Что такое матрица в видеокамере?

Что такое матрица в видеокамере?

Матрица видеокамеры – один из основных компонентов современной видеотехники. На ее поверхности строится изображение, которое фиксируется чувствительными элементами (пикселями). Существует множество эффективных алгоритмов дальнейшей обработки сигнала, но именно матрица стоит в самом начале электронного тракта видеокамеры и в наибольшей степени влияет на качество видеоматериала.

До появления матрицы использовалась пленка. Принципиально устройство видеокамеры с тех пор изменилось мало. Изображение, как и раньше, строится объективами разных типов на светочувствительной поверхности, а далее посредством различных технологических процессов переносится либо на бумагу, либо на дисплей компьютера. Но матрица имеет перед пленкой одно существенное преимущество – мгновенное получение результата. Именно это главным образом и определило повсеместное применение матриц в качестве сенсоров для видеокамер.

Устройство и типы матриц

Современная матрица — это микросхема, поверхность которой состоит из множества чувствительных к свету элементов. Каждый элемент является самостоятельным светоприёмником, преобразующим падающий на него свет в электрический сигнал, который после предварительной обработки записывается на карту памяти. Изображение, которое мы видим, состоит из совокупности записанных в цифровом виде сигналов с каждого элемента, а значит, имеет дискретную структуру.

Существует две технологии преобразования света в сигнал, на которых может работать матрица видеокамеры. Первая основана на свойстве полупроводниковых диодов накапливать электрический заряд под воздействием света и носит название ПЗС (прибор с зарядовой связью) или CCD (Charge-Coupled Device). Вторая технология также использует накопление заряда, но в качестве приемника применяется не диод, а транзистор, что позволяет организовать усиление сигнала непосредственно в самом светочувствительном элементе. Эта технология называется КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) или CMOS по-английски. Соответственно существуют и два типа матриц – ПЗС и КМОП.

Первая матрица работала по технологии ПЗС, поскольку эта технология проще и была внедрена первой. Сейчас более перспективным считается принцип КМОП, поскольку предварительное усиление сигнала непосредственно в элементе матрицы позволяет повысить чувствительность, снизить шумы, сократить энергопотребление и уменьшить стоимость матрицы. Несмотря на это, ПЗС матрицы все еще продолжают использоваться и сегодня.

Элементы, из которых состоит матрица видеокамеры, способны фиксировать только интенсивность падающего на них света. Для того чтобы записать цвет, необходимо, как минимум, три таких элемента (такое количество связано с особенностями восприятия цвета человеческим глазом, имеющим три вида колбочек), каждый из которых отвечает за свою область спектра. Чтобы реализовать цветовую чувствительность, перед каждым элементом ставится светофильтр, который пропускает только вполне определенный цвет – красный, зеленый или синий (модель RGB – Red-Green-Blue, которая используется в подавляющем большинстве матриц).

Таким образом, получается, что матрица состоит из набора трех видов сенсоров, при этом располагаться они могут разными способами – четырехугольником, у некоторых матриц шестиугольником, да и количество элементов разного цвета может быть разным. Например, в широко распространенном фильтре Байера на каждый красный и голубой элемент приходится два зеленых, при этом они еще и распределены случайным образом. Это сделано, чтобы смоделировать повышенную цветовую чувствительность человеческого глаза к зеленому цвету.

А что же тогда такое всем известный пиксель? Это легко понять, если представить себе, что видеокамера работает так же, как глаз. Изображение строится зрачком (объектив), воспринимается сетчаткой с палочками и колбочками (матрица) и обрабатывается мозгом (процессор). Собственно саму картинку мы видим мозгом, ведь структура сетчатки так же дискретна, как и матрица видеокамеры.

Так вот пиксель – это логическая структура, формирующаяся в результате обработки сигнала процессором видеокамеры по специальным алгоритмам. Пиксель может состоять как из одного светочувствительного элемента, так и из трех и более. Например, в уже знакомом нам фильтре Байера цвет каждого элемента вычисляется по информации, полученной от окружающих его элементов, а, следовательно, пиксель состоит из одного светочувствительного элемента. У разных матриц и алгоритмов это может быть по-разному.

По большому счету, все вышесказанное нам не так важно. На технологическом поле бьются производители видеотехники, выпуская все более совершенные матрицы и постоянно улучшая алгоритмы обработки изображений. Что действительно нужно понимать, так это то, что матрица состоит из пикселей, каждый из которых является элементом изображения, несущим информацию об интенсивности света и его цвете. А особенности алгоритма обработки каждый производитель все равно хранит в секрете.

Мы рассмотрели, как устроена матрица, а теперь перейдем к ее основным характеристикам, понимание смысла которых поможет вам правильно выбрать хорошую видеокамеру.

Размер матрицы

Самая важная характеристика. Любой приемник излучения обладает шумами, т. е. на полезный сигнал всегда накладывается паразитный шум. Матрица не является исключением. Из теории известно, что чем больше света поступает в приемник излучения, тем меньше относительное влияние шума. Отсюда следует очевидный вывод: чем больше площадь чувствительного элемента, тем больше на него падает света, тем меньше шум.

Таким образом, чтобы матрица меньше «шумела», она должна иметь больший размер и меньше пикселей. Рассмотрим, какие размеры имеют современные матрицы.

Исторически сложилось так, что вместо того, чтобы просто указать размеры, например в миллиметрах, для обозначения размеров матриц видеокамер используются малопонятные и запутанные величины типа 1/4”, 1/3”, 1/2,8”. Это длина диагонали матрицы в долях дюйма. Рекомендация здесь одна: покупайте видеокамеру с большей матрицей.

Разрешение матрицы

Вторая важная характеристика. Измеряется в миллионах пикселей – мегапикселях (Мп, Mp). Отвечает за детализацию изображения: чем больше разрешение, тем большего формата изображение можно напечатать и больше увеличить на мониторе. Иными словами, тем большее количество информации несет цифровой снимок.

Вы сами должны решить, видео какого разрешения вам требуется. А рекомендация здесь состоит в том, что предпочтительнее выбрать матрицу с меньшим разрешением, но с большим размером, она точно будет работать лучше.

Светочувствительность матрицы

Эта характеристика определяет возможность матрицы регистрировать слабые световые потоки, т. е. снимать в темноте. Как мы уже говорили выше, чем больше чувствительность, тем больше шумов. Матрица видеокамеры типа КМОП шумит меньше, чем ПЗС. Большая по размерам меньше «шумит», чем маленькая. Матрица с меньшим разрешением меньше «шумит», чем с большим.

Соотношение сигнал/шум матрицы

Этот параметр как раз и отражает шумность матрицы. Практически мы уже рассмотрели, как матрица видеокамеры создает шумы и от чего они зависят. Добавим лишь то, что кроме типа, размера, чувствительности, шум зависит еще и от температуры матрицы: чем она выше, тем шум больше.

Борьба с шумом — это отдельная тема. Развитие цифровой техники идет очень быстрыми темпами, и с каждым годом матрицы становятся все более совершенными. При этом используются различные алгоритмы, способные уменьшить влияние шумов на конечное изображение.

Главное – если Вы хотите получить действительно качественное изображение нельзя экономить на матрице!

Матрица в камерах видеонаблюдения

Матрица или светочувствительная матрица, видеоматрица ( image sensor, imager ) является основным элементов видеокамер, цифровых фотоаппаратов и предназначена для преобразования, проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии аналого-цифрового преобразователя непосредственно в составе матрицы). Если обойтись без википедии, то матрица преобразовывает свет в электрический сигнал.

Необходимо отметить, что сама матрица даже важнее процессора, который используется для оцифровки видео — пусть в ЦП и будет множество функций, но если на матрице получено плохое изображение , то процессор работает уже с плохим изображением .
Также отметим, что у одного производителя может быть две камеры с одинаковыми характеристиками (разрешение записи, угол обзора и т.п.), но разными матрицами , например одна камера с матрицей от Sony и вторая камера с матрицей от SOI (или Noname) — и цена таких камер может отличаться на 30-35% .

Производители матриц

Давайте и начнем с производителей. Наиболее известными и популярными производителями матриц для камер видеонаблюдения являются: ON Semiconductor Corporation, Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Производители используют матрицы этих брендов для создания основной линейки видеокамер и камер премиум класса. Также, отметим бренды Canon, Hikvision и Dahua — они также производят матрицы под собственные нужды.

Но, разумеется, что существует множество других производителей, которые предлагают бюджетные решения, например, одна из наиболее популярных компаний — это SOI (Silicon Optronics, Inc.) , которая достаточно молодая, но уже пытается найти свою нишу среди именитых брендов. Как раз на базе матриц SOI множество производителей и делают бюджетные линейки видеокамер. То есть, если Вы видите, что даже у одного производителя есть камеры с абсолютно одинаковыми характеристиками, но с разной ценой — то, обратите внимание на матрицу и производителя этой матрицы, скорее всего разница только в этом. В целом, понятна и разница между брендами и любым ноунеймом. Да, все характеристики могут быть одинаковыми, разрешение передачи видео изображения, но разные матрицы и разные производители — на выходе вы увидите разные картинки, разную насыщенность и даже разные цвета (оттенки).

Читайте также  Как выбрать фокус камеры видеонаблюдения?

CCD и CMOS матрицы

В старых статьях и обзорах в Сети вы можете увидеть много букв про преимущества и недостатки CCD или CMOS матриц и какую лучше выбрать. Но, победили CMOS матрицы, в основном из-за того, что они дешевле в производстве. Поэтому, при выборе камеры для видеонаблюдения нет больше выбора между CCD и CMOS матрицы — only CMOS. Поэтому, перейдем к остальным характеристикам матриц.

Формат (типоразмер) матрицы

В характеристиках видеокамеры вы обязательно увидите размер матрицы — 1/4 дюйма, 1/3″, 1/2.8 д и т.п. Формат матрицы — это размер матрицы по диагонали. Обозначение типоразмера досталось в наследство от электронно-лучевых трубок, и указывают формат матрицы в виде дроби с размерностью в дюймах.

В формате матрицы очень простое правило — чем больше размер матрицы, тем лучше. Так как, при других равных условиях (разрешении, то есть одинаковом количестве пикселей) у большей матрицы крупнее пиксели , таким образом, она улавливает больше света . Кроме того, сами пиксели на матрице большего размера расположены менее тесно, что обеспечивает меньшее влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, а это все влияет качество получаемого видеосигнала и получаемого изображения в итоге.

Также, физический размер матрицы влияет на угол обзора камера видеонаблюдения. При прочих равных условиях, чем больше матрица, тем больше углы обзора у видеокамеры.
От размера матрицы зависит и то, какие объективы можно устанавливать на камеру (если возможна смена объектива в камере видеонаблюдения). Производители объективов всегда указывают размер матрицы, под которую подходит объектив, например 1/4 или 1/3. При этом, объектив для матрицы большего размера подойдет для камер с матрицей меньшего размера , но никак не наоборот .

И, что очевидно, матрица большего размера дороже в производстве. Поэтому, в бюджетных моделях камер видеонаблюдения вы редко увидите матрицы больше 1/4″, а в уже более дорогих камерах используются типоразмеры матрицы 1/3″, 1/2.8″ и т.п. В специальных профессиональных камерах высокого качества могут использоваться матрицы размером 1/2″ и 1/1.9″.

Светочувствительность матрицы

Характеристика, которую вы также увидите в описание практически у каждого производителя, некоторые производители могут указывать просто как чувствительность матрицы. Светочувствительность матрицы определяет возможность работы матрицы в условиях окружающего освещения. Таким образом, чем меньше количество световой энергии необходимо для получения нормального изображения , тем выше и светочувствительность матрицы . Для всех матриц справедливо следующее — чем лучше освещенность, тем лучше изображение. Светочувствительность матрицы производители указывают в Люксах — ЛК, Lux, люкс. Но, обратите внимание, что производители указывают минимальный уровень освещенности , при котором видеокамера еще может зафиксировать какое-то изображение, но никто не обещает, что это будет изображение хорошего качества . Сегодня практически все камеры поддерживают режимы «день / ночь» и оснащены ИК-подсветкой и в темное время суток (при снижении освещенности) камера переключается автоматически в черно-белый режим съемки. Обычная ИК-подсветка позволяет снимать даже в полной темноте на расстоянии 20 – 25 м, кроме того, существуют модели с усиленной ИК-подсветкой, где можно снимать на расстоянии 60 – 100 м в полной темноте.

Таким образом, светочувствительность критична для камер, без ИК-подсветки, которых сейчас практически нет (только специальные миниатюрные цилиндрические или корпусные камеры могут быть без ИК-подсветки). Как правило, все производители указывают светочувствительность 0,01 Lux, что соответствует по значениям освещенности как «Безлунная ночь» 0,01 Lux (для сравнения — «Лунная ночь» — 0,05 Lux, «Сумерки и хорошо освещенная автомагистраль ночью» — 10 Lux, «Дневное, естественное освещение на улице в солнечную погоду» — 5000 — 100000 Lux).

Еще стоит немного упомянуть о технологиях, которые используются для улучшения светочувствительности матрицы в видеокамере и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Как правило, для этого необходимо вывести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, которая собирает свет. Это технологии Exmor и Starlight. Такие камеры могут передавать даже в цвете с помещения освещенностью 0,01 Lux, и давать неплохое изображение в условиях освещенности 0,0001 — 0,001 Lux. Но стоит, отметить, что и цена таких камер немалая – это уже более профессиональная линейка. Есть смысл использовать такие технологии в роботизированных камерах, которые снимают, например, на больших территориях или для системы «Умный город». Для обычных объектов проще / и дешевле 🙂 / заняться вопросом освещения.

Надеемся, что после прочтения этой статьи вы больше узнаете о характеристиках матрицы и на что они влияют. Теперь вы понимаете насколько много зависит от производителя и качестве матрицы в видеокамере. Поэтому, в одном и том же производители в одинаковых характеристиках и корпусах могут быть камеры с разными матрицами и по разной цене (разница может составлять даже 30-35%).

Матрицы. Красная, зеленая или синяя капсула?

Содержание

Содержание

В записывающей и воспроизводящей аппаратуре на смену фотопленкам и кинескопам пришли матрицы. Визуально они похожи на прямоугольные таблицы со столбцами и строчками, но значительно меньше по размеру. Каждая клетка-ячейка – это один или несколько электронных элементов, выполняющих общую функцию. Называют их пикселями, а количество измеряют миллионами. От типа и характеристик матрицы прямо зависит качество фото и видео.

Устройство матрицы камеры

Геометрические размеры такой матрицы очень малы. Например, у видеокамеры Sony FDR-AX33 диагональ 7,76 миллиметров.

У других моделей она может быть чуть больше или меньше. Поэтому ее относят к микроэлектронным устройствам.

Элементы матрицы закреплены на тонкой пластине и связанны между собой электрически. Микроэлектронные устройства подобной конструкции называют интегральными микросхемами. Следовательно, матрица камеры является интегральной микросхемой. Сокращенно ИМС.

Элементы принимающей матрицы светочувствительные. Они изменяют свои свойства под действием света. Природа света довольно сложна, но можно условно сказать, что он «состоит» из элементарных частиц – фотонов. Отсюда названия: фотоматрица и фотоэлементы.

Принцип работы фотоматрицы

Главную роль при фото- и видеосъемке играет свет, исходящий от солнца или от источников искусственного освещения. Свет падает на предметы, отражается от них, фокусируется в объективе и проецируется на матрицу цифровой камеры.

При попадании потока света на матрицу, фотоны передают свою энергию фотоэлементам. В результате такого взаимодействия возникают носители электрического заряда и электрический ток. На выходах фотоэлементов генерируется электрическое напряжение. Оно прямо пропорционально интенсивности светового потока, который в свою очередь зависит от контуров и свойств объекта съемки. Таким образом, электрическое напряжение является сигналом, который несет сообщение об объекте съемки.

Преобразование полученного света сначала в электрический заряд, а затем в электрический сигнал – это и есть основная задача и основной принцип работы фотоматрицы.

Из аналогового в цифровой

Сигнал напряжения непрерывен и определен в любой промежуток времени, поэтому он по определению является аналоговым. Его сложно записать, передать, воспроизвести без ошибок и помех. Поэтому его преобразуют в цифровой сигнал. Для этой цели используется еще один электронный компонент камеры – аналого-цифровой преобразователь.

Сигнал напряжения поступает в АЦП, где сначала проходит дискретизацию. При этой операции выделяются одинаковые интервалы времени, которым соответствуют определенные значения напряжения. На следующем этапе выполняется квантование – разбиение значений напряжения на уровни и их округление.

После всех преобразований на выходе из АЦП получается цифровой сигнал. Далее он кодируется и превращается в двоичный код из нулей и единиц. После сжатия в виде файла сохраняется на карте памяти или другом носителе. Это ваша фотография или видеофильм в цифровом виде. Вы можете воспроизвести и просмотреть его на ноутбуке или смартфоне, переслать другу или разместить в социальных сетях.

Типы принимающих матриц

Первые цифровые фотоаппараты потребительского класса, были оснащены CCD-матрицами. Современные представители: Kodak PIXPRO FZ43 и Nikon Coolpix A300.

Пиксель CCD – это только один фотоэлемент. Он пассивен, так как электрический ток в нем протекает произвольно. Сигналы считываются с одного или двух каналов и последовательно: от одного ряда к другому. Для оцифровки передаются за пределы подложки матрицы.

Процесс длится несколько микросекунд, но быстродвижущийся объект успеет изменить положение и изображение на снимке может получиться размытым. Так как вся CCD состоит из фотоэлементов, у нее высокая светочувствительность. Качественные снимки получаются даже при плохом освещении.

Читайте также  Видеокамера от телефона как подключить?

Большинство современных цифровых фото- и видеокамер оснащены CMOS-матрицами. Они установлены в фотоаппарате Nikon D3400, в видеокамере Sony HDR-CX625 и многих других.

Пиксель CMOS матрицы активен – он включает не только фотоэлемент, но и элемент для усиления электрического тока. Сигнал считывается в любом порядке и с любого участка матрицы. На одной подложке с пикселями установлен и АЦП.

Благодаря такой архитектуре, CMOS обеспечивают более быструю передачу данных. Фото мчащегося по автотрассе Феррари получится без искажений. Также снижается энергопотребление – камера в автономном режиме проработает дольше.

В то же время из-за дополнительных элементов на подложке размер пикселей у CMOS меньше, поэтому они улавливают не весь поступивший свет. Это влияет на качество снимков, сделанных при слабом освещении. По этой же причине могут возникать цифровые шумы – дефекты изображения в виде зернистости.

С развитием технологий характеристики CMOS улучшаются. Обновлённые BSI CMOS установлены во многих камерах Panasonic, включая модели HC-V800, HC-VX1, HC-VXF1. Они обладают более высокой светочувствительностью. Даже при слабом освещении изображения получаются с высокой детализацией и глубокой цветопередачей.

Матрицы в ЖК-дисплеях

Когда вы смотрите телевизор Hartens 32 или работаете на ноутбуке Lenovo IdeaPad, изображение воспроизводится с помощью жидкокристаллического дисплея. Английская аббревиатура – LCD. Такая технология массово используется в производстве цифровой видеотехники.

Жидкокристаллические матрицы имеют многослойную структуру. В центре – слой жидких кристаллов. Они совмещают в себе свойства кристаллических тел и жидкостей, одновременное проявление текучести и упорядоченного расположения. Каждый пиксель LCD «наполнен» жидкими кристаллами. Для подачи электрического напряжения к пикселям подведены электроды.

От носителя к дисплею

При передаче цифровой информации с носителя на монитор важным звеном является видеокарта. Ее графический редактор выполняет расчеты выводимого изображения. При помощи видеоконтроллера изображение формируется в видеопамяти. Он же обеспечивает формирование сигналов развертки для монитора. За передачу цифрового сигнала на ЖК-дисплей отвечает устройство TMDS.

Если у видеокарты нет выхода DVI, она не сможет передать цифровой сигнал. В этом случае он преобразуется сначала в аналоговый, а затем через АЦП самого дисплея вновь в цифровой. Процессы таких преобразований аналогичны тем, о которых рассказывалось выше.

Далее цифровой сигнал примет контролер дисплея, раскодирует его, преобразует в сигнал управления дисплеям, масштабирует изображение, выполнит цветовую коррекцию, сформирует уровни напряжения.

В зависимости от уровня напряжения, молекулы жидких кристаллов изменяют свою пространственную ориентацию. Вместе с этим меняется и способность пикселей пропускать свет, то есть меняется их прозрачность. Такой эффект и дает возможность воспроизводить и просматривать видеофильмы и фотографии.

Передающие матрицы IPS и TN

Матрицы IPS и TN отличаются между собой геометрией поверхностей и материалами изготовления. Общим остается наличие жидких кристаллов. В TN LCD стержневидные молекулы закручены в спирали. У пикселей высокая скорость отклика, но при этом угол обзора экрана невелик и на нём нет насыщенного черного цвета. Позже была внедрена технология TN+film, в которой угол обзора увеличили за счет дополнительного слоя. Пример – ноутбук HP 15-bw662ur.

В дисплеях более поздней технологии IPS жидкие кристаллы расположены параллельно и в одной плоскости. При подаче напряжения они одновременно меняют свое положение. Это дает высокую яркость и большой угол обзора. Но скорость отклика во время игр оставляет желать лучшего. В новых модификациях IPS LCD скорость отклика повышена до 5 и более миллисекунд. При таких показателях они становятся хорошим вариантом не только для просмотра фильмов, но и для игр. IPS-дисплеем снабжены ультрабук Huawei Matebook 13, планшеты Lenovo TAB4 10 Plus, Lenovo Yoga Book C930, Apple iPad Pro 2018 и многие другие гаджеты.

В культовой киноленте главный герой выбирал между красной и синей таблеткой, между реальностью и иллюзиями. Так и выбор матрицы определяет, каким предстанет мир на ваших фото и видео, на экранах телевизоров, дисплеях планшетов и мониторах ноутбуков.

Основные типы матриц камер для видеонаблюдения

Матрица камеры играет очень важную роль в качестве выводимого изображения, светочувствительности устройства и количестве шумов. Существует два основных типа матрицы по способу действия:

  • CCD (ПЗС);
  • CMOS (КМОП).

Их основные возможности и функции описаны в инструкции к устройству. Однако, перед тем, как выбрать самую хорошее оборудование для видеонаблюдения с режимом день/ночь необходимо заранее ознакомиться со всеми особенностями того или иного вида матрицы.

CCD – это трансляция изображения в аналоговом режиме с объектива путем оцифровки с микропроцессора.

CMOS – производит оцифровку непосредственно в пикселях, что повышает производительность устройства.

Качество передачи цветов, а особенно красной части спектра, на цифровых камерах с использованием фотодиодов зависит от используемой технологии. Максимальный результат показывает матрица CMOS EXMOR. Остальные отличаются более низкими параметрами чувствительности в ИК-спектре, но разработчики обещают, что в скором времени им удастся снизить искажения цветопередачи при съемке днем.

Общая информация

В состав каждой матрицы входит некоторое количество светочувствительных элементов, которые размещены на полупроводниковой пластине. Каждый играет большую роль в создании отдельных частей выводимой картинки. Данная функция выражается в преобразовании энергии потока света в заряд энергии. Для большинства видов последующая обработка сигнала имеет непосредственное отношение к способу производства.

Матрицы CCD

Такой тип используется в создании классических аналоговых камер видеонаблюдения. Он действует таким образом, что после включения происходит последовательное перемещение заряда по различным ячейкам. В итоге данный заряд преобразуется в электрический ток, который находится уже за пределами кристалла.

В итоге получается, что общая площадь всех ячеек используется для обработки потока света, а в результате на выходе получается очень высокая степень светочувствительности. Из-за отсутствия скопления активных элементов на полупроводнике получается очень низкий уровень шума.

Развитие технологии производства матриц CCD цветного изображения стало прорывом на рынке видео технологий. Цветной экран был более информативным, чем черно-белое изображение, он давал более детальную картинку и позволял изучить ситуацию в мельчайших подробностях. Но первые модели не обладали высокими параметрами чувствительности цветных, потому их применение в темное время суток или при недостаточном освещении было невозможным.

Низкая чувствительность цветных камер в сравнении с черно-белыми в условиях недостаточного освещения приводила к нарушению цветопередачи и появлению «шума» на изображении.

Тогда для решения данной проблемы была применена технология день/ночь. Сегодня данную функцию в цветных камерах предлагают практически все ведущие производители. Но пометка «день/ночь» на изделии не всегда гарантирует получение качественной картинки в условиях недостаточного освещения.

Матрицы CMOS

Этот вид имеет особенную технологию, в процессе действия которой происходит преобразование заряда в электрический сигнал на самом пикселе. Считывание и вывод изображения с камеры происходит моментально. В результате цифровой сигнал создается в очень короткие сроки. Именно поэтому данная технология матрицы используется при создании IP камер видеонаблюдения.

Несмотря на такую особенность, следует заметить, что из-за высокой скорости передачи сигнала на каждом пикселе матрицы приходится размещать определенные компоненты, в результате чего происходит уменьшение площади и снижение чувствительности.

В последнее время после проведения разработок в области повышения светочувствительности данный параметр удалось увеличить на 30 и 70% в APS и ACS технологиях. Однако большое количество действующих элементов увеличивает количество шума, производимого камерой.

Фокусировка в ИК-диапазоне

Фокусировка в ИК-диапазоне — еще один параметр, на который стоит обращать внимание при выборе камеры с матрицей день/ночь. Для систем видеонаблюдения применяют камеры, оснащенные ИК-подсветкой в сочетании с недорогим объективом, которые не могут создавать хороший фокус в видимой и ИК-части спектра. Именно поэтому изображение объекта при отображении ночью теряет резкость даже при условии ИК-подсветки.

Для устранения данной погрешности используют следующие варианты:

  1. Замена объектива на дорогой с функцией балансировки фокусного расстояния в видимой и ИК части спектра.
  2. Удаление линзы для корректировки, которая фокусирует в ИК-диапазоне.

Важно! Такое решение приводит к утере гарантии от производителя.

Безусловно, становится понятно, что матрицы CMOS с режимом день/ночь в скором времени «захватят» потребительский рынок сегмента систем видеонаблюдения. Однако основной проблемой на сегодняшний день для разработчиков остается решение вопроса о фильтрации ИК-спектра и снижение качества цветопередачи при съемке днем.

Чтобы камера работала в цвете, необходимо распределить световой поток на 7 главных цветовых потоков. Для создания цветопередачи камеры видеонаблюдения применяют три потока: красный, зеленый, синий. Пиксели используют с такими же фильтрами света. Создание изображения в единичном размере происходит с помощью трех элементов матрицы, в результате чего осуществляется уменьшение их размера — чувствительности видеокамеры.

Читайте также  IP камеры видеонаблюдения что это?

Выводы

Обычному пользователю вполне хватает средних характеристик оборудования, которые указаны в руководстве пользователя. Однако будут полезные и некоторые данные:

  • Камеры CCD имеют более хорошую чувствительность относительно камер CMOS;
  • Камера CCD обладает более низким уровнем шума, по сравнению с CMOS;
  • Камеры CMOS потребляют гораздо меньше энергии, поэтому являются более дешевыми в обслуживании.

При выборе камеры необходимо помнить, что стоимость матрицы составляет примерно 1/3 от полной цены приобретаемого оборудования. Гораздо важнее обращать внимание на основные показатели: чувствительность, угол обзора и качество изображения.

Матрица камеры

Матрица камеры (светочувствительный сенсор) является основным элементом камеры видеонаблюдения. Представлена в виде интегральной схемы из фотодиодов. Основная задача матрицы — преобразование в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных проецированного на нее оптического изображения. По большей степени, качество итогового изображения напрямую зависит от матрицы видеокамеры. Объясняется это тем, что такая немаловажная часть камеры видеонаблюдения как процессор отвечает только за оцифровку полученного изображения. Если же изначально на процессор поступило плохое изображение от матрицы, то процессор будет оцифровывать видео изначально плохого качества. Зачастую производители выпускают одинаковые по характеристикам камеры , но с разными типами матриц. По итогу Вы получите абсолютно два разных по качеству изображения. Цена на такие камеры может разниться до 35%.
Итак, какую же матрицу выбрать ?

Типы матриц камер: CCD матрицы и CMOS матрицы камер

Различают два типа матриц, применяемых в камерах видеонаблюдения:

  • CCD матрица (ПЗС — прибор с зарядовой связью)
  • CMOS (КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник )

Изначально считалось, что CCD матрицы превосходят по всем параметрам CMOS матрицы. И всегда производят классификацию по двум вышеуказанным типам. В действительности же развитие технологий CMOS матриц шагнуло далеко вперед и на сегодняшний день они мало чем отличаются от CCD матриц. И как итог развития — на сегодняшний день практически во всех камерах видеонаблюдения применяются CMOS матрицы с высоким разрешением. Данные два типа матриц различаются как по устройству, так и по принципу действия.

Сравнение матриц CCD и CMOS формата
Несмотря на все плюсы CCD матриц на сегодняшний день они практически не применяются в камерах видеонаблюдения. Основными критериями ухода с рынка стали высокая цена производства и медленный принцип действия CCD матриц. С нарастающими требованиями к системам видеонаблюдения по скорости обработки информации принцип последовательного считывания заряда по ячейкам стал неактуален для рынка камер видеонаблюдения. А высокая конкурентная среда на рынке заставила многих производителей пересмотреть экономическую составляющую производства и это стало ключевым фактором исключения CCD матриц с рынка камер видеонаблюдения.



Обзор матриц камер: производители матриц

  • ON Semiconductor Corporation
  • Omnivision Technologies Inc.
  • Samsung Electronics
  • Sony Corporation
  • Silicon Optronics (SOI)

Компания Silicon Optronics является компанией второго эшелона. Мировые бренды камер видеонаблюдения используют при производстве матрицы компаний первого эшелона либо собственного производства.

Размер матрицы
Размер матрицы — условное соотношение длины матрицы к одному Видикону.
Размер матрицы измеряется в дюймах и указывается в соотношении дроби 1/2″, 1/2,8″, 1/3″, 1/4″, 1/6″ и т.д. Но в качестве дюйма выступает именно Видикон или так называемый «Видиконовый дюйм».
Видикон (Видиконовый дюйм) — условный дюйм при диагонали 16мм.
Таким образом если производитель пишет, что размер матрицы 1/2″, то подразумевается, что ее диагональ равна 8мм.
Соответствие дюймов и фактических размеров матрицы можно взять из таблицы:

Разрешение матрицы видеокамеры и светочувствительность матрицы камер
Итоговое изображение, полученное в результате преобразования цифрового потока напрямую зависит от матрицы. Поэтому не стоит пренебрегать этим параметром при выборе. Принято считать, что чем больше размер матрицы, тем лучше: тем больше света получает и как следствие меньше шумов, четче картинка и больше угол обзора. Однако правильнее считать за основу не размер матрицы, а размер одной ячейки — пикселя. Поэтому правильнее считать размер матрицы в сочетании с количеством пикселей.
При прочих равных — камера с одинаковым размером матрицы, но с разным количеством пикселей будет иметь кардинально разные изображения. Существует зависимость — чем больше пикселей при одинаковом размере матрицы, тем меньше света они получают, а значит тем хуже итоговое изображение.

Основной характеристикой при выборе матрицы является светочувствительность. Единица измерения светочувствительности — 1 Люкс (Лк) или иными словами производная одного Люмена (единица измерения светового потока) на единицу измерения площади (квадратный метр). Простыми словами Люмен — минимальное количество света, необходимое для четкого и качественного изображения. Существует зависимость: чем меньше значение светочувствительности, тем позднее камера переходит в черно-белый режим. Камеры видеонаблюдения и их светочувствительность стоит подбирать под определенные задачи и расположение.


Какая матрица лучше?
Во-первых, изначально надо определить конкретные задачи и условия, в которых будет использоваться камера видеонаблюдения. Во-вторых, характеристики камер надо рассматривать в совокупности, а не отдельно взятую характеристику. Например большее количество пикселей при одинаковом размере матрицы дадут худшее изображение. Ну и помните — чем больше размер матрицы, тем дороже она стоит. Подбирайте оборудование с оптимальным соотношением цена/качество.

Надеемся наша статья была Вам полезна и вы разобрались что такое матрица камеры видеонаблюдения, какие типы матриц бывают. Узнали основные характеристики — размер, светочувствительность и разрешение матрицы.

МАТРИЦЫ КАМЕР ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ

Матрица во многом определяет такие характеристики камеры видеонаблюдения как разрешающая способность, светочувствительность, уровень шумов. По принципу действия можно выделить две основные технологии производства:

  • CCD (ПЗС),
  • CMOS (КМОП).

Основные их возможности и характеристики описаны в материале про устройство камеры видеонаблюдения, однако, для тех, кому интересна эта тема, здесь матрицы будут описаны несколько подробнее.

Общие сведения

Любая матрица состоит из массива светочувствительных элементов (пикселей), расположенных на полупроводниковой пластине.

Каждый из них формирует минимальный элемент изображения. Происходит это путем преобразования энергии светового потока в электрический заряд (не путать с током). Для различных типов дальнейшая обработка (считывание) сигнала определяется как раз технологией производства.

CCD (ПЗС) матрицы

Этот тип применяется для аналоговых камер видеонаблюдения. Принцип действия здесь заключается в последовательном сдвиге заряда по ячейкам и преобразование его в электрический ток (напряжение) уже вне кристалла (рис.1).

Таким образом, вся площадь элементарных площадок задействуется для обработки светового потока, как следствие — обеспечивается высокий уровень чувствительности. Отсутствие на полупроводнике активных элементов определяет также низкий уровень собственных шумов.

CMOS (КМОП) матрицы

Эта технология позволяет осуществлять преобразование заряда в электрический сигнал непосредственно на пикселе. Соответственно считывание производится сразу с нужного элемента, что позволяет практически сразу сформировать цифровой сигнал.

Таким образом, CMOS технологии идеально подходят для цифровых (ip) камер видеонаблюдения.

Однако, этот процесс требует размещения на каждом пикселе матрицы соответствующих электронных компонентов (транзисторы, конденсаторы, резисторы), что уменьшает полезную площадь, а соответственно — чувствительность (рис.2).

Стоит заметить, что последние разработки позволяют увеличить светочувствительную область от 30% (APS технологии) до 70% (ACS).

Естественно, все активные элементы повышают уровень собственных шумов.

Матрицы цветного изображения

Чтобы получить на выходе камеры цветное изображение нужно разложить световой поток на основные составляющие цвета, которых, как известно семь.

Однако, для обеспечения цветопередачи видеонаблюдение использует три — красный, зеленый, синий. При этом используются пиксели с соответствующими светофильтрами (рис.3).

Понятно, что формирование единичного размера изображения осуществляется тремя элементами матрицы, что приводит к уменьшению (при прочих равных условиях) их площади, а значит — общей чувствительности камеры видеонаблюдения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По большому счету, потребителю вполне достаточно характеристик камер видеонаблюдения, указанных их производителем, а сравнительный анализ параметров матриц различных типов является излишним. Но, тем не менее, конспективно изложу некоторые выводы, следующие из вышеприведенного материала.

Итак, при прочих равных условиях:

  • чувствительность камер на базе ПЗС матриц выше чем КМОП, а монохромных лучше чем цветных,
  • уровень собственных шумов CCD матрицы ниже нежели у CMOS,
  • КМОП матрицы имеют меньшее энергопотребление, дешевле при производстве.

Однако, достоинство, касающееся цены обольщать не должно, поскольку стоимость матрицы составляет всего лишь часть от цены остальных компонентов камеры видеонаблюдения.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.