从概念到应用 高清监控设备CCD/CMOS全面PK

  【天极网网络频道】【天极网网络办公群组10月19日消息】大家都很清楚，安防行业正在迎来一个大爆炸的时期，而现在被讨论最多的就数百万像素高清，诚然，做监控自然是越清楚越好，这本无可厚非，而今天笔者主要就百万像素高清摄像机的图像传感器的CCD与CMOS两大阵营进行一下比较，所谓是骡子是马牵出来遛遛是也。

  CCD和CMOS传感器的工作原理

  CCD是英文ChargeCoupledDevice的缩写，中文翻译为电荷耦合器件。它是1969年美国贝尔实验室的W·B·博伊尔(W·B·Boyle)和G·E·史密斯(G·E·Smith)等人研制出来的，其使用一种高感光度的半导体材料制成，包含众多感光元件，每个感光元件叫一个像素，CCD可以看做这些像素的集合体。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

  而CMOS英文全称是Comple�t-mentaryMetal-OxideSemicon�t-ductor,即互补金属氧化物半导体，与CCD一样也是记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带负电(N极)和正电(P极)的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。再透过芯片上的模数转换器(ADC)将获得的模拟影像信号转变为数字信号输出。

  可以看到，无论是CCD还是CMOS,它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，其核心都是一个感光二极管(photodiode)，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。

  像素结构不同

  CCD与CMOS的第一个区别体现在感光单位即像素结构不同。前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大部分面积。而CMOS感光元件的构成比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。

  相较于CMOS传感器，CCD感光元件中的有效感光面积大，在同等条件下可接收较强的光信号，对应的输出电信号也更强;体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器丰富、锐度较差、图像细节丢失情况严重且噪点明显，这也是早期CMOS传感器大多用于低端场合的原因。

  CCD与CMOS高清监控摄像机优劣比较

  看了以上的介绍，也许大家会认为CCD成像清晰、噪点少，所以相对CMOS优势明显。其实不然，虽然大量的ADC给CMOS带来了低噪点的缺陷，但也在其他方面显示出了极大的好处。

  比较CCD与CMOS高清监控摄像机,它们在以下五个方面互有优劣：

  灵敏度

  由于CMOS每个像素包含一个感光二极管、一个电荷/电压转换单元、一个晶体管以及一个放大器，导致感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。过多的额外设备压缩单一像素的有效感光区域的表面积，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。直接的后果就是低照度环境下，CMOS无法像CCD一样灵敏，成像清晰度大大降低。

  成本

  CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。如果专用通道中有一个像素故障，就会导致一整排的信号拥塞而无法传递。因此CCD的良率比CMOS低。而CMOS应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失，成本大为降低。

  噪点

  由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的ADC放大器。由于放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率严格一致，致使放大后的高清监控摄像机图像无法代表拍摄物体的原貌。因此，对比每行只有单个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。

  速度

  CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

  功耗

  CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大;而CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

  通过以上比较分析，能看出CCD与CMOS高清监控摄像机各有优势。基于此，我们可以做到扬长避短，在不同应用场合选择CCD或CMOS摄像机。

  低照度环境下宜使用CCD高清监控摄像机

  由于CCD感光单元有效面积大，在光照强度较低的环境中，能相对清晰地呈现出被摄物体原貌。相反，CMOS传感器灵敏度低，ISO感光度差，低照时成像清晰度大大降低。所以，在低照度环境下，如灯光较暗的停车场、楼梯间、封闭通道和暗室等，宜选用感光灵敏的CCD摄像机。

  隐蔽环境中使用CMOS高清监控摄像机传感器可以将所有逻糪-和控制环都放在同一个硅芯片块上，使摄像机变得简单灵巧，因此CMOS摄像机可以做得非常小。而CCD摄像机限于外围复杂电路影响，体积无法做到CMOS般微型化。对于道路、门口等摄像机易受不法分子攻击破坏的场合，选用CMOS摄像机能达到隐蔽执法、避免攻击的作用。

  CMOS

  图像质量要求高的场合选用CCD高清监控摄像机结构中由于每行仅有一个ADC,信号放大比例一致，所以图像还原真实自然、噪点低，在对画质要求苛刻的场合宜选用CCD摄像机。像素越高、尺寸越大的CCD拥有更好的图像品质。目前监控用CCD摄像机已能做到200万至500万高像素，而CCD也囊括了1英寸(12.8mm×9.6mm)、2/3英寸(8.8mm×6.6mm)、1/2英寸(6.4mm×4.8mm)、1/3英寸(4.8mm×3.6mm)、1/4英寸(3.2mm×2.4mm)等多种尺寸。

  高帧摄像时选用CMOS高清监控摄像机更佳

  CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，每个专用通道中的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变。因此，这个“放大器”就成为了制约图像处理速度的瓶颈。所有电荷由单一通道输出，当数据量大时就容易发生信号拥堵。而像素越高，需要传输和处理的数据也就越多，使用单CCD无法满足高速读取大量高清数据的需要。而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光电信号转变成数字信号，因此处理非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，速度能达到400到2000帧/秒。所以对于高速摄像场所，选用CMOS摄像机效果更佳。