IPC网络高清摄像机基础知识6(CCD 与 CMOS传感器)

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IPC网络高清摄像机基础知识6(CCD 与 CMOS传感器)

需求说明：IPC高清摄像机知识储备

内容      ：第一部分 从四大方面分析CCD传感器与CMOS传感器的优劣

                第二部分 解析数码相机的技术参数

整理来自：时间的诗

第一部分 从四大方面分析CCD传感器与CMOS传感器的优劣

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CCD传感器与CMOS传感器两者在结构、性能和技术上均不尽相同，在此我将两者作一个简单的比较，使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识。

CCD和CMOS传感器是目前最常见的数字图像传感器，广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机和摄像头等产品上。两者在结构、性能和技术上均不尽相同，在此我将两者作一个简单的比较，使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识，在选购相关产品时也能做到心中有数。

1 CCD与CMOS传感器的结构比较

CCD（Charge Coupled Device），即“电荷耦合器件”，是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，但CCD没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存，所有图形数据都会不停留地送入一个模数转换器，一个信号处理器以及一个存储设备。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。有人发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器，其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。

　　

CCD和CMOS在制造上的主要区别主要是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别，都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，这种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱。根据此原理将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

比较CCD和CMOS的结构，ADC（数模转换器）的位置和数量是最大的不同。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD边缘的放大器进行放大，再串联ADC输出；而CMOS的设计中每个像素旁边都直接连着ADC，电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这种差异的原因在于CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。

2 CCD与CMOS传感器的技术比较

CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定优势。由于CMOS集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS很长一段时间无法投入实用。近几年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的性能已经与CCD相差无几了。

CCD与CMOS传感器的性能比较

ISO感光度：由于CMOS每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成，还包含了放大器与数模转换电路，过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积，因此相同像素下，同样的尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

分辨率：由于CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。

噪点：由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪点就会增加很多，影响图像品质。

　　

耗电量：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；而CCD传感器为被动式采集，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12~18V，因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。

成本：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的制造成本会高于CMOS传感器。

3 CCD与CMOS传感器的前景

CCD在影像品质等方面均优于CMOS，而CMOS则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异将逐渐减小，新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。

第二部分 解析数码相机的技术参数

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前言

随着数码技术的发展，数码相机渐渐的成为了普通的消费电子产品。数码相机与传统相机最大的区别就是数码相机的技术参数使用者可以进行设置，从而拍摄出更加完美的照片，数码相机的技术参数在其中起着决定性的作用，但是有很多消费者对数码相机的主要参数不能彻底了解，这成为阻碍人们购买数码相机的一道坎儿，本文的目的就是让大家明确数码相机的几个比较重要的参数，能够给大家选购DC产品的一个参考。

数码相机的技术参数一、CCD

CCD与CMOS同属感光元件，是数码相机中最重要的组成部分。如果把DC本身比喻成一个人的话，那CCD就好比人的大脑。因为cmos在消费级数码相机中应用的不多，我们在这里主要介绍CCD。

CCD的全称叫做Charge Coupled Device，中文名叫电荷藕合器件图像传感器。它能够把光源信号转变成电荷信号，通过模拟到数字转换器芯片转换成全数字信号，再经过压缩以后由相机内部存储卡进行保存。CCD本身由许多感光单元组成，基本的单位以百万像素来计算。当镜头打开，CCD表面受到光线照射时，每个感光单元会将不同的电荷信号，把所有的感光单位所产生的电荷信号叠加在一起，就能构成一幅完整的数码照片。

 

一般的消费者最需要了解的就是CCD的尺寸。目前市面上的消费级数码相机主要有1/1.8英寸、1/2.5英寸、2/3英寸等等多种规格。我们判断它们的方法只有一个，那就是CCD尺寸越大，感光面积越大，相应的成像效果越好。比如一台同样为500万像素的数码相机，采用2/3英寸CCD的那台成像一定要好于采用1/1.8英寸的另一台。因为如果在固定的CCD尺寸上单纯地增加像素，会造成每个像素的感光面积相对缩小，他们之间很容易造成互相干扰的现象，从而影响最终整体的成像效果。

因为制造的工艺的问题，一般采用大尺寸的数码相机价格比较昂贵。另外，因为CCD的大小直接决定相机本身的体积，一般的超便携型数码相机所采用的CCD的尺寸都要比专业级数码相机上所使用CCD的尺寸要小很多，所以在最终成像上会有比较大的差距。

数码相机的技术参数二、镜头

数码相机镜头除了CCD以外的第二大重要元件。镜头的内部一般都是由很多组的镜片组成，材料分为玻璃与树脂两种。从成像效果来看，以玻璃为材料的镜头要好一些，但是制造的成本较高，而且镜头的本身的重量没有保证。在消费级数码相机上运用更多的是树脂镜片，它本身很轻薄，相对来说更容易制作，而且随着工艺的不断改进，树脂镜片所组成的镜头在成像质量上已经与玻璃镜片的镜头相差无几了。

光圈这个概念有些难以理解，概括的说就是利用光圈叶片来控制进入镜头的光线的强弱，字母F代表它的数值，一般的消费级数码相机的光圈值一般都在F2.8 - F11之间。一般光圈的调整都是以1/3挡为步进的，比如从F2.8- F3.5等等。我们只要记住：光圈值越小，进光量就越多，景深就越浅。光圈值越大，进光量相对地会变小，景深就会变得更大。光圈值与景深之间呈反比例关系。

一般在消费级数码相机上都有两种变焦模式：光学变焦与数码变焦。一般，我们只需要了解光学变焦就足够了。它的原理是通过镜头内镜片组的移动放大或者缩小被拍摄的对象。光学变焦的倍数越大，它就能拍的越远。在数码相机上，焦距这个数值全是通过135mm胶片传统相机的值换算而得出。市面上70%的数码相机都采用了常用的3倍光学变焦，个别的长焦DC的光学变焦倍数可以达到15倍之多。不过不能光看倍数大，就代表能拍的远，还是要根据实际的焦距来进行比较。

一般来说，具备长焦镜头的数码相机价格都相对贵一些，一般的玩家选择3倍光学变焦的DC就完全够用了。

数码相机的技术参数三、感光度

ISO的感光度这个概念其实来自与传统胶片，它只是一个与胶片感光度对应的近似值。从数码相机成像元件的角度出发，ISO是CCD/CMOS对光线反应的敏感程度的测量值。在数码相机上，通过调节ISO大小，可以改变和图片亮度的数值与图片的对比度，实际在数码相机当中，感光度也是一个控制图片明暗的数值。
目前在消费级数码相机上的ISO值最低为ISO50，最高的为ISO1600。我们在平时拍照的时候应将它置于相对较低的位置上，因为低ISO值可以拍出更加清晰、细腻的图片。ISO过高会在图像上造成非常多的噪点，损失很多的图象细节。

从应用的角度来说，高ISO只适合用在展览会 舞台等等不适合使用闪光灯的环境，适度的增加ISO值来可以增加照片的亮度，可以在黑暗的环境中更加突出人物与环境，但是这个值调整一定要适度。

当然，因为专业的数码单反相机在CCD尺寸上要比消费级相机大很多，所以在高感光度下的抗噪点能力要比普通的消费级DC强很多。

数码相机的技术参数四、白平衡

白平衡英文名称为White Balance，它的主要作用是根据光线照到不同物体上所反映出不同色温值对图象中的各个颜色成份进行平衡，最终得到最接近与人眼所看到的图像。

数码相机不管外部环境如何改变，机器只能够认出白色这一种颜色，平衡其他颜色需要有色光线下在“白色”下呈现其他色调。白平衡的作用就是先在照片中得到准确的白色基准色，以便能顺利地达到还原其他颜色的目的。
目前几乎所有的数码相机都具有白平衡调整功能，但是白平衡本身周围光线关系非常密切，所以在使用闪光灯的时候要注意调整。白平衡有许多种模式，比如自动白平衡、白炽灯白平衡、荧光灯白平衡、手动白平衡等等。

关于白平衡，我们只需要注意两点。1.在光线较弱而又复杂的环境下，避免使用自动白平衡，因为这时候相机的白平衡系统会因为光线复杂而变得失效，经常会发生图像整体偏蓝色.红色.绿色的现象。 2.在室内不使用闪光灯拍照时，一定要选择白炽光灯模式。

数码相机的技术参数五、快门

英文名称为Shutter，快门是相机上控制感光片有效曝光时间的一种装置。快门的工作原理是这样的，为了保护相机内的感光器件，不至于曝光，快门总是关闭的;拍摄时,调整好快门速度后，只要按住照相机的快门释放钮(也就是拍照的按钮),在快门开启与闭合的间隙间,让通过摄影镜头的光线,使照相机内的感光片获得正确的曝光，光穿过快门进入感光器件，写入记忆卡。至于单反相机常见的B快门功能，虽然可由你自由决定曝光时间的长短，拍摄弹性更高，不过目前大多数的消费性数码相机都还不能支持，最多提供如2秒、8秒、16秒等较慢速度的默认值。完善的快门通常必须具备以下几个方面的作用：

1、必须具备有能够准确调控曝光时间的作用，这一点是照相机快门的最基本的作用;

2、必须具备有足够高的快门速度，以利于拍摄高速动动全或有效控制景深;

3、必须具有长时间曝光的作用，即应设有“T”门或“B”门;

4、具有闪光同步拍摄的功能;

5、具有自拍的功能，以便于自拍或在无快门线的情况下进行长时间曝光时，使快门开启。

数码相机的技术参数六、显示屏

如果只看外观，数码相机与传统相机最大的区别就是在于几乎所有的数码相机都拥有一块LCD液晶显示屏。LCD的英文全称为Liquid Crystal Display。它的作用主要是浏览图片和取景。现在的有些超薄数码相机几乎都省略了光学取景器，只保留LCD屏。
LCD屏的主要技术参数是显示屏的尺寸与像素的大小。尺寸的单位是用英寸来计量，比如1.8英寸、2.0英寸、2.5英寸等等。有个别的数码相机可以达到3.5英寸。LCD屏的面积越大，取景就更加方便。但是同时会造成电力的不断下降。

而且，我们不能只看LCD屏的尺寸，它的像素数也很重要。像素越高，可以显示的图片细节与色彩看上去才会更加清晰。现在很多大屏DC，它们虽然都拥有2.5英寸的LCD屏，但是相对的像素数很低，图像的颗粒感很重，这并不是我们所希望看到的。

数码相机的技术参数七、场景模式

在一些自动曝光的数码相机上，往往会具有很多种特殊的场景模式。它们都是根据厂家的设定，在选中的场景中自动调好光圈、快门、焦距、测光方式等等参数。完全可以保证不懂摄影的用户也能拍出非常精彩的照片。一般的数码相机至少需要具有场景模式四、五种，最多的可以达到100种左右。下面介绍一下最常用的几种模式

风光模式：使用这个模式拍摄风光照片，相机本身会自动把光圈调到最小以获得最大的景深。同时对焦距离也会变成无穷远，这样拍出来的照片，画面内的全部被摄物体都会变得清晰起来。

人像模式：如果使用它拍摄人物，相机本身会自动把光圈调到最大，以获得浅景深效果。更先进的一类数码相机，还会能调整人的肤色与画面整体的锐度。甚至具有脸部自动优先对焦的功能。

夜景模式：我们在晚上拍摄的时候，使用夜景模式。相机会自动延长快门的曝光时间，一般可以达到数秒之久。能够保证照片具有足够的亮度与反差。这个模式同时也会把光圈值放到相对小的位置，闪光灯也会自动关闭。

运动模式：这个模式主要是用来拍摄高速移动的物体，比如运动员，汽车等等。如果使用这个模式，相机会自动把快门速度调到较快的值，一般都在1/500秒，甚至更快。如果光线不足，它也会相应地提高ISO感光度。