Sự khác biệt giữa CCD và CMOS trong các camera quan sát,giám sát video.

Thông thường ,khi chọn sử dụng camera cho hệ thống giám sát bạn thường ít chú ý đến việc camera được dùng vi mạch gì bên trong, vi mạch ảnh với cảm biến CCD hay CMOS là một yếu tố then chốt về chất lượng của camera. 

2014 UPDATE FOR MORE INFO CALL US  0903 099 142
CCD vs CMOS trong camera quan sát an ninh

Có hai loại vi mạch (cảm biến hình ảnh) khác nhau về cấu tạo dùng trong các camera giám sát video, camera với vi-mạch ảnh CCD và CMOS , là hai loại camera đang thống trị thị trường thiết bị quan sát quản lý và giám sát an ninh. Như vậy, điều cần biết là bao nhiêu thông tin dữ liệu mà vi mạch ảnh thu được về cho camera CCD (charge coupled device)  và camera CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)?

CMOS và CCD đều là mạch tích hợp bao gồm hàng triệu bóng bán dẫn (transistors) của cả hai loại kênh p-n trên một mảnh silicon hình chữ nhật từ 10 đến 400mm2.

Sự khác biệt giữa CCD và CMOS là gì?  
CCD nhạy cảm hơn với ánh sáng .

Độ nhạy cảm với ánh sáng là một trong những khác biệt rất lớn giữa camera CCD và camera CMOS. Với kết quả của vật liệu cấu tạo khác nhau để tạo thành vi mạch hình ảnh, cảm biến CMOS hoat động với độ nhạy cảm về ánh sáng thấp hơn 10 lần (là không tốt bằng) so với cảm biến CCD. Mắt người có thể nhìn thấy các đối tượng trong điều kiện ánh sáng ít nhất là dưới  1 LUX, còn cảm biến CCD thấy được mục tiêu nhiều hơn so với mắt con người , CCD vẫn thấy trong điều kiện ánh sáng thấp từ khoảng 0,1 Lux - 3 Lux , có nghĩa là thấy được trong điều kiện tối tốt hơn từ 3-10 lần so với cảm biến CMOS. Độ nhạy sáng của cảm biến CMOS là khoảng giữa 6 Lux - 15 LUX, CMOS lại nhạy cảm với tỷ lệ cao của tiếng ồn 10 lần so với cảm biến CCD. Cảm biến CMOS có thể không thấy rõ dưới điều kiện ánh sáng khoảng 10LUX , do vậy cảm biến CCD được sử dụng rộng rãi hơn cho phần lớn các camera giám sát video. Thông thường, cảm biến CMOS được sử dụng cho các thiết bị quan sát gia đình vì chi phí thấp hơn ,đồng thời cần hỗ trợ của đèn chiếu hồng ngoại (Led IR) để dùng trong ban đêm.

Các camera loại đặc biệt nhạy cảm với ánh sáng rất thấp "Low light illumination" đều dùng vi mạch ảnh CCD để thấy trong đêm tối mà không cần chiếu led hồng ngoại (xem bài viết liên quan ).Các vật liệu dùng sản xuất vi mạch ảnh CCD (cảm biến CCD) có chi phí tốn kém hơn so với vật liệu chế tạo Vi mạch ảnh CMOS (cảm biến CMOS).

Thông số AD và sự tương tác quan trọng.

Tìm hiểu lý do nào đã gây ra cho cảm biến CMOS tình trạng không có độ nhạy tốt so với cảm biến CCD là những gì? xem điều này trong đoạn tiếp theo sau đây.

Sự khác biệt đầu tiên giữa CCD và CMOS là sự khác biệt về cấu trúc của bộ cảm biến độ phân giải điểm ảnh (pixels). Ngoại trừ việc có chứa các vật liệu bán dẫn "phô-ton ánh sáng" , CCD còn bao gồm nhiều tụ điện loại MOS (Metal Oxide Semiconductor) . Cảm biến CMOS được chế tạo với thiết kế phức tạp hơn, ngoại trừ các vật liệu bán dẫn photon , CMOS còn bao gồm bộ khuếch đại và mạch A/D. So sánh hai loại khi hoạt động trong lãnh vực nhạy cảm khu vực rộng , so với cảm biến CMOS thì cảm biến CCD có mức độ nhạy cảm rộng hơn , CCD có thể tạo ra tín hiệu điện mạnh mẽ hơn khi xuất ở ngõ ra của hình ảnh (vpp - video output) trong cùng một điều kiện môi trường, cảm biến CCD có thể cung cấp hình ảnh với mức tiếng ồn thấp có nghĩa là chất lượng cao hơn. Do đó , cảm biến CMOS theo truyền thống được cho là không tốt như cảm biến CCD.

Tuy nhiên, vì sự phát triển của công nghệ mới , hiện nay đã có những cải thiện rất ấn tượng cho việc chế tạo các cảm biến CMOS thế hệ mới ít thua kém CCD, với lợi thế chi phí thấp, cảm biến CMOS bắt đầu thách thức sự thống trị cảm biến CCD trong thị trường camera cao cấp.

ADC (chuyển đổi analog / digital) vị trí và số lượng khác nhau

CCD và CMOS bao gồm các thiết kế về số lượng ADC và kỹ thuật ADC khác nhau . Mỗi dòng ngang của một điểm ảnh bên trong cảm biến CCD kết nối với một ADC, sau khi hoàn tất tiến trình tiếp xúc ,tín hiệu được chuyển vào một bộ lưu và đưa đến một bộ khuếch đại ADC để nén và điều biến hình ảnh xuất ra (analog signal) . Mỗi điểm ảnh trong cảm biến CMOS kết nối với một ADC, tín hiệu điện sẽ đi qua bộ khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số.(digital signal).

Cảm biến CCD tín hiệu đầu ra dạng tương tự, cảm biến CMOS tín hiệu đầu ra kỹ thuật số.

Cảm biến CCD  và cảm biến CMOS với sự khác biệt giữa việc xử lý tín hiệu, cảm biến CCD xử lý thông qua tín hiệu dạng tương tự (analog), với các thông số của dòng-ngang . Cảm biến CMOS thông qua tín hiệu kỹ thuật số, trực tiếp với tham số của độ phân giải điểm ảnh.Do vậy ,khi camera giám sát sử dụng mạng IP để truyền tải thường sẽ được sử dụng với cảm biến CMOS vì ưu thế tín hiêu kỹ thuật số , còn camera giám sát truyền thống lại thường được sử dụng với cảm biến CCD.

Với sự phát triển đặc biệt về vi mạch cảm biến hình ảnh của vài năm qua, các thiết kế cải tiến cho cảm biến CMOS đã tăng diện tích nhạy cảm với ánh sáng gần bằng với mức độ nhạy của bộ cảm biến CCD. Ngoài ra, cảm biến CMOS với lợi thế của cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp. Cảm biến CCD có thể làm việc tốt hơn CMOS trong điều kiện ban đêm, nhưng ngược lại cảm biến CMOS có thể cung cấp 100 triệu điểm ảnh về hình ảnh HD chất lượng cao, và đó là điều mà các bộ cảm biến CCD không thể đạt được. IP Camera với mức 2-3-5-8-11-16-29 Mega-pixels ra đời là sự thách thức về thế hệ so với CCD.

Các CCD và CMOS camera Megapixel dùng cho nhu cầu đặc biệt

Để phổ cập thông tin, antoanvn.com giới thiệu với video clip ngắn về IPCamera ghi lại hình ảnh từ loại 16M,5M và 2M đang thông dụng trên thị trường.Bên dưới đây, chúng tôi giới thiệu loại Camera CCD với độ phân giải 16-29 Megapixels của Đức (Germany), cho thấy công nghệ CCD không thua kém CMOS ,tuy nhiên giá thành sẽ cao hơn nhiều.
Cần chú ý xem bảng thông số hiển thị và kỹ thuât của vi mạch ảnh ,để thấy chất lượng đặc biệt cao .

Camera CMOS với 16K dùng cho kỹ thuật không quân.
Hình ảnh bên dưới là loại camera vi mạch ảnh CMOS
Thế hệ tiếp theo của camera dòng quét cmos ( Progressive scan CMOS) được thiết lập, các tiêu chuẩn mới cho tốc độ dòng ngang,độ phân giải điểm ảnh và chất lượng hình ảnh cao.

Với sự nỗ lực cải tiến EliiXA + 16K camera cung cấp khoảng 100.000 dòng / s chưa từng có trong camera định dạng 16K điểm ảnh và kết hợp phản ứng cao với một mức độ tiếng ồn rất thấp, điều này cung cấp tín hiệu cao tỷ lệ tiếng ồn ngay cả khi thời gian tích hợp ngắn được yêu cầu hoặc chiếu sáng khi bị hạn chế.

Kích cỡ điểm ảnh 5μm được sắp xếp theo bốn dòng hoạt động, đảm bảo độ phân giải tối ưu không gian trong cả hai hướng quét và cảm biến với ống kính off-the-shelf. Một dữ liệu vượt trội tỷ lệ vượt quá 1,6 Gpixels mỗi giây, gửi qua một giao diện CoaXPress mới, cho phép thông lượng rất cao và mở ra một loạt các khả năng mới cho các thế hệ tiếp theo của hệ thống kiểm tra cho các ứng dụng đòi hỏi như màn hình phẳng, PCB và kiểm tra tế bào năng lượng mặt trời.

CMOS sensor Camera 16.384 Pixels, 5 X 5um,chất lượng đặc biệt cao

SVCam-16000    CCD 43.3mm diag
4872x3248 pixels     2x14 bit ADC

Camera với độ hiển thị 4872 x 3246 pixel

2014 UPDATE FOR MORE INFO CALL US  0903 099 142

Công nghệ hình ảnh Low Light illumination dùng cho quan sát ở mức ánh sáng thấp

New Imaging Technology for Low Light Surveillance.

Để giải quyết vượt qua các trở ngại khi áp dụng kết quả từ hệ thống quan sát an ninh, loại bỏ tất cả cái bóng của sự nghi ngờ do hình ảnh thu lại không rõ ràng , khả năng cải thiện quan sát trong điều kiện thiếu ánh sáng ( ánh sáng cự thấp) của video là yêu cầu số một trong những yêu cầu về tính năng quan sát từ các khách hàng của tất cả các tầng lớp xã hội, đặc biệt là từ những người chịu trách nhiệm an ninh an toàn công cộng, và các công việc điều tra. 

Camera quan sát chuyên dùng đã được cải thiện đáng kể khả năng để tiến hành giám sát dưới mức ánh sáng rất thấp , mà không cần dùng đến sự chiếu sáng hỗ trợ từ các bảng đèn IR như loại (IR Camera) là Camera có hồng ngoại được biết đến hiện tại.

Ngoài việc cung cấp khả năng cải thiện ánh sáng thấp, các vi mạch ảnh này cũng nắm giữ công nghệ mới nhất để tăng cường giám sát ban ngày nơi quá nhiều ánh sáng thường bị chói có thể coi đây là một thách thức về kỹ thuật . 

Những camera dùng cho ánh sáng thấp mới chắc chắn sẽ làm tăng cao kết quả cũng như  sự dễ dàng thu thập chứng cứ có giá trị ở bất kỳ nơi nào.

Cần phân biệt Camera IR Day/Night low light illumination với Camera dùng vi mạch kỹ thuật Extreme/Ultimate low light đang đề cập đến. Chức năng Day/Night trong Camera có đèn chiếu Hồng ngoại là mạch điện tử kích hoạt theo mức đo ánh sáng lux từ cảm biến CDS, khi toàn cảnh xuống đến 10 lux ( ví dụ) CDS sẽ kích hoạt ON chiếu sáng đèn hồng ngoại để camera thấy rõ trong đêm tối. 

Tuy nhiên ở mức ánh sáng thấp ( từ 10lux trở xuống 01-0lux) thì camera màu sẽ cho ra hình ảnh có màu sắc hơi nhoè nguyên do vi mạch hình ảnh CCD màu nhận biết có màu sắc đúng khi ở mức độ __lux trở lên.

Để tránh sự cố hiển thị hình ảnh với màu "lốm-đốm" khi toàn cảnh quá tối , lúc CDS kích hoạt thì camera sẽ tự động tắt chế độ màu sắc để chỉ hoạt động ở chế độ hình ảnh một tông màu xám (mono-chrome) tương tự camera đen trắng ( B&W Camera), đồng thời không cần có bộ lọc hồng ngoại ( nếu là camera màu phaỉ có bộ lọc IR Filter ) hỗ trợ sử dụng khi camera có ON đèn chiếu IR , kết quả sẽ cho ra hình ảnh thật sự rõ-nét với màu đen-trắng mới đáp ứng được yêu cầu của camera giám sát ( Surveillance hoặc Security Camera ).

Từ những kinh nghiệm trên,việc sản xuất camera chuyên dùng cho giám sát với ánh sáng cực thấp đã rút ra được kinh nghiệm một cách tự nhiên từ camera đen và trắng bởi vì camera đen-trắng (B&W Camera) thường đòi hỏi ít ánh sáng hơn và không yêu cầu các bộ lọc hồng ngoại.

Camera đen và trắng không có bộ lọc hồng ngoại giống như loại được sử dụng trong camera màu. Điều này cho phép camera có được sự nhạy cảm hơn và sử dụng một phạm vi rộng hơn các tần số ánh sáng có sẵn. Ngoài ra, camera đen và trắng có xu hướng thu được những hình ảnh sắc nét hơn do camera có độ phân giải cao hơn so với hầu hết các camera màu và thấp hơn tỷ lệ tín hiệu nhiễu-tiếng.

Các công nghệ kỹ thuật liên quan đến hỗ trợ ánh sáng thấp

ZERO DPC (Defect Pixel Compensation) 

Kỹ thuật nén tín hiệu số DSP "Digital Signal Processing"  đi cùng với tính năng hiệu chỉnh đền bù tối ưu cho hình ảnh "Correction Perfect Defect" thích ứng để cung cấp ra hình ảnh rõ ràng hơn, cho phép nắm-bắt hình ảnh nhanh hơn với độ sáng ánh sáng rất thấp, bằng cách sử dụng hai phương pháp của thuật toán :thực hiện cho việc so-sánh rồi thêm độ phân giải để đền-bù vào các điểm ảnh bị khuyết tật hoặc không thực hiện triệt để xuyên suốt các khiếm khuyết theo hình ảnh.

Sense-Up (x512, Digital Slow Shutter/ sens-up)

Cũng dùng theo kỹ thuật DSP để cung cấp ra hình ảnh chất lượng cao bằng cách hỗ trợ cho phép mỗi khung hình tiếp xúc một thời gian dài hơn 1/50giây hoặc 1/60giây [PAL/NTSC] , tăng cường mức nhạy cảm với độ sáng-tối để cho phép nhận thấy hình dạng và màu sắc của đối tượng bị mất đi trong điều kiện không có ánh sáng hoặc trong trường hợp thời gian khung hình tiếp xúc nhiều hơn 8giây (x512).
Hiểu đơn giản hơn là SENSE-UP cung cấp chế độ tuỳ chỉnh làm chậm màn-trập  nhân X1 ~ 256 hoặc ~ 512 để tăng lượng ánh sáng đi vào cho ảnh sáng hơn.

Để tăng cường khả năng cho camera màu hiện nay ,có thể kể đến các vi mạch mới của Sony ™ EFFIO ™ hoặc một vài loại khác như "EXMOR chipset"...

Minh hoạ một Mini Camera như trong video clip PC165DNR, đáp ứng nhu cầu cho khả năng cải thiện ánh sáng yếu và các chi tiết màu. PC165DNR sử dụng chipset mới nhất của Sony ™ EFFIO ™ , cho phép quan sát tốt trong điều kiện  ánh sáng thấp 0,00001 lux.

 Với mức lux 0,00001, camera này có thể xử lý các hoạt động quan sát tại các khu dân cư và các địa điểm khác với ánh sáng rất thấp xung quanh mà không cần chiếu sáng bổ sung. Camera PC165DNR cũng có khả năng Wide Dynamic có thể quản lý một mảng rộng lớn hơn tần số ánh sáng và mức ánh sáng hơn so với hầu hết các camera an ninh video khác . WDR giúp cho camera hoàn hảo hơn cho các ứng dụng vào thời gian ban đêm hoặc chụp các biển số xe... .

Camera bình thường bị chế ngự bởi ánh sáng trực diện từ các nguồn chiếu sáng bất kỳ,như của đèn pha. Camera có WDR , với kỹ thuật HLC hoặc Eclipse dùng thuật toán kỹ thuật số để giảm thiểu và thậm chí loại bỏ ánh sáng chói từ đèn pha ,từ các nguồn chiếu sáng trực tiếp vào camera.

Xem thêm các bài viết liên quan :

•   xem bài viết về WDR .
•  xem bài viết về Smart IR.
•  bài viết về kt DNR, 3D-DNR.