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高清時代,CMOS大有可為!

2014-09-16


  視頻監控的核心部分就是圖像傳感器,有CMOS和CCD兩種。高清網絡監控攝像在未來的幾年將成為監控市場的絕對主流。在高清IPC領域,CMOS被大量應用。CMOS相比CCD的優勢:成本、速度、體積。CMOS的發展趨勢:1.更高的分辨率和幀率2.更好的低照效果3.寬動態技術4.低成本百萬像素高清方案。

  在視頻監控攝像機領域里,圖像傳感器是決定圖像分辨率的關鍵因素之一。作為監控攝像機的核心部件,圖像傳感器不僅決定著圖像的質量,同時也是攝像機成本高低的重要因素。目前,CCD和CMOS圖像傳感器在安防監控領域都有著各自的市場份額。在IP監控領域,CMOS比CCD具備更好的圖像性能、更低的成本、更高的集成度、更低的功耗和更快的速度,因而在網絡攝像機中的應用不斷增加,CMOS圖像傳感器將在高清監控中大面積普及。

  CCD與CMOS的技術特點

  據了解,CCD與CMOS的技術特點主要在于成像過程、集成度、功耗、性能指標等方面。

高清時代,CMOS大有可為!

  CCD和CMOS使用相同的光敏材料,因而受光后產生電子的基本原理相同,但是讀取過程不同:CCD是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移,整個電路非常復雜,讀出速率慢;CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號,電路簡單,讀出速率高。

  集成度

  采用特殊制造工藝的CCD讀出電路比較復雜,很難將A/D轉換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上,一般需要多個芯片組合實現,同時還需要一個多通道非標準供電電壓。借助于大規模集成制造工藝,CMOS圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上,多數CMOS圖像傳感器同時具有模擬和數字輸出信號。

  電源、功耗和體積

  CCD需多種電源供電,功耗較大,體積也比較大。CMOS只需一個單電源(3V~5V)供電,其功耗相當于CCD的1/10,高度集成CMOS芯片可以做的相當小。

  性能指標

  CCD技術已經相當成熟,而CMOS正處于蓬勃發展時期,雖然目前高端CMOS圖像質量暫時不如CCD,但有些指標(如傳輸速率等方面)已超過CCD。

  由于CMOS具有諸多優點,國內外許多機構已經應用CMOS圖像傳感器開發出眾多產品。

  CMOS傳感器關鍵技術取得突破

  CMOS傳感器的技術發展跟隨摩爾定律快速發展,尤其是幾年來在市場需求的推動下,關鍵技術不斷取得突破。對于用戶關注的CMOS的照度和噪點等問題,實際上可見光下CMOS的信噪比遠高于CCD。

  一方面,隨著國際 CMOS大廠的不斷改進,CMOS還繼續在成像的通透性、對實物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發了感光度增強技術,進而通過使用大尺寸傳感器提高開口率,這正是提高CMOS感光能力的最直接辦法。即便是在噪音控制方面,有公司將專門的噪聲檢測算法直接整合于CMOS圖像傳感器的控制邏輯中。通過這項技術,固定噪聲就可以成功剔除了。更何況CMOS的價格遠低于CCD設備。另一方面,在ISP中采用多種技術革新,如去噪技術來提升CMOS的噪點問題。

  此外,從工藝上來講,CCD每提升100萬像素就需要對其生產線進行改造,研發生產的成本比較高。如果CCD尺寸仍然維持在2/3英寸的話,單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內,進而導致制造中產生的損品率與生產成本大幅度攀升。

  在各主力廠商的不斷努力下,新的CMOS器件不斷推陳出新,高動態范圍CMOS器件已經出現,這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高分辨率像素的大型 CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對于CCD的停滯不前相比,CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS圖像傳感器正在向高分辨率、高動態范圍、高靈敏度、數字化、多功能化的多元化的細分市場發展。隨著CMOS圖像傳感器技術的不斷進度,CMOS傳感器在安防攝像機的應用會不斷增大。

  隨著CMOS傳感器和ISP芯片技術的快速進步,廣大攝像機廠家將會有更多的功能豐富的方案選擇,CMOS傳感器在安防攝像機中將會得到越來越多的應用。

  CMOS比CCD更適合高清監控

  在標清監控時代,無論是模擬攝像機還是標清網絡攝像機,使用最廣泛的是CCD。而在高清監控時代,情況將會有所改變。盡管CMOS傳感器圖像品質總體上還不如CCD,但它在成本上的優勢對CCD還是造成了非常大的威脅。當然,兩者博弈的結果最終將由性價比決定,誰既能保證比較好的圖像品質又不貴誰就勝出。

  從目前的趨勢來看,CMOS勝出的機會明顯更大。

  一方面,隨著技術的發展,CMOS的靈敏度正在得到快速改善,據悉目前市場上致力于CMOS研究的廠商已經研發出靈敏度性能與CCD接近的720P與1080P專用CMOS器件。另一方面,盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難,這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外,CMOS響應速度比CCD快,因此更適合高清監控的大數據量特點。

  網絡監控系統中使用的CMOS圖像傳感器必須具有相對較高的分辨率,在60幀/秒等高幀率下能夠達到720P或1080P。雖然標準的視頻幀率為30fps,但60fps的幀率為攝像頭廠商提供了更大的靈活性,可以調整快門寬度以擷取場景內快速移動的物體。

  高清視頻監控轉向CMOS圖像傳感器的原因之一是CMOS具有更低功耗的固有特性。功耗更低的CMOS圖像傳感器還綜合了多項省電功能。此外,對于數字或網絡攝像機來說,接口選項的數量增多,千兆位以太網、HDCCTV和同軸線纜IP等都可作為高清視頻的接口選擇。

  因此,盡管CCD攝像機與CMOS攝像機在不同的應用場景下各有優勢,但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升,以及高端CMOS價格的不斷下降,未來高清網絡攝像機將更多選擇CMOS。

  結束語

  隨著CMOS技術的改進,其低照效果和噪聲控制得到了很大的改善,在低照這方面已將達到可以媲美CCD的效果。作為百萬像素高清網絡攝像機的核心部件,CMOS圖像傳感器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢。隨著目前市場上視頻監控系統向高清化與智能化的方向發展,CCD攝像機自身的劣勢已變得越來越突出,而CMOS能更好地適應視頻監控網絡化、集成化、高清化與智能化方向發展的需要。

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