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浅析交通抓拍和视频监控前端传感器技术

时间:2010-09-06 来源:中国集群通信网 作者:豆豆 点击:
中国集群通信网】CCD和CMOS是当前主要的两项成像技术,它们产生于不同的制造工艺背景,就当前技术言仍各具优劣。选择CCD或CMOS摄像机应依据适用环境和要求,合适选用CCD或CMOS技术,便能使图像监控达到预期的效果。另外,还可看到,COMS作为极具发展潜力的成像技术,较CCD有着更强劲的优势。本文将对CCD和CMOS主要技术作简要分析,并作出选择判断。文最后对CMOS技术做前景介绍。文/陈志红

  无论是交通抓拍,还是高清视频监控,只要应用到视觉成像技术,就会涉及到感光传感器——即CCD或CMOS成像技术。业内对CCD和CMOS的优劣势讨论已经太多了,学术上争论本身是很有意义的,利于技术的进步,然而这种“泾渭分明”的争论或许更迎合各个厂家作为竞争市场的销售手段,而不能解决视频监控中遇到的实际问题。如果能够认真审视一下这两类传感器的优劣势及特点,比照实际项目中的应用需求,则能帮助系统集成商以及设备供应商针对实际应用,最大化地发挥出CCD或CMOS传感器各自的优势。

  CCD和CMOS主要技术特性比较

  对于交通抓拍和视频监控,对前端成像传感器CCD和CMOS比较关注的技术特性主要有以下几点。

  电子快门Electronic Shutter

  电子快门用来控制芯片从开始到结束的电荷积分时间。由于CCD芯片暴露在光线下,即使把电荷转移也还会有电荷累积。因此,如果被测的是运动目标,就会产生常说的Smear(拖影)现象。CCD是用行间转移(ILT)的方式解决电荷累积问题的,每个像素被分为感光区和电荷转移区,电荷转移区不感光,这样在曝光结束时先将电荷一次性转移到转移区,再读出,这样读出过程就没有电荷积分,不会产生因目标运动而引起的Smear现象。但显然ILT方式减少了像素的感光面积,降低了灵敏度。这时,通常在像素上增加微透镜来收集更多的电荷。

  CMOS芯片上电荷都是在每个像素上读出的,不存在CCD芯片的问题,它的电子快门分Rolling shutter和Global shutter两种,Rolling shutter通常采用的都是3T像素结构,每次仅能对一行像素进行曝光控制(如图1-1),即一行曝光后再对下一行进行曝光,这样就会出现如图1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具备5T的结构,使整幅图像所有像素同时开始和结束曝光,图1-3是Global shutter的成像效果。但5个光电二极管的结构同样减小了感光面积,这也可以通过增加微透镜的方式来弥补。

图1-1运动模糊                          图1-2 Rolling Shutter                     图1-3 Global Shutter

  帧率:Frame Rate

  另外一个需要重点考虑的是帧率。对于CCD感光器来说,抓拍和监控速度主要受制于电荷的读出速度,读出时钟又决定了电荷读出速度的快慢,分辨率越高,CCD芯片读出的速度就越慢。实际上,读出时钟的上限取决于光-电转换的读出放大器的带宽,更高的读出速率要求有更宽的带宽;但另一方面,带宽越大又会带来更多的噪声,同时高速高带宽的读出放大器功率也会增加。因此,对CCD感光器而言,高速是在像素分辨率、噪声、功耗之间的平衡。多通道可以在一定程度上解决读出速度的问题,将图像分成多个区域,分别用读出放大器读出,再进行拼合。由于多通道电路使摄像机体积更大、功耗更高,故不适合于所有应用。

  对于CMOS芯片而言,以单个像素为单位将电荷转化为电压,读出放大器就不再需要提高速度来支持更高的帧率。因此,CMOS芯片更易获得更高帧率。与此同时,与CCD不一样,CMOS得到的图像数据能够清零而无需被读出。这就解决了机器视觉系统仅对图像里感兴趣区域成像、只需读出部分图像信息的问题。当只需读出感兴趣区域的应用场合,CMOS芯片能够在不增加像素频率的基础上支持更高的帧率。

  微光成像(低照度成像)Low-light Operation

  当需要在微光下成像时,CCD和CMOS感光器采用的技术是不同的,在微光条件下,读出放大器非常重要,CCD采用统一的放大器读出,相应的,一致性比CMOS要好。微光条件意味着信号和噪声的量级接近,噪声对图像的质量影响会很大。每个CMOS感光器像素上的读出放大器都是低带宽放大器,比CCD感光器中用的高带宽放大器噪声更小,因此,可以通过提高信号增益来获得更好的信噪比。而通常CCD比CMOS的填充因子要高,同样条件下收集的电荷数会更多。同时CCD可以通过电荷倍增技术,在读出前,通过多级的电荷倍增,每次增加小幅度增益,获得更高的信噪比。此外,像素组合功能(Binning)也可以提高CCD的灵敏度,对N个像素进行Binning可将信噪比提升N倍。CMOS也可以进行类似的Binning,往往是对相邻像素电压信号进行采样叠加,由于采样也会引入一定的随机噪声,因此,CMOS中对N个像素进行Binning所得的信噪比的提升只能达到倍。

  非可见光成像Other Wavelenghs

  CCD和CMOS感光器在对可见光以外的光谱成像方面也有很大的不同,如红外光(IR)射到传感芯片上时会比可见光打得更深,因此要想充分收集这些电荷,就需要将硅衬底做得更厚些。这对于CCD芯片,在工艺上会容易些。而对于CMOS,工艺还会有些问题。将感光部分硅衬底做得更厚,意味着要将其他的光电二极管做得同样厚,这样会影响这些控制门、放大器等器件的性能。

  对于紫外光(UV),无法透过大多数集成电路电极层,或者是电路电机层对紫外线根本不响应。这就导致如果采用前照的方式,紫外光引起的响应会很弱,要解决这个效应问题,可以通过去掉基底层,采用背照的方式来实现。CCD感光器的减薄技术已经非常成熟,而CMOS的减薄技术也取得了很大的突破。

  CCD还是CMOS?作出选择

  从CCD和CMOS感光器对电子快门、帧率、微光成像及非可见光成像的不同工艺技术所带来的不同影响,可以不难看出,选择CCD或CMOS传感器应取决于具体应用(
(中国集群通信网 | 责任编辑:陈晓亮)

本文标签: 交通抓拍, 视频监控

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