自從上世紀60年代末期，美國貝爾實驗室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術中的一個重要分支，它是PC機多媒體不可缺少的外設，也是監(jiān)控系統(tǒng)攝像機的核心器件。CMOS與CCD技術自誕生以來，它們的搶位之爭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)控攝像機的圖像傳感器基礎技術，主要也是CCD和CMOS兩種技術。目前市面上的模擬攝像機多是CCD為主，而網(wǎng)絡攝像機特別是今年興起的百萬像素級高清網(wǎng)絡攝像機，尤以CMOS技術應用居多。其實CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，但由于受當時工藝水平的限制，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、手機攝像頭等對畫質(zhì)要求不高的電子產(chǎn)品等設備上，以至于CMOS成了低端的代名詞。而CCD器件因為有光照靈敏度高、噪音低、像素多等優(yōu)點一直主宰著圖像傳感器市場。由于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(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點更是CCD器件所無法比擬的，因而它再次成為近年來研究的熱點?，F(xiàn)在CMOS圖像傳感器不但應用于市場上千萬像素級的中高端DSLR單反相機，也成為安防監(jiān)控行業(yè)百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機首選圖像傳感器件。

CMOS和CCD技術的差異
    CCD與CMOS傳感器是當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)進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。 這種轉(zhuǎn)換的原理與 “太陽能電池”效應相近，光線越強、電力越強；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。

    比較 CCD 和 CMOS 的結(jié)構，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡單的說，CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

    由于構造上的基本差異，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在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個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的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。[nextpage]

    整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，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，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個“放大器”進行電壓轉(zhuǎn)變，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”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當數(shù)據(jù)量大的時候就發(fā)生信號“擁堵”，而百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機格式卻恰恰需要在短時間內(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，每個像素點都有一個單獨的放大器轉(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)絡攝像機的需求。

    ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設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的感光度會低于CCD。

    成本差異：CMOS 應用半導體工業(yè)常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，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的制造成本相對高于CMOS。

    解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于 CMOS 每個像素的結(jié)構比 CCD 復雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優(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)可達到1400萬 像素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在良率上的優(yōu)勢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。

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

    耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動方式為主動式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。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計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使 CCD 的電量大約是CMOS的3到10倍。CCD礙于原理特性，無法與時序電路、控制電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等相關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，使得攝像機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)級逐行掃描CMOS圖像傳感器元件作為我們IP攝像機的高清信號采集。

為什么目前百萬像素高清攝像機以CMOS為主？
    目前，百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機通常采用CMOS技術作為圖像傳感器。業(yè)內(nèi)有一個普遍的偏見認為：CMOS技術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，當業(yè)內(nèi)的部分制造商在不斷地努力提升模擬攝像機的分辨力線數(shù)到580線、600線的時候，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，模擬信號通過BNC接口（CVBS）傳輸就只能達到這樣的圖像效果，因此，模擬攝像機是很難實現(xiàn)百萬像素級的高清監(jiān)控的。

    CMOS到底好不好呢？很難說，因為畢竟監(jiān)控上沒有大規(guī)模使用過，但是市場上千萬像素級的單反相機基本上都是采用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攝像機可以有效地避免隔行掃描攝像機圖像的運動模糊和撕裂等問題，畫面更加細膩感人。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)算法和先進的濾波技術，使其IP攝像機具有卓越的圖像畫質(zhì)。

    對于用戶關注的CMOS的照度和噪點等問題，實際上可見光下CMOS的信噪比遠高于CCD。一方面，隨著國際CMOS大廠的不斷改進，CMOS還繼續(xù)在成像的通透性、對實物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發(fā)了感光度增強技術，進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算法直接整合于CMOS圖像傳感器的控制邏輯中。通過這項技術，固定噪聲就可以成功剔除了。更何況CMOS的價格遠低于CCD設備。另一方面，高清網(wǎng)絡攝像機研發(fā)廠商也在采用多種技術革新。比如AipStar的高清網(wǎng)絡攝像機采用廣播級圖像處理中的3A控制技術，配合自動光圈鏡頭，分段多級自動控制曝光、增益和白平衡，可以使圖像質(zhì)量達到廣播級的效果。此外，工程商通過點位選擇、外部補光這些技巧，可以大大減少環(huán)境對圖像效果的影響。

    此外，從工藝上來講，CCD每提升100萬像素就需要對其生產(chǎn)線進行改造，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)，進而導致制造中產(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)絡攝像機中將眼光從CCD轉(zhuǎn)向CMOS的成功關鍵因素是：
?低電源消耗
?在芯片上復合有額外的電路
?低系統(tǒng)成本

CMOS 百萬像素攝像機將走向何方？
    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、新的封裝技術，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，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)勢方面的進展。

    對于CMOS百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機來說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是網(wǎng)絡攝像機的必要發(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，高動態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使網(wǎng)絡攝像機接近且超過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)絡攝像機的核心部件，CMOS圖像傳感器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢。為適應不同的市場需求。CMOS圖像傳感器正在向高分辨率、高動態(tài)范圍、高靈敏度、數(shù)字化、多功能化的多元化的細分市場發(fā)展。有理由相信，未來高清網(wǎng)絡攝像機也將和模擬攝像機一樣應用范圍也會不斷拓寬，高清寬動態(tài)、高清低照度、高清感紅外、高清高速抓拍、高清一體化、高清智能識別等專業(yè)領域的高清網(wǎng)絡攝像機將大行其道。

    業(yè)界分析預測，在2009-2010年，國際上高清視頻監(jiān)控應用市場上，采用CMOS圖像傳感器的百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機將全面超越采用CCD圖像傳感器的網(wǎng)絡攝像機，可以相信一個嶄新的數(shù)字高清圖像技術時代已經(jīng)來臨。（本文由四川艾普視達數(shù)碼科技有限公司提供）