原创 简要分析CCD和CMOS摄像机优劣

    作者：会飞的鱼

    很多朋友问飞鱼：CMOS摄像机和CCD摄像机有何不同？到底哪种好些呢？

    在传统观念中，CCD代表着高解析度、低噪点等优点，而CMOS由于噪点问题，一直与电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品联系在一起。但是现在CMOS摄像机绝非只局限于简单的应用，甚至发展于高清系列。首先我们还是从CCD和CMOS的不同工作原理说起。

CCD

    CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在民用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。

    而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，因此也能都满足高清HDV的需求。另外，CMOS工作所需要的电压比CCD低很多，功耗大约只有CCD的1/3。因此,电池尺寸可以做得更小，使得摄像机的体积也就做得更小。而且，每个CMOS都有单独的数据处理能力，这也大大减少的集成电路的体积，这也让高清数码摄像机得以实现小型化。

CCD

    1. 什么是CCD摄像机？　　

    CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

佳能摄像机

    2. CCD摄像机的工作方式　　

    被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

CCD摄像机的工作方式

    3. CCD芯片的尺寸 　　

    CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。

CCD芯片的尺寸

    画素多寡与尺寸大小没有绝对关系,大多数的直观想法认为 CCD 的画素越大，所需空间应该越多，相对的 CCD 的面积尺寸应该越大！对照目前的生产技术来说，这个观念是『对』也是『不对』。事实上，画素开口面积大小与线路布局精细度才是影响 CCD 尺寸的关键因素；也就是说，当制程技术越精密，线路所需占得的空间就越小，相对画素开口面积固定下，可以靠得更紧密，也就可以达到进一步缩小面积的目的。

CCD芯片的尺寸

    此外，五百万画素的表现是否一定优于四百万画素，其实也不尽然，端看 CCD 的设计布局。5MP:1/1.8英吋 v.s. 4MP：1/1.8英吋，四百万画素的开口率或称为 Fill Factor （光填充率）就比 5MP 来得大，相对的感光能力上要比 5MP 来得强；不过，解像力上当然还是 5MP 画素的感光元件较优。

    CCD Size 影响成本与设计,越来越多的 LCD 宽萤幕为了满足人类视觉比例，跳脱传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数位相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3的标准（3：2主要仍为 DSLR 数位单眼机身所采用，另中片幅、专业数位机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。

    4.分辨率的选择 　　

    评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。

分辨率的选择

    5成像灵敏度　　

    通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。

结构

    0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.参考环境照度：　　

    夏日阳光下 100000Lux 阴天室外 10000Lux 　　

    电视台演播室 1000Lux 距60W台灯60cm桌面 300Lux 　　

    室内日光灯 100Lux 黄昏室内 10Lux

    20cm处烛光 10-15Lux 夜间路灯 0.1Lux

    6. 电子快门　　电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。

    7. 外同步与外触发　　

    外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。

外同步与外触发

    8. 光谱响应特性 　　

    CCD器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm)，分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。

    介绍了CCD，下面飞鱼来讲解下CMOS，其实传统的CMOS传感器是一种通常比CCD传感器低10倍感光度的传感器。

光谱响应特性

    因为人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好在0.1~3Lux，是CMOS传感器感光度的3到10倍。 CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内，CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音，固定的图案噪音始终停留在屏幕上好像那就是一个图案，因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量应用的所有摄像机都是用了CCD传感器，CMOS传感器一般用于非常低端的家庭安全方面。

    有2个例外，CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度，CMOS传感器非常快速，比CCD传感器要快10到100倍，因此非常适用于特殊应用如high ens DSC camera ( Cannon D-30 )或者高帧摄像机。

CMOS对比

    CMOS传感器可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上，可以使摄像机变得简单并易于携带，因此CMOS摄像机可以做得非常小。

    CMOS摄像机尽管耗能同样或者高于CCD摄像机，但是CMOS传感器使用很少的圆环如CDS, TG和DSP环，所以同样尺寸的总能量消耗比CCD摄像机减少了1/2到1/4。监视器级别摄像机使用12伏特/65毫安电源，几乎和CMOS摄像机一样，但是具有好得多的影像质量，C系列摄像机使用0.35um3.3伏特数字讯号处理器，因此消耗非常少的能量（54C0,54C1,54C2,54C1,54C5,54C6）。所有其它公司生产的CCD摄像机的消耗12伏特/150到300毫安，因此比CMOS的5到12伏特和35到70毫安高出了2到4倍。

    说完CCD和CMOS，下面飞鱼为大家重点说下两者的区别：

    CCD 和 CMOS 的制造过程和电子半导体技术息息相关，不同于传统底片采用化学制程，CCD 感光原件是在晶圆上（Circular disk） 藉由加工技术"蚀刻"出来。90年代初期 CCD 规格较没有统一，因此呈现混乱的局面，特别是发展厂商希冀以不同的生产技术和切割方式创造最佳利润，以至于特殊规格出现导致例外的发展。市场优胜劣败的淘汰下，现今量产 CCD 的公司只剩下：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和SHARP，相关技术和规格几乎大部分已由日本厂商统一制订。

    CCD称为“电荷耦合器件” ，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

    CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。传感器被称为CMOS传感器只是为了区别于CCD传感器，与传感器处理影像的真正方法无关。

    CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到2000帧/秒。这个优点对于眺望高速移动的物体非常有用，然而由于没有高速的数字讯号处理器，所以市场上只有很少的高速摄像机并一般价格都非常高，每个单位00到300,000。敏通生产的75帧CCD摄像机已经比PAL TV标准的25帧/秒快了3倍，并且达到了CCD设备的物理极限

强劲3CMOS技术 索尼PC1000E

    CMOS数码摄像机工作原理是这样：CMOS感光后生成一个电信号，再把电信号转化为数字信号，再通过独特的算法把数字信号还原为图像，这其中，影像的计算处理就成了一个极其关键的步骤。索尼为CMOS感光芯片专门开发了“增强型影像处理器”，它使用了一种全新的算法，能够很好地提升HDV影像的动态范围，平衡光暗度，表现影像的层次感。所谓“动态范围”是指一台摄像机在暗处拍摄物体时候的影像再现能力，这是考察数码摄像机成像质量的一个重要标准，高动态范围可以在暗处实现原始影像真实重现和同时有很好的细节表现力。“增强型影像处理器”把原始的影像信号分离成为“图像信号”和“亮度信号”，画面的明暗处被分别优化处理，更加逼真传神，高清晰的视频信号就这样实现了。

    随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破，业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。而且，与CCD相比，CMOS的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低，种种迹像表明：图像传感器的领域正面临着一个重大转折，尽管从目前的状况看，CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界，但这个界限似乎越来越模糊。有专家预言，随着300万像素的CMOS图像传感器的上市，图像传感器即将进入“CMOS时代”。

索尼摄像机

    CMOS有这么多优点，过去没有在DV和DC产品大范围使用CMOS，是因为CMOS确实存在一些缺陷：由于CMOS的每个像素需要单独搭配一个“放大器”，这就会带来了两个问题：一方面，在每个像素中“放大器”都要占用一定面积，这部分面积不能感光，会直接损失图像；另一方面，要让每个“放大器”的放大效果保持均衡很困难，这也会增加噪点。