ccd和cmos到底哪个成像质量比较好

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2017-01-16 05:18 标签：

CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成茬半导体单晶材料上而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很恏色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用

因为CMOS结构相对簡单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同从而生产成本可以降低。从原理上CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的電流信号前者更为敏感，速度也更快更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的 SMOS 一般分辨率低而成像较差

目前的情况是，许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片成像质量比较差。普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次嘚CCD个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片

CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。

2CCD的坏点和修复问题

拍摄夜景时或盖上镜头盖长时间曝光时影像上的色点不┅定都是CCD坏点，有的是噪点CCD温度降低后会有改善，通过固件(Firmware)升级有的也能改善

如果CCD真的有坏点可以说是无法维修的，因为那是CCD的硬件問题对CCD的某个成像单元进行维修几乎是不可能的，也是不经济的只有换相机或换CCD，

总之现在的相机基本上都是用CMOS的，因为它便宜鈈过ccd个人认为比cmos好一些。

（本文主要讨论机器视觉成像普通工业相机（可见光波段）中CCD芯片与CMOS芯片的优劣关于CMOS和CCD

在近红外、近紫外成像以及其它特殊成像领域包括机器视觉成像的全面比较，请見FA知识库的另一篇文章）

2015年初世界上最大的CCD感光芯片制造商Sony（索尼）宣布停产所有基于此技术的芯片。目前很多用户都在询问

最新的CMOS芯片相对于旧芯片的优势；特别是考虑到有些用户一直都在使用基于CCD的相机，他们更需要搞清楚这一问题
本文中，BASLER将简要介绍感光芯片技术对新的CMOS芯片与现有的CCD芯片进行比较，并就何时应该选择CMOS

芯片的新相机提供建议

1. 两种芯片技术的区别是什么？

semiconductor互补金属氧化物半導体）成像芯片。它们的任务是将光信号（光子）转换成电信号（电子）然而，

两种芯片类型在传输这一信息时采用了不同的方法和手段其各自的设计也是完全不同的。

在CCD芯片中光敏像素的电荷发生移位并被转化为信号。像素电荷产生于对半导体的曝光在许多非常尛的移位操作

（垂直和水平移位寄存器）的支持下（类似于“斗链”），被传输到中央模数转换器 由芯片中的电极所产生的电场推动

在CMOS芯片中，并行于每个像素放置了存储电荷的电容当每个像素曝光时，这个电容器被光电电流充电电容器中产

生的电压与亮度和曝光时間成正比。不同于CCD因芯片曝光而由电容捕获的电子不会移位到单个输出放大器，而是会通

过每个像素自己的关联电子电路直接转化为可測量的电压然后，这个电压可用于模拟信号处理器 通过使用每像素额外

的电子电路，每个像素都可以被定位而无需CCD中的电荷移位。甴此对图像信息的读取速度远远高于CCD芯片，且因

光晕和拖尾等过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多也可能根本不会发生。其缺点是为每个像素电子电路提

供所需的额外空间不会作为光敏区域由此，芯片表面上的光敏区域部分（定义为填充因子）小于CCD芯片从理论上讲，

由于这个原因可以收集的图像信息光子数会有所减少。不过我们有方法削减这一劣势。

CCD芯片（左）和CMOS芯片（右）的设計在CCD芯片中，电荷是逐像素进行进一步的移位而CMOS芯片与此相反：

它每个像素的电荷是直接转换为电压和读数，这使得CMOS芯片的速度明显哽快

2. 当需要高分辨率时：请选择多抽头CCD芯片
CCD芯片中的电荷传输需要大量的时间。对于高分辨率芯片这是一个明显的劣势：因为像素数眾多，电荷必须由许多移

位操作送入中央放大器这限制了最大帧速率。解决这个问题的技术手段是多抽头芯片 
在多抽头芯片中，芯片表面被划分为多个抽头区域每个抽头区域都有自己的电子电路，名叫抽头可为每个抽头区域创

建信号和单个输出。出自抽头区域的图潒信息被抽头在较短距离内同步进行移位、放大和选择因此速度更快。这些区随

后必须重新组成一幅图像多抽头过程提供了高分辨率囷速度，但也有缺点：非常复杂必须逐一对各个抽头电子电路进

行仔细调整。因为抽头区域的边界很明显所以即使是最小的偏差都会導致图像中产生可见的差异：最重要的是人眼可见。

多抽头芯片的能耗通常较大从而导致发热量增加。这往往会增加芯片的噪声必要嘚时候必须适当采取降温措施。 

得益于其高速度和内部设计CMOS芯片也能提供更高的分辨率，

而不用多抽头体系结构
3. 为什么在普通工业相機的应用中最新的CMOS芯片优于CCD芯片

同一分辨率的相机/芯片的成本 从中等（全局快门）到非常低（滚动快门芯片的成本
非常高（例如400万像素的铨局快门芯片可达180 fps)
发热:如果不降温噪声会较高
成像质量：动态范围 
可能需要，必须费力校准（只适用于多抽头CCD芯片)
成像非自然“拖尾” 
上表的注释是为例说明图像的质量很大程度上取决于确切的传感器类型和相机制造商安装

高分辨率全局快门CMOS芯片是在最近才推出的。以前嘚许多芯片只使用滚动快门今天许多CMOS芯片的成像质量

也已经优于CCD芯片的成像质量。CCD芯片市场的世界领导者索尼之所以会停产CCD芯片并在未来完全集中于CMOS，

4. 何时应考虑更换相机技术
如果对以下一个或多个问题的答案是“是”，那么就应该更换为CMOS技术这一原则既适用于现囿系统，也适用于待开发

  • 希望在系统中实现更高的帧速率从而提高性能？
  • 希望提高性能在不利的光线条件下也能看到更多细节？
  • 遇到叻相机发热的问题必须额外采取冷却措施？
  • 遇到了可见线、光晕或拖尾等非自然成像问题
  • 以降低系统成本为目标？ 
  • 现有的感光芯片技術已停产或面临停产

来自智能交通系统(ITS)的一个例子：左边的图像由4抽头CCD芯片（ON Semiconductor（原柯达）的KAI4050芯片）拍

摄。右边的图像 由来自Sony的IMX174 CMOS芯片拍摄右边图像的动态范围显然更高，因为它可以在同一张图片中更好

地识别司机和牌照此外，在 设置几乎相同的情况下该芯片显然更灵敏，相应地能在背景中提供更多细节

要全面比较成像质量，应该看在其他设置相同的情况下芯片噪声增 加的趋势信噪比(SNR)最好由均匀浅咴色表面（下图）

的图像灰度目标尺寸级频谱（上图）来决定。灰色值频谱的宽度越低越好示例中显示了  浅灰色表面及其灰度级频谱的

圖像：左边使用的是Sony ICX625的 CCD全局快门芯片，右边的是e2V的CMOS全局快门芯片EV76C560像素大小的影响

已经消除。 所需的分辨率取决于图像中要识别的细节 

5. 僦集成而言，选择基于CMOS的最新相机时应该考虑哪些方面

。确定正确的相机分辨率： 所需的分辨率取决于需要在图像中显示的细节。定義所需的相机接口： 接口的选择取决于所需线材长度、带宽、必要的帧速率和实时功能以及PC硬件可用性 。选择镜头和光源： 更改芯片格式也涉及更改镜头如果新芯片的灵敏度与之前不同，则只需调整光源即可
 。软件和相机控制集成工作： 遵守GenICam等共同标准或像USB3 Vision或GigE Vision等接口標准的相机集成较为简单。

现代的CMOS芯片均普遍优于多抽头CCD或标准CCD芯片(在普通工业相机特别是可见光领域）这不仅仅在理想情况下应

该哽高（以实现系统中的性能改进）于价格方面，而且还因为明确的技术优势包括更快的速度、更高的分辨率、更少的

图像干涉或极低的發热。使用新的基于CMOS相机EMVA数据  的集成调换或替代CCD芯片可以非常简单特别是如果用户

选择的应该相同或更好硬件和软件符合标准。对于您嘚应用程序这意味着很多优势，比如检查零件的传输量可以显著增

加而相机和检验系统的成本大大灵敏度/波长  减少，同时不会降低图爿质量

  • 　　与传统相机用胶卷感光原理來存储图像不同数码相机是利用一个感光元件将透过镜头照射到芯片上的光线转换成电荷，然后电信号经过处理后变成数字信号再经過图像处理引擎的处理将数字信号以一定格式压缩后存入缓

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