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安防行业发展中CCD与CMOS的市场博弈


    日前,安防市场技术更新换代频率很快,其中图像传感技术尤为突出。CCD较为明显的优势一直在市场中广泛运用,但随着高清网络监控对CMOS的大量运用,对CCD的未来发展带来了严峻的考验。近日深圳保千里电子有限公司安防渠道部总监吴雪芳在接受采访时表示,这之间的竞争和博弈,不同程度的促使行业不断创新,技术不断升级,为行业发展带来新的活力,同时她还从技术、应用以及未来发展趋势等多方面阐述了CMOS和CCD之间竞争。

  视频监控系统的核心部分就是图像传感技术,有CMOS和CCD两种,这两种传感器各有长短,在不同的应用场景下各有优势。
  CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的工艺,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点,最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。其互补性金属氧化物半导体,主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。
  CCD具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳、工艺技术好等优点,目前在交通、医疗等高端领域中得到广泛应用。由于其成像方面特有的优势,很长一段时间内占据镜头市场的主导地方,并且在很长时间内还会延续采用。
  从技术的角度比较,CCD与CMOS的不同点:
  1、信息读取方式:CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。
  2、速度:CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多。
  3、电源及耗电量:CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS光电传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
  4、成像质量:CCD电荷耦合器制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年,随着CMOS电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

  安防行业中的应用情况
  与CCD图像传感器相比,CMOS在低光条件下的成像效果以及高动态范围的性能表现,这也是市场人士诟病的主要问题。对此,对于目前市场上高清的发展趋势,传感器的低光照性能对于准确地呈现图像和保持图像的真实色彩是至关重要的。CCD技术在摄像中分辨率、灵敏度、信噪比,彩色还原性具有明显优势。
  1、当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时,CCD能在监视器(应比摄像机的分辨率高)上能够看到的的最多线数,当超过这一线数时,屏幕上就不能分辨出黑白相间的条纹。普解的分辨率一般为350TVL线(水平中心),高解的分辨率一般为480TVL((水平中心)。
  2、灵敏度性是反映摄像机光电转换性能高低的一个指标。目前,监控系统所用CCD摄像机的灵敏度用最低照度来衡量,照度越低,表明灵敏度越高,光电转换性能越好。目前一般彩色CCD摄像机的最低照度可以达到1Lux,黑白的一般可以达到0.1Lux,低照度的可以达到0.01Lux。
  3、信噪比是指信号电压对于噪声电压的比值。CD摄像机信噪比的典型值一般为45~55dB,工程应用中要求≥40dB。当在低照系统使用时,其信噪比不得低于25dB。
  4、度色彩还原度是指经过CCD摄像机摄取并通过处理后的目标色彩与物体真实色彩的差异程度。色彩分为色调和饱和度,色调决定色彩的性质,饱和度决定色彩的浓淡。我们图象对色彩评判标准是100-0-75-0彩条,需要说明的是色彩的还原度与景物的光照条件及光源的色温有着非常密切的关系。当前的单片彩色CCD式,器件从理论上讲,它是不能完全真实地重现原物体的色彩。
  5、白平衡是彩色CCD摄像机的重要参数,它直接影响重现图像的彩色效果,当摄像机的白平衡不当时,重现图像就会出现偏色现象,特别是会使原本不带色彩的景物(如白色的墙壁)也着上了颜色。
  然而,低光照性能的一个关键因素是像素尺寸,因为它与灵敏度直接相关,即使像素技术在不断进步,较大像素尺寸具有较高灵敏度的准则仍然适用,但对于给定的分辨率,较大的像素尺寸由于需要使用成本较高的透镜,这通常也意味着较高的系统成本。
  目前,在高清安防视频监控领域,CMOS芯片产品已经被大量应用至各式各样的产品。
  通常,大家认为图像画质优秀的设备都采用CCD传感器,而低成本产品则使用CMOS传感器。但是新的CMOS芯片技术已经克服了早期CMOS传感器的技术弱点,传感器的设计上相比老产品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS传感器来说,在传统的CMOS图像传感器中,感光二极管位于电路晶体管后方,光线会通过微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管,那么进光量就会因遮挡而受到影响。
  背照式CMOS传感器在图像传感器原件内部的结构上做了优化,它将感光层的原件调转方向,让光线从图像传感器比传统CMOS传感器在感光灵敏度上有质的飞跃,在低照度环境下,采用背照式CMOS传感器的高清摄像机在聚焦能力、图像画质表现、图像噪点控制等方面有了极大的性能提升。
  而我们常见的CCD传感器摄像机只能够720p@25fps,支持1080P格式的CCD传感器造价高昂。背照式CMOS传感器像素可以再高些。虽说无论是背照CMOS或是CCD,都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的构造决定了传感器面积不变的情况下,可以将有效像素进一步提高,画质也能够保持得比较好。相比之下CCD盲目提高像素的话,画质就会很差,而且随着像素提高,芯片尺寸也在变大造成成本几何倍数上升。
  在模拟摄像机以及标清网络摄像机中,CCD的使用最为广泛,长期以来都在市场上占有主导地位。CCD的特点是灵敏度高,但响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此进入高清监控时代以后,CMOS逐渐被人们所认识,高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。
  目前已经研发出的720P与1080P专用的背照式CMOS器件,其灵敏度性能已经与CCD接近。与表面照射型CMOS传感器相比,背照式CMOS在灵敏度(S/N)上具有很大优势,显著提高低光照条件下的拍摄效果,因此在低照度环境下拍摄,能够大幅降低噪点。
  虽然目前以CMOS技术为基础的百万像素摄像机产品在低照度环境和信噪处理方面存在不足,但这并不会根本上影响它的应用前景。而且相关国际大企业正在加大力度解决这两个问题,相信在不久的将来,CMOS的效果会越来越接近CCD的效果,并且CMOS设备的价格会低于CCD设备。
  安防行业使用CMOS多于CCD已经成为不争的事实,尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器,但如果不考虑尺寸限制,CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难,这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外,CMOS响应速度比CCD快,因此更适合高清监控的大数据量特点。
  CCD与CMOS的未来市场前景
  CCD在影像品质等方面均优于CMOS,CMOS的低成本、低功耗、以及高整合度等特点也比较明显。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异在逐渐减小,新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进,而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。
  无论是CCD还是COMS,都有各自得优势和缺点,存在即是需要,CCD与COMS的博弈或许是一个长期的过程,短时间内很难有所定夺,而两者的较量必将为促进行业技术的进一步升级,从而促进行业的不断发展。

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