Cmos матрица разрешение

CCD или CMOS? Что лучше?

CCD является аналоговым датчиком, несмотря на дискретность светочувствительной структуры. Когда свет попадает на матрицу, в каждом пикселе накапливается заряд или пакет электронов, преобразуемый при считывании на нагрузке в напряжение видеосигнала, пропорциональное освещенности пикселей. Минимальное количество промежуточных переходов этого заряда и отсутствие активных устройств обеспечивают высокую идентичность чувствительных элементов CCD.

CMOS-матрица является цифровым устройством с активными чувствительными элементами (Active Pixel Sensor). С каждым пикселем работает свой усилитель, преобразующий заряд чувствительного элемента в напряжение. Это дает возможность практически индивидуально управлять каждым пикселем.

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.

Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.

Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

CCD: уникальная чувствительность

В совокупности перечисленных мер удалось добиться значительных результатов по улучшению характеристик CCD.

Сравнить характеристики современных моделей с более ранними вариантами не представляется возможным, поскольку тогда не производились цветные матрицы широкого применения даже типового высокого разрешения. В свою очередь, сейчас не производятся черно-белые матрицы стандартного разрешения по новейшим технологиям Ex-view HAD II и Super HAD II.

В любом случае по чувствительности CCD до сих пор являются пока недостижимым ориентиром для CMOS, поэтому они все еще широко используются за исключением мегапиксельных вариантов, которые очень дорого стоят и применяются в основном для специальных задач.

CMOS: достоинства и недостатки

Сенсоры CMOS были изобретены в конце 1970-х гг., но их производство удалось начать только в 1990-е по причине технологических проблем. И сразу наметились их основные достоинства и недостатки, которые и сейчас остаются актуальными.

К достоинствам можно отнести большую интеграцию и экономичность сенсора, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

С другой стороны, CMOS-сенсоры обладают меньшей чувствительностью, обусловленной, при прочих равных условиях, большими потерями в фильтрах структуры RGB, меньшей полезной площадью светочувствительного элемента. В результате множества переходных элементов, включая усилители в тракте каждого пикселя, обеспечить равномерность параметров всех чувствительных элементов значительно сложнее в сравнении с CCD. Но совершенствование технологий позволило приблизить чувствительность CMOS к лучшим образцам CCD, особенно в мегапиксельных вариантах.

Ранние сторонники CMOS утверждали, что эти структуры будут гораздо дешевле, потому что могут быть произведены на том же оборудовании и по тем же технологиям, что и микросхемы памяти и логики. Во многом данное предположение подтвердилось, но не полностью, поскольку совершенствование технологии привело к практически идентичному по сложности производственному процессу, как и для CCD.

С расширением круга потребителей за рамки стандартного телевидения разрешение матриц стало непрерывно расти. Это бытовые видеокамеры, электронные фотоаппараты и камеры, встроенные в средства коммуникации. Кстати, для мобильных устройств вопрос экономичности довольно важный, и здесь у CMOS-сенсора нет конкурентов. Например, с середины 1990-х гг. разрешение матриц ежегодно вырастало на 1–2 млн элементов и теперь достигает 10–12 Мпкс. Причем спрос на CMOS-сенсоры стал доминирующим и сегодня превышает 100 млн единиц.

CMOS: улучшение чувствительности

Первые образцы камер наблюдения конца 1990-х – начала 2000-х с CMOS-матрицами имели разрешение 352х288 пкс и чувствительность даже для черно-белого варианта около 1 лк. Цветные варианты уже стандартного разрешения отличались чувствительностью около 7–10 лк.

Что предлагают поставщики
В настоящее время чувствительность CMOS-матриц, безусловно, выросла, но не превышает для типовых вариантов цветного изображения величины порядка нескольких люксов при разумных величинах F числа объектива (1,2– 1,4). Это подтверждают данные технических характеристик брендов IP-видеонаблюдения, в которых применяются CMOS-матрицы с прогрессивной разверткой. Те производители, которые заявляют чувствительность около десятых долей люкса, обычно уточняют, что это данные для меньшей частоты кадров, режима накопления или по крайней мере включенной и достаточно глубокой АРУ (AGC). Причем у некоторых производителей IP-камер максимальная АРУ достигает умопомрачительной величины –120 дБ (1 млн раз). Можно надеяться, что чувствительность для этого случая в представлении производителей предполагает пристойное отношение «сигнал/шум», позволяющее наблюдать не один только «снег» на экране.

Инновации улучшают качество видео
В стремлении улучшить характеристики CMOS-матриц компания Sony предложила ряд новых технологий, обеспечивающих практическое сравнение CMOS-матриц с CCD по чувствительности, отношению «сигнал/шум» в мегапиксельных вариантах.

Новая технология производства матриц Exmor основана на изменении направления падения светового потока на матрицу. В типовой архитектуре свет падает на фронтальную поверхность кремниевой пластины через и мимо проводников схемы матрицы. Свет рассеивается и перекрывается этими элементами. В новой модификации свет поступает на тыльную сторону кремниевой пластины. Это привело к существенному росту чувствительности и снижению шума CMOS-матрицы. На рис. 5 поясняется различие структур типовой матрицы и матрицы Exmor, показанных в разрезе.

На фото 1 приведены изображения тестового объекта, полученные при освещенности 100 лк (F4.0 и 1/30 с) камерой с CCD (фронтальное освещение) и CMOS Exmor, имеющих одинаковый формат и разрешение 10 Мпкс. Очевидно, что изображение камеры с CMOS по крайней мере не хуже изображения с CCD.

Другим способом улучшения чувствительности CMOS-сенсоров является отказ от прямоугольного расположения пикселей с построчным сдвигом красного и синего элементов. При этом в построении одного элемента разрешения используются по два зеленых пикселя – синий и красный из разных строк. Взамен предлагается диагональное расположение элементов с использованием шести соседних зеленых элементов для построения одного элемента разрешения. Такая технология получила название ClearVid CMOS. Для обработки предполагается более мощный сигнальный процессор изображений. Различие структур расположения цветных элементов иллюстрируются рис. 6.

Считывание информации осуществляется быстродействующим параллельным аналого-цифровым преобразователем. При этом частота кадров прогрессивной развертки может достигать 180 и даже 240 кадр/с. При параллельном съеме информации устраняется диагональный сдвиг кадра, привычный для CMOS-камер с последовательным экспонированием и считыванием сигнала, так называемый эффект Rolling Shutter – когда полностью отсутствует характерный смаз быстро движущихся объектов.

На фото 2 приведены изображения вращающегося вентилятора, полученные CMOS-камерой с частотой кадров 45 и 180 кадр/с.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Можно констатировать, что мегапиксельные матрицы CMOS уже могут успешно конкурировать с CCD не только по цене, но и по таким проблемным для этой технологии характеристикам, как чувствительность и уровень шума. Однако в традиционном CCTV телевизионных форматов CCD-матрицы остаются пока вне конкуренции.

КМОП- и ПЗС-матрицы

Отличительной особенностью КМОП-матриц компании КМОП-матрицы ams Sensors Belgium (CMOSIS) является то, что обладая высоким разрешением, сенсоры обеспечивают высокую частоту кадрового считывания.

КМОП-сенсоры для различных применений, таких как: высокоточные научные и медицинские проекты и приборы, космические проекты, аэрофотосъёмка, системы наблюдения в сложных метеоусловиях.

Компания Sony — мировой лидер в разработке и производстве ПЗС- и КМОП-матриц широкого применения, как для любительских фотоаппаратов и камер, так и для рынка профессионального и специализированного оборудования.

APTINA на сегодняшний день является лидером в разработке и производстве КМОП-матриц коммерческого применения.

Компания Andanta специализируется на разработке высокочувствительных ПЗС-сенсоров разрешением до 10560 x 10560 пикселей.

ПЗС- и КМОП-сенсоры для спектроскопии, микроскопии, кристаллографии, флюороскопии и бортового оборудования.

КМОП-сенсоры для высокоскоростных систем машинного зрения и интеллектуальных систем контроля трафика.

Компания Caeleste занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками фоточувствительных, инфракрасных и рентгеновских матриц изображения под заказ c последующей долгосрочной поддержкой проекта, изготовлением опытной партии и передачей конструкторской документации заказчику для самостоятельного воспроизведения разработанной в Caeleste продукции.

Гиперспектральные сенсоры – КМОП-матрицы с нанесёнными на уровне подложки специальными фильтрами, позволяющими получить спекральный слепок каждой точки получаемого изображения. Такая технология позволяет создавать камеры и модули, размер которых, в отличие от традиционных гиперспектральных систем, легко умещает их на ладони и делает их доступными даже для таких требовательных направлений как аэрофотосъёмка и хирургия.

Общий вид ПЗС-матрицы

Фоточувствительная ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица (англ. CCD — charge-coupled device) — это прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, в котором зарядовые пакеты перемещаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям, и фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. Преобразование осуществляется с помощью большого количества фотодиодов, расположенных в плоскости матрицы (так называемых пикселей). Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red) , зелёного (Green) , синего (Blue) или жёлтого (Yellow) , пурпурного (Magenta) , бирюзового (Cyan) . А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ

Общий вид пикселя в разрезе

Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.

Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).

На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

Для пикселя присущи следующие характеристики:

  • Ёмкость потенциальной ямы — это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
  • Спектральная чувствительность пикселя — зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
  • Квантовая эффективность (измеряется в процентах) — физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
  • Динамический диапазон — отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.
  • УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА

    Общий вид трёхфазного регистра сдвига

    Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).

    Классификация ПЗС-матриц по цветности:

    Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:

    Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым — непрозрачные области.

    Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:

  • Эффективность передачи заряда — отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
  • Коэффициент заполнения — отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
  • Темновой ток — электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
  • Шум считывания — шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.
  • Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame).

  • Простота технологического цикла;
  • Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами.
  • При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания;
  • Частота считывания ограничена скоростями работы последовательного и параллельного регистров сдвига. От этого же зависит интервал перекрытия матрицы затвором.
  • Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).

    • Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами;
    • Время считывания ниже, чем у матрицы с полнокадровым переносом;
    • Смазывание меньше, чем в ПЗС-матрице с полнокадровым переносом;
    • Имеет преимущество рабочего цикла по сравнению полнокадровой архитектурой: ПЗС-матрица с кадровым переносом всё время собирает фотоны.
    • Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда;
    • Изготовление и производство данных матриц дороже, чем устройств с полнокадровым переносом.
    • Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).

    • Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены;
    • Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт;
    • Нет необходимости применять затвор;
    • Отсутствует смазывание.
    • Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%.
    • Скорость считывания ограничена скоростью работы регистра сдвига;
    • Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом.
    • Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).

    • Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса;
    • Отсутствует смазывание;
    • Интервал между экспонированиями минимален и подходит для записи видео.
    • Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%;
    • Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом;
    • Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда.
    • ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ

      НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

    • для спектроскопии;
    • для микроскопии;
    • для кристаллографии;
    • для рентгеноскопии;
    • для естественных наук;
    • для биологических наук.
    • КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

    • в телескопах;
    • в звёздных датчиках;
    • в спутниках слежения;
    • при зондировании планет;
    • бортовое и ручное оборудование экипажа.
    • ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

    • для проверки качества сварных швов;
    • для контроля равномерности окрашенных поверхностей;
    • для исследования износостойкости механических изделий;
    • для считывания штрих-кодов;
    • для контроля качества упаковки продукции.
    • ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ

    • в жилых квартирах;
    • в аэропортах;
    • на строительных площадках;
    • на рабочих местах;
    • в «умных» камерах, распознающих лицо человека.
    • ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ

    • в профессиональных фотоаппаратах;
    • в любительских фотоаппаратах;
    • в мобильных телефонах.
    • МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

    • в рентгеноскопии;
    • в кардиологии;
    • в маммографии;
    • в стоматологии;
    • в микрохирургии;
    • в онкологии.
    • АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

    • для автоматического распознавания номерных знаков;
    • для контроля скорости;
    • для управления транспортным потоком;
    • для пропуска на стоянку;
    • в полицейских системах наблюдения.
    • КМОП-матрица или CMOS-матрица

      Выбор и установка видеонаблюдения для безопасности и охраны предприятия, частного дома или другого объекта — это задача не такая доступная и простая для потребителей, как может показаться на первый взгляд.

      Конечно же, лучше специалистов в данной области, с такой работой никто не справится. Но основную информацию все-таки следует знать.
      Очень важный элемент, а также основа любых систем видеонаблюдения — это конечно же камера, которая подает всю информацию об охраняемом объекте. Поэтому, к такому выбору следует относиться наиболее ответственно, запастись специальными знаниями и подготовкой.

      Современный рынок видеонаблюдения дает возможность каждому выбрать необходимое оборудование, в зависимости от целей использования, требований, функционала и доступных финансов. Основные параметры, по которым можно классифицировать камеры, — это:

      -методы передачи видеосигналов;
      -типы матрицы (при использовании цифрового оборудования);
      -цветопередача (черно-белесая, цветная и цифровая);
      -месторасположение, а также тип корпуса (снаружи или внутри помещения).

      В данной статье, мы остановимся на одном из наиболее актуальных видов матрицы . На сегодняшний день, успешно используются такие типы, как ПЗС, КМОП , PIXIM, а также с тепловизорами. Тип матрицы определяет диапазон, чувствительность камеры, уровень сигнала, разрешение и другие важные параметры.

      КМОП — матрица или CMOS — матрица — это интегральная система, где установлены логические схемы, формирователи импульсов, обработка и т.д. Например, в CCD камерах, все эти функции — отдельны. Камеры с матрицей CMOS стоит выбирать из последних поколений, потому как ранее были трудности, связанные с высоким уровнем шума, низкой чувствительностью, которые насегодня устранены множеством фирм-изготовителей.

      КМОП — матрица или CMOS — матрица — это не только чувствительный к свету элемент, это целая интегральная система, где реализованы схемы сигнальной обработки. В итоге — появился доступ к каждому из пикселей или к определенным группам, что облегчает разрешение множества задач при обработке и формировании сигналов с камеры. Видеокамеры с такой матрицей обладают большим количеством пикселей, высокой разрешающей способностью, улучшенной оптикой и широкими возможностями.

      КМОП матрица обладает следующими преимуществами:

      1. высоким быстродействием (до 500 кадров за секунду)
      2. низкими энергозатратами
      3. недорогими ценами и простотой на производстве
      4. перспективностью технологий
      5. компактностью
      6. Мегапиксельные IP-камеры с CMOS-матрицей

        Все возрастающий интерес рынка безопасности к мегапиксельным IP-камерам стимулирует переход CCTV на принципиально новый уровень, которым является телевидение высокой четкости. Мегапиксельные IP-камеры , преимущества которых – высокое разрешение, высокая скорость формирования изображения, цифровое представление, обработка и передача сигнала, действительно являются недостающим звеном настоящей цифровой системы.
        В настоящее время в качестве формирователя изображения в мегапиксельных IP-камерах используются светочувствительные матрицы CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП – комплиментарная структура металл-оксид-полупроводник) с разрешениями от 1,3 до 8 Мп.
        Важным преимуществом CMOS-матрицы является объединение на одном кристалле аналоговой и цифровой части устройства, т есть, непосредственно светочувствительных элементов и процессора обработки сигнала. Фактически каждый пиксель снабжен собственным усилителем, благодаря чему можно точно регулировать время его экспонирования. Принципиальные различия, обусловленные технологическими особенностями, приведены в таблице. Они позволяют оценить преимущества и недостатки каждой из технологий.

        Чувствительность
        Характерный показатель чувствительности для мегапиксельных CMOS-камер ниже по сравнению с камерами на базе CCD. Разумеется, если речь идет о матрицах одинакового формата. Это связано с тем, что фотодиод светочувствительной ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы по сравнению с CCD. Важно также отметить, что производители мегапиксельных камер жестко связаны форматом объективов, используемых в CCTV, и как следствие используют CMOS-матрицы формата 1/3, 1/2, реже 2/3 дюйма. С увеличением разрешения чувствительность матрицы падает из-за уменьшения площади пикселя. Однако технология CMOS неуклонно развивается, и чувствительность камер растет. Кроме того, производители используют широко известные в охранном наблюдении технологии увеличения чувствительности. Так, для улучшения способности «видеть в темноте» все производители мегапиксельных CMOS IP-камер реализуют режим «медленного затвора». Данная технология хорошо известна любому, кто делал ночную съемку цифровым фотоаппаратом. К сожалению, характерное смазывание изображения не позволяет использовать этот режим для любой задачи. Существуют и другие методы, как-то: отключение цветности (электронный режим «день-ночь»), отключение ИК-фильтра (механический режим «день-ночь») или переключение между матрицами. В последнем случае камера может использовать две матрицы – одну высокого разрешения с CMOS-матрицей для дневной съемки, вторую с меньшим разрешением (обычно CCD) и, соответственно, более высокой чувствительностью для ночного режима.

        Динамический диапазон
        Благодаря упомянутой выше структуре CMOS в матрице реализуется механизм произвольного доступа, что дает возможность выполнять считывание выбранных групп пикселей. Регулируя таким образом время экспозиции, производители CMOS-сенсоров позволяют создавать камеры с широким динамическим диапазоном, способные формировать качественное изображение в условиях высококонтрастного освещения. Типичное значение динамического диапазона для CMOS-камер составляет порядка 60 дБ против 50–54 дБ для моделей на базе CCD.

        Скорость формирования и компрессия изображения
        Несмотря на то что CCD-матрицы имеют более высокую характеристику чувствительности, основным фактором, ограничивающим их применение, является низкая скорость считывания заряда и, как следствие, невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. В свою очередь, технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость формирования кадра даже для 3 Мп сенсоров.
        Однако использование мегапиксельных CMOS-сенсоров для IP-камер систем видеонаблюдения требует эффективного сжатия потока данных. Наиболее распространенными алгоритмами компрессии в IP CCTV в настоящее время являются M-JPEG, MPEG4 и H.264. Первый нередко реализуется непосредственно на CMOS-сенсоре самим производителем матрицы. Алгоритмы MPEG4 и H.264 – более эффективные, но требуют мощного процессора. Для формирования потока реального времени с разрешением более 2 мегапикселей в CMOS IP-камерах используются сопроцессоры, обеспечивающие дополнительные вычисления.

        Энергопотребление
        Важным преимуществом мегапиксельных CMOS-матриц является более низкое энергопотребление. К сожалению, энергопотребление до сих пор не является в нашей стране принципиальной характеристикой, позволяющей оценивать технические средства безопасности. В действительности мегапиксельная IP-камера для установки на улице фактически является лампой накаливания, работающей 24 часа в сутки. Например, мощность потребления 1,3 Мп CCD IP-камеры составляет около 9 Вт, с учетом термокожуха в холодное время года такая камера потребляет 30–40 Вт. Так, можно представить потребности в электроэнергии для объекта из 100 камер. Типичное энергопотребление 1,3 мегапиксельной камеры с CMOS-матрицей в два раза меньше.

        Стоимость IP-камер с CMOS-матрицей
        В настоящее время IP-камеры на основе CMOS-сенсоров становятся все популярнее в первую очередь благодаря поддержке технологии со стороны лидеров IP CCTV. При этом их стоимость выше, чем аналогичных камер на CCD. И это несмотря на то, что технология CMOS, объединяющая аналоговую и цифровую части устройства, позволяет создавать более дешевые камеры. Ситуация такова, что сегодня стоимость IP-камеры определяется ее возможностями и характеристиками. Принципиальным является не тип матрицы, а программное обеспечение, реализуемое процессором камеры.

        3-мегапиксельная IP-камера AV3100 «день-ночь» c M-JPEG, HDTV и PoE (Arecont Vision)
        Сетевая камера AV3100 передает видео с 3-мегапиксельным разрешением и предназначена для работы в составе IP-видеосистем или технологического телевидения, требующих высокой степени детализации изображения. AV3100 снабжена 1/2-дюймовым CMOS-сенсором с прогрессивной разверткой, использует технологию Arecont Vision MegaVideo®, имеет чувствительность 0,2 лк и может работать с объективами с АРД. Она способна транслировать по IP-сети видеопоток в формате M-JPEG с разрешением до 2048 x 1536 пикс. при 15 к/с или 1920 x 1080 пикс. при 22 к/с со скоростью передачи данных до 55 Mbps, поддерживает протоколы TFTP и HTTP, функции электронного PTZ и ROI и отвечает требованиям стандарта HDTV. AV3100 оснащена тревожными входом/выходом, детектором движения на 64 зоны, может получать питание от источника 15-48 V DC или по технологии PoE и комплектуется бесплатным ПО AV100.

        Новая мегапиксельная IP-телекамера TCM-4301 (ACTi )
        Камера поддерживает современный протокол передачи и записи данных H.264 со скоростью до 18 fps (кадров в секунду). Камера имеет матрицу 1/3” Micron Progressive Scan CMOS, тройной кодек H.264/MPEG-4/MJPEG с двумя независимыми каналами передачи. Разрешение: SXGA (1280 x 1024); HD720(1280 x 720); VGA (640 x 480), QVGA(320х240), QQVGA(160×112). Скорость передачи видео до 18 fps при SXGA, до 24 fps при HD720, до 30 fps при VGA и ниже. 0.5 Lux при F 1.0. Двунаправленный аудиоканал, встроенный микрофон. Встроенный детектор движения. Питание DC 12 V и PoE.

        Малогабаритная IP-камера M1011 с H.264/M-JPEG/MPEG-4 и VGA (AXIS)
        Цветная сетевая камера M1011 компании AXIS Communications предназначена для видеонаблюдения внутри помещений. Она поддерживает форматы сжатия H.264, M-JPEG, а также MPEG-4 Part 2 и способна транслировать многопотоковое видео с разрешением до VGA (640 х 480 пикс.) при скорости до 30 к/с. M1011 оснащена 1/4-дюймовым CMOS-сенсором с прогрессивной разверткой, электронным затвором, объективом 4,4 мм с фиксированной диафрагмой и углом обзора 47° и передает стабильные и качественные видеопотоки при освещенности до 1 лк. Она поддерживает все функции настройки качества изображения и управления экспозицией, имеет детектор движения и видеобуфер емкостью 16 Мб. Доступ к видео можно получить с любого сетевого ПК через любой web-браузер или через интерфейсы ПО AXIS Camera Station.

        Антивандальная уличная IP-камера «день-ночь» 2530V с MPEG-4 и M-JPEG, D1 при 25 к/с и защитой IP66 (Cisco)
        Сетевая камера 2530V «день-ночь» имеет антивандальный термокожух и предназначена для эксплуатации в уличных условиях при температурах от -30º до +55 ºC. Она оснащена 1/3″ CMOS-сенсором с прогрессивной разверткой и WDR, подвижным ИК-фильтром, 3,5-кратным вариообъективом с АРД и поворотным кронштейном для выбора направления обзора. Благодаря такой комплектации IP-камера способна формировать цветное/черно-белое видео при освещенности до 0,4/0,04 лк и передавать 1 или 2 видеопотока в MPEG-4 и/или M-JPEG с разрешением до D1 (720 х 576 пикс.) и фреймрейтом до 25 к/с. Кроме того, Cisco 2530V обеспечивает двунаправленную трансляцию аудиосигнала, детекцию движения и тревожное оповещение оператора, а также доступ к своим потокам видео через интерфейс веб-браузера или программного обеспечения Cisco CVSM.

        1/3-дюймовая мегапиксельная IP-камера Pelco Sarix™ IXE20 с H.264 и M-JPEG и разрешением HD при 30 к/с (Pelco by Schneider Electric)
        2,1-мегапиксельная сетевая камера IXE20 «день-ночь» использует мощный процессор Extended Platform, фирменную технологию Sarix™ и предназначена для работы в составе IP-систем видеонаблюдения при освещенности до 0,2/0,05 лк. Она оснащена CMOS-сенсором с прогрессивной разверткой, механическим ИК-фильтром, поддерживает алгоритмы сжатия H.264 и M-JPEG и может транслировать до 2 потоков видео одновременно с максимальным разрешением 1920 х 1080 пикс. При этом камера способна обеспечить скорость 30 к/с с разрешением HD. Кроме того, Pelco IXE20 имеет функцию WDR и автофокусировки (ABF), тревожный вход/выход, разъем для карт MiniSD, поддерживает технологию PoE и может работать под управлением веб-браузера или ПО Pelco Endura и Digital Sentry.

        1.3-мегапиксельная IP-камера «день-ночь» STC-IPM3090A с M-JPEG/MPEG-4, объективом 4,2 мм и аудиоканалом (Smartec)
        Универсальная сетевая камера STC-IPM3090A «день-ночь» торговой марки Smartec оснащена 1,3-мегапиксельным CMOS-сенсором с прогрессивной разверткой, подвижным ИК-фильтром и формирует качественное цветное/черно-белое видео при освещенности до 0,5/0,05 лк, обладая ИК-чувствительностью в диапазоне от 700 до 1100 нм. Она может транслировать по сети одновременно четыре видеопотока с индивидуально настроенными параметрами в форматах MPEG-4 или M-JPEG с разрешением до 1280 х 1024 пикс. и частотой до 30 к/с. STC-IPM3090A комплектуется мегапиксельным объективом с фокусным расстоянием 4,2 мм, поддерживает технологию PoE и имеет аудио- вход/выход, детектор движения и тревожный вход/выход. Кроме того, IP-камера поставляется в комплекте с русифицированным ПО NVR на 32 канала и может работать под управлением ПО Smartec NetStation или XProtect компании Milestone.

        Сетевая миникупольная камера SNC-DM160 (Sony)
        Выпускаемая в антивандальном исполнении камера обладает 1/3-дюймовой CCD-матрицей с прогрессивным сканированием, технологией ExwavePRO и разрешением 1.3 мегапикселя. Камера имеет мегапиксельную матрицу высокого разрешения, функцию Light Funnel («световой воронки»). Качество изображений JPEG устанавливается при использовании алгоритма с постоянным цифровым потоком. Изменяемые установки гаммы, возможность настенного или потолочного монтажа, простая регулировка угла обзора делают камеру удобной в монтаже и эксплуатации. У камеры мощный вариообъектив (кратностью приближения 3,6x, угол обзора более 100 градусов) с регулировкой масштабирования и угла обзора, быстрая фокусировка. Выбираемый формат сжатия – JPEG или MPEG-4, есть возможность двойного кодирования. Функция «день-ночь». Двунаправленная передача звука и голосовые предупреждения.
        SNC-DM160 имеет платформу DEPA -– функцию интеллектуального видеоанализа, интеллектуальное обнаружение движения. Оснащена портами «вход сенсора/выход сигнала тревоги». Камера соответствует стандарту IEEE802.1X. Имеет функции SolidPTZ/Cropping и маскирования конфиденциальных зон.

        HD мегапиксельная IP-камера высокого разрешения (IndigoVision)
        Камера реализует лучший в своем классе стандарт сжатия H.264 (подтвержденный стандартом ISO 14496-10), с минимальной дискретностью 15 fps. Разрешение камеры – 1280 х 720 пикселей. Матрица CMOS 1/3″ Progressive Scan.
        Питание по протоколу PoE через сетевой кабель или внешним источником 24 VAC.
        Все камеры IndigoVision комплектуется объективами.
        Встроенные аналитические алгоритмы (как в камерах, так и в системе записи) позволяют обрабатывать все изображения, увеличивая эффективность контроля и объемы выполняемых задач мониторинга без увеличения количества операторов.
        Аналитические алгоритмы позволяют обнаруживать скопления объектов, движения, оставленные предметы и т. д.
        Функция переменной частоты кадров (ACF) позволяет, используя встроенную аналитику, постоянно отслеживать количество изменений между кадрами и, в случае отсутствия движения частота кадров уменьшается до минимальных – одного в секунду. При появлении движения частота кадров моментально восстанавливается до значения, указанного пользователем. Это позволяет достичь многократной экономии емкости записи и загруженности канала передачи информации.

        Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru

        Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них.
        Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!
        Комментарии:

        Средняя оценка этой статьи: 4 (голосов: 1)
        Ваша оценка:

        Матрица фотоаппарата

        Матрица фотокамеры служит для преобразования попадающего на нее с объектива светового потока в электрические сигналы, которые затем камера и преобразует в снимок. Делается это при помощи фотодатчиков, расположенных на матрице в большом количестве.

        Структура самой матрицы является дискретной, то есть состоящей из миллионов элементов (фотоэлементов), преобразующих свет.

        Именно от самой матрицы и зависит количество мегапикселей фотоаппарата, которое может принимать значение от 0.3 (для дешевых телефонных фотоаппаратов) до 10 и больше мегапикселей у современных фотоаппаратов. Например, 0,3 Мп это в переводе уже 300 тысяч фотоэлементов на поверхности матрицы.


        Внешний вид матрицы

        Сама матрица фотоаппарата формирует черно белое изображение, поэтому для получения цветного изображения, элементы матрицы могут покрывать светофильтрами (красный, зеленый, синий). И если сохранять фотографию в формате JPEG и TIFF, то цвета пикселей фотоаппарат вычисляет сам, а при использовании формата RAW пиксели будут окрашены в один из трех цветов, что позволит обработать такой снимок на компьютере без потери качества.

        Физический размер

        Еще одной характеристикой матрицы является размер. Обычно размер указывается как дробь в дюймах. Чем больше размер, тем меньше шума будет на фотографии и больше света регистрируется, а значит, больше оттенков получится.

        Чувствительность и шумы

        В фототехнике применительно к матрицам используется термин «эквивалентная» чувствительность. Происходит это потому, что настоящую чувствительность измеряют различными способами в зависимости от назначения матрицы, а применяя усиление сигнала и цифровую обработку, можно сильно изменить чувствительность в больших пределах.

        Светочувствительность любого фотоматериала показывает способность этого материала преобразовывать электромагнитное воздействие света в электрический сигнал. То есть, сколько нужно света, что бы получить нормальный уровень электрического сигнала на выходе.

        Чувствительность матрицы (ISO) влияет на съемки в темных местах . Чем больше чувствительность можно выставить в настройках, тем лучше будет качество снимков в темноте при нужных диафрагме и выдержке. Значение ISO может быть от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч. Недостатком большой светочувствительности может быть проявление шума на фотографии в виде зернистости. Так же чувствительность участвует в настройке экспозиции.

        Размер и количество пикселей

        Размер матрицы и ее разрядность в мегапикселях связаны между собой такой зависимостью: чем меньше размер, тем должно быть и меньше мегапикселей. Иначе из-за близкого размещения фотоэлементов возникает эффект дифракции и может получиться эффект замыливания на фотографиях, то есть пропадет четкость на снимке.

        Еще размер матрицы и ее разрешение определяют размер пикселя и соответственно динамический диапазон, который показывает возможность фотокамеры отличить самые темные оттенки от самых светлых и передать их на снимке.

        Так же чем больше размер пикселя, тем больше отношение сигнал-шум ведь больший по размерам пиксель может собрать больше света и увеличивается уровень сигнала. Поэтому при одинаковом размере матрицы меньшее количество мегапикселей может быть даже полезнее для качества фотографии.

        Чем больше физический размер пикселя (англ. pixel — picture element), тем больше он сможет собрать падающего на него света и тем больше будет соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности. Можно и по-другому сказать: при заданном соотношении сигнал-шум будет выше чувствительность. Это означает, что можно увеличивать значение чувствительности при настройке экспозиции без боязни получить шумы на фотографии. Разумеется шумы появятся, только значение ISO, при котором это произойдет, будет разным для разных фотокамер. Поэтому зеркалки со своими большими матрицами по этим показателям сильно опережают компакты.

        Размер пикселя зависит от физического размера матрицы и её разрешения. Размер пикселя влияет на фотографическую широту. Дополнительно о количестве мегапикселей.


        Матрица на плате

        Разрешение

        Разрешение матрицы зависит от количества используемых пикселей для формирования изображения. Объектив формирует поток света, а матрица разделяет его на пиксели. Но оптика объектива также имеет свое разрешение. И если разрешение объектива не достаточное, и он передает две светящиеся точки с разделением черной точкой как одну светящуюся, то точного разрешения фотоаппарата, которое зависит от значения Мп, можно и не заметить.

        И максимальным это разрешение будет, когда разрешение объектива соответствует разрешению матрицы. Разрешение цифровых матриц зависит от размера пикселя, который может быть от 0,002 мм до 0,008 мм (2-8 мкм). Сегодня количество мегапикселей на фотосенсоре может дистигать значения 30 Мп.


        Структура матрицы

        Отношение сторон матрицы

        В современных фотоаппаратах применяются матрицы с форматами 4:3, 3:2, 16:9. В любительских цифровых фотоаппаратах обычно используется формат 4:3. В зеркальных цифровых фотоаппаратах обычно применяют матрицы формата 3:2, если специально не оговорено применение формата 4:3. Формат 16:9 редко используется.

        Тип матрицы

        Раньше в основном использовались фотосенсоры на основе ПЗС (прибор зарядовой связи, по-английски CCD — Charge-Coupled Device). Эти матрицы состоят из светочувствительных светодиодов и используют технологию приборов с зарядовой связью (ПЗС). Успешно применяется и в наше время.

        Но в 1993 году была реализована технология Activ Pixel Sensors. Её развитие привело к внедрению в 2008 году КМОП-матрицы (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, по-английски CMOS — Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor). При этой технологии возможна выборка отдельных пикселей, как в обычной памяти, а каждый пиксель снабжен усилителем. Так же матрицы на этой технологии могут иметь и автоматическую систему настройки времени экспонирования для каждого пикселя. Это позволяет увеличить фотографическую широту.

        Фирма Panasonic создала свою матрицу Live-MOS-матрицу . Она работает на МОП технологии. Применяя такую матрицу можно получить живое изображение без перегрева и увеличения шумов.

        CMOS матрицы камер видеонаблюдения. Что такое CMOS или что такое КМОП?

        Что такое CMOS или что такое КМОП? CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник или КМОП. CMOS или КМОМ — это технология построения интегральных схем на основе полупроводников.

        В настоящее время (2017 год), подавляющее большинство камер производится с матрицами CMOS. Их прямой конкурент — матрицы CCD. Они лучше по многим параметрам, но CCD матрицы очень медленные. Это определило победу технлогии CMOS для изготовления матриц камер видеонаблюдения.

        Так что при выборе камеры видеонаблюдения вы скоере всего наткнетесь на камеру с матрицей CMOS.

        На какие же параметры следует обратить винмание при выборе камеры?

      7. Разрешение матрицы: 1 Mpx, 1.3 Mpx, 2 Mpx, 3Mpx и выше. Многие компании переходят на производство камер видеонаблюдения разрешением 4, 5 и 8 мегапикселей. Разрешение — это количество светочуствительных точек матрицы. Чем больше этих точек — пикселей, тем сильнее можно увеличить картинку без потери качества.
      8. Физический размер матрицы в дюймах. Пример 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2″. Чем больше эта дробь, тем больше физический размер матрицы. При сравнении двух камер с одинаковым разрешением и с различными размерами матриц, лучше выбрать камеру с большей матрицей. Такая матрица будет иметь большую светочуствительность, а пиксели будут меньше создавать друг другу электронных шумов.

      Еще по теме:

      • Исправление ошибок в реестре бесплатно Программа для исправления ошибок реестра Ускоритель компьютера – профессиональная, но простая в использовании программа для исправления ошибок реестра. В данном приложении достаточно запустить сканирование реестра, дождаться обработки данных и наглядно […]
      • Заявление в steam Valve разрешила издавать в Steam любые игры с легальным контентом Об этом компания сообщила на официальном форуме Steam. Представители Valve отметили, что в мире есть очень много мнений на счет того, какие темы можно и нельзя считать приемлемыми в […]
      • Адрес сделать патент в москве Патент на работу в Москве для граждан Украины. Стоимость: согласно официальным ценам ММЦ в Сахарово. Легальность патента: в итоге вы получите 100% легальный патент, подлинность которого сможете проверить самостоятельно на официальном сайте ФМС. Патент на […]
      • Проверка штраф астана Поиск и оплата административных штрафов и штрафов за нарушение правил дорожного движения Наименование платежа Поиск и оплата административных штрафов и штрафов за нарушение правил дорожного движения Размер оплаты Сумма штрафа и комиссия в размере 100 […]
      • Бюро адвокатов де-юре Добро пожаловать Бюро адвокатов «Де-юре», созданное в 2003 году, объединяет высококвалифицированных и динамично мыслящих адвокатов, имеющих юридический стаж от 5 до 37 лет.Глубокое знание российского и международного права, огромная правоприменительная […]
      • Без предоплаты у нотариуса Деньги под расписку через нотариуса Кредит в Москве до 5.000.000 руб. без залога. Гарантия одобрения. Быстрая помощь в получении кредита наличными до 5.000.000 руб. Одобрение в самые сжатые сроки (1-2 дня), без беготни по банкам. Рассматриваем различную […]
      • Налог на дизельный авто Налог на дизельный автомобиль Ко мне на автомобильный блог, достаточно часто задают вопросы про транспортный налог на автомобили. В частности многие задают вопросы о налоге на дизельный автомобиль (автомобиль, работающий на дизельном топливе). По слухам в […]
      • Не оформили трудовой договор штраф Работа без договора дорого обойдется работодателям Согласно поправкам в Кодекс об административных правонарушениях РФ, ответственность за незаключение трудового договора со следующего года будет ужесточена. Теперь должностным лицам будет грозить штраф до 20 […]