百万像素摄像机将以CMOS技术为主

摄像机图像传感器应用现状

自从上世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后,固体图像传感器便得到了迅速发展,成为传感技术中的一个重要分支,它是PC机多媒体不可缺少的外设,也是监控系统摄像机的核心器件。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网络摄像机,尤以CMOS技术应用居多。其实CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步,但由于受当时工艺水平的限制,CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够,因而没有得到重视和发展,通常用于一些电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品等设备上,以至于CMOS成了低端的代名词。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素多等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器过去存在的缺点,现在都可以找到办法克服,而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的,因而它再次成为近年来研究的热点。现在CMOS图像传感器不但应用于市场上千万像素级的中高端DSLR单反相机,也成为安防监控行业百万像素网络摄像机首选图像传感器件。

CMOS和CCD技术的差异

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。

CMOS VS CCD
CMOS传感器与CCD传感器工作原理差异

比较 CCD 和 CMOS 的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说,CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的电荷信号依序传入“缓冲器”中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。

CMOS和CCD传感器比较

由于构造上的基本差异,我们可以看出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

项目 CCD CMOS
设计 单一感光器 感光器连接放大器
灵敏度 等同面积下高 感光开口小,灵敏度低
成本 线路品质影响程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低
解析度 连接复杂度低,解析度高 新CMOS技术具有极高解析度
噪点比 单一放大,噪点低 百万放大,噪点高
功耗比 需外加电压,功耗高 直接放大,功耗低
信息读取方式 需外部电路控制,复杂 直接读取电流(或电压)信号,简单
速度 速度慢 快速,是CCD10倍以上

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500万像素专业级逐行扫描CMOS图像传感器元件作为我们IP摄像机的高清信号采集。

为什么目前百万像素高清摄像机以CMOS为主?

目前,百万像素高清网络摄像机通常采用CMOS技术作为图像传感器。业内有一个普遍的偏见认为:CMOS技术还有其不足的地方需要完善,例如照度和信噪比处理。我们估且不讨论CMOS和CCD的优劣,当业内的部分制造商在不断地努力提升模拟摄像机的分辨力线数到580线、600线的时候,通过编码器或DVR压缩后却依然只有三、四十万像素左右,像素要想再往上提升难度也越来越大,这不仅是成本问题,模拟信号通过BNC接口(CVBS)传输就只能达到这样的图像效果,因此,模拟摄像机是很难实现百万像素级的高清监控的。

CMOS到底好不好呢?很难说,因为毕竟监控上没有大规模使用过,但是市场上千万像素级的单反相机基本上都是采用CMOS传感器。CMOS传感器直接输出数字信息,避免了多次A/D转换的损耗。而且逐行扫描的CMOS摄像机可以有效地避免隔行扫描摄像机图像的运动模糊和撕裂等问题,画面更加细腻感人。比如AipStar公司采用1/2.5英吋500万像素逐行扫描高分辨率图像传感器来实现720P、1080P高清,用500万像素作为百万像素(两百万像素)的信号源做后期处理,所得到的效果一定是百万像素源所无法媲美的。正是基于此,再配合优质算法和先进的滤波技术,使其IP摄像机具有卓越的图像画质。

对于用户关注的CMOS的照度和噪点等问题,实际上可见光下CMOS的信噪比远高于CCD。一方面,随着国际CMOS大厂的不断改进,CMOS还继续在成像的通透性、对实物的色彩还原能力等方面迎头赶上。研发了感光度增强技术,进而通过使用大尺寸传感器提高开口率,这正是提高CMOS感光能力的最直接办法。即便是在噪音控制方面,有公司将专门的噪声检测算法直接整合于CMOS图像传感器的控制逻辑中。通过这项技术,固定噪声就可以成功剔除了。更何况CMOS的价格远低于CCD设备。另一方面,高清网络摄像机研发厂商也在采用多种技术革新。比如AipStar的高清网络摄像机采用广播级图像处理中的3A控制技术,配合自动光圈镜头,分段多级自动控制曝光、增益和白平衡,可以使图像质量达到广播级的效果。此外,工程商通过点位选择、外部补光这些技巧,可以大大减少环境对图像效果的影响。

此外,从工艺上来讲,CCD每提升100万像素就需要对其生产线进行改造,研发生产的成本比较高。如果CCD尺寸仍然维持在2/3英寸的话,单位电极的间隙就被限制在0.4微米以内,进而导致制造中产生的损品率与生产成本大幅度攀升。

促使人们百万像素高清网络摄像机中将眼光从CCD转向CMOS的成功关键因素是:

  • 1)低电源消耗
  • 2)在芯片上复合有额外的电路
  • 3)低系统成本

CMOS 百万像素摄像机将走向何方?
从上述CMOS特色中我们不难归纳出采用CMOS的发展方向,那就是,依托新的工艺技术、新的封装技术,以及新的制造能力相结合,CMOS器件将以更高的产品集成度提高性能表现。比如,45nm制造工艺已经成功推出,CMOS器件将逐渐采用这一制程。同时,在处理功能上,CMOS也更容易制造芯片。这些还只是CMOS在巩固优势方面的进展。

对于CMOS百万像素高清网络摄像机来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,将是网络摄像机的必要发展方向。目前,在各主力厂商的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,使网络摄像机接近且超过CCD的成像质量。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感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为百万像素高清网络摄像机的核心部件,CMOS图像传感器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势。为适应不同的市场需求。CMOS图像传感器正在向高分辨率、高动态范围、高灵敏度、数字化、多功能化的多元化的细分市场发展。有理由相信,未来高清网络摄像机也将和模拟摄像机一样应用范围也会不断拓宽,高清宽动态、高清低照度、高清感红外、高清高速抓拍、高清一体化、高清智能识别等专业领域的高清网络摄像机将大行其道。

业界分析预测,在2009-2010年,国际上高清视频监控应用市场上,采用CMOS图像传感器的百万像素高清网络摄像机将全面超越采用CCD图像传感器的网络摄像机,可以相信一个崭新的数字高清图像技术时代已经来临。

(声明:文章由 AipStar公司 原创发布,转载请注明出处。谢谢!)

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