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隨著光電信息技術的發展,以及集成電路設計技術和工藝水平的提高,CMOS圖像傳感器過去存在的缺點,現在都可以找到辦法克服,而CMOS圖像傳感器所固有的優點,如成本低、功耗低等更是CCD器件所無法比擬的。CMOS圖像傳感器與90%的其他半導體都采用相同標準的芯片制造技術,而CCD則需要一種極其特殊的制造工藝,因此具有較高解像率、功耗低、制作成本低得多的CMOS器件必將會得到發展。
隨著CMOS圖像傳感器技術的進一步研究和發展,過去僅在CCD上采用的技術正在被應用到CMOS圖像傳感器上,而CCD在這些方面的優勢則已逐漸黯淡。但是,CMOS圖像傳感器自身的優勢正在不斷地發揮,其過去的不足,如光照靈敏度和信噪比現已達到甚至超過CCD。
目前,CMOS圖像傳感器,已由被動式像素傳感器CMOS-PPS(Passive Pixel Sensor)發展到主動式像素傳感器CMOS-APS(Active Pixel Sensor),并已新發展到數字像素傳感器CMOS-DPS(Digital Pixel Sensor)。CMOS攝像機在圖像質量與靈敏度方面的缺陷,已得到大大的改善。隨著目前市場上視頻監控系統向高清化與智能化方向的發展,CCD攝像機的自身缺陷已變得越來越突出,并且已不能適應網絡化、集成化、高清化與智能化方向發展的需要。
現在,CMOS攝像機絕非只局限于簡單的應用,它已發展于高清系列,并已在高清與智能視頻監控系統中占有絕對的優勢。下面就探究其原因。
一、從CCD和CMOS圖像傳感器的不同工作原理看CMOS的優勢CCD圖像傳感器在工作時,上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷,但所有的電荷要全部經過一個“放大器”去進行電壓轉變,以形成電子信號。因此,這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度的“瓶頸”。因為所有的電荷均由單一通道輸出,就像千軍萬馬從一座橋上通過,當數據量大的時候就發生信號“擁堵”,而高清HDV格式卻恰恰需要在短時間內處理大量數據,因此,使用單CCD圖像傳感器無法滿足高速讀取高清數據的需要。
而CMOS圖像傳感器則不同,它每個像素點都有一個單獨的放大器轉換輸出,因此CMOS圖像傳感器能直接從晶體管開關陣列讀取出來,而沒有CCD圖像傳感器的“瓶頸”問題。CMOS圖像傳感器能夠在短時間內處理大量數據,從而輸出高清影像,所以能滿足高清HDV的需求。
此外,CMOS圖像傳感器工作所需要的電壓又比CCD要低很多,其功耗大約也只有CCD的1/3,因此其電池尺寸可做得更小,這使得攝像機的體積也就可以做得更小,而且每個CMOS圖像傳感器都有單獨的數據處理能力,這也將大大減小集成電路的體積,從而使高清數碼攝像機能實現小型化。
二、從CCD和CMOS圖像傳感器的讀數方式和傳輸方式看CMOS的優勢CCD和CMOS圖像傳感器常用的讀數方式和傳輸方式的比較,如圖1所示。
圖1 CCD與CMOS圖像傳感器的讀數方式和傳輸方式的比較
其中圖1(a)為CCD圖像傳感器通常采用的順序電荷轉移方式,當它將光圖像信號轉換成電荷圖像信號后,首先被傳送到列轉移寄存器,最后輸岀到圖像處理單元,因此其速度就慢而受到限制;此外,由于順序電荷轉移方式需要連續、高速的驅動轉換寄存器,因而也需要較多的電功率。
圖1(b)為CMOS圖像傳感器通常使用的X-Y尋址和傳輸方式,在這種方式中,每一個像素都有自己的放大器,它通過列掃描和行掃描來傳遞信號,而直接輸出到圖像處理單元。由于CMOS圖像傳感器具有獨立的數據傳輸線路,因此它能達到很高的速度。
但值得指出的是,雖然這種方式能達到很高的速度,可仔細地觀察其輸出圖像,不難發現,在分開的線上往往容易出現圖像失真。
一種仍采用X-Y尋址和傳輸方式,但能克服上述缺點并使速度更快的改進的CMOS圖像傳感器的讀數方式,如圖2所示。
圖2 一種改進的CMOS圖像傳感器的讀數方式
由圖2可見,其特點是數據通過兩條信號線按不同的顏色讀出,這樣讀取圖像的速度更快,并且還同時具有可隨意提取高密度像素數據的優點。因為這種數據分配線用顏色的方法(綠、藍和紅)代替了區域的方式,它在提高操作速度的同時,也提高了圖像質量,從而解決了輸出圖像在分開的線上容易再現失真這一問題。