自從上世紀(jì)60年代末期，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術(shù)中的一個(gè)重要分支，它是PC機(jī)多媒體不可缺少的外設(shè)，也是監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)的核心器件。CMOS與CCD技術(shù)自誕生以來，它們的搶位之爭(zhēng)自誕生至今就沒有停止過。正如您所知道的一樣，目前安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像傳感器基礎(chǔ)技術(shù)，主要也是CCD和CMOS兩種技術(shù)。目前市面上的模擬攝像機(jī)多是CCD為主，而網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)特別是今年興起的百萬像素級(jí)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，尤以CMOS技術(shù)應(yīng)用居多。其實(shí)CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步，但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發(fā)展，通常用于一些電腦攝像頭、手機(jī)攝像頭等對(duì)畫質(zhì)要求不高的電子產(chǎn)品等設(shè)備上，以至于CMOS成了低端的代名詞。而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低、像素多等優(yōu)點(diǎn)一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無法比擬的，因而它再次成為近年來研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)在CMOS圖像傳感器不但應(yīng)用于市場(chǎng)上千萬像素級(jí)的中高端DSLR單反相機(jī)，也成為安防監(jiān)控行業(yè)百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)首選圖像傳感器件。

CMOS和CCD技術(shù)的差異
    CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。 這種轉(zhuǎn)換的原理與 “太陽能電池”效應(yīng)相近，光線越強(qiáng)、電力越強(qiáng)；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)字信號(hào)。

    比較 CCD 和 CMOS 的結(jié)構(gòu)，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡(jiǎn)單的說，CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素（pixel）的電荷信號(hào)依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導(dǎo)輸出至 CCD 旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對(duì)地，CMOS 的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器），訊號(hào)直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

    由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以看出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡(jiǎn)單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。[nextpage]

    整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點(diǎn)與耗電量等，不同類型的差異。首先我們還是從CCD和CMOS的不同工作原理說起：

    工作原理差異：CCD在工作時(shí)，上百萬個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬個(gè)電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號(hào)，因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就發(fā)生信號(hào)“擁堵”，而百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在安防監(jiān)控產(chǎn)品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS則不同，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，因此也能都滿足高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的需求。

    ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此 相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會(huì)低于CCD。

    成本差異：CMOS 應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負(fù)擔(dān)的成本和良率的損失；相對(duì)地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個(gè)像素故障（Fail），就會(huì)導(dǎo)致一整排的訊號(hào)壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的制造成本相對(duì)高于CMOS。

    解析度差異：在第一點(diǎn)“感光度差異”中，由于 CMOS 每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比 CCD 復(fù)雜，其感光開口不及CCD大， 相對(duì)比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時(shí)，CCD感光器的解析度通常會(huì)優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS 感光原件已經(jīng)可達(dá)到1400萬 像素 / 全片幅的設(shè)計(jì)，CMOS 技術(shù)在良率上的優(yōu)勢(shì)可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。

    噪點(diǎn)差異：由于CMOS每個(gè)感光二極體旁都搭配一個(gè) ADC 放大器，如果以百萬像素計(jì)，那么就需要百萬個(gè)以上的 ADC 放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對(duì)比單一一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的噪點(diǎn)就比較多。[nextpage]

    耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動(dòng)式， 必須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動(dòng)電壓使 CCD 的電量大約是CMOS的3到10倍。CCD礙于原理特性，無法與時(shí)序電路、控制電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等相關(guān)芯片電路一同整合封裝，而CMOS卻可以，因此在功能體積上CMOS能比CCD更小。CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。

    現(xiàn)在市面上還沒有能提供給普通監(jiān)控用攝像機(jī)使用的高清的CCD元件，但是CMOS確已經(jīng)有了，我們使用的就是一顆500萬像素專業(yè)級(jí)逐行掃描CMOS圖像傳感器元件作為我們IP攝像機(jī)的高清信號(hào)采集。

為什么目前百萬像素高清攝像機(jī)以CMOS為主？
    目前，百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通常采用CMOS技術(shù)作為圖像傳感器。業(yè)內(nèi)有一個(gè)普遍的偏見認(rèn)為：CMOS技術(shù)還有其不足的地方需要完善，例如照度和信噪比處理。我們估且不討論CMOS和CCD的優(yōu)劣，當(dāng)業(yè)內(nèi)的部分制造商在不斷地努力提升模擬攝像機(jī)的分辨力線數(shù)到580線、600線的時(shí)候，通過編碼器或DVR壓縮后卻依然只有三、四十萬像素左右，像素要想再往上提升難度也越來越大，這不僅是成本問題，模擬信號(hào)通過BNC接口（CVBS）傳輸就只能達(dá)到這樣的圖像效果，因此，模擬攝像機(jī)是很難實(shí)現(xiàn)百萬像素級(jí)的高清監(jiān)控的。

    CMOS到底好不好呢？很難說，因?yàn)楫吘贡O(jiān)控上沒有大規(guī)模使用過，但是市場(chǎng)上千萬像素級(jí)的單反相機(jī)基本上都是采用CMOS傳感器。CMOS傳感器直接輸出數(shù)字信息，避免了多次A/D轉(zhuǎn)換的損耗。而且逐行掃描的CMOS攝像機(jī)可以有效地避免隔行掃描攝像機(jī)圖像的運(yùn)動(dòng)模糊和撕裂等問題，畫面更加細(xì)膩感人。比如采用1/2.5英吋500萬像素逐行掃描高分辨率圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)720P、1080P高清，用500萬像素作為百萬像素（兩百萬像素）的信號(hào)源做后期處理，所得到的效果一定是百萬像素源所無法媲美的。正是基于此，再配合優(yōu)質(zhì)算法和先進(jìn)的濾波技術(shù)，使其IP攝像機(jī)具有卓越的圖像畫質(zhì)。

    對(duì)于用戶關(guān)注的CMOS的照度和噪點(diǎn)等問題，實(shí)際上可見光下CMOS的信噪比遠(yuǎn)高于CCD。一方面，隨著國(guó)際CMOS大廠的不斷改進(jìn)，CMOS還繼續(xù)在成像的通透性、對(duì)實(shí)物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發(fā)了感光度增強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)而通過使用大尺寸傳感器提高開口率，這正是提高CMOS感光能力的最直接辦法。即便是在噪音控制方面，有公司將專門的噪聲檢測(cè)算法直接整合于CMOS圖像傳感器的控制邏輯中。通過這項(xiàng)技術(shù)，固定噪聲就可以成功剔除了。更何況CMOS的價(jià)格遠(yuǎn)低于CCD設(shè)備。另一方面，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)研發(fā)廠商也在采用多種技術(shù)革新。比如AipStar的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用廣播級(jí)圖像處理中的3A控制技術(shù)，配合自動(dòng)光圈鏡頭，分段多級(jí)自動(dòng)控制曝光、增益和白平衡，可以使圖像質(zhì)量達(dá)到廣播級(jí)的效果。此外，工程商通過點(diǎn)位選擇、外部補(bǔ)光這些技巧，可以大大減少環(huán)境對(duì)圖像效果的影響。

    此外，從工藝上來講，CCD每提升100萬像素就需要對(duì)其生產(chǎn)線進(jìn)行改造，研發(fā)生產(chǎn)的成本比較高。如果CCD尺寸仍然維持在2/3英寸的話，單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致制造中產(chǎn)生的損品率與生產(chǎn)成本大幅度攀升。[nextpage]

促使人們百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中將眼光從CCD轉(zhuǎn)向CMOS的成功關(guān)鍵因素是：
?低電源消耗
?在芯片上復(fù)合有額外的電路
?低系統(tǒng)成本

CMOS 百萬像素?cái)z像機(jī)將走向何方？
    從上述CMOS特色中我們不難歸納出采用CMOS的發(fā)展方向，那就是，依托新的工藝技術(shù)、新的封裝技術(shù)，以及新的制造能力相結(jié)合，CMOS器件將以更高的產(chǎn)品集成度提高性能表現(xiàn)。比如，45nm制造工藝已經(jīng)成功推出，CMOS器件將逐漸采用這一制程。同時(shí)，在處理功能上，CMOS也更容易制造芯片。這些還只是CMOS在鞏固優(yōu)勢(shì)方面的進(jìn)展。

    對(duì)于CMOS百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的必要發(fā)展方向。目前，在各主力廠商的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門、光圈、自動(dòng)增益控制及伽瑪校正的需要，使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接近且超過CCD的成像質(zhì)量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對(duì)于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心部件，CMOS圖像傳感器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢(shì)。為適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求。CMOS圖像傳感器正在向高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、數(shù)字化、多功能化的多元化的細(xì)分市場(chǎng)發(fā)展。有理由相信，未來高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也將和模擬攝像機(jī)一樣應(yīng)用范圍也會(huì)不斷拓寬，高清寬動(dòng)態(tài)、高清低照度、高清感紅外、高清高速抓拍、高清一體化、高清智能識(shí)別等專業(yè)領(lǐng)域的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將大行其道。

    業(yè)界分析預(yù)測(cè)，在2009-2010年，國(guó)際上高清視頻監(jiān)控應(yīng)用市場(chǎng)上，采用CMOS圖像傳感器的百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將全面超越采用CCD圖像傳感器的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可以相信一個(gè)嶄新的數(shù)字高清圖像技術(shù)時(shí)代已經(jīng)來臨。（本文由四川艾普視達(dá)數(shù)碼科技有限公司提供）