Сравнение матриц видеокамер систем видеонаблюдения, сделанных по технологиям CCD и CMOS.

CCD (ПЗС - прибор с зарядовой связью, CCD – Charge-Coupled Device) и CMOS (КМОП - комплементарный металл - оксид - полупроводник, CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor) - это две разных технологии производства матриц, использующихся в видеокамерах систем видеонаблюдения для получения изображения.
 

Матрицы обоих типов преобразуют свет в электрический заряд. Когда накопление заряда завершено, в CCD матрице накопленные электроны сдвигаются к краю матрицы, где попадают на измерительный элемент, создавая на нем сигналы пропорциональные отдельным зарядам. В CMOS матрицах преобразование заряда в напряжение происходит непосредственно в каждом пикселе. Оба типа матриц имеют свои преимущества и недостатки и оба они могут с успехом использоваться в разных сферах применения. Нельзя сказать, что одни категорически лучше других, хотя производители и продавцы часто утверждают обратное.
 

Производительность матриц систем видеонаблюдения можно охарактеризовать следующими пунктами:

• Динамический диапазон.  Это диапазон яркости объектов, который камера воспринимает как от абсолютно черного до абсолютно белого. Чем шире динамический диапазон, тем лучше передача цветовых оттенков, лучше устойчивость матрицы к пересвету и меньше уровень шума в тенях. Это легко представить, когда на слишком светлой картинке текстуры исчезают и мы видим абсолютную белизну. Или при съемке в темное время суток видим на экране абсолютно черную область. Здесь CCD матрицы показывают лучшие результаты, кроме того, изображение, сформированное CCD матрицами, содержит меньше шума.
   

• Однородность формирования изображения пикселами. При идентичных условиях освещения для нескольких пикселов, в идеале, они должны сформировать однородное изображение, но на деле это не так. Также важна однородность при ярком освещении и в почти полной темноте. Элементы CMOS, традиционно, были хуже при обоих условиях. Для каждого пиксела CMOS матрицы имеется отдельный усилитель, всего же может быть более миллиона таких усилителей. В результате их работы возникают различные помехи и шумы. И хотя производители матриц CMOS инвестируют достаточно много средств для улучшения этой характеристики (например, внедрение технологии Exmor Sony), CCD матрицы здесь до сих пор лидируют.
   

• Затвор. Еще одно из различий между CCD и CMOS матрицами это способ захвата кадра. В CCD матрицах используется так называемый «кадровый затвор» (Global shutter), а в CMOS-матрицах – «скользящий затвор» (Rolling shutter). Кадровый затвор формирует изображение мгновенно, все пиксели матрицы, отведенные для работы, передают информацию одновременно. В CMOS матрицах, скользящий затвор сканирует кадр сверху вниз построчно, путем последовательного захвата каждого пикселя. Затвор как бы скользит по кадру, отсюда и происходит его название. Разница между ними в большинстве ситуаций будет незаметна, особенно при хорошем равномерном освещении. Однако, при некоторых условиях, скользящий затвор может показать не очень хорошие результаты. Например, при съемке объектов, с искусственным освещением с малой частотой мерцания (люминесцентные лампы), на кадрах могут появляться горизонтальные темные и светлые полосы. Для человеческого глаза мерцание люминесцентных ламп почти незаметно, но так как скользящий затвор CMOS матрицы формирует изображение последовательно, одни пиксели получают больше света, чем другие. В конечном итоге, эта особенность CMOS матриц может обернуться реальной проблемой. Во время съемки быстро движущихся объектов оба датчика также ведут себя совершенно по-разному. Из-за особенности захвата кадра, CMOS матрица сформирует изображение, сдвинутое по горизонтали. Прямые вертикальные линии окажутся наклонными.

• Скорость формирования кадра. Характеристика, в которой CMOS имеет преимущество перед CCD, в силу единой структуры светочувствительного элемента и микросхем обработки сигнала. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. Из-за этой особенности в мегапиксельных IP камерах преобладают CMOS матрицы.
   

• Работа с «окнами». Одной уникальной особенностью технологии CMOS является возможность работы с частью изображения. Это позволяет увеличить частоту кадров выбранных групп пикселей для некоторых специфических задач. Также это позволяет передавать несколько потоков изображения с одного CMOS сенсора, имитируя несколько камер. Матрицы CCD лишены этой возможности.
   

• Антиблюминг. Возможность уменьшить эффект «растекания» пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Во многих камерах применяются антиблюминговые цепи, которые отводят избыточные электроны от пикселей. В то же время, антиблюминговые цепи меняют линейность характеристики CCD матрицы и не применяются в некоторых профессиональных устройствах. Эффект блюминга часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов. Матрицы CMOS лишены эффекта блюминга, так как информация с каждого пиксела считывается индивидуально.
   

• Вертикальный смаз. Эффект, характерный для CCD матриц, проявляется в виде горизонтальных светлых полос, при съемке ярких точечных источников света. CMOS матрицы также лишены этого эффекта.

Надежность
 

В большинстве приложений оба типа микросхем считаются одинаково надежными. В устройствах с жесткими условиями эксплуатации CMOS датчики считаются более устойчивыми, так как вся электроника размещается на одной микросхеме, а это подразумевает минимальное количество паяных соединений, которые часто являются причиной поломки в сложных условиях эксплуатации. Как уже говорилось выше, CMOS датчики обладают большей степенью интеграции, чем CCD. Схемы обработки сигнала, аналого-цифровые преобразователи и другие элементы могут быть размещены прямо на датчике. Это значит, что сама камера на базе матрицы CMOS может быть значительно меньше, чем камера на базе CCD. Однако потребителю нужно понимать стоимость этой интеграции.

Китайские производители практически каждый квартал выпускают камеры на новых матрицах, желая получить максимальную прибыль, в то время как потребителям нужна стабильность и поддержка старых моделей. Кроме того, в IP камерах, важную роль в которых играет прошивка и программное обеспечение. Многие компании, не доводя прошивку до стабильного состояния, переходят на новую платформу, совершенно забывая о поддержке старой.

Считается, что датчики CMOS намного дешевле, но это касается самых бюджетных моделей. Чтобы получить из сенсора CMOS изображение хорошего качества, используются передовые технологии в изготовлении матриц и схем обработки сигнала, за счет этого стоимость может возрасти в несколько раз.
 

IP камеры
 

Изготовление быстрых мегапиксельных CCD сенсоров технологически сложно, поэтому почти во всех IP камерах используются матрицы CMOS. Мегапиксельные IP камеры обладают большей разрешающей способностью, чем аналоговые, соответственно количество пикселей на их матрице больше. Так как сама матрица в них используется аналогичного размера, это приводит к уменьшению размеров самого пиксела, а значит к уменьшению его светочувствительности. Низким значением светочувствительности часто страдают бюджетные CMOS сенсоры, в более продвинутых моделях с помощью различных алгоритмов и технологий светочувствительность значительно улучшена.
 

Выберите камеру под свою задачу
 

Матрицы CMOS обладают более широкими возможностями интеграции, небольшим размером и хорошим качеством изображения. Они подходят для устройств с ограниченным пространством, где не предъявляются особые требования к качеству изображения (камеры различных гаджетов, игрушки, считыватели штрих-кодов, сканеры) и в то же время сегодня продвинутые модели CMOS в большом количестве используются в профессиональных областях (фото-, видеосъемка, системы охранного телевидения)

Матрицы CCD обеспечивают превосходное качество изображения и гибкость, но имеют несколько больший размер. Они остаются наиболее подходящей технологией для создания и обработки изображений в аппаратуре для профессиональных областей. Это могут быть системы видеонаблюдения, телевидение, промышленная, медицинская, научная сферы.

Если, условно, разделить рынок на три ценовых сегмента – бюджетные, средний, высокий, то можно рекомендовать следующее:

- для бюджетных систем видеонаблюдения на аналоговых камерах рекомендуется использовать CCD матрицы, низкое разрешение в них компенсируется хорошей чувствительностью. Если не требуется выполнение специфических задач и условия съемки идеальны, можно остановить свой выбор и на CMOS. В бюджетных IP камерах используются простые CMOS сенсоры, зачастую ориентированные на бытовую или околобытовую области, поэтому такие камеры также следует применять с осторожностью на объектах со сложными условиями съемки.

- в среднем и высоком ценовых сегментах, выбирайте камеру на основании поставленных задач. Для аналоговых систем видеонаблюдения это может быть камера как на хорошем CCD, так и хорошем CMOS сенсоре. В IP камерах, как уже говорилось выше, в основном, используются CMOS матрицы, что немного сужает возможность выбора.