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高清监控详解:CCD与CMOS的分析对比

2012/11/16 16:09:52
  一、名词释义及工作原理
  
  CCD:
  
  英文全称:Charge-coupledDevice,中文全称:电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。其使用一种高感光度的半导体材料制成,包含众多感光元件,每个感光元件叫一个像素,CCD可以看做这些像素的集合体。一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。
  
  CMOS:
  
  英文全称是ComplementaryMetalOxideSemiconductor即互补金属氧化物半导体,与CCD一样也是记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带负电(N极)和正电(P极)的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。再透过芯片上的模数转换器(ADC)将获得的模拟影像信号转变为数字信号输出。
  
  二、CCD与CMOS的对比
  
  1、像素结构不同
  
  CCD与CMOS的*个区别体现在感光单位即像素结构不同。前者的感光元件除了感光二极管之外,包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,感光二极管占据了绝大部分面积。而CMOS感光元件的构成比较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还包括放大器与模数转换电路,每个像点构成为一个感光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。
  
  相较于CMOS传感器,CCD感光元件中的有效感光面积大,在同等条件下可接收较强的光信号,对应的输出电信号也更强;体现在输出结果上,就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器丰富、锐度较差、图像细节丢失情况严重且噪点明显,这也是早期CMOS传感器大多用于低端场合的原因。
  
  2、ADC位置和数量不同
  
  CCD与CMOS的第二个区别体现在ADC(模数转换器)位置和数量的不同。CCD每行像素点只对应着一个ADC,感光元件每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,由控制电路以串行的方式依序传入"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的设计中每个像素点旁连着一个ADC,信号直接放大并转换成数字信号。
  
  也正是由于这点不同,CCD传感器中每一个感光元件的信号能形成统一的输出,这些输出数据经放大器统一处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;而CMOS每一个感光元件携带一个ADC,无法保证每个像点的放大率严格一致,致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌。体现在zui终的输出结果上,就是图像中不可避免地出现噪点,图像品质低于CCD传感器。
  
  3、具体参数对比
  
  


CCD与CMOS的具体参数对比
  
  三、二者应用场合
  
  通过以上比较分析,能看出CCD与CMOS各有优势。基于此,我们可以做到扬长避短,在不同应用场合合理选择CCD或CMOS摄像机。
  
  1、低照度环境下宜使用CCD摄像机
  
  由于CCD感光单元有效面积大,在光照强度较低的环境中,能相对清晰地呈现出被摄物体原貌。在低照度环境下,如灯光较暗的停车场、楼梯间、封闭通道和暗室等,宜选用感光灵敏的CCD摄像机。,
  
  2、隐蔽环境中使用CMOS摄像机
  
  CMOS传感器可以做的很小,因此CMOS摄像机可以做得非常小。而CCD摄像机限于外围复杂电路影响,体积无法做到CMOS般微型化。对于道路、门口等摄像机易受不法分子攻击破坏的场合,选用CMOS摄像机能达到隐蔽执法、避免攻击的作用。
  
  3、图像质量要求高的场合选用CCD摄像机
  
  CCD结构中由于每行仅有一个ADC,信号放大比例一致,所以图像还原真实自然、噪点低,在对画质要求苛刻的场合宜选用CCD摄像机。像素越高、尺寸越大的CCD拥有更好的图像品质。目前监控用CCD摄像机已能做到200万至500万高像素。,4,高帧摄像时选用CMOS摄像机更佳
  
  CMOS传感器可以直接将图像半导体产生的光电信号转变成数字信号,处理速度非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用,速度能达到400到2000帧/秒。所以对于高速摄像场所,选用CMOS摄像机效果更佳。
  
  四、发展趋势
  
  CCD和CMOS基本上是同时发明的,但由于CMOS技术问题,使得CMOS的噪声等参数远远比不上CCD,所以CCD在过去的几十年里才发展得突飞猛进。但随着CMOS技术的提高,CIS(CMOSImageSensor)越来越好,大有取代CCD之势头。因为解决了技术问题的CIS的成本更低,更适合于批量生产。
  
  针对于此,深圳世国的防爆摄像机机芯主要选择的是CCD传感器,世国的防爆高清网络摄像机选择的是CMOS传感器,因为摄像机选择CMOS传感器在性价比和性能方面是比较合适的。

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