CMOS و CCD دو فناوری اصلی سنسور تصویر هستند. در این مقاله تفاوت معماری، سرعت، نویز، مصرف انرژی و کاربرد آنها در دوربینهای مداربسته را بهصورت تخصصی بررسی میکنیم.
اگر بیش از چند سال در حوزه سیستمهای نظارتی فعالیت کرده باشید، احتمالاً زمانی را به یاد دارید که یکی از اولین سؤالهای خریداران این بود:
«دوربین CCD بهتره یا CMOS؟»
سالها پیش پاسخ این سؤال ساده نبود، زیرا سنسورهای CCD از نظر کیفیت تصویر شهرت بسیار خوبی داشتند و بسیاری از پروژههای حرفهای بر پایه آنها طراحی میشدند.
اما امروزه تقریباً تمام دوربینهای مداربسته جدید، از مدلهای اقتصادی تا دوربینهای حرفهای هوشمند، از سنسورهای CMOS استفاده میکنند.
آیا این به معنی برتری مطلق CMOS است؟ یا فناوری CCD هنوز هم مزایایی دارد؟
در این مقاله تفاوت این دو معماری را از دید طراحی سنسور، کیفیت تصویر، نویز، سرعت خوانش و کاربرد در سیستمهای نظارتی بررسی میکنیم.
قبل از مقایسه CMOS و CCD باید بدانیم سنسور تصویر چه کاری انجام میدهد.
سنسور اولین بخش از زنجیره تصویربرداری است.
وظیفه آن تبدیل فوتونهای نور به بار الکتریکی و سپس تبدیل این اطلاعات به داده دیجیتال است.
تمام پردازشهای بعدی مانند:
بر اساس اطلاعاتی انجام میشوند که سنسور تولید کرده است.
بنابراین کیفیت خروجی دوربین تا حد زیادی به عملکرد سنسور وابسته است.
CCD مخفف:
Charge Coupled Device
است.
در این معماری، بار الکتریکی تولیدشده توسط هر پیکسل بهصورت زنجیرهای به خروجی سنسور منتقل میشود.
در نهایت تمام اطلاعات توسط یک یا تعداد کمی تقویتکننده (Amplifier) خوانده میشوند.
همین ویژگی باعث شد سالها CCD به دلیل یکنواختی سیگنال و نویز پایین مشهور باشد.
CMOS مخفف:
Complementary Metal Oxide Semiconductor
است.
در این فناوری تقریباً هر پیکسل دارای مدار خوانش اختصاصی است.
در نتیجه اطلاعات هر پیکسل میتواند بهصورت مستقل خوانده شود.
این معماری انعطاف بسیار بیشتری نسبت به CCD ایجاد میکند.
بزرگترین تفاوت این دو فناوری در نحوه خواندن اطلاعات است.
در CCD:
تمام بارها بهصورت زنجیرهای به خروجی منتقل میشوند.
اما در CMOS:
هر پیکسل تقریباً مسیر خوانش اختصاصی خود را دارد.
این تفاوت پایه بسیاری از اختلافهای عملکردی این دو فناوری است.
یکی از مهمترین مزایای CMOS سرعت بالای خوانش تصویر است.
به همین دلیل فناوریهایی مانند:
امروزه تقریباً همگی بر پایه CMOS توسعه یافتهاند.
CCD معمولاً انرژی بیشتری مصرف میکند.
در مقابل، CMOS به دلیل ساختار داخلی خود مصرف بسیار پایینتری دارد.
همین موضوع باعث شد استفاده از CMOS در:
کاملاً منطقی باشد.
در نسلهای قدیمی، CCD معمولاً نویز کمتری نسبت به CMOS تولید میکرد.
اما پیشرفت فناوری ساخت CMOS باعث شد این اختلاف تقریباً از بین برود.
امروزه کیفیت CMOSهای حرفهای حتی از بسیاری از CCDهای قدیمی نیز بالاتر است.
در گذشته CCD عملکرد بسیار خوبی در ثبت اختلاف نور شدید داشت.
اما امروزه با پیشرفت فناوریهایی مانند:
بیشتر سنسورهای CMOS مدرن Dynamic Range بسیار بالایی ارائه میدهند.
بیشتر سنسورهای CMOS از Rolling Shutter استفاده میکنند.
در این روش خطوط تصویر بهترتیب خوانده میشوند.
در مقابل، بسیاری از CCDها بهصورت طبیعی رفتار نزدیکتری به Global Shutter داشتند.
امروزه البته سنسورهای CMOS با Global Shutter نیز تولید میشوند، اما معمولاً در کاربردهای صنعتی و ماشینبین استفاده بیشتری دارند.
یکی از دلایل اصلی موفقیت CMOS هزینه پایینتر تولید آن است.
CMOS با همان فناوری ساخت تراشههای نیمههادی تولید میشود و امکان یکپارچهسازی بخشهای مختلف مانند:
روی همان تراشه وجود دارد.
این موضوع هزینه نهایی را کاهش میدهد.
یکی از مهمترین مزایای CMOS این است که میتوان بخش زیادی از مدارهای جانبی را داخل خود سنسور قرار داد.
به همین دلیل در CMOSهای جدید امکاناتی مانند:
قابل پیادهسازی هستند.
دلیل اصلی فقط کیفیت تصویر نیست.
بلکه مجموعهای از مزایا باعث شد CMOS به استاندارد صنعت تبدیل شود:
بله، اما کاربرد آن بسیار محدود شده است.
امروزه CCD بیشتر در برخی تجهیزات علمی، تصویربرداری پزشکی یا ابزارهای آزمایشگاهی خاص دیده میشود.
در صنعت سیستمهای نظارتی تقریباً تمام تولیدکنندگان بزرگ به سمت CMOS مهاجرت کردهاند.
خیر.
این یکی از اشتباهات رایج بازار است.
کیفیت نهایی تصویر فقط به نوع سنسور بستگی ندارد.
موارد زیر نیز نقش تعیینکننده دارند:
به همین دلیل یک CMOS حرفهای میتواند از یک CMOS ارزانقیمت چندین برابر بهتر باشد.
هنوز بعضی فروشندگان از عبارت:
CCD Quality
بهعنوان یک اصطلاح تبلیغاتی استفاده میکنند.
در حالی که بسیاری از آن محصولات اصلاً CCD نیستند.
در عمل، نام سازنده سنسور (مانند Sony، SmartSens، GalaxyCore یا OmniVision)، فناوری ساخت، اندازه سنسور و کیفیت ISP اهمیت بسیار بیشتری نسبت به صرف عبارت CMOS یا CCD دارد.
در پروژههای حرفهای بهتر است به جای تمرکز روی CMOS یا CCD، این مشخصات بررسی شوند:
این پارامترها تأثیر بسیار بیشتری بر کیفیت تصویر نهایی دارند.
CCD و CMOS دو معماری متفاوت برای سنسورهای تصویر هستند که هر کدام در دورهای از صنعت تصویربرداری نقش مهمی داشتهاند.
اگرچه CCD در گذشته به دلیل نویز کمتر و کیفیت خروجی یکنواختتر شناخته میشد، اما پیشرفتهای گسترده در طراحی سنسورهای CMOS باعث شده است امروزه تقریباً تمام دوربینهای مداربسته حرفهای از این فناوری استفاده کنند.
در انتخاب یک دوربین مداربسته، تمرکز صرف بر عبارت CMOS یا CCD کافی نیست. اندازه سنسور، فناوری ساخت، کیفیت ISP، Pixel Size، Dynamic Range و عملکرد واقعی در شرایط نوری مختلف معیارهای بسیار دقیقتری برای ارزیابی کیفیت تصویر هستند.
در خانه هوشمند سایبر تلاش میکنیم مفاهیم تخصصی سیستمهای نظارتی را با نگاهی مهندسی و بهدور از تبلیغات اغراقآمیز بررسی کنیم تا کاربران و متخصصان بتوانند بر اساس واقعیتهای فنی تصمیم بگیرند.