer wichtiger Punkt: Die Anzahl der Verstärker für CCD- und CMOS-Matrizen ist unterschiedlich. In letzterem gibt es mehr Verstärker, da die Bildqualität während des Durchgangs des Signals etwas verringert ist. Daher wird CCD bei der Erstellung von Fotoausrüstung verwendet, mit der Bilder mit einem hohen Detaillierungsgrad erstellt werden können, beispielsweise für Forschungs-, medizinische und industrielle Zwecke. Wir begegnen CMOS jeden Tag: Die meisten Kameras in der mobilen Elektronik basieren auf solchen Matrizen.

Die Qualität des resultierenden Bildes hängt von einem weiteren Umstand ab - der Dichte der Fotodioden. Je näher sie sind, desto weniger Bereiche der Matrix verschwinden in dem leeren Raum. CCD bietet nur ein Layout ohne Lücken zwischen Fotodioden, während es in CMOS Transistoren gibt.

CCDs sind viel teurer als CMOS und verbrauchen mehr Strom. Daher ist es unpraktisch, sie dort zu installieren, wo eine ausreichende Bildqualität nahe am Durchschnitt vorliegt. CCD-Matrizen haben eine hohe Empfindlichkeit, ihr Pixelfüllungsgrad ist höher und erreicht fast 100%, der Rauschpegel ist niedrig. CMOS-Matrizen bieten ein hohes Leistungsniveau, sind jedoch CCDs in Bezug auf Empfindlichkeit und Rauschen unterlegen. Die CCD-Technologie ermöglicht im Gegensatz zu CMOS keine Serienaufnahmen oder Videoaufnahmen. Daher ist ihre Verwendung in der mobilen Elektronik beispielsweise nicht durch den Zweck der Geräte selbst gerechtfertigt. Sagen wir einfach, CCD ist eine Matrix für professionelle Fotoausrüstung.

Schlussfolgerungen Website

CCD ist ein Array auf Siliziumbasis, das als ladungsgekoppelte Vorrichtung fungiert. CMOS ist ein Feldeffekttransistorarray.
Das analoge Signal im CCD wird außerhalb des lichtempfindlichen Sensors in der CMOS-Matrix konvertiert - direkt im Pixel.
Die Bildqualität von CCD ist höher als von CMOS.
CCD verbraucht mehr Energie.
Mit CMOS können Sie Videos aufnehmen und Serienbilder aufnehmen.
CMOS ist in der mobilen Elektronik weit verbreitet.

In den vergangenen Jahren CCD(ladungsgekoppelte Vorrichtung,CCD - Gerät mit Ladefeedback) und CMOS(komplementärer Metalloxid-Halbleiter,Komplementäre CMOS-Logik auf Metalloxid-Halbleitertransistoren) Matrizen sind in einem Zustand der Rivalität miteinander, aber der Kampf dauert noch an und der Gewinner steht noch nicht fest.

Es werden ständig Tests und verschiedene Experimente durchgeführt, bei denen die Stärken und Schwächen dieser Technologien deutlich werden. In einem früheren Artikel Was ist ein Kamerasensor? Wir haben über beide Technologien gesprochen, aber in diesem Beitrag betrachten wir Matrizen aus einer wissenschaftlichen Perspektive.

Vor- und Nachteile von CMOS-Sensoren

Der Hauptgrund, warum Kameras mit CMOS-Sensoren hergestellt wurden, sind die günstigen Herstellungskosten, der geringe Stromverbrauch (fast 100-fach) und die hohe Geschwindigkeit.

CMOS-Matrizen können Zellen zufällig lesen, und in einer CCD-Matrix erfolgt das Lesen von allen Zellen gleichzeitig.

Dank dieser Lesemethode haben CMOS-Matrizen nicht den sogenannten „Schmiereffekt“, den CCD-Matrizen haben, und erscheinen im Rahmen als vertikale „Lichtsäulen“ von hellen Punktobjekten wie der Sonne, hellen Glühbirnen ...

Trotz der Vorteile hat die CMOS-Technologie ihre Nachteile. Geringe Größe des lichtempfindlichen Elements im Vergleich zum Pixelbereich. Der größte Teil des Bereichs wird von in das Pixel eingebetteter Elektronik belegt. Der kleine Bereich des lichtempfindlichen Elements spiegelt sich in einer geringen Empfindlichkeit wider, und die Vorverstärkung des Signals führt zu einer Zunahme des Bildrauschens.

Die Technologie verbessert sich jedoch und im Laufe der Zeit kann CMOS erfolgreich mit CCDs konkurrieren.

Diese Technologie hat auch einen sogenannten Effekt Rolltor... Dieser Effekt ist mit dem Lesen des Signals in CMOS-Matrizen verbunden, und hier wird der Rahmen Zeile für Zeile gelesen.

Rolltorder Effekt wird hauptsächlich beim Aufnehmen sich schnell bewegender Objekte oder beim Aufnehmen einer Straße von einem Auto aus beobachtet. Sie können sehen, dass vertikale Objekte schief sind.

Dies geschieht, weil zuerst die oberen und dann die unteren Zeilen der Matrix gelesen werden. Während dieser Zeit haben Sie jedoch bereits eine spürbare Strecke zurückgelegt, sodass der Baum im resultierenden Video nicht mehr gerade, sondern schräg ist.

Vor- und Nachteile von CCD-Matrizen

CCD-Sensoren gibt es schon seit vielen Jahren, daher hat sich die CCD-Technologie im Laufe der Zeit weiterentwickelt und bietet gegenüber CMOS-Sensoren immer noch mehrere Vorteile. CCD-Matrizen verfügen über einen fortschrittlicheren elektronischen Verschluss, der für die Erfassung schneller Bewegungen (Bewegungen) sehr wichtig ist.
Es hat auch einen niedrigen Rauschpegel, eine gute Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich und schießt sehr gut bei schlechten Lichtverhältnissen.

CCD-Sensoren haben keine Vibrationen und rolltorder Effekt, der CMOS vertraut ist. Sehen Sie sich beispielsweise das Video an, in dem CCD- und CMOS-Sensoren verglichen werden.

Kameras mit CCD-Sensoren werden heute praktisch nicht mehr hergestellt, aber in naher Zukunft wird es einen weiteren Kampf geben - CMOS gegen Foveon.

Im Moment ist die CMOS-Technologie der CCD in keiner Weise unterlegen und entwickelt sich jeden Tag weiter. Es ist sehr schwierig, das Bild einer Matrix von einer anderen zu unterscheiden, obwohl es viele Menschen gibt, die hartnäckig für CMOS werben und umgekehrt.

Über die Auswahl einer Videokamera für eine Familie haben wir über Matrizen geschrieben. Dort haben wir dieses Thema leicht angesprochen, aber heute werden wir versuchen, beide Technologien detaillierter zu beschreiben.

Was ist eine Matrix in einem Camcorder? Dies ist eine Mikroschaltung, die ein Lichtsignal in ein elektrisches umwandelt. Heute gibt es zwei Technologien 2 Arten von Matrizen - CCD (CCD) und CMOS (CMOS)... Sie unterscheiden sich voneinander, jeder hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Es ist unmöglich sicher zu sagen, welches besser und welches schlechter ist. Sie entwickeln sich parallel. Wir werden nicht auf technische Details eingehen, weil Sie werden trivial unverständlich sein, aber im Allgemeinen werden wir ihre wichtigsten Vor- und Nachteile definieren.

CMOS-Technologie (CMOS)

CMOS-Matrizen In erster Linie mit geringem Stromverbrauch, was ein Plus ist. Ein Camcorder mit dieser Technologie hält etwas länger (abhängig von der Akkukapazität). Aber das sind Kleinigkeiten.

Der Hauptunterschied und Vorteil ist das zufällige Lesen der Zellen (im CCD wird das Lesen gleichzeitig durchgeführt), wodurch eine Unschärfe des Bildes ausgeschlossen wird. Haben Sie jemals "vertikale Lichtsäulen" von hellen Punktobjekten gesehen? CMOS-Matrizen schließen daher die Möglichkeit ihres Auftretens aus. Und darauf basierende Kameras sind auch billiger.

Es gibt auch Nachteile. Die erste ist die geringe Größe des lichtempfindlichen Elements (im Verhältnis zur Pixelgröße). Hier wird der größte Teil der Pixelfläche von der Elektronik belegt, daher wird die Fläche des lichtempfindlichen Elements reduziert. Folglich nimmt die Empfindlichkeit der Matrix ab.

weil Die elektronische Verarbeitung wird an einem Pixel ausgeführt, dann nimmt das Bildrauschen zu. Dies ist ebenso ein Nachteil wie die geringe Scanzeit. Aus diesem Grund tritt der Effekt eines "Rolling Shutter" auf: Wenn sich der Bediener bewegt, kann das Objekt im Rahmen verzerrt sein.

CCD-Technologie (CCD)

Camcorder mit CCD-Matrix liefern qualitativ hochwertige Bilder. Optisch ist bei mit einem CCD-Camcorder aufgenommenen Videos im Vergleich zu mit einer CMOS-Kamera aufgenommenen Videos weniger Rauschen zu erkennen. Dies ist der allererste und wichtigste Vorteil. Und noch etwas: Die Effizienz von CCD-Matrizen ist einfach unglaublich: Der Füllfaktor nähert sich 100%, der Anteil der registrierten Photonen beträgt 95%. Nehmen Sie das normale menschliche Auge - hier beträgt das Verhältnis ungefähr 1%.

Hoher Preis und hoher Stromverbrauch sind die Nachteile dieser Matrizen. Die Sache ist, der Aufnahmevorgang ist hier unglaublich schwierig. Die Bildfixierung erfolgt dank vieler zusätzlicher Mechanismen, die in CMOS-Matrizen nicht verfügbar sind. Daher ist die CCD-Technologie erheblich teurer.

CCD-Matrizen werden in Geräten verwendet, von denen es erforderlich ist, ein farbiges und qualitativ hochwertiges Bild zu erhalten, und die möglicherweise dynamische Szenen aufnehmen. Dies sind größtenteils professionelle Camcorder, aber auch Haushalts-Camcorder. Dies sind auch Überwachungssysteme, Digitalkameras usw.

CMOS-Matrizen werden dort eingesetzt, wo keine besonders hohen Anforderungen an die Bildqualität gestellt werden: Bewegungssensoren, kostengünstige Smartphones ... Dies war jedoch zuvor der Fall. Moderne CMOS-Matrizen weisen verschiedene Modifikationen auf, was sie von sehr hoher Qualität und im Wettbewerb mit CCD-Matrizen würdig macht.

Jetzt ist es schwierig zu beurteilen, welche Technologie besser ist, da beide hervorragende Ergebnisse zeigen. Daher ist es zumindest albern, den Matrixtyp als einziges Auswahlkriterium anzugeben. Es sind viele Merkmale zu berücksichtigen.

Bitte bewerten Sie den Artikel: