тип матрицы cmos или mos 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.
Выбор матрицы C-MOS или CCD?
Специалистам рекомендуется не читать, им все и так понятно.
Долго я собирался с духом и готовил эту статью. Дело не в том, что тема сложная, как раз наоборот. Дело в том, что никак не мог придумать форму подачи материала. Почти все иллюстрации, которые хотелось представить – видео. Вот и ломал голову, как это сделать, где найти, как скачать.
Вот, пожаловался на сложности. Теперь к делу, только не судите строго за оформление, старался, как мог.
Натолкнула меня на мысль написания своей статьи другая статья (http://dvxuser.com/jason/CMOS-CCD/ ). Она посвящена различию камер на матрицах CCD и CMOS. Вы можете ее тоже почитать, правда она на английском. Но меня не это заставило задуматься, показалось, что не все аспекты описаны настолько подробно, чтобы это было понятно сразу и всем.
Уверен, практически все знают основы принципов работы матриц CCD (Charge Coupled Device, он же ПЗС – прибор с зарядовой связью) и CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor, он же КМОП – комплементарные металл-окисел полупроводниковые транзисторы), однако, вкратце повторю.
На матрице CCD, кадр (правильнее – поле) получается одномоментно. То есть, в течение работы электронного затвора (1/50-1/100000 с), попадающий на матрицу свет создает заряды в полупроводниковой структуре. После этого, создание зарядов запрещается и происходит считывание накопленных зарядов из матрицы. Главное здесь – если снимаемый объект двигался в течение работы электронного затвора, он будет смазан, но полученное изображение никак не зависит от последующего сканирования матрицы.
В матрицах CMOS, падающий на матрицу свет воздействует на фотодиоды, а понятие электронного затвора напрямую связано со сканированием. Изображение получается по ходу сканирования пикселей матрицы. Скорость сканирования внутри строк не так заметна, она весьма высока, а вот скорость сканирования самих строк уже заметна и сильно влияет на конечное изображение. Это я и постараюсь пояснить с помощью созданных и полученных из Интернета иллюстраций.
На следующей странице приведен пример того, как формируется изображение в матрице CCD. Кликните на изображении и оно «как бы» проявится. Еще раз напомню, весь процесс занимает от 1/50 до 1/100000 секунды.
CCD: изображение формируется за время работы электронного затвора.
А теперь посмотрим на процесс формирования изображения в матрице CMOS.
CMOS: изображение формируется одновременно с процессом сканирования.
И здесь тоже формирование изображения занимает от 1/50 до 1/100000 секунды.
Такую работу электронного затвора в матрицах SMOS называют «Rolling Shutter», наиболее удачный, на мой взгляд, русский термин – «скользящий затвор». Скользящий затвор обуславливает множество различных эффектов, которые могут проявляться (а могут и не проявляться) на изображениях, полученных с камер, имеющих матрицу CMOS. К слову, сейчас Интернет пестрит роликами, снятыми Айфонами и другими смартфонами, на которых пользователи демонстрируют поразительные вещи. Предлагаю заняться web-серфингом вместе, но вы и сами можете «нарыть» кучу любопытного материала. Я, всего лишь, хотел бы призвать к тому, что к снятым роликам нужно относиться аккуратно. Полезно понимать, где показанные эффекты вызваны скользящим затвором, а где они являются следствием других физических законов.
Для начала повторим уже виденное, но с добавлением фрагмента, показывающего, что будет, если камеру двигать во время работы скользящего затвора. Не очень быстро, но и не очень медленно, в меру равномерно. Кликните на самом ролике, чтобы его увидеть. Здесь и далее, кликайте на роликах для их запуска, кликайте вне роликов для перехода к следующему слайду.
Если ролик не воспроизводится, вы можете посмотреть его по ссылке: http://www.youtube.com/watch?v=7TGKFdrY9aw&feature=related
Добавим для иллюстрации еще несколько фотографий. Надеюсь, комментарии к ним не нужны. Все, кроме нижней левой, сделаны камерой, находящейся в движении.
Видите, что получается? Это один из основных эффектов скользящего затвора – наклон вертикальных линий при наличии горизонтального движения. Причем, без разницы, что движется – объект или камера. Если постараться, можно найти еще немало роликов с аналогичными примерами. Мне понравился этот: http://www.youtube.com/watch?v=cOWQhDA3YA4&feature=related
Просто не удалось его вставить в презентацию, великоват размер. Кликните на ссылке и смотрите, если есть желание.
Владельцы смартфонов любят снимать пропеллеры самолетов. Одна из записей показалась мне весьма веселой. Взгляните.
Позволю себе заметить, здесь медленность вращения пропеллера обусловлена строб-эффектом, уверен, что все это понимают. А вот изгибание лопастей пропеллера – это, как раз, проявление особенностей скользящего затвора.
Если ролик не воспроизводится, вы можете посмотреть его по ссылке: http://www.youtube.com/watch?v=KPm0J5tCLAg&feature=fvwrel
Есть и более потрясающие ролики. Почему пропеллеры так выглядят на видео? Ответ на этот вопрос нам любезно предоставляет Интернет. Опять все очевидно, если знать особенности скользящего затвора. Мы столкнулись со случаем, когда скорость движения объекта превышает скорость затвора. Происходит наложение строб эффекта и эффекта построчного сканирования кадра скользящим затвором.
Если ролик не воспроизводится, вы можете посмотреть его по ссылке: http://www.youtube.com/watch?v=17PSgsRlO9Q&feature=related
А вот так может выглядеть стоп кадр работающего вентилятора.
Для другого проявления скользящего затвора я не нашел иллюстраций, ни роликов, ни фото. А заключается он в следующем.
Давайте представим себе типовую уличную камеру, следящую за дорожным движением, ту самую, которую так не любят автолюбители, ту самую, которая умеет считывать номера автомобилей. Стоит себе такая камера на дороге и на нее несутся автомобили. Шут с ним, с самим автомобилем. Как будет выглядеть номер на фото?
Понятно, за счет движения автомобиля, изображение номера будет вытянуто по вертикали, причем величина растяжения будет зависеть от скорости авто. Чем скорость выше, тем больше и растяжение. Но это еще не все. Нижняя часть номера будет заметно шире верхней части. Когда автомобиль был далеко, номер был маленьким, пока затвор скользил вниз, автомобиль подъехал на определенное расстояние и номер стал больше. Короче, номер будет выглядеть на стоп кадре так:
Каждый может сам для себя решить, каково программе распознавания номеров работать с трапециидальными буквами и цифрами. Если есть сомнения, предлагаю обратиться к известному специалисту по распознаванию номеров Михаилу Вадимовичу Руцкову. И это для случая, когда автомобиль движется «на камеру» или «от нее». Если камера расположена под углом к зоне наблюдения, ситуация может быть еще хуже. И еще раз: степень искажений зависит от скорости автомобиля, которую заранее предсказать практически невозможно, поэтому попытка сделать автоматическую коррекцию очень затруднена. Пока, Интернет рассказывает только о «выпрямлении» вертикальных линий на фотографиях, с помощью специальных программ.
Вот вам вторая особенность скользящего затвора.
Следующая особенность. Ее часто называют эффектом «желе» и он возникает, если камера (или наблюдаемый объект) вибрирует с частотой, которая выше скорости «скольжения» затвора. Классический пример – съемка с вертолета. Да уж, какие тут стоп кадры получатся? Но поделать ничего нельзя, скользящий затвор, принцип работы, физика процесса.
Если ролик не воспроизводится, вы можете посмотреть его по ссылке:http://www.ssontech.com/content/skool.mov
К слову говоря, в Интернете есть и ролики, которые «вроде бы» описывают особенности скользящего затвора. Например, есть много записей, как выглядят гитарные струны в движении:
По-моему, нет нужды говорить о том, что здесь львиная доля строб-эффекта, а влияние скользящего затвора даже трудно заметить.
Когда камеры устанавливаются на автомобиле, все выглядит не так удручающе. http://www.youtube.com/watch?v=-N4p6Osvf50&feature=related
Съемки с лодки или с электромобиля на гольф поле тоже не показывают такого кардинального различия, хотя оно есть. http://www.youtube.com/watch?v=fSWDP1Tsj1Y&feature=related
Предлагаю очевидный вывод – проявление эффекта «желе» очень сильно зависит от условий съемки, в частности от соотношения частоты вибрации и скорости скользящего затвора и, естественно, от амплитуды вибрации.
Это еще не все. В старые, добрые времена фотографы знали, что, при съемке со вспышкой, не стоит устанавливать выдержку на фотоаппарате менее 1/125 с. Не так хороша была синхронизация вспышки на большинстве аппаратов, а длительность вспышки считалась примерно 1/500 – 1/1000 секунды. Так вот, если вспышка происходила во время движения затвора (шторного, продвинутого, для центральных затворов этого эффекта не было), то часть кадра могла оказаться светлой (подсвеченной вспышкой), а другая часть кадра – темной (не подсвеченной вспышкой). Шторка затвора напомнила скользящий затвор? Правильно, так оно и есть. И, для примера, вот вам фотографии со вспышкой, сделанные камерой с матрицей CMOS.
Слева – фото без вспышки. Справа – темная полоса там, где вспышка отсутствовала.
Очень неприятным проявлением этого эффекта является то, что камера оказывается чувствительной к мерцаниям люминесцентных ламп. Первый раз я даже удивился, когда не смог с помощью ручной регулировки затвора добиться подавления мерцаний, потом понял – причина в CMOS матрице. Правда, нужно отметить, что современные модели камер имеют фильтры подавления мерцаний, только работают они, видимо, не совсем так, как фильтры подавления мерцания для CCD. К сожалению, пока я не нашел понятного мне описания принципа работы фильтров мерцания для CMOS.
Ну, и еще один ролик. Снято на IPhone 4, есть и наклон движущегося объекта (смотрите, как наклоняется поезд, при приближении, наклоняются дома), есть и эффект желе (смотрите ролик дальше). В общем, почти все эффекты в одной записи.
Если ролик не воспроизводится, вы можете посмотреть его по ссылке: http://www.youtube.com/watch?v=BdnsuI2g_wY
Что же получается? У CMOS все плохо, а у CCD все хорошо? Не совсем. В качестве основных недостатков CCD указывают пару эффектов (описано, в том числе, и в статье, указанной в начале, там и примеры изображений есть). Первый эффект – вертикальные полосы от ярких источников света.
Я, изначально, не собирался писать научную статью, поэтому не буду подробно описывать, как и почему это происходит. Дело в переполнении электронами потенциальных ям и перетекании зарядов из строки в строку. Об этом можно прочитать в трудах многих, известных нам авторов.
Второй эффект – размытие ярких участков на изображении. Причины, примерно, такие же.
Сразу отмечу, с указанными эффектами производители матриц хорошо знакомы и давно уже предпринимают достаточно успешные попытки снизить их заметность.
Как ни странно, путаницы в объяснении этих эффектов много. Например, уважаемая компания Dallmeier приводит свое видение:http://www.dallmeier-electronic.com/en/cctv-ip-video-surveillance/cameras/worth-knowing/ccd-vs-cmos.html
Не могу с ним согласиться, особенно поражает случайная выборка пикселей для CMOS. Ведь, в этом случае, наклон вертикальных линий будет выглядеть совсем по другому, проявление эффекта «желе» даже представить страшно.
Еще раз, не хочу менять стиль научно-популярной статьи, предлагаю выказаться по данному вопросу (иллюстрациям Dallmeier) нашим признанным мэтрам (Уваров, Уточкин, Арсентьев, Гонта и другим, простите те, кого не упомянул).
Немного о чувствительности
В большинстве источников указывается, что более низкая чувствительность матриц CMOS обусловлена меньшим размером чувствительного элемента. Слишком много места занимают коммутирующие транзисторы пикселя.
С другой стороны, технологии не стоят на месте и был «придуман» метод обхода этой неприятности, который назвали EXMOR. В таких матрицах электронная «обвязка» пиксела, препятствующая продвижению фотонов на светочувствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой матрицы, что позволило увеличить как физический размер пиксела при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пиксела и матрицы в целом.
Можно считать, что после этого чувствительности CCD и CMOS почти сравнялись, однако и CCD продолжает развиваться, тоже повышая пределы чувствительности. Гонка за чувствительностью не закончилась, она продолжается.
Не забывайте только одну банальную вещь. Чувствительность в видимом свете увеличить уже, практически, нельзя. Ее повышают за счет ИК диапазона и такая повышенная чувствительность «существует» только для черно-белого (монохромного) изображения. В «цвете», даже самая чувствительная матрица будет показывать так же, как матрица со стандартной чувствительностью (если установлен «честный» вырезающий ИК фильтр).
В заключение, хочу поблагодарить авторов всех научных статей, авторов постов на форумах, авторов использованных роликов и пр. Вы все очень помогли мне в написании этой, отнюдь не научной, а просто популярной статьи. Я не привожу список используемого материала. Статья-то получилась научно-популярная, да и боюсь, он оказался бы больше по размеру, чем сама публикация.