матрица кмоп что это
КМОП-матрица цифрового фотоаппарата.
В предыдущих публикациях было описано устройство ПЗС-матрицы фотоаппарата, особенности, достоинства и недостатки таких матриц.
К достоинствам ПЗС-матриц можно отнести:
К недостаткам ПЗС-матриц относятся:
В современных цифровых фотоаппаратах применяются не только матрицы на основе ПЗС, но и КМОП-матрицы, доля фотоаппаратов, оснащенных такими матрицами постоянно растет.
КМОП-матрица фотоаппарата.
Еще в конце 60-х годов прошлого века ученые знали свойство КМОП-стуктур воспринимать свет. Однако ПЗС-структуры обеспечивали гораздо более высокую чувствительность к свету и высокое качество изображения. Вот почему матрицы на основе КМОП-технологии не получили столь широкого распространения. В начале 90-х годов характеристики КМОП-матриц и их производство были значительно улучшены, что привело к более широкому внедрению этих матриц. Революционные открытия были сделаны в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL NASA), где были созданы активные пикселы (Active Pixel Sensors – APS). Суть состояла в том, что в каждый пиксел был добавлен транзисторный усилитель сигнала, что позволило преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в самом пикселе. Благодаря этому стал возможен произвольный доступ к отдельным пикселам, в принципе аналогичный схемам ОЗУ.
В результате уже к 2008 году матрицы на КМОП-элементах стали альтернативой ПЗС-матрицам.
КМОП-матрица ( комплиментарная структура металл-окисел-полупроводник), в английской транскрипции — CMOS (Complementary metal oxide semiconductor), в принципе похожа на ПЗС-матрицу. Также, как и в ПЗС под воздействием света рождаются электроны.
Ячейки КМОП-матриц представляют из себя полевые транзисторы с изолированным затвором и имеют каналы разной проводимости.
В отличие от ПЗС-элемента каждая ячейка КМОП-матрицы имеет дополнительно электронные устройства, называемые обвязкой пиксела, позволяющие преобразовывать заряд в напряжение непосредственно в ячейке.
На рис.1 показана эквивалентная схема устройства КМОП-элемента.
Рис.1. Эквивалентная электрическая схема КМОП-элемента.
1 — Светодиод. 2 — электронный затвор. 3 — конденсатор, накапливающий заряд с фотодиода. 4 — усилитель сигнала. 5 — шина считывания строки. 6 — шина, по которой происходит передача сигнала процессору. 7 — линия подачи сигнала сброса.
Принцип работы приведенной схемы:
перед съемкой изображения по линии 7 подается сигнал сброса;
при воздействии света на фотодиод в нем пропорционально интенсивности светового потока создается заряд, который заряжает конденсатор;
считывание сигнала с элемента происходит путем разряда конденсатора, возникающий при этом ток передается на усилитель и далее в обрабатывающую схему.
Синхронизация работы матрицы осуществляется через адресные шины столбцов и строк.
Прогресс в развитии технологий, в частности получения кремниевых пластин высокого качества и
улучшения схемы усилителя КМОП-элемента, привел к тому, что последний вышел по качеству получаемого изображения практически на тот же уровень, что и ПЗС-элемент.
Преимущества КМОП-матрицы:
Прежде всего значительно снижено энергопотребление, благодаря тому, что в КМОП-матрице цепочка обработки информации не такая длинная, как в ПЗС-матрице, особенно низким энергопотреблением КМОП-матрица отличается в статическом режиме.
Схема ячейки КМОП-матрицы позволяет ее интегрировать непосредственно с аналого-цифровым преобразователем и даже с процессором. Это создает возможность объединения в одном кристалле как аналоговой схемы, так и цифровой и обрабатывающей. Благодаря этому стала возможной дальнейшая миниатюризация цифровых камер,снижение их стоимости из-за отсутствия необходимости в дополнительных процессорных микросхемах.
Возможность произвольного доступа к ячейкам КМОП позволяет считывать отдельные группы пикселей. Эта возможность получила название кадрированного считывания, т. е. считывания только части всего кадра, в отличие от ПЗС-матрицы, где для обработки информации необходимо выгрузить всю матрицу. Благодаря этому для обеспечения быстрого просмотра изображения на встроенном дисплее фотоаппарата с относительно небольшим числом пикселей можно выводить только часть информации. Для просмотра этого будет достаточно, можно контролировать точность фокусировки и т. д.
Кроме того для большей скорости ведения репортажной съемки можно вести ее с меньшим размером кадра и меньшим разрешением.
Еще одним достоинством КМОП-матрицы является возможность добавления к имеющемуся внутри КМОП-элемента усилителю еще усилительные каскады, тем самым значительно увеличить чувствительность матрицы. А возможность регулировки усиления для каждого цвета позволяет улучшить баланс белого.
Производство КМОП-матриц проще и дешевле, чем ПЗС, его может освоить практически любой завод, занимающийся производством микроэлектроники. Особенно это сказывается при производстве матриц большого размера.
Недостатки КМОП-матрицы:
К недостаткам КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей следует отнести прежде всего уменьшение светочувствительной части элемента из-за наличия электронной обвязки вокруг пиксела. Именно поэтому вначале КМОП-матрицы имели существенно более низкую чувствительность, чем ПЗС-матрицы. Положение изменилось с разработкой и выпуском на рынок компанией Sony в 2007 году КМОП-матриц, изготовленных по технологии EXMOR, применявшейся ранее для специфических устройств, таких как электронные телескопы. Размер светочувствительной части пиксела удалось увеличить за счет перемещения электронной обвязки в нижний слой элемента, где она не мешала попаданию света. Это привело к увеличению чувствительности каждого пиксела и всей матрицы.
В каждом из элементов КМОП-матрицы имеются еще электронные элементы, которые по свойствам электронных схем обладают своим шумом, и этот шум добавляется к шуму непосредственно светочувствительного элемента. Причем для каждого пиксела уровень этого шума разный.
Наличие на каждом пикселе дополнительных электронных элементов приводит к дополнительному нагреву всей ячейки, что является причиной теплового шума.
Таким образом каждый тип матриц имеет свои достоинства и недостатки. В настоящее время они по своим характеристикам все более сближаются. И по-видимому при выборе фотокамеры следует исходить не столько из типа матрицы, сколько из ее размера и разрешения.
На закуску предлагаю посмотреть видеоролик, который наглядно демонстрирует различия в передаче информации в ПЗС-матрице и КМОП-матрице:
Друзья! Буду благодарен, если Вы поделитесь данным материалом в социальных сетях, оставите ретвиты и g+.
Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание?
Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…
Тип матрицы
В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.
CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.
Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.
Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.
Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.
Как делаются матрицы цифровых камер
Лидерские качества CMOS
CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.
Структура пикселя и CMOS матрицы
Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.
Принцип работы CCD и CMOS матриц
Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.
Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.
Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:
Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты
Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:
CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…
Почему большой – это хорошо
Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.
Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!
Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения
Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры
Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.
Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.
Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.
Сравнение матриц разных производителей
Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.
Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:
Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:
Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.
Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.
Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.
Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.
Вот демонстрация технологии Starlight в действии:
При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.
Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…
А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.
Как устроена матрица фотокамеры.
Светочувствительные матрицы используются во многих устройствах. Самое известное из них — фотокамера. Цифровые сенсоры заменили собой пленку, сделав съемку существенно проще и дешевле, открыв для масс возможность делать тысячи снимков, платя лишь раз — при покупке фотоаппарата.
Откуда берется цвет
Матрица фотоаппарата — весьма непростое устройство, хотя на первый взгляд представляет собой просто ряды светочувствительных фотодиодов. Ее основная задача заключается в преобразовании полученных импульсов в электрический ток. Причем сделать это нужно так, чтобы в итоге получилось цветное изображение с высокой детализацией.
Когда фотографы спорят о том, матрица чьего фотоаппарата более точно и глубоко передает цвет, они даже не задумываются, что каждый из пикселей — монохромный. Цвет появляется благодаря хитрым системам. Таким, как мозаичные фильтры. Это самая распространенная технология получения цветного изображения. Матрица накрыта тончайшим фильтром, который делит сенсор на субпиксели. Каждому из них присваивается свой цвет, в дальнейшем таким образом формируется общая картинка. Существует целый ряд подтипов, наиболее известным из которых является фильтр Байера, названный в честь сотрудника компании Kodak, доктора Брайса Э. Байера (Bryce Bayer), создавшего эту технологию в 1976 году. Данный светофильтр делит каждый пиксель на два зеленых, красный и синий субпиксели. Таким образом изображение делится на точки, но метод не лишен недостатков. Главный из них — потеря четкости, так как недостающую информацию приходится интерполировать, то есть вычислять, дорисовывать. Тем не менее сегодня проблема потеряла остроту, поскольку пиксели стали настолько маленькими,что увидеть потерю резкости крайне сложно.
Какие есть типы матриц
Существует два основных типа: ПЗС (прибор с зарядовой связью — Charge-Coupled Device, CCD) и КМОП (комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник» — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS). Вдаваться в технические подробности я не стану — принципиальная разница заключается в методе снятия заряда со светочувствительного элемента сенсора. На тематических форумах можно прочесть не одну сотню страниц, написанных пользователями, которые пытаются доказать, что ПЗС лучше КМОП и наоборот. Если же взглянуть на механизм формирования изображения, становится ясно, что на цветопередачу влияют многие параметры и способ передачи электрического сигнала от пикселя к процессору — далеко не главный. Вы наверняка замечали, что разные модели фотокамер имеют свою фирменную цветопередачу и даже уровень шумов. При этом производителей матриц немного. Безусловным лидером считается компания Sony, чьи матрицы используют также Nikon и Pentax. Взгляните на необработанные JPEG от Pentax K10D, Nikon D80 и Sony А100. Характерные особенности картинки хорошо видны, несмотря на то, что во всех трех стоит один и тот же ПЗС-сенсор разрешением 10 Мп.
Да что там разные производители! Во времена сотрудничества Samsung и Pentax разница в изображении «клонов» была весьма значительной. Изображения, формируемые на 14-Мп матрице корейского производства более грамотно формировались в «родном» Samsung GX-20, нежели в Pentax K20D, поэтому и цветопередача была точнее, и шумы меньшими. Все это доказывает: гораздо важнее правильно обработать сигнал.
Последним доводом в пользу того, что ПЗС «круче» КМОП является то, что средний формат до последнего времени использовал только матрицы первого типа. Но это происходило скорее из-за того, что данный рынок развивается медленнее, ведь спрос на дорогущие и не универсальные среднеформатные камеры не исчисляется миллионами. А несколькими годами ранее КМОП пришел и в высший сегмент — именно эти матрицы установлены в Pentax 645Z, а также в цифровом заднике Phase One IQ250.
Сколько мегапикселей достаточно
Чем больше — тем лучше. В идеале, конечно. Ведь каждый пиксель —это дополнительная информация, которая повышает резкость, а в конечном итоге и детализацию. Но не все так просто.
Прежде всего, хочу разочаровать всех жаждущих заполучить фотокамеру с условными тремя мегапикселями и рабочими ISO 102400. Дело ведь не в том, что производители не хотят считаться с энтузиастами, которым не нужно сверхвысокое разрешение при отсутствии шумов. Такую матрицу сделать даже с современными технологиями непросто.
Но не надо расстраиваться! Прогресс не стоит на месте, и сегодняшние матрицы лучше прежних. Не верите? Хорошо, давайте рассмотрим вопрос во времени. Загляните на тематический форум, и вы найдете не один десяток сообщений, что, мол, новая 24-Мп камера — это уже слишком, вот есть же матрица с 14 Мп — на ней пиксели «жирные», а значит, лучше! Открываешь темы трехпятилетней давности, где говорят: «Эх, наделали целых 14 Мп, куда столько? Лучше бы сделали новую 10-Мп, но с меньшими шумами». Восемь лет назад та же история наблюдалась при переходе от 6 Мп к 10 Мп. К чему это я? К тому, что, несмотря на рост разрешения, раньше камерой с матрицей формфактора APS-C можно было снимать на ISO 200-400, сегодня же я без опаски могу выставить и ISO 1600, а иногда и 3200. При этом следует учитывать, что, если снизить разрешение кадра с 24 до 6 Мп, шумы тоже снизятся, даже без применения дополнительных алгоритмов. Если добавить к этому возможность вырезать фрагменты кадра (если позволяет оптика) в значительно большей степени, нежели при низком разрешении, действительно получается, что чем больше пикселей, тем лучше. Главное, чтобы делали матрицы опытные инженеры.