对于交通抓拍和视频监控,对前端成像传感器CCD和CMOS比较关注的技术特性主要有以下几点。
电子快门ElectronicShutter
电子快门用来控制芯片从开始到结束的电荷积分时间。由于CCD芯片暴露在光线下,即使把电荷转移也还会有电荷累积。因此,如果被测的是运动目标,就会产生常说的Smear(拖影)现象。CCD是用行间转移(ILT)的方式解决电荷累积问题的,每个像素被分为感光区和电荷转移区,电荷转移区不感光,这样在曝光结束时先将电荷一次性转移到转移区,再读出,这样读出过程就没有电荷积分,不会产生因目标运动而引起的Smear现象。但显然ILT方式减少了像素的感光面积,降低了灵敏度。这时,通常在像素上增加微透镜来收集更多的电荷。
CMOS芯片上电荷都是在每个像素上读出的,不存在CCD芯片的问题,它的电子快门分Rollingshutter和Globalshutter两种,Rollingshutter通常采用的都是3T像素结构,每次仅能对一行像素进行曝光控制(如图1-1),即一行曝光后再对下一行进行曝光,这样就会出现如图1-2所示的情形。Globalshutter的芯片需要具备5T的结构,使整幅图像所有像素同时开始和结束曝光,图1-3是Globalshutter的成像效果。但5个光电二极管的结构同样减小了感光面积,这也可以通过增加微透镜的方式来弥补。
帧率:frameRate
另外一个需要重点考虑的是帧率。对于CCD感光器来说,抓拍和监控速度主要受制于电荷的读出速度,读出时钟又决定了电荷读出速度的快慢,分辨率越高,CCD芯片读出的速度就越慢。实际上,读出时钟的上限取决于光-电转换的读出放大器的带宽,更高的读出速率要求有更宽的带宽;但另一方面,带宽越大又会带来更多的噪声,同时高速高带宽的读出放大器功率也会增加。因此,对CCD感光器而言,高速是在像素分辨率、噪声、功耗之间的平衡。多通道可以在一定程度上解决读出速度的问题,将图像分成多个区域,分别用读出放大器读出,再进行拼合。由于多通道电路使摄像机体积更大、功耗更高,故不适合于所有应用。
对于CMOS芯片而言,以单个像素为单位将电荷转化为电压,读出放大器就不再需要提高速度来支持更高的帧率。因此,CMOS芯片更易获得更高帧率。与此同时,与CCD不一样,CMOS得到的图像数据能够清零而无需被读出。这就解决了机器视觉系统仅对图像里感兴趣区域成像、只需读出部分图像信息的问题。当只需读出感兴趣区域的应用场合,CMOS芯片能够在不增加像素频率的基础上支持更高的帧率。
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