Матриці камер відеоспостереження. На що звертати увагу? Розбираємось у світлочутливих матрицях: CMOS та CCD Порівняння ccd та cmos

Матриця є головним структурним елементом фотоапарата та одним із ключових параметрів, що приймаються до уваги користувачем під час вибору фотокамери. Матриці сучасних цифрових фотоапаратів можна класифікувати за декількома ознаками, але основним і найбільш поширеним все-таки є поділ матриць по методу зчитування заряду, на: матриці CCDтипу та CMOSматриці. У цій статті ми розглянемо принципи роботи, а також переваги та недоліки цих двох типів матриць, оскільки саме вони повсюдно використовуються у сучасних фото- та відеотехніці.

CCD матриця

Матрицю CCDназивають ще ПЗЗ-матрицею(Прилади із зарядовим зв'язком). ПЗЗматриця є прямокутною пластиною світлочутливих елементів (фотодіодів), розташованих на напівпровідниковому кристалі кремнію. В основі принципу її дії лежить построкове переміщення зарядів, які накопичилися в дірах, утворених фотонами в атомах кремнію. Тобто при зіткненні з фотодіодом фотон світла поглинається і при цьому виділяється електрон (відбувається внутрішній фотоефект). В результаті утворюється заряд, який потрібно зберегти якось для подальшої обробки. Для цього в кремнієвій підкладці матриці вбудований напівпровідник, над яким розташовується прозорий електрод з полікристалічного кремнію. І в результаті подачі на даний електрод електричного потенціалу в збідненій зоні під напівпровідником утворюється так звана потенційна яма, в якій зберігається отриманий від фотонів заряд. При зчитуванні з матриці електричного зарядуздійснюється перенесення зарядів (що зберігаються в потенційних ямах) по електродах переносу до краю матриці (послідовний регістр зсуву) і у бік підсилювача, який посилює сигнал і передає його в аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), звідки перетворений сигнал прямує в процесор, який обробляє сигнал та зберігає отримане зображення на картку пам'яті .

Для виготовлення ПЗЗ-матриць використовуються полікремневі фотодіоди. Такі матриці відрізняються невеликими розмірами та дозволяють отримувати досить якісні фотографії під час зйомки з нормальним освітленням.

Переваги ПЗЗ-матриць:

1. Конструкція матриці забезпечує високу щільність розміщення фотоелементів (пікселів) на підкладці;
2. Висока ефективність (ставлення зареєстрованих фотонів до їх загального числа становить близько 95%);
3. Висока чутливість;
4. Хороша передача кольору (при достатньому освітленні).

Недоліки ПЗЗ-матриць:

1. Високий рівень шуму на високих ISO (на низьких ISO, рівень шуму помірний);
2. Низька швидкість роботи порівняно із CMOS-матрицями;
3. Високе енергоспоживання;
4. Більш складна технологія зчитування сигналу, оскільки необхідно багато керуючих мікросхем;
5. Виробництво обходиться дорожче за CMOS-матриць.

CMOS матриця

Матриця CMOS, або КМОП-матриця(Комплементарні Метал-Оксидні Напівпровідники) використовує активні точкові сенсори. На відміну від ПЗЗ-матриць, КМОП-матриця містять окремий транзистор у кожному світлочутливому елементі (пікселі) в результаті перетворення заряду виконується безпосередньо в пікселі. Отриманий заряд може бути зчитаний з кожного пікселя індивідуально, тому відпадає необхідність перенесення заряду (як це відбувається в ПЗЗ-матриці). Пікселі КМОП-матриці інтегрується безпосередньо з аналогово-цифровим перетворювачем або навіть із процесором. Внаслідок застосування такої раціональної технології відбувається економія енергії за рахунок скорочення ланцюжків дій порівняно з матрицями CCD, а також здешевлення пристрою за рахунок більш простої конструкції.

Короткий принцип роботи матриці КМОП: 1) Перед зйомкою на транзистор скидання подається сигнал скидання. 2) Під час експозиції світло проникає через лінзу та фільтр на фотодіод і в результаті фотосинтезу у потенційній ямі накопичується заряд. 3) Зчитується значення отриманої напруги. 4) Обробка даних та збереження зображення.

Переваги КМОП-матриць:

1. Низьке енергоспоживання (особливо в режимах очікування);
2. Висока швидкодія;
3. Вимагає менше витрат при виробництві завдяки схожості технології з виробництвом мікросхем;
4. Єдність технології з іншими цифровими елементамищо дозволяє об'єднати на одному кристалі аналогову, цифрову та обробну частини (тобто, крім захоплення світла в пікселі можна перетворити, обробити та очистити сигнал від шуму).
5. Можливість довільного доступу до кожного пікселя або групи пікселів, що дозволяє зменшити розмір захопленого зображення та збільшити швидкість зчитування.

Недоліки КМОП-матриц:

1. Фотодіод займає малу площу пікселя, в результаті виходить низька світлочутливість матриці, але в сучасних КМОП-матриці цей мінус практично усунений;
2. Наявність теплового шуму від транзисторів, що нагріваються всередині пікселя в процесі зчитування.
3. Відносно великі розміри, фтообладнання з таким типом матриць відрізняється великою вагою та розмірами.

Крім вищезгаданих типів, існують ще тришарові матриці, кожен шар яких є CCD. Відмінність полягає в тому, що осередки можуть одночасно сприймати три кольори, які утворюються дихроїдними призмами при попаданні на них пучка світла. Потім кожен пучок прямує на окрему матрицю. В результаті яскравість синього, червоного та зеленого кольорів визначається на фотоелементі відразу. Тришарові матриці застосовують у відеокамерах високого рівня, які мають спеціальне позначення - 3CCD.

Підсумовуючи хотілося б відзначити, що з розвитком технологій виробництва CCD і CMOS матриць, змінюються і їх характеристики, тому все складніше сказати яка з матриць однозначно краще, але при цьому Останнім часому виробництві дзеркальних фотокамер все більшою популярністю користуються КМОП-матриці. На основі характерних особливостей різних видів матриць можна скласти чітке уявлення, чому професійна фототехніка, що забезпечує високу якість зйомок, досить громіздка і важка. Цю інформацію обов'язково слід пам'ятати при виборі фотоапарата - тобто враховувати фізичні розміри матриці, а не кількість пікселів.

Існують два види матриць - CCD (ПЗЗ) та CMOS (КМОП).

Що це означає й у чому відмінність?

CCD та CMOS сенсори були винайдені в 1960–1970 х роках, і вони прийшли на зміну електронно-променевим відіконам. CCD сенсори спочатку стали домінуючими на ринку, вони були націлені на використання в наукових дослідженнях(як і в промисловості, і медицині) і дозволяли досягти чудової якості зображення, що відповідає рівню технологій того часу. Напівпровідникові виробництва просто не могли розкрити всі можливості CMOS сенсорів на той час. Знову інтерес до виробництва CMOS виник у 90-х роках, оскільки було виявлено необхідність масового виробництва матриць з меншим енергоспоживанням та меншою ціною.

У CCD сенсорі світло, яке потрапляє на піксель, змінює його "електричний" стан. "Інформація" про це передається лише через один вихідний канал (рідше - два). Далі відбувається конвертація в рівень напруги, проходить процедура буферизації та подача на виході – як аналоговий. електричний сигнал. Даний сигнал потім посилюється і конвертується в цифрове значення завдяки аналого-цифровому перетворювачу (АЦП), який знаходиться поза сенсором.

CMOS сенсори завдяки технології виробництва вже включають підсилювачі та АЦП, відповідно процедура отримання зображення дозволяє досягти набагато більшої швидкості читання.

Все це позначається на загальному методі отримання зображення - технологія CCD дозволяє проводити зчитування тільки з одного каналу або максимум двох (і це є пляшковим шийкою цієї технології). Тоді як у сенсорі CMOS цифрові підсилювачі використовуються в кожному окремому пікселі (на даний момент в CMOS сенсорах можуть використовуватися 8 і 16 канальне зчитування). Здавалося б, окреме зчитування кожного пікселя повинно займати більше часу, але так як процеси зчитування в CMOS сенсорах відбуваються паралельно, це дозволяє їм досягти більшої пропускну здатністьпроти CCD сенсорами.

Джерело зображення: dslrclub. ru

Це можна порівняти з дорогою CCD являє собою хорошу, але двох смугову автомагістраль, у той час як CMOS сенсори можна порівняти з восьми або навіть 16 смуговим шосе.

Кожна з технологій має свої особливості

CCD сенсори мають кращу світлочутливість і менше схильні до «цифрового шуму» (дефект зображення, при якому видно пікселі випадкового кольору та яскравості) так як розмір пікселя, як правило, більше, тому що в камерах, що використовують CMOS сенсори, складна електронна схема зменшує розмір пікселя . Як результат - кілька світла потрапляє не на світлочутливі фотодіоди. Саме тому при зйомці з малою кількістю світла рекомендовані камери, які використовують сенсори CCD.

Але тут, слід зазначити, що ще 2009 року, компанія Sonyпрезентувала технологію т.зв. «зворотного підсвічування». Внаслідок цього, CMOS сенсори стали набагато ефективнішими при зйомці зі слабким освітленням та/або малоконтрастних об'єктів. І на даний момент цей недолік CMOS сенсорів був практично нівельований.

CCD сенсори вимагають складнішої електронної схемисупроводу і, як наслідок, це виходить у більш високу вартість готового виробу з їх використанням.

Енергоспоживання CCD сенсорів за деякими розрахунками перевищує таке у сенсорів CMOS аж до 100 разів! (саме завдяки низькому енергоспоживання та компактному розміру CMOS сенсорів вони стали основними на споживчому ринку. Наприклад, всі камери в сучасних мобільних телефонахта планшетах використовують CMOS сенсори). А більш високе енергоспоживання може призвести до проблем тепловиділення, яке не тільки негативно впливає на зображення, але може ще більше збільшити вартість готового виробу (через застосування спеціалізованого охолодження).

У сенсорах CMOS завдяки технології індивідуального читання кожного пікселя можлива робота т.зв. вікна, яке дозволяє виділити певну частину сенсора (зображення) для зчитування замість всієї області сенсора відразу. Це дозволяє досягти високої швидкості зйомки у виділеній області (порівняно з CCD).

У різних типахСенсорами використовуються різні експозиційні принципи: CCD використовують Global shutter, а в CMOS - Rolling Shutter технологій (детальніше, ми розглянемо цю тему в окремій статті).

Отже, враховуючи все сказане вище, якщо Вам:

Необхідна висока швидкість зйомки - Вам потрібні камери з CMOS сенсорами.

Потрібна висока світлочутливість - Вам потрібні камери з CCD сенсорами (або CMOS з технологією «зворотного підсвічування»).

Необхідна мала кількість цифрового шуму - Вам необхідні камери з CCD сенсорами.

Необхідно трохи дешевше рішення - Вам потрібні камери з CMOS сенсорами.

Підводячи підсумок, слід зазначити той факт, що у будь-якому випадку вибір камери повинен залежати саме від сфери застосування, а не лише виходячи з технічних характеристик.

Наші спеціалісти допоможуть підібрати камеру саме під Ваші потреби!

Якість зображення відеокамери багато в чому залежить від світлочутливого сенсора (матриці), що використовується в ній. Адже постав хоч найкращий процесордля оцифрування відео - якщо на матриці отримано погане зображення, хорошим воно вже не стане. Спробую популярно пояснити, на що слід звертати увагу в характеристиках сенсора камери відеоспостереження, щоб потім не було боляче при погляді на зображення.

Тип матриці

В інтернеті ви напевно знайдете інформацію про те, що в камерах відеоспостереження застосовуються CCD (ПЗЗ, прилад із зарядовим зв'язком) та CMOS (КМОП, комплементарна структура метал-оксид-напівпровідник) світлочутливі матриці. Забудьте! Давно залишився лише CMOS, лише хардкор.

CCD матриці, при всіх їх перевагах (краща світлочутливість і перенесення кольорів, менший рівень шумів) – вже практично не використовуються у відеоспостереженні. Тому що сам принцип їхньої дії CCD матриць – послідовне зчитування заряду по осередках – надто повільний, щоб задовольнити запити швидких сучасних відеокамер. високого дозволу. Та й найголовніше CCD дорожче у виробництві, а в умовах сучасного висококонкурентного середовища на рахунку кожна копійка прибутку. Ось чому всі ключові виробники зосередилися на випуску CMOS матриць.

Залишилося виробників, до речі, не так і багато. Найбільшими, станом на початок 2017 року, є компанії: ON Semiconductor Corporation (що свого часу поглинула відому профільну компанію Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics та Sony Corporation. Крім того, матриці для власних потреб робить, наприклад, компанія Canon, Hikvision.

Конкуренцію старим брендам намагаються створити молоді, сповнені ентузіазму і грошей китайські чіпмейкери «другого ешелону», на кшталт компанії SOI (Silicon Optronics, Inc.) та ін. . Але в будь-якому випадку в цьому сегменті не виключена поява нових гравців та загострення боротьби, адже налагодити виробництво CMOS сенсорів не надто складне за сучасними мірками завдання.

Великі світові бренди типу Hikvision або Dahua зазвичай воліють працювати з виробниками матриць першого ешелону або власними. Локальні ж поводяться по-різному. Наприклад, Tecsar навіть у недорогих камерахвикористовує матриці з гарною репутацією від ON Semiconductor, Omnivision та Sony. В асортименті інших “народних” марок, наприклад Berger, широко представлені сенсори SOI і т.д.

Лідерські якості CMOS

CMOS технологія передбачає розміщення електронних компонентів (конденсаторів, транзисторів) безпосередньо у кожному пікселі світлочутливої ​​матриці.

Структура пікселя та CMOS матриці

Це зменшує корисну площу світлочутливого елемента і знижує чутливість плюс активні елементи підвищують рівень власних шумів матриці. Проте технологія дозволяє здійснювати перетворення заряду світлочутливого елемента в електричний сигнал прямо в матриці і набагато швидше сформувати цифровий сигналзображення, що критично для відеокамер. Саме тому CMOS найкраще підходять для камер відеоспостереження, де потрібна швидка зміна кадрів.

Плюс можливість довільного зчитування осередків CMOS матриці дає можливість буквально на льоту змінювати якість і бітрейт одержуваного відео, що неможливо для CCD. А енергоспоживання CMOS-рішень нижче, що теж важливо для компактних камер спостереження.

Хай буде колір

Для отримання кольорового зображення матриця розкладає світловий потік на кольори: червоний, зелений і синій. Для цього використовуються відповідні світлофільтри. Різні виробники варіюють розміщення та кількість світлочутливих елементів різного кольору, але суть від цього не змінюється.

Принцип формування зображення на світлочутливій матриці:

Р – світлочутливий елемент
Т – електронні компоненти

Як влаштований та працює КМОП сенсор камери можна також подивитися на цьому відео від Canon:

CMOS матриці всіх виробників базуються на вищеописаних загальних принципах, відрізняючись лише деталях реалізації на кремнії. Наприклад, у гонитві за дешевизною та надприбутком, чіпмейкери намагаються випускати матриці якомога меншого розміру. Розплата за це неминуча…

Чому великий – це добре

Типорозмір (або інакше формат) матриці зазвичай вимірюють по діагоналі в дюймах і вказують у вигляді дробу, наприклад 1/4", 1/3", 2/3", 1/2 дюйма та ін.

Світлочутлива матриця виробництва ON Semicondactor для камер відеоспостереження

Світлочутлива матриця, встановлена ​​на платі відеокамери

На жаль, більшеформатні матриці в масових камерах відеоспостереження зараз практично не використовуються через дорожнечу і самих матриць, і об'єктивів для них, які повинні мати більші лінзи і, відповідно, габарити та вартість. На сьогодні в камери встановлюють в основному матриці типорозміру 1/2" - 1/4" (це найкрихітніші). Вибираючи камеру, потрібно чітко розуміти, що купуючи ультрадешеву модель з 1/4" матрицею виробництва SOI і крихітним об'єктивом із пластиковими лінзами сумнівної прозорості, ви не зможете створити систему відеоконтролю прийнятної якості, на якій можна було б добре розрізняти невеликі деталі знятих подій, особливо під час зйомки в умовах слабкого освітлення.

Вибираючи камеру з матрицею Sony типорозміру 1/2.8" ви апріорі отримаєте набагато кращий результат за якістю відео, камеру з такою матрицею вже цілком можна використовувати в професійній системі відеоспостереження. І чутливість у такої камери буде свідомо вище, що дозволить краще знімати в умовах слабкої. освітленості: в погану погоду, у сутінках, у напівтемному приміщенні і т.п. матрицю з меншою роздільною здатністю і вищою чутливістю, ніж камеру ультрависокої роздільної здатності з низькою чутливістю матриці на якій через шуми нічого не можна буде толком розрізнити.

Світлочутливість

Світлочутливість матриці визначає можливість її роботи в умовах слабкого навколишнього освітлення. З погляду фізики це виглядає зовсім банально: чим менше світлової енергії достатньо для отримання зображення матрицею, тим вища її світлочутливість. Але! Будемо відверті, гнатися за високою чутливістю вже не варто. Справа в тому, що сучасні камери відеоспостереження переходять у режими «день/ніч», при зниженні освітленості переводячи матрицю в режим чорно-білого зображення з більш високою чутливістю. Плюс автоматичне включення інфрачервоного підсвічування дає камерам можливість чудово знімати навіть у повній темряві. Наприклад, у закритому приміщенні без вікон і з вимкненим світлом, коли про рівень якоїсь зовнішньої освітленості навіть не йдеться. Світлочутливість залишається критичною для камер позбавлених ІЧ підсвічування, але використовувати такі в сучасному відеоспостереженні майже моветон. Хоча корпусні моделі без підсвічування все ще продаються, звісно.

Взагалі правило таке: що вище освітленість, то краще зніме матриця і, відповідно, камера. Тому не рекомендується ставити камери по напівтемних закутках, навіть якщо у них хороша чутливість. Майте на увазі, що у специфікації матриць камер зазвичай вказується мінімальний рівень освітленості, коли можна зафіксувати хоч якесь зображення. Але ніхто не обіцяє, що це зображення буде хоча б прийнятною якістю! Воно буде огидним у 100% випадків, на ньому важко буде щось розібрати. Для досягнення хоча б задовільного результату рекомендується знімати як мінімум при освітленості хоча б у 10-20 разів більше, ніж мінімально допустима для матриці.

Виробники вигадали ряд технічних рішень, щоб покращити чутливість CMOS матриць та знизити втрати світла в процесі фіксації зображення. Для цього в основному використовується один принцип: винести світлочутливий елемент якомога ближче до мікролінзи матриці, що збирає світло. Спочатку компанія Sony запропонувала свою технологію Exmor, що скоротила шлях проходження світла в матриці:

Потім прогресивні виробники дружно перейшли на використання матриць із зворотним засвіченням, що дозволяє не тільки скоротити шлях світла крізь матрицю, але й зробити корисну площу світлочутливого шару більше, розмістивши його над іншими електронними елементами в комірці:

Технологія зворотного засвічення дає камері максимальну чутливість. Звідси висновок - «за інших рівних умов» краще придбати камеру використовує матрицю зі зворотним засвіченням, ніж без такої.

Для покращення зображення в умовах слабкого освітлення для слабочутливих дешевих матриць виробники камер можуть використовувати різні хитрощі. Наприклад, режим «повільного затвора», а простіше – режим великої витримки. Однак «розмазування» контурів об'єктів, що рухаються вже на етапі фіксації зображення матрицею в такому режимі не дозволяє говорити про більш-менш якісну відеозйомку, тому такий підхід абсолютно неприйнятний в охоронному відеоспостереженні, де важливі деталі.

Певним проривом як зображення стала поява технології Starlight, яка вперше з'явилася в камерах Bosch у 2012 році. Ця технологія завдяки комбінації величезної світлочутливості матриці (порядку 0,0001 - 0,001 люкс) та дуже ефективної технології шумоподавлення дозволила отримувати дуже якісне кольорове зображення з відеокамер в умовах слабкого освітлення і навіть у нічний час.

Тоді як традиційний спосіб подолання слабкого освітлення – використання ІЧ підсвічування – дає можливість отримати чітке зображення лише в монохромному режимі (відтінках сірого), камери з технологією Starlight дозволяють отримати кольорову картинку, що має набагато більшу інформативність. Зокрема, за слабкого освітлення система відеоспостереження з технологією Starlight легко зможе розрізняти кольори автомобілів, одягу та ін. важливі ознаки.

Ось демонстрація технології Starlight у дії:

Підсумки

При виборі камери відеоспостереження обов'язково звертайте увагу на характеристики матриці, а не лише на її дозвіл. Адже від цього значною мірою залежатиме якість зображення, а отже, і корисність камери. В першу чергу слід звертати увагу на надійний бренд, типорозмір та роздільну здатність матриці, світлочутливість важлива лише для камер позбавлених ІЧ-підсвічування.

Дуже рекомендую брати камеру з матрицею, по якій можна знайти осудний даташит з детальною інформацієюа не купувати кота в мішку. Наприклад, ви легко знайдете специфікації на матриці виробництва ON Semiconductor, Omnivision чи Sony. А ось хоч трохи докладних характеристикматриць SOI не знайти вдень з ліхтарем. Виникає підозра, що виробнику є що приховувати.

А загальний підсумок такий: CMOS матриці беззастережно перемогли в пристроях відеоспостереження і в найближчому майбутньому не збираються здаватися будь-якій конкуруючій технології.

Як відомо, фотоапарати діляться на дві великі категорії – аналогові та цифрові – за ознакою світлочутливої ​​поверхні, яка зображує зображення. У аналоговому фотоапараті цією поверхнею служила фотоплівка — нехитра штука з певною світлочутливістю, певною кількістю кадрів одноразового використання, з яких після хімічної обробки можна було отримати відбиток на папері.

У цифрових фотоапаратах цю основну роль бере він матриця. Матриця— прилад основною функцією якого є оцифрування певних параметрів світла, що потрапило на його поверхню. Детально і наочно цей процес показаний у відмінному відео від Discovery у нашій статті ««, якщо ви ще його не дивилися, обов'язково зробіть це!

Є дві основні, найбільш популярні та в той же час конкуруючі технології матриць – це CCDі CMOS. Давайте сьогодні розберемося з тим, у чому ж різниця між CCD і CMOS матрицями?

Ми спробуємо розібратися в їх відмінності без занурення в деталі фізики, просто, щоб мати уявлення не тільки про те, як влаштований фотоапарат, а й про те, яка зараз на камері матриця. Думаю фотографу-початківцю цього буде достатньо, а кому цікаві деталі, той зможе покопатися далі і самостійно.

CCD матриця, джерело: Вікіпедія

Отже, CCD- це charge-coupled device (ПЗЗ - прилад із зворотним зарядним зв'язком). Цей тип матриць спочатку вважався якіснішим, проте й дорожчим і енерговитратним. Якщо уявити основний принцип роботи матриці CCD двома словами, всі вони зібрають всю картину в аналогової версії, і лише потім оцифровують.

На відміну від CCD матриць, CMOS матриці (Complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарна логіка на транзисторах метал-оксид-напівпровідник, КМОП), оцифровують кожен піксель на місці. CMOS матриці були спочатку менш енергоспоживаючими та дешевими, особливо у виробництві великих розмірівматриць, проте поступалися CCD матрицям за якістю.

CMOS матриця, джерело: Вікіпедія

CCD матриці відрізняються більше високою якістюзображення і все ще залишаються популярними в галузях медицини, промисловості, науки, де якість зображення є критично важливим. Останнім часом CCD матриці зменшили енерговитратність та вартість, а CMOS матриці значно вдосконалили якість зображення, особливо після технологічного перевороту у виробництві CMOS-сенсорів, коли за технологією Active Pixel Sensors (APS) до кожного пікселя було додано транзисторний підсилювач для зчитування, що дозволило перетворювати заряд у напругу у пікселі. Це забезпечило прорив CMOS технології, до 2008 року вона стала практично альтернативою CCD матрицям. Більше того, технологія CMOS дозволили знімати відео і ввести цю функцію в сучасні фотоапарати, і здебільшого сучасні цифрові фотоапарати оснащені саме CMOS матрицями.