眾所周知,攝像機(jī)的核心組成部分有三塊:鏡頭、圖像傳感器以及壓縮處理芯片。其中,圖像傳感器是圖像采集處理部分的核心。而目前,CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器,兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD在數(shù)據(jù)傳送時(shí)不會(huì)失真,因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理;而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。也正由于其數(shù)據(jù)傳輸方式不同,CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異。
1. 靈敏度差異:由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路),使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。
2. 成本差異:由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節(jié)省外圍芯片的成本;除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù),只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行,就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。
3. 分辨率差異:如上所述,CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜,其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平,因此,當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí),CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。
4. 噪聲差異:由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致,因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多,影響圖像品質(zhì)。
5. 功耗差異:CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式,感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動(dòng)式采集,需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng),而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。
綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。在標(biāo)清監(jiān)控時(shí)代,無(wú)論是模擬攝像機(jī)還是標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),攝像機(jī)普遍采用最CCD傳感器。而在高清監(jiān)控時(shí)代,,由于高清監(jiān)控對(duì)成本非常敏感,CMOS傳感器盡管圖像品質(zhì)總體上還不如CCD,但它在成本上的優(yōu)勢(shì)對(duì)CCD還是造成了非常大的威脅。
從目前的趨勢(shì)來(lái)看,CMOS勝出的機(jī)會(huì)明顯更大。一方面,隨著技術(shù)的發(fā)展,CMOS的靈敏度正在得到快速改善,據(jù)悉目前市場(chǎng)上致力于CMOS研究的廠商已經(jīng)研發(fā)出靈敏度性能與CCD接近的720p與1080p專(zhuān)用CMOS器件。另一方面,盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優(yōu)勢(shì)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(yōu)勢(shì)。另外,CMOS響應(yīng)速度比CCD快,因此更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點(diǎn)。
因此,盡管CCD與CMOS在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下各有優(yōu)勢(shì),但隨著CMOS工藝和技術(shù)的不斷提升,以及高端CMOS價(jià)格的不斷下降,未來(lái)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將更多的選擇CMOS。