физический размер матрицы какой лучше

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание?

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.

Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.

Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!

Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.

Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

Источник

Что собой представляет матрица цифрового фотоаппарата

В каждом современном фотоаппарате есть матрица. Этот фотосенсор является одним из главных компонентов аппаратуры. Она преобразует полученный свет в набор битов и затем в цифровое изображение. Именно она отвечает за цветопередачу, полноту кадра и четкость.

Что собой представляет матрица? Это микросхема с фотодиодами, которые генерируют лучи света и как бы «рисует» картинку. Цвет на изображении появляется благодаря мозаичным фильтрам.

Типы матриц

По технологии считывания и используемым полупроводникам выделяют два основных вида матрицы:

Матрица фотоаппарата типа ПЗС имеет невысокую стоимость и постепенно уходит в прошлое. В камерах, оснащенных ей, информация об изображении считывается с каждой ячейки последовательно, поэтому время выдержки значительное. По этой причине делать быстро кадры не получится, а если недостаточно освещения, то придется использовать штатив.

КМОП-матрица фотоаппарата появилась на рынке относительно недавно (2008 год), хотя разработка технологии началась еще в 1993 году. Принцип работы основывается на выборке отдельных пикселей и схож с работой карты памяти. Зачастую полноразмерные матрицы изготовляют именно по этой технологии, так как нет потери низа, верха и боковых границ. Она позволяет делать кадры с малой выдержкой. Сам полупроводник светочувствительный и работает тихо.

ВАЖНО! Основная разница между ПЗС и КМОП – последовательность считывания ячеек. CCD технология позволяет использовать в фотоаппарате автофокус и экспонометр. Последний тип матрицы является более дешевым и потребляет меньше энергии в сравнении с ПЗС.

Live-MOS-матрица фотоаппарата является улучшенной версией КМОП. Имеет небольшое количество соединений, светочувствительная, потребляет немного энергии.

Используется, производиться исключительно компанией «Panasonac». За счет того, что размеры матрицы небольшие, фотоаппараты с ней имеют компактные размеры.

Live-MOS имеет недостатки. Из-за того, что на каждый пиксель выделена отдельная электрическая цепь, на изображении часто появляется шум и возникает перегрев.

Super CCD-матрица камеры имеет пиксели с восьми углами, часть из которых зеленого цвета, маленького и большого размера. Остальные пиксели синего и красного цвета совпадают по размеру с малыми пикселями зеленого цвета. За счет разного размера увеличивается фотографическая широта, а коэффициент заполнения пикселями равняется 100%. Из-за сложного принципа считывания сигнала, камеры с этой матрицей потребляют большое количество энергии и дорого обходятся для производителя.

QuantumFilm. Эти типы матриц фотоаппаратов изготовляются на основе кремния и квантовых точек. Именно последние позволяют захватить световые лучи практически на 100%. Отсюда высокая резкость изображения даже при низкой освещенности. Сенсор за счёт наличия квантовых точек имеет компактные размеры.

Стоит отметить, что человеческий глаз не заметит принципиальных различий между разными матрицами. Главное отличие в них – процесс производства.

Тип матрицы фотоаппарата классифицируют в зависимости от светофильтра:

RGB расшифровывается как красный – зеленый – синий. На базе смешивания этих трех базовых цветов формируются все остальные.

Приставка «W» означает «белый», то есть светофильтр имеет дополнительный белый фотодиод. На что это влияет? Матрицы, где белых фотодиодов до 50%, сокращают потерю света примерно на 1/3. У камер с RGBW лучшее соотношение шум-сигнал. Недостаток – утрата мелких цветных деталей при нормальном освещении.

Физический размер матрицы

На качество снимком влияет не только тип матрицы, но и ее размер. Обозначается он в дюймах.

Размер матрицы фотоаппарата напрямую зависит от количества и размера пикселей. Размер пикселей зависит от того, какой светочувствительностью он наделен. И чем больше пиксели по размеру, тем больше световых лучей они могут собрать. Соответственно, чем больше матрица, тем меньше шума на снимках и больше светочувствительность.

Полная матрица равна кадру снимка пленочным фотоаппаратом в 35 мм (2,4Х3,6 см) или crop 1. После появления цифровых камер, принцип работы не изменился, только пленку сменила матрица. Но, полномерный фотодатчик имеет большие размеры, вес и производители пошли на уменьшение его размера.

Если размер матрицы фотоаппарата меньше стандартного, то она называется кроп-фактор, в обиходе «камера с кропнутой матрицей». Значение отображает во сколько раз фотодатчик меньше кадра пленки.

ВАЖНО! Размер матрицы фотоаппарата имеет большое значение: объектив с меньшим фотодатчиком обрежет изображение, а если съемка делается полноразмерным, то кадр будет шире и угол обзора больше.

Самые распространенные модели фотоаппаратов имеют кроп-фактор размером 1,3; 1,5; 1.6 и 2, то есть меньше пленочного кадра в 1,3 раза и так далее. Хотя на рынке представлены модели с полноразмерной матрицей и называются они полнокадровыми цифрозеркальными аппаратами.

Размеры матриц фотоаппаратов компактного типа меньше полноценного фотодатчика в 25 раз.

Таблица самых распространенных размеров:

СОВЕТ! Выбирая камеру, отдавайте предпочтение той, у которой размер фотосенсора больше.

Физический размер матрицы видеокамеры, фотоаппарата влияет на общий вес камеры и габаритные размеры.

Количество мегапикселей и разрешение матрицы

Любой продавец, пытаясь продать фотоаппарат, обязательно отметит количество пикселей в камере. Что это и насколько важен этот показатель? На самом деле, их количество важно в том случае, если в дальнейшем снимок будет печататься или просмотр изображения будет производиться с увеличением на мониторе компьютера.

Фотоаппарат с большим количество пикселей должен иметь большую матрицу, в противном случае избежать дифракции не удастся, снимки будут замыленными, нечеткими. А чтобы распечатать фотографию формата 10Х15, потребуется всего лишь 3 мегапикселя, а самый навороченный телевизор вещает с разрешением 2 мегапикселя. Сразу становится понятно, что количество pel в фотоаппарате – это всего лишь маркетинговый ход, рассчитанный на привлечение клиентов.

ВАЖНО! Цифровая камера с большим количеством пикселей должна иметь большой физический размер матрицы. Несоответствие этих параметров приведет к тому, что снимки будут «шумными» и обрезанными по широте.

Второй важный критерий – разрешение. Что такое разрешение матрицы фотоаппарата? Эта величина определяет количество точек на единицу изображения. Большее разрешение обеспечивает более точное изображение. Разрешение складывается из размера пикселя, который на сегодняшний день варьируется от 2 до 8 мкм.

Не стоит забывать, что объектив также имеет свое разрешение, и если оно будет небольшим, то высокое разрешение фотосенсора не позволит сделать четкие снимки.

Светочувствительность

Параметры чувствительности (ISO) демонстрируют возможность камеры снимать в условиях плохой освещенности. Фотоаппарат с высокой чувствительностью будет делать более четкие изображения. Важность это показателя заключается в том, что при помощи ISO, не меняя параметры диафрагмы и выдержки, можно отрегулировать яркость кадра. Принцип работы состоит в усилении электрического тока, а не в усилении светочувствительности фотоэлементов. Однако при сильном увеличении, появляются шумы.

Увеличивать значение ISO рекомендуется только в случаях, когда слабо освещен задний план, нет возможности воспользоваться вспышкой либо съемка идет с руки.

Рекомендуемые параметры ISO:

Более высокие показатели рекомендованы для съемок концертов.

Как проводить чистку матрицы в домашних условиях

Матрица цифрового фотоаппарата требует периодической профилактической чистки. Мусор на матрицу может попасть во время смены объектива, при долгой эксплуатации камеры в неблагоприятных погодных условиях или при нарушении герметичности соединений. Это может привести к появлению эффекта «битого пикселя». Для устранения мусора можно обратиться в сервисный центр, но можно все сделать дома.

Существует несколько способов чистки, и самый сложный – «мокрый». Размер матриц в данном случае не имеет никакого значения. Для этого потребуется приобрести специальные салфетки, грушу, пинцет и жидкость Eclipse E2. В магазинах можно найти специальные наборы, в которых уже есть все необходимое.

Для чистки матриц видеокамер подойдут все нижеописанные способы.

Подготовительный этап

Батарею фотоаппарата необходимо зарядить до 100%, чтобы исключить вероятность того, что зеркало опустится и механизм заклинит. Обязательно ознакомьтесь с инструкцией к камере, в каком меню можно активировать режим чистки, то есть важен режим подъема зеркала. Помещение, где будет проводиться работа, должно быть чистым, без сквозняка и пыли.

Затем выставляется диафрагма на максимальную величину, подбирается самая длинная выдержка и делается тестовый кадр. Для кадра необходимо выбрать монотонную поверхность. Фотосъемка должна делаться в движении, чтобы смазать картинку.

«Мокрый» способ

Поэтапно чистка выглядит следующим образом:

Окончательная проверка чистоты матрицы проводится при помощи чистого белого листа. Снимок делается при закрытой диафрагме и полной расфокусировки.

Швабра

Для работы можно использовать специальную швабру.

Они бывают двух видов:

Они различаются шириной, в первом случае – 16 мм, во втором – 24 мм. Для одной процедуры потребуется одна швабра, если загрязненность матрицы небольшая.

После подготовительной процедуры, работы проводятся в несколько этапов:

В итоге делается две проводки, без отрыва от поверхности матрицы. После процедуры, швабра выбрасывается и делается тестовый снимок.

Карандаш

Матрица в фотоаппарате может чиститься при помощи карандаша. Он намного проще в использовании в сравнении со шваброй и «мокрым» способом очистки. Для фотосенсоров подойдут карандаши треугольной формы, для объективов – округлой.

Процедура простая. Карандаш ставится посередине матрицы и круговыми движениями расширяется круг движения. Края карандаша сгибаются на 35 градусов, поэтому проблем с очисткой краев матрицы не будет.

Какой лучше способ – выбирает каждый фотограф индивидуально. Если нет времени или желания возится самостоятельно, то камеру всегда можно отнести в сервисный центр.

Заключение

Что такое матрица? Это светочувствительное сенсорное устройство, отвечающее за преобразование полученного светового сигнала в цифровой.

Она представляет собой большое количество светочувствительных элементов, которые называют «пиксели». Каждый из них формирует одну точку на кадре.

Существует два основных вида матриц: ПЗС и КМОП. Отличаются они последовательностью считывания информации. По второй классификации, матрицы разливают по светофильтрам на: RGB, RGBW и RGBE. При работе с мало освещенными предметами, преимущество имеют матрицы с фильтром RGBW.

Следующий критерий, который влияет на итоговое изображение – физический размер фотосенсора. Во-первых, размер влияет на цифровой шум, чем меньше размер матрицы, тем шум больше. Во-вторых, полномерные матрицы весят больше, чем те, что устанавливаются в компактной технике. Фотоаппарат с матрицей 1/1,8 будет весить намного меньше, чем с фотосенсором размером 4/3.

Несомненно, количество пикселей влияет на качество картинки, но при малых размерах матрицы, на снимках будет появляться шум, и они будут обрезаться по широте.

Значение ISO определяет светочувствительность фотоаппарата. Самые высокие показатели рекомендованы для ночной съемки.

Источник