CMOS與CCD的靈敏度比較

文/張勇

作者為深圳市星航洋科技有限公司總經(jīng)理

CMOS和CCD是兩種不同的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，兩者也經(jīng)歷了不同的技術(shù)發(fā)展階段。當(dāng)前CMOS圖像傳感器科技發(fā)展迅猛，整個安防領(lǐng)域從Sensor端開始競爭白熱化，在Ipcam、模擬高清的噱頭效應(yīng)下，已經(jīng)很少有人關(guān)注CCD，這從絕大多數(shù)安防企業(yè)不再向Sony下計(jì)劃，以及傳聞Sony計(jì)劃停產(chǎn)CCD就能看出端倪。但從CMOS和CCD的比較而言，了解兩者之間的差異，在琳瑯滿目的傳感器應(yīng)用方案面前，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行選擇，選對方案，有很重要的實(shí)際意義，特別是在激烈競爭中的戰(zhàn)略選型。下面就兩種圖像傳感技術(shù)的主要特點(diǎn)差異在應(yīng)用端的實(shí)際意義進(jìn)行簡單的描述。

幀率和靶面尺寸對圖像傳感器的影響

CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率和信噪比，等等。

幀率代表單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會產(chǎn)生動畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒的時(shí)候，人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s之間時(shí)就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了。每秒的幀數(shù)，或者幀率表示圖形傳感器在處理場時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗(yàn)。

靶面尺寸，也就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，和電視機(jī)一樣，通常這個數(shù)據(jù)指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。

高清領(lǐng)域的CMOS

CCD在上世紀(jì)70年代誕生于美國貝爾實(shí)驗(yàn)室，發(fā)展歷程在此不做贅述。安防行業(yè)傳統(tǒng)的認(rèn)識是CCD感度好，CMOS功耗低價(jià)格便宜，至于為什么CCD好，大部分從業(yè)人員講不出一個所以然來。CCD采取互補(bǔ)光CMYG色彩陣列，理論上通光率可達(dá)到約60%，而CMOS采取的三原色RGB色彩陣列，通光率理論值只有33%，也就是說，在同等的工藝和設(shè)計(jì)水平下，采用CMYG互補(bǔ)光色彩陣列的感光能力要比采用RGB色彩陣列的CMOS感光元件大約80%。所以CCD呈現(xiàn)出來的夜視效果相對就要好很多。RGB的優(yōu)勢就在于色彩還原度更高，呈現(xiàn)出來的圖像效果更加細(xì)膩。

自Sony創(chuàng)造Super HAD CCD到 EXVIEW HAD CDD一直統(tǒng)治著CCD甚至整個安防領(lǐng)域的市場。除了品牌效應(yīng)、品質(zhì)信心、需求慣性以外，是因?yàn)镃CD最大的產(chǎn)品特性就是感光靈敏度更好，EXVIEW HAD CCD更是在近紅外成像部分有更大的突破，夜視效果更佳出色。國產(chǎn)MCCD采取首創(chuàng)三級Fd技術(shù)，更是在CCD基礎(chǔ)上取得了更高的靈敏度和動態(tài)范圍，可以呈現(xiàn)更完美的夜視效果。目前市面上的夜視王攝像機(jī)即是采用MCCD 方案。

但問題是CCD往高清發(fā)展的代價(jià)非常昂貴，且CMOS功耗更低，所以傳統(tǒng)的安防領(lǐng)域，CCD出到960H即終止了，只有像天文望遠(yuǎn)鏡等對清晰度和靈敏度都要求特別高的特殊行業(yè)在采用高清CCD組件，而在民用安防高清領(lǐng)域取而代之的是CMOS。這本質(zhì)上是由工藝難度和生產(chǎn)成本決定的。目前業(yè)內(nèi)普及的720P以上的圖像傳感器幾乎全是CMOS，除了工藝的因素外，更重要是是CMOS更便宜。我們只要看到手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的幾百萬甚到上千萬像素的圖像傳感器全是CMOS，就一目了然了。可以說，在眼見為實(shí)的民用高清時(shí)代，CMOS是王道。

低照度下CCD/MCCD的應(yīng)用更有效

盡管CMOS在民用高清監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用普遍，但是，如果單純從安全防范的核心價(jià)值而言，監(jiān)控最主要的目的是“看得見”、“看得清”，其次才是“看得漂亮”。高清的CMOS圖像傳感器元件，我們以1080P為例，通常認(rèn)為這是200萬象素，但絕大多數(shù)人不知道的是，這只是理論上的有效像素點(diǎn)的多少。對于感光器件而言，實(shí)際的有效像素點(diǎn)的多少取決于光照條件。當(dāng)光照條件足夠，1080P即200萬象素，當(dāng)光照條件下降到一個臨界值，有效像素將會降低，在10lux光照條件下(比如黃昏室內(nèi))1080P的有效像素就跟同等相同靶面大?。ū热缤瑸?/3”）的720P相當(dāng)，當(dāng)光照條件下降到8lux,1080P的有效像素就比720P的有效像素要低，照度越低，1080P的有效像素下降越快，這就是大多數(shù)行業(yè)人士看到的1080P夜視糟糕的原因。反而在低照度下，幾十萬象素的CCD和MCCD的有效像素要比1080P和720P要高很多。

小結(jié)如下：在光照充足條件下（Pixel大小相同，不考慮工藝和設(shè)計(jì)差異情況下）：有效像素（圖像效果）1080P＞720P＞960H＞D1, 在光照條件不充足條件下（黃昏以后），有效像素（圖像效果）1080P＜720P＜960H＜D1。

照度參考表：

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在如何解決看得見的問題下，目前安防行業(yè)紅外補(bǔ)光技術(shù)和生產(chǎn)基礎(chǔ)發(fā)達(dá)，流行紅外夜視攝像機(jī)。但是我們通常所應(yīng)用的傳感器，不論CMOS還是CCD，紅外的感光靈敏度都比可見光的更低，所以我們發(fā)現(xiàn)很多傳感器的應(yīng)用中，即使把紅外光功率補(bǔ)得再大，圖像效果依然糟糕，諸如噪點(diǎn)、“雪花”、“飛絮”之類的就出現(xiàn)了。CCD通常能感應(yīng)940nm波段的紅外光，MCCD更是能感應(yīng)1100nm波段的紅外光，而普通的CMOS只能采用850nm紅曝補(bǔ)光。一般的CMOS采用850燈板補(bǔ)光效果還不如CCD采用940nm補(bǔ)光的效果好。

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從圖像效果出發(fā)，不考慮工藝、設(shè)計(jì)水平、靶面、幀率、ISP、DSP、傳輸、存儲、監(jiān)視器的處理能力的前提下，我們可以簡單總結(jié)如下，CMOS色彩還原好，CCD夜視好；數(shù)字高清CMOS白天更漂亮，模擬CCD夜視更漂亮。不論CMOS還是CCD/MCCD，像素點(diǎn)越多，白天畫面越漂亮，Pixcel Size越大，感光靈敏度越高，夜視效果更漂亮。

從產(chǎn)品形態(tài)出發(fā)，如果從防止犯罪的角度，建議選擇CCD或MCCD；如果從娛樂和白天視覺享受的角度，就選擇數(shù)字高清CMOS。由于當(dāng)前DVR和NVR不兼容，模擬監(jiān)控領(lǐng)域建議兼容模擬760H/960H CCD/MCCD和銅軸模擬高清搭配的組合套裝產(chǎn)品形態(tài)，達(dá)到兼顧白天視覺享受和監(jiān)控的目的。IPcam領(lǐng)域就建議采用1/2”、1/3”、1/4”高清CMOS搭配的形式。

深圳市星航洋科技有限公司將基于MCCD 760H、960H, 比亞迪和銳芯720P、1080P，為合作伙伴提供更豐富、更專業(yè)、更系統(tǒng)的產(chǎn)品服務(wù)，為安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。