CCD和CMOS主要技術(shù)分析

CCD和CMOS是當(dāng)前主要的兩項(xiàng)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(jī)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(dá)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(qiáng)勁的優(yōu)勢。本文將對(duì)CCD和CMOS主要技術(shù)作簡要分析，并作出選擇判斷。

　　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(huì)涉及到感光傳感器——即CCD或CMOS成像技術(shù)。

　　CCD和CMOS主要技術(shù)特性比較

　　對(duì)于交通抓拍和視頻監(jiān)控，對(duì)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(diǎn)。

　　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(shí)間。由于CCD芯片暴露在光線下，即使把電荷轉(zhuǎn)移也還會(huì)有電荷累積。因此，如果被測的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，就會(huì)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(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(gè)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(duì)一行像素進(jìn)行曝光控制(如圖1-1)，即一行曝光后再對(duì)下一行進(jìn)行曝光，這樣就會(huì)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(shí)開始和結(jié)束曝光，圖1-3是Global shutter的成像效果。但5個(gè)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(bǔ)。

　　幀率：Frame Rate

　　另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的是幀率。對(duì)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(shí)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(shí)際上，讀出時(shí)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(huì)帶來更多的噪聲，同時(shí)高速高帶寬的讀出放大器功率也會(huì)增加。因此，對(duì)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(gè)區(qū)域，分別用讀出放大器讀出，再進(jìn)行拼合。由于多通道電路使攝像機(jī)體積更大、功耗更高，故不適合于所有應(yīng)用。

　　對(duì)于CMOS芯片而言，以單個(gè)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(shí)，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(jī)器視覺系統(tǒng)僅對(duì)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(shí)，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(hào)和噪聲的量級(jí)接近，噪聲對(duì)圖像的質(zhì)量影響會(huì)很大。每個(gè)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(hào)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(huì)更多。同時(shí)CCD可以通過電荷倍增技術(shù)，在讀出前，通過多級(jí)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(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning可將信噪比提升N倍。CMOS也可以進(jìn)行類似的Binning，往往是對(duì)相鄰像素電壓信號(hào)進(jìn)行采樣疊加，由于采樣也會(huì)引入一定的隨機(jī)噪聲，因此，CMOS中對(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning所得的信噪比的提升只能達(dá)到倍。