安防视频监控系统的CMOS摄像机种类


CMOS摄像机的一般类型同CCD摄像机基本一样,这里主要简述它的特殊类型。

一、按CMOS摄像机的像素组成分类

(1)CMOS-PPS摄像机。CMOS-PPS摄像机是CMOS无源像素摄像机,这种无源像素的图像传感器使用2个NMOS场效应管构成的最简单的像素,其特点是有较低的空间噪声,但在低光照时有低的信噪比,高读出噪声。这种无源像素摄像机,是一种早期的第1代CMOS摄像机。

(2)CMOS-APS摄像机。CMOS-APS摄像机是CMOS有源像素摄像机,是第2代CMOS摄像机。这种有源像素的图像传感器是用3个NMOS场效应管构成的,因此APS的CMOS成像阵列在每一个像素位置都有一个电流放大器,其特点是有较低的时间噪声,在低光照时有高的信噪比,它比PPS读出噪声低和读出速率高,并且由于在每一个像素位置放大的信号电压被切换到列缓冲器,然后直接至输出放大器,从而在转换的过程中没有信号电荷的流失,因而也就没有图像的拖尾现象。这种CMOS-APS摄像机,就是目前市场上最常用的单芯片CMOS摄像机。

CMOS-APS摄像机除常用的光敏二极管型APS的像素单元结构外,还有以下的两种特殊需要的像素单元结构类型:光栅型APS、对数响应型APS。

(3)CMOS-DPS摄像机。DPS(Digital Pixel System)即数字像素系统,DPS摄像机就是具有数字像素系统的第3代CMOS摄像机。在CCD摄像机热的时代,我国一些代理公司还不敢公开打出它就是CMOS摄像机。实际上,它是基于美国Pixim公司的DPS专利技术的图像传感器,其核心技术是在图像传感器的每一个像素点上增加了一个10位A/D转换器,即在CMOS摄像机图像传感器上的有源像素捕捉到光信号时,直接将其放大并转换为数字信号,从而可将阵列上的信号退化和串扰降到最小,并允许采用更好的降噪方法。此外,它采用32位ARMCPU精确控制每个像素,使每个像素独立完成采样和曝光,并直接转换为数字信号,是目前市面上唯一的、真正的全数字图像处理系统。

由于DPS将A/D转换集成在每一个像素单元里,使每一像素单元的输出都是数字信号,而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间,在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后,再送到系统的DSP对其进行处理,最终形成高质量的图像。因此,这种CMOS摄像机的动态范围很宽,其特有结构是CCD所做不到的,加上它所具有的高速数字读出、无列读出噪声或固定图形噪声、工作速度更快、功耗更低的优点,使其能更方便地实现网络化与智能化。这样,直接输岀的数字图像信号可以很方便地和后续处理电路连接,供数字信号处理器对其进行处理,以真实地重现图像,使CCD在图像质量等方面的优势逐渐黯淡,其光照灵敏度和信噪比可达到甚至超过CCD。

二、按CMOS摄像机的特殊功能分类

(1)超高动态CMOS摄像机。CMOS摄像机在超高动态范围方面比CCD摄像机优越。为使动态范围更宽,可选用线性-对数输出模式,如加拿大的DALSA公司生产的IM28-SA型CMOS摄像机就是这种输出模式的超高动态CMOS摄像机,其动态范围就高达120dB;又如上述的CMOS-DPS摄像机,其成像系统控制着每个像素的最佳采样时间,在每个像素达到最佳状态时存储像素信息,还如池上公司的ISD-A10型CMOS摄像机,其典型的宽动态范围就至少达到95dB,最大还可达到120dB。

此外,美国纽约Rochester大学电子与计算机工程系教授Mark Bocko和助理教授Zeljko Ignjatovic在CMOS上每个像素位置集成一个过采样"sigma-delta”模/数转换器,从而减少了晶体管数量,每像素仅需使用3个晶体管,保留了将近一半的像素面积用于采光。这一设计有效地节省了能耗,而且使得动态范围比现有技术提升了100倍。由F该传感器极其节能,采用一节电池就可用1年以上,这是CCD摄像机怎么也做不到的。

(2)超高帧速CMOS摄像机。CMOS摄像机在超高帧速方面比CCD摄像机更要优越得多,这是由CMOS摄像机的基本结构决定的,一是信号读取通过简单的X-Y寻址技术直接从晶体管开关阵列中读取;二是其行、列电极W被高速地驱动,使信号能被快速地取出,因而帧速高。例如,德国MITROKRON公司的MC1300型CMOS摄像机就是一种高速CMOS摄像机,其数据率就高达130Mbps,非常适用于摄取运动目标的图像。此外,这种CMOS摄像机还采用了帧频控制技术与图像闪烁曝光技术,不仅可控制帧速的大小,还能用闪烁曝光摄取快速运动目标的图像(可参阅本书参考文献[6])。还有,用帧频达450帧/秒的LUPA1300图像传感器,以及高达1000帧/秒的图像传感器等的高速CMOS摄像机无疑也均是超高帧速CMOS摄像机。

值得提岀的是,2001年12月Kodak、Cadak、Hewlett-Packard、Agilent Technolgies、Stanford大学和California大学等采用标准数字式0.18mm的CMOS工艺成功开发了高帧速(10000帧/秒)CMOS数字像素传感器。其读出结构为64bit(167MHz),最大输出数据速率大于1.33Gbps,最大连续帧速大于10000帧/秒,最大连续像素速率大于1Gpixels/s。因此,用该CMOS数字像素传感器做成的CMOS摄像机无疑更是超高帧速CMOS摄像机。

(3)超高清晰CMOS摄像机。CMOS摄像机在超高清晰方面也比CCD摄像机要优越。因为超高清晰就是超高分辨率,如美国Foven公司就有了世界上最高分辨率(1680万像素)的CMOS图像传感器。此外,美国Photo Vision Systems公司于2002年4月就已开发岀一种具有830万像素的高分辨率(3840x2160)CMOS图像传感器,这种就比高清晰度电视(HDTV)的分辨率高4倍,比标准电视的分辨率高32倍。

显然,清晰度越高,对摄像机CPU(DSP)处理能力的要求就越高,而高清HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据。但CCD的速度怎么也赶不上CMOS图像传感器,也就是说,使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。因此,在高清视频监控时代,只有CMOS摄像机才能做成实用的超高清晰的CMOS摄像机。

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