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CMOS摄像机在高清与智能视频监控中的优势


随着光电信息技术的发展,以及集成电路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器过去存在的缺点,现在都可以找到办法克服,而CMOS图像传感器所固有的优点,如成本低、功耗低等更是CCD器件所无法比拟的。CMOS图像传感器与90%的其他半导体都采用相同标准的芯片制造技术,而CCD则需要一种极其特殊的制造工艺,因此具有较高解像率、功耗低、制作成本低得多的CMOS器件必将会得到发展。

随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发展,过去仅在CCD上采用的技术正在被应用到CMOS图像传感器上,而CCD在这些方面的优势则已逐渐黯淡。但是,CMOS图像传感器自身的优势正在不断地发挥,其过去的不足,如光照灵敏度和信噪比现已达到甚至超过CCD。

目前,CMOS图像传感器,已由被动式像素传感器CMOS-PPS(Passive Pixel Sensor)发展到主动式像素传感器CMOS-APS(Active Pixel Sensor),并已新发展到数字像素传感器CMOS-DPS(Digital Pixel Sensor)。CMOS摄像机在图像质量与灵敏度方面的缺陷,已得到大大的改善。随着目前市场上视频监控系统向高清化与智能化方向的发展,CCD摄像机的自身缺陷已变得越来越突出,并且已不能适应网络化、集成化、高清化与智能化方向发展的需要。

现在,CMOS摄像机绝非只局限于简单的应用,它已发展于高清系列,并已在高清与智能视频监控系统中占有绝对的优势。下面就探究其原因。

一、从CCD和CMOS图像传感器的不同工作原理看CMOS的优势

CCD图像传感器在工作时,上百万个像素感光后会生成上百万个电荷,但所有的电荷要全部经过一个“放大器”去进行电压转变,以形成电子信号。因此,这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”。因为所有的电荷均由单一通道输出,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”,而高清HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据,因此,使用单CCD图像传感器无法满足高速读取高清数据的需要。

而CMOS图像传感器则不同,它每个像素点都有一个单独的放大器转换输出,因此CMOS图像传感器能直接从晶体管开关阵列读取出来,而没有CCD图像传感器的“瓶颈”问题。CMOS图像传感器能够在短时间内处理大量数据,从而输出高清影像,所以能满足高清HDV的需求。

此外,CMOS图像传感器工作所需要的电压又比CCD要低很多,其功耗大约也只有CCD的1/3,因此其电池尺寸可做得更小,这使得摄像机的体积也就可以做得更小,而且每个CMOS图像传感器都有单独的数据处理能力,这也将大大减小集成电路的体积,从而使高清数码摄像机能实现小型化。

二、从CCD和CMOS图像传感器的读数方式和传输方式看CMOS的优势

CCD和CMOS图像传感器常用的读数方式和传输方式的比较,如图1所示。

图1 CCD与CMOS图像传感器的读数方式和传输方式的比较

其中图1(a)为CCD图像传感器通常采用的顺序电荷转移方式,当它将光图像信号转换成电荷图像信号后,首先被传送到列转移寄存器,最后输岀到图像处理单元,因此其速度就慢而受到限制;此外,由于顺序电荷转移方式需要连续、高速的驱动转换寄存器,因而也需要较多的电功率。

图1(b)为CMOS图像传感器通常使用的X-Y寻址和传输方式,在这种方式中,每一个像素都有自己的放大器,它通过列扫描和行扫描来传递信号,而直接输出到图像处理单元。由于CMOS图像传感器具有独立的数据传输线路,因此它能达到很高的速度。

但值得指出的是,虽然这种方式能达到很高的速度,可仔细地观察其输出图像,不难发现,在分开的线上往往容易出现图像失真。

一种仍采用X-Y寻址和传输方式,但能克服上述缺点并使速度更快的改进的CMOS图像传感器的读数方式,如图2所示。

图2 一种改进的CMOS图像传感器的读数方式

由图2可见,其特点是数据通过两条信号线按不同的颜色读出,这样读取图像的速度更快,并且还同时具有可随意提取高密度像素数据的优点。因为这种数据分配线用颜色的方法(绿、蓝和红)代替了区域的方式,它在提高操作速度的同时,也提高了图像质量,从而解决了输出图像在分开的线上容易再现失真这一问题。

根据颜色分离信号源,所有的绿色信号通过一条线输出,而所有的蓝色和红色信号通过另外一条线输出,这就可使图像不受输出放大器波动的影响,从而确保了图像质量。由于人眼对绿色特别敏感,因此绿色信号线只处理绿色信号,而且在图像锐化和设置图像对比度的绿色也特别重要。在读第一行数据时,应用列左边的数据线(上面输出G信号,下面输出B信号),再接着读第二行数据,此时应用列右边的数据线(上面输岀G信号,下面输出R信号),依次继续进行(见图2)。由此可见,R:G:B的比率是1:2:1,而通常彩色滤波器的比率也是基于这个原理设计的,因而正好相配。

由于这种改进结构,使信号的路径简化很多,从而使速度得到极大提高;数据通过两条信号线按不同的颜色读岀,使读取图像的速度更快;且同时读取两个像素的像素信号,因而在数据输出速度方面又高出很多;此外在传输速度上又使用了独立的管线流水线而更为迅速。所以,这种改进的CMOS摄像机的结构,可实现更高速的处理,从而可提高数据的读出速率,因此更能适用于更高像素的超高清摄像机,而这些更是CCD摄像机所做不到的。

三、从高清摄像机是数字摄像机看CMOS图像传感器的优势

由于高清摄像机是数字摄像机,因而用以CMOS图像传感器为核心的摄像机更加适合。在CMOS图像传感器的设计中,每个像素(Pixel)直接连着放大和数字信号转换器,图像传感器芯片从引脚上就能直接输出数字图像信号。因此,用CMOS图像传感器作为高清摄像机,从CMOS图像传感器输出数字图像信号开始,产品整个系统中的图像信号均为数字信号。这样,数字信号处理技术就可贯穿系统全部,并且它可以利用先进的10Gbps及以上的极高速数据传输标准直接传输和切换,再结合并行数据传输和高密度封装,使CMOS图像传感器在新一代高清数字电视摄像机领域得到广泛的应用。

而CCD则不一样,它每曝光一次,在快门关闭后再进行像素转移处理,即将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入缓冲器中,再由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大,而最后串联A/D输岀。因此,用CCD作为高清摄像机,其CCD芯片输出的图像信号则为模拟信号,它最后需要将模拟信号转换成数字信号,然后用数字信号处理技术完成图像信号的处理及输出。一般,标清阶段,数字化的视频信号其图像效果,无论主观印象还是客观指标,都不如原模拟信号。模拟视频信号数字化仅仅解决了网络传输和硬盘存储等客观需求。而高清摄像机信号则本质上为数字信号,不存在模拟信号变换为数字信号的问题,因而可大幅度提升视频主客观效果,使图像质量更加接近自然本色。显然,高清摄像机用CMOS图像传感器比使用CCD好。

过去,传统的视频监控和会议标清摄像机,必需配合视频服务器、DVR来组成视频监控和会议的应用系统。而高清摄像机阶段,则不必需标清阶段视频服务器、DVR等编/解码设备,一些原本标清阶段的视频服务器、DVR编/解码之外的应用处理,也可直接由高清摄像机处理完成。这样,在高清阶段将更加简化集成,即仅用高清摄像机加上网络服务软件即可。另一方面,当前网络技术又已获得较大发展,其网络带宽已不再是传输视频数据的瓶颈,尤其是在局域网的应用环境中。

四、从网络化、集成化、智能化的需要看CMOS图像传感器的优势

前面已论述了,在视频监控系统高清化的进程中选用CMOS摄像机比CCD摄像机好,这里就不再提了。下面再简述一下,在视频监控系统的网络化与集成化的进程中实际选用CMOS摄像机也比CCD摄像机要优越,而从智能化的需要则更是如此。

众所周知,网络化的基础是数字化,因为网络最好传输的是数字信号。由于CCD图像传感器输出的图像信号为模拟信号,如要输出数字图像信号,就还需要加A/D转换器,将模拟信号转换成数字信号。而CMOS图像传感器芯片从引脚上就能直接输出数字图像信号,因而就不需要再加A/D转换器。显然,仅从这一点,选用CMOS摄像机就要比CCD摄像机好。

从前面的论述还可知,CMOS摄像机的电源电压低、功耗低、体积小、集成度高,并且方便与其他芯片和计算机连接,因而非常容易集成。显然,从系统集成化的需要,也是选用CMOS摄像机比CCD摄像机好。

大家知道,智能视频监控系统的核心是智能软件,而这些智能化功能的软件算法程序均是适于计算机处理与识别的数字式的。再加上CMOS摄像机是单芯片摄像机,其芯片内置有计算机接口电路,而CCD芯片则需要外置。因此,这也能说明选用CMOS数字摄像机比选用CCD摄像机更加方便、合适。

具有智能化功能的CMOS高清数字摄像机,更方便连网传输。因为它不像无智能化功能的网络摄像机那样,要传输每一帧图像,而是只传输经智能分析后的有用的图像。因此,具有智能化功能的CMOS网络高清数字摄像机,能大大节省传输的网络带宽资源,所以CMOS摄像机在网络高清智能视频监控系统中必将获得广泛的应用。