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MCCD與CCD、CMOS技術(shù)之間的制衡

 “平安城市”是近期中國(guó)安防業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力，2011年起在全國(guó)范圍內(nèi)推行，預(yù)計(jì)“十二五”內(nèi)將帶動(dòng)2400萬(wàn)個(gè)攝像頭.約合1200億元左右的行業(yè)產(chǎn)值。視頻監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿�巨大，預(yù)計(jì)到“十二五”末，國(guó)內(nèi)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的每千人擁有量將達(dá)到25臺(tái)，同時(shí)考慮設(shè)備更新、出口產(chǎn)值增加的因素，預(yù)計(jì)2015年視頻監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)值將超過(guò)1100億元，CAGR(復(fù)合年均增長(zhǎng)率)達(dá)到23%。
攝像機(jī)作為監(jiān)控領(lǐng)域前端設(shè)備的排頭兵，未來(lái)的發(fā)展前景十分廣闊，而作為攝像機(jī)核心部件的芯片，其一舉一動(dòng)都牽動(dòng)著整個(gè)行業(yè)的神經(jīng)。隨著安防行業(yè)的需求越來(lái)越明確，已有越來(lái)越多的芯片廠家開(kāi)始關(guān)注并主動(dòng)去推廣安防這個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)，安防芯片市場(chǎng)有望成為繼工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子等領(lǐng)域之后一個(gè)新的利潤(rùn)聚焦點(diǎn)。然而，在中國(guó)這個(gè)全民缺失自主產(chǎn)權(quán)的核心芯片技術(shù)的時(shí)代，安防芯片的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化同樣成為中國(guó)安防企業(yè)搶占技術(shù)高地的掣肘。

MCCD

1.MCCD簡(jiǎn)介

從圖像傳感器的制作工藝上分，目前只有兩種工藝：一種是CCD，另一種是CMOS。CCD是集成在半導(dǎo)體單晶硅材料上，而CMOS是集成在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體材料上。

從圖像傳感器的架構(gòu)上分：CCD的曝光由XSG1、XSG2及XSUB控制，讀出由XH1、XH2、XV1、XV2、XV3、XV4控制，這些信號(hào)都來(lái)自DSP，因此CCD是被動(dòng)器件;而CMOS的曝光及讀出，都來(lái)自于芯片內(nèi)部的時(shí)基生成模塊，因此CMOS是主動(dòng)器件。

從彩色德光陣列來(lái)看，一般的CCD使用互補(bǔ)色CMYG的德光陣列，而CMOS使用原色RGB的濾光陣列。CMYG陣列對(duì)光線的衰減少，但是色彩還原時(shí)不如RGB的陣列豐富，因此更加適合于對(duì)光靈敏度要求高的安防行業(yè)。

MCCD既不是CMOS又不是CCD，它汲取了CMOS與CCD的特點(diǎn)，將圖像傳感器像素的靈敏度及面質(zhì)推上了一個(gè)更高的臺(tái)階。

MCCO使用CMYG互補(bǔ)色濾光陣列，具有如CCD一樣的畫質(zhì)，比CCD高的可見(jiàn)光靈敏度及超高的紅外光靈敏度、更大的動(dòng)態(tài)范圍。MCCD使用與CCD兼容的曝光、讀出控制方式(使用XSUB、XSG1、XH1、XH2、XV2、XV4信號(hào))，因此MCCO是與CCO相同的被動(dòng)器件。MCCD又利用CMOS工藝集成度高的特點(diǎn)，將先進(jìn)的圖像信號(hào)處理器及AFE的功能集成到芯片中，有效提高了圖像質(zhì)量。

2.MCCD技術(shù)特點(diǎn)

從圖3中可明確看出MCCO與CCD應(yīng)用電路之間的區(qū)別主要有以下兩方面：

(1)MCCD集成了AFE，可直接輸出量化后的數(shù)字圖像信號(hào);

(2)MCCD使用CMOSI藝，無(wú)需CCD的高壓驅(qū)動(dòng)，因此除了省去高壓驅(qū)動(dòng)芯片以外;電源的設(shè)計(jì)也相對(duì)簡(jiǎn)化了，PCB上能有更加干凈的電源。

此外;MCCD除了具有和主流監(jiān)控圖像傳感器CCD相同的數(shù)據(jù)輸出接口(可以直接和CCD配套的DSP接口)之外，還具備更高的可見(jiàn)光及近紅外靈敏度，低照度下的信噪比也更為優(yōu)良，特別適用于“平安城市”全天候監(jiān)控，室外中遠(yuǎn)距離大范圍的夜視監(jiān)控和高端無(wú)紅暴、需要940NM波長(zhǎng)紅外燈補(bǔ)充的專業(yè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)系統(tǒng)。

在技術(shù)基礎(chǔ)方面，MCCD具有以下特點(diǎn)：

(1)高性能的像素設(shè)計(jì)，高靈敏度的像素設(shè)計(jì)是成就MCCD的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(2)高速并行技術(shù)，幀速每秒可超2000幀。

(3)高速紅外三維影像捕捉，全球的全局結(jié)合滾動(dòng)高這曝光模式。

(4)獨(dú)有防蒙塵技術(shù)，能夠消除50%以上的圖像固形噪聲，提高畫面品質(zhì)。

MCCD的研制成功，標(biāo)志著中國(guó)的安防監(jiān)控行業(yè)在高端監(jiān)控?cái)z像機(jī)前端設(shè)備核心技術(shù)上取得重要突破，使我國(guó)高端主流監(jiān)控?cái)z像機(jī)的制造業(yè)有了質(zhì)的飛躍，也讓中國(guó)安防監(jiān)控業(yè)在擺脫日美等國(guó)家在市場(chǎng)和技術(shù)上的壟斷道路上邁出了重要的一步。

綜上所述，MCCD是使用CMOS工藝制造的具備CCD畫質(zhì)、兼容CCD讀出格式及讀出方式的新一代圖像傳感器，它具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán).超高的紅外靈敏度、優(yōu)異的夜視效果及更好的動(dòng)態(tài)范圍，將逐漸走向市場(chǎng)，接受市場(chǎng)洗禮和挑戰(zhàn)。

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CCD與CMOS技術(shù)

1.CCD技術(shù)

CCD的英文全稱是Charge-coupledDevice，中文全稱是電行耦合元件，通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)，一塊CCO上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取.存儲(chǔ)、傳輸.處理和重現(xiàn)，如圖1所示。CCO圖像傳感器具有如下特點(diǎn)：(1)體積小重量輕，(2)功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng);(3)靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;(4｝響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像;(5)應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。CCD傳感器的特點(diǎn)在于因?yàn)橛兄�更大的感光元件，而帶�?lái)更加強(qiáng)勁的低照度能力。因此，雖然大家在高清中對(duì)于CMOS更加的期待，不過(guò)在一些樓梯間，地下車場(chǎng)或者夜視監(jiān)控等環(huán)境的工作中，CCD顯然還要比CMOS有著更加出色的發(fā)揮。

CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由CCD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的CCD可滿足不同場(chǎng)合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是MOS電容或光敏二極營(yíng)結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制;但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像。面陣CCD的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。

自CCD問(wèn)世四十年來(lái)，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，CCD技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來(lái)越大。CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光纜產(chǎn)生相應(yīng)的電行信號(hào)，在通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。
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2、CMOS技術(shù)

CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來(lái)，市面上常見(jiàn)的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。

CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再造過(guò)芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。CMOS與CCD主要有以下不同：

(1)成像過(guò)程

CCD與CMOS圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，他們主要的差別在于信號(hào)的讀出過(guò)程不同;由于CCD僅有一個(gè)(或少數(shù)幾個(gè))輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出，其信號(hào)輸出的一致性非常好;而CMOS芯片中，每個(gè)像素都有各自的信號(hào)放大器，各自進(jìn)行電行一電壓的轉(zhuǎn)換，其信號(hào)輸出的一致性較差。但是CCD為了讀出整幅圖像信號(hào)，要求輸出放大器的信號(hào)帶寬較寬，而在CMOS芯片中，每個(gè)像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCO要低的主要原因。盡管降低了功耗，但是數(shù)以百萬(wàn)的放大器的不一致性卻帶來(lái)了更高的固定噪聲，這又是CMOS對(duì)CCD的固有劣勢(shì)。

(2)集成性

從制造工藝的角度看，CCD中電路和器件是集成在半導(dǎo)體單晶材料商，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD晶元，如DALSA.SONY、松下等。CCD僅能輸出模擬電信號(hào)，需要后續(xù)的地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的版單體材料上，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此聲場(chǎng)CMOS的成本相對(duì)CCD低很多。同時(shí)CMOS芯片能將圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)的所有基本功能，集成度很高，芯片級(jí)相權(quán)概念就是從這產(chǎn)生的。隨著CMOS成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來(lái)越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS成像芯片，包括：Micron、CMOSIS、Cypress等。

(3)速度

CCD采用逐個(gè)光敏輸出，只能按照規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個(gè)電荷一電壓轉(zhuǎn)換器和行列開(kāi)關(guān)控制，讀出速度快很多，大部分500fps以上的高速相機(jī)都是CMOS相機(jī)。此外CMOS的地址選通開(kāi)關(guān)可以隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸出，在僅輸出于商口圖像時(shí)可以獲得更高的速度。

(4)噪聲

CCD技術(shù)發(fā)展較早，比較成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件