孫建勝

（作者單位：紹興廣播電視總臺）

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CMOS攝像機分析介紹

孫建勝

（作者單位：紹興廣播電視總臺）

摘 要：本文就攝像機的CMOS與CCD傳感器二者差距進行了分析，對CMOS傳感器技術的問題優(yōu)勢進行了剖析，并對其未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：CMOS攝像機、發(fā)展

CMOS和CCD是目前攝像機在用的主要兩種圖像傳感器。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即互補金屬氧化物半導體；CCD（Charge-coupled Device），即電荷耦合元件。兩者的工作原理從本質上是相同的，都是利用半導體感光特性將圖像光電轉換為電子信號。區(qū)別是目前主流的CMOS的傳感器每個感光點都需要有一個放大器及A/D轉換電路，從CMOS芯片讀出已經是數字信號了。而CCD，不管是IT CCD、FIT CCD或是FT CCD，只是電荷轉移方式的不同，都是電荷轉移到傳感器底端然后由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出，輸出的是模擬信號。

1 CMOS與CCD傳感器二者差異分析

由于CMOS和CCD這兩種傳感器之間的結構的差異，使這兩者具體的特性有著各自不同的特點，其實真正背后起著決定性作用的是器件制作工藝的不同。由于CMOS采用一般半導體電路最常用的MOS工藝，可以將規(guī)模做得很大，同時也是這MOS工藝，決定了可以方便地在每個像素感光點旁邊設置一個放大器和A/D轉換電路；同時，可以把很多外圍電路集成在這CMOS芯片中，相對制造成本較低，而CCD采用由于是電荷轉移的方式輸出信號，只要轉移鏈條上有一個像素不能轉移就會導致整個圖像讀出故障，因此制造CCD傳感器時的成品率就容易低，相應的CCD傳感器的成本就會較高。

CCD雖然成本較高，但為何CMOS一直到近幾年才開始大量出現(xiàn)在廣播級的攝像機應用中，主要還有幾點原因，一是在相同大小相同分辨率的感光面中，CCD基本上就是整個感光面都是可以做光電轉換的，但CMOS可用于光電轉換的感光面卻要小很多，因為他每個感光元素旁邊還需做一個放大器和A/D轉換，每個像素的感光面積的縮小必然導致靈敏度的下降，這也就是CMOS感光器件在低照度下指標比較吃力的原因。二是由于CMOS每個像素感光點旁邊都有一個放大器，但在CMOS制造時很難讓每個放大器所的參數保持一致，上百萬個參數不一致的放大器的存在，不同的像素的信號經過各自不同參數的放大器，相比較于只有一個放大器的CCD，必然導致CMOS器件的圖像噪聲就會增加很多。

正是由于在靈敏度和噪聲控制方面的問題，在早先CMOS感光器件難以應用到廣播級的攝像設備中，多作為工業(yè)級的監(jiān)控設備。

2 CMOS傳感器技術存在的問題

CMOS由于讀出方式的特點，還存在著固有的CMOS現(xiàn)象——果凍效應。由于一般的CMOS器件即3T技術的器件（即每個感光像素旁邊的由3個三極管組成的放大器）由于二極管曝光和電荷存儲沒有分離，信號讀出只能采用每行每個像素依次感光依次讀出方式，而不是CCD組件所采用的所有像素同時收集光線，同時曝光。即在曝光開始時，開始收集光線；在曝光結束時，光線收集電路被切斷。然后讀出即為一幀圖像。所以CMOS的這種感光方式形象的稱為卷簾快門，而CCD方式稱為全局快門。在拍攝高速運動的物體時，如果被拍攝物體相對于攝像機高速運動時，用全局快門方式拍攝，假如曝光時間過長，照片會產生像糊現(xiàn)象；而用卷簾快門方式拍攝，由于逐行掃描速度不夠，在不同行的掃描時間內拍攝對象已經發(fā)生了位移或改變，導致拍攝出來的圖像就可能出現(xiàn)來回搖擺、傾斜或是曝光不勻等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象由于與果凍產生的變形和顏色改變類似，因此被形象的稱為果凍效應。這也是目前普遍采用一般CMOS傳感器作為感光器件的拍攝、攝像設備固有的問題。

3 CMOS傳感器技術優(yōu)勢

由于電子技術的飛速發(fā)展，特別是CMOS制造工藝的快速發(fā)展，尤其是幾年來在市場需求的推動下，關鍵技術不斷取得突破。對于CMOS的靈敏度問題，通過采用感光度增強技術，通過使用大尺寸傳感器提高開口率，進而又采用背面照射技術和堆棧式（Stacked）CMOS技術，使感光問題得到極大改善；在噪聲控制方面，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，相當程度地改良放大器不一致帶來的噪聲。果凍效應問題，由于集成電路制造技術的發(fā)展，采用5T即5個三極管組成放大器實現(xiàn)了全局快門方式讀出數據，從而消除了果凍效應；同時，同樣面積的像素點，由于采用了更高的集成電路制造技術，雖然從3T到了5T，不但使放大器性能提高，而且占用面積反而縮小。隨著6T、7T乃至8T技術的出現(xiàn)，更高性能的成像能力、更高速率的幀頻都已經實現(xiàn)。當然，在目前5T乃至更高技術的CMOS器件的制造成本還是不低的，當前大量應用的還是存在果凍效應的CMOS設備。

隨著CMOS組件大規(guī)模的應用，特別是大畫幅CMOS傳感器應用的越來越多，在專業(yè)視頻領域，單CMOS攝像機也正在增加。傳統(tǒng)的3CMOS攝像機是采用分光棱鏡將光束分成紅綠藍三原色，分別在三塊傳感器上面成像，這3個成像器中每個都有相同數量的等間隔像素。而單CMOS多采用的是芯片像素上的馬賽克彩色掩膜，目前大多數單CMOS攝像機在各個像素上的掩膜中都采用拜爾濾色片，拜爾濾色片允許接受綠光的像素數是接受紅光或藍光的像素數的兩倍，這是基于人類視覺對綠色最為敏感，以利于獲得更準確的色彩重現(xiàn)。相應

掩膜像素點感光獲得對應的色彩分量，再通過各種不同的插值計算獲得其他兩種顏色的色彩分量，以實現(xiàn)RGB輸出。雖然單CMOS攝像機沒有分光棱鏡使得制造攝像機更簡單，但由于使用馬賽克濾色片，沒有共位置的像素，不是如三成像器攝像機每個像素的紅、綠、藍的子像素完全在同一點，采用插值計算的過程中通過前后左右均衡計算或是做水平垂直方向的色彩變化預測來色彩重建。這也意味著單CMOS攝像機所拍攝的圖像實際分辨率是難以達到CMOS組件的像素分辨率的，不同的圖像重建方法在拍攝不同的圖像時可能達到不同的分辨率，一般分辨率是像素數量的1/2～2/3，極端情況是1/4，這意味著拍攝200萬像素的高清圖像需要300萬～400萬甚至800萬像素的CMOS傳感器。這在實際應用中往往使得拍攝彩色細節(jié)精細的畫面時存在問題，特別是如在綠色玻璃前拍攝非常小的彩色物件，如小花或小蜜蜂，圖像重建過程中的預測將產生大量失真，效果不是很好。同時，馬賽克濾色片還存在染色材料的光譜特性、染色材料的時間穩(wěn)定性和使用低通濾波器防止圖像失真的問題，因為每種顏色的像素數越低，失真問題可能越嚴重，由于綠色像素數量是紅和藍像素的2倍，只能或者安排一個極好地處理紅色和藍色通道的抗失真濾波器犧牲綠色像素分辨率，或者按照綠色像素但可能在紅色和藍色中有失真。而不是在三成像器攝像機中，由于每片芯片上的像素數相同，一個低通濾波器就可很好的解決問題。

總之，CMOS攝像機隨著信息電子技術的飛速發(fā)展正體現(xiàn)出越來越強的優(yōu)勢?？梢灶A見，CMOS的應用范圍會越來越廣，設備性能和操作便利性也會越來越強。但是在目前，受制造成本的約束，高端CMOS感光器件的應用還不是很廣，CCD攝像機還體現(xiàn)著一定的傳統(tǒng)優(yōu)勢，但未來一定是CMOS的天下。

參考文獻：

［1］張文選,范紅,胡屏.CMOS圖像傳感器介紹［J］.長春光學精密機械學院學報,2002（1）.

［2］程開富.CMOS圖象傳感器的原理及應用［J］.半導體情報,2001（5）.