主頁（http://www.130131.com）：淺析交通抓拍和視頻監(jiān)控前端傳感器技術(shù) 【中國集群通信網(wǎng)】CCD和CMOS是當(dāng)前主要的兩項成像技術(shù)，它們產(chǎn)生于不同的制造工藝背景，就當(dāng)前技術(shù)言仍各具優(yōu)劣。選擇CCD或CMOS攝像機應(yīng)依據(jù)適用環(huán)境和要求，合適選用CCD或CMOS技術(shù)，便能使圖像監(jiān)控達到預(yù)期的效果。另外，還可看到，COMS作為極具發(fā)展?jié)摿Φ某上窦夹g(shù)，較CCD有著更強勁的優(yōu)勢。本文將對CCD和CMOS主要技術(shù)作簡要分析，并作出選擇判斷。文最后對CMOS技術(shù)做前景介紹。文/陳志紅無論是交通抓拍，還是高清視頻監(jiān)控，只要應(yīng)用到視覺成像技術(shù)，就會涉及到感光傳感器——即CCD或CMOS成像技術(shù)。業(yè)內(nèi)對CCD和CMOS的優(yōu)劣勢討論已經(jīng)太多了，學(xué)術(shù)上爭論本身是很有意義的，利于技術(shù)的進步，然而這種“涇渭分明”的爭論或許更迎合各個廠家作為競爭市場的銷售手段，而不能解決視頻監(jiān)控中遇到的實際問題。如果能夠認真審視一下這兩類傳感器的優(yōu)劣勢及特點，比照實際項目中的應(yīng)用需求，則能幫助系統(tǒng)集成商以及設(shè)備供應(yīng)商針對實際應(yīng)用，最大化地發(fā)揮出CCD或CMOS傳感器各自的優(yōu)勢。 CCD和CMOS主要技術(shù)特性比較 對于交通抓拍和視頻監(jiān)控，對前端成像傳感器CCD和CMOS比較關(guān)注的技術(shù)特性主要有以下幾點。 電子快門Electronic Shutter 電子快門用來控制芯片從開始到結(jié)束的電荷積分時間。由于CCD芯片暴露在光線下，即使把電荷轉(zhuǎn)移也還會有電荷累積。因此，如果被測的是運動目標(biāo)，就會產(chǎn)生常說的Smear(拖影)現(xiàn)象。CCD是用行間轉(zhuǎn)移(ILT)的方式解決電荷累積問題的，每個像素被分為感光區(qū)和電荷轉(zhuǎn)移區(qū)，電荷轉(zhuǎn)移區(qū)不感光，這樣在曝光結(jié)束時先將電荷一次性轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)，再讀出，這樣讀出過程就沒有電荷積分，不會產(chǎn)生因目標(biāo)運動而引起的Smear現(xiàn)象。但顯然ILT方式減少了像素的感光面積，降低了靈敏度。這時，通常在像素上增加微透鏡來收集更多的電荷。 CMOS芯片上電荷都是在每個像素上讀出的，不存在CCD芯片的問題，它的電子快門分Rolling shutter和Global shutter兩種，Rolling shutter通常采用的都是3T像素結(jié)構(gòu)，每次僅能對一行像素進行曝光控制(如圖1-1)，即一行曝光后再對下一行進行曝光，這樣就會出現(xiàn)如圖1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具備5T的結(jié)構(gòu)，使整幅圖像所有像素同時開始和結(jié)束曝光，圖1-3是Global shutter的成像效果。但5個光電二極管的結(jié)構(gòu)同樣減小了感光面積，這也可以通過增加微透鏡的方式來彌補。
圖1-1運動模糊 圖1-2 Rolling Shutter 圖1-3 Global Shutter 幀率：Frame Rate 另外一個需要重點考慮的是幀率。對于CCD感光器來說，抓拍和監(jiān)控速度主要受制于電荷的讀出速度，讀出時鐘又決定了電荷讀出速度的快慢，分辨率越高，CCD芯片讀出的速度就越慢。實際上，讀出時鐘的上限取決于光-電轉(zhuǎn)換的讀出放大器的帶寬，更高的讀出速率要求有更寬的帶寬;但另一方面，帶寬越大又會帶來更多的噪聲，同時高速高帶寬的讀出放大器功率也會增加。因此，對CCD感光器而言，高速是在像素分辨率、噪聲、功耗之間的平衡。多通道可以在一定程度上解決讀出速度的問題，將圖像分成多個區(qū)域，分別用讀出放大器讀出，再進行拼合。由于多通道電路使攝像機體積更大、功耗更高，故不適合于所有應(yīng)用。 對于CMOS芯片而言，以單個像素為單位將電荷轉(zhuǎn)化為電壓，讀出放大器就不再需要提高速度來支持更高的幀率。因此，CMOS芯片更易獲得更高幀率。與此同時，與CCD不一樣，CMOS得到的圖像數(shù)據(jù)能夠清零而無需被讀出。這就解決了機器視覺系統(tǒng)僅對圖像里感興趣區(qū)域成像、只需讀出部分圖像信息的問題。當(dāng)只需讀出感興趣區(qū)域的應(yīng)用場合，CMOS芯片能夠在不增加像素頻率的基礎(chǔ)上支持更高的幀率。 微光成像(低照度成像)Low-light Operation 當(dāng)需要在微光下成像時，CCD和CMOS感光器采用的技術(shù)是不同的，在微光條件下，讀出放大器非常重要，CCD采用統(tǒng)一的放大器讀出，相應(yīng)的，一致性比CMOS要好。微光條件意味著信號和噪聲的量級接近，噪聲對圖像的質(zhì)量影響會很大。每個CMOS感光器像素上的讀出放大器都是低帶寬放大器，比CCD感光器中用的高帶寬放大器噪聲更小，因此，可以通過提高信號增益來獲得更好的信噪比。而通常CCD比CMOS的填充因子要高，同樣條件下收集的電荷數(shù)會更多。同時CCD可以通過電荷倍增技術(shù)，在讀出前，通過多級的電荷倍增，每次增加小幅度增益，獲得更高的信噪比。此外，像素組合功能(Binning)也可以提高CCD的靈敏度，對N個像素進行Binning可將信噪比提升N倍。CMOS也可以進行類似的Binning，往往是對相鄰像素電壓信號進行采樣疊加，由于采樣也會引入一定的隨機噪聲，因此，CMOS中對N個像素進行Binning所得的信噪比的提升只能達到倍。 非可見光成像Other Wavelenghs CCD和CMOS感光器在對可見光以外的光譜成像方面也有很大的不同，如紅外光(IR)射到傳感芯片上時會比可見光打得更深，因此要想充分收集這些電荷，就需要將硅襯底做得更厚些。這對于CCD芯片，在工藝上會容易些。而對于CMOS，工藝還會有些問題。將感光部分硅襯底做得更厚，意味著要將其他的光電二極管做得同樣厚，這樣會影響這些控制門、放大器等器件的性能。 對于紫外光(UV)，無法透過大多數(shù)集成電路電極層，或者是電路電機層對紫外線根本不響應(yīng)。這就導(dǎo)致如果采用前照的方式，紫外光引起的響應(yīng)會很弱，要解決這個效應(yīng)問題，可以通過去掉基底層，采用背照的方式來實現(xiàn)。CCD感光器的減薄技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而CMOS的減薄技術(shù)也取得了很大的突破。 CCD還是CMOS?作出選擇 從CCD和CMOS感光器對電子快門、幀率、微光成像及非可見光成像的不同工藝技術(shù)所帶來的不同影響，可以不難看出，選擇CCD或CMOS傳感器應(yīng)取決于具體應(yīng)用(
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