视频监控核心技术解析――图像传感技术

　　图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的，利用光电器件的光-电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号”图像”的一门技术，该技术将光学图像转换成一维时序信号，其关键器件是图像传感器。现有的图像探测系统包括固态光图像传感系统、红外光成像系统、超声成像系统、微波影像系统等，已广泛应用于视频、测量、监控、医疗、人工智能等领域。

　　视频安防监控系统的核心部分就是对于视频图像的传播，对于监控摄像头的画面传感从CCD向CMOS转变，从两种技术来看是各有千秋，基于CCD的探头相比，CMOS探头的集成度更高，因为CMOS传感器集成了许多外围处理功能，所需器件比CCD探头少，且CMOS探头的功耗要低得多。从整个系统来看，CMOS传感器可将成本大大降低。但是，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备”曝光”能力。而将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器，可以在很大程度上面降低成本。

　　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，速度较慢。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。

　　CCD与CMOS两种传感器在”内部结构”和”外部结构”上都是不同的。CCD器件的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个电荷存储区组成；CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需提供三相不同电压的电源和同步时钟控制电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻，它最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字–模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统（CDS）、模数转换器（ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了器件的体积和重量。

　　从功耗和兼容性来看，CCD需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多个电源和电压调节器，因此功耗大；而CMOS-APS使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD的1/10-1/100，还可以与其他电路兼容，具有功耗低、兼容性好的特点。

　　CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；而CMOS传感器使用与制造半导体器件90％的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低，目前用于摄像的50万像素的CMOS传感器不到10美元。

　　CCD使用电荷移位寄存器，当寄存器溢出时就会向相邻的像素泄漏电荷，导致亮光弥散，在图像上产生不需要的条纹。而CMOS-APS中光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，通过X-Y输出线输出，这种行列编址方式使窗口操作成为可能，可以进行在片平移、旋转和缩放，没有拖影、光晕等假信号，图像质量高。

　　高速性是CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线，并且ADC在片内工作具有极快的速率，对输出信号和外部接口干扰具有低敏感性，有利于与下一级处理器连接。CMOS图像传感器具有很强的灵活性，可以对局部像素图像进行随机访问，增加了工作灵活性。

　　CMOS图像传感器最初被应用于工业图像处理，随着各式消费性电子的兴起，它凭借其卓越的性能和灵活性而被日益广泛采用，监控摄像头的图像传感器已成为半导体业中最耀眼的明星产品之一。图像传感器可分为CCD和CMOS两种类型，这几年，它们都逐渐有了自己的应用市场，成为市场上的主流图像生成技术。相对来说，CMOS与CCD相比，其感光度低、信噪比高，但它具有更低功耗、低成

　　CMOS感光器件受到光照之后产生电子，从而产生信号，信号读取方式采用DRAM的方式，外围电路简单，读出速率高。采用特殊制造工艺的CCD读出电路比较复杂，很难把模数转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能等集成到一块芯片上，一般需要多个芯片组合才能实现，同时还需要多种电压体制进行供电。有了大规模集成制造工艺，CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，大部分CMOS图像传感器同时兼有模拟和数字输出信号功能。

　　CMOS传感器是相机模块应用市场最重要的影像应用组件，其中应用占比最高的为通讯电子商品，占整体CMOS传感器市场的百分之七十，而CMOS传感器市场的主要应用包括安全系统、车用系统、PC相关周边应用等等。现在，由IPad带动的平板电脑市场的增长也给CMOS传感器带来新的商机。

　　CMOS传感器近年来发展很快，很大一部分CCD市场被其取代，随着电子商品的逐渐开发，其应用还在不断增大，低功耗和低成本使得它成为图像传感器发展的趋势。

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