Cảm biến hình ảnh camera và tầm quan trọng

Nhắc tới camera quan sát chắc ít ai trong chúng ta cảm thấy còn xa lạ, thế nhưng hệ thống hoạt động thế nào? nguyên lý ra sao? cấu tạo camera gồm các gì và chức năng của từng phòng ban trong camera là gì thì ko nên ai cũng biết. Bài viết dưới đây chúng tôi xin san sẻ mang các bạn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến hình ảnh trong camera, một bộ phận sở hữu thể nói là quan trong nhất của camera giám sát kể riêng và khoa học ghi hình nhắc chung. Hãy cùng cameraquansatdanang.vn tìm hiểu nhé.

Tìm hiểu về cảm biến hình ảnh của camera

1. Cảm biến trong camera giám sát là gì? 

• Cảm biến hình ảnh là một trong các bộ phận quan trọng nhất của máy ảnh. Chi chi phí để cung cấp được 1 cảm biến hình ảnh thường chiếm 1/3 tổng giá trị của mẫu máy ảnh đó. Cảm biến hình ảnh này được cung ứng từ silic là chính, (tương tự như việc chế tạo chip xử lý trên máy tính), chế tạo thành những miếng wafer vô cùng mỏng được đục đẽo tinh vi theo công nghệ của từng hãng.
• Nhờ cảm biến ánh sáng đi qua ống kính sẽ được ghi lại và xử lý thành hình ảnh rồi xuất ra thẻ nhớ. Cảm biến siêu quan trọng, nó quyết định siêu to đến chất lượng hình ảnh thu được sau khi chụp. Bên cạnh ấy hình ảnh thu được còn phụ thuộc nhiều vào độ nhạy sáng của máy ảnh, độ phân giải của máy ảnh.

2. Các bộ phận chính của cảm biến hình ảnh gồm:

– Nguồn sáng riêng – dedicated light source: Cung cấp ánh sáng cho cảm biến, đảm bảo thiết bj sở hữu đủ ánh sáng để với thể ghi lại được những hình ảnh chất lượng rõ nét nhất, thuận tiện cho hoạt động phân tách hình ảnh của cảm biến.

– Thấu kính – Lens: Đưa hình ảnh đến chip xử lý hình ảnh.

– Chip xử lý hình ảnh CCD (viết tắt của Charge Coupled Device) hoặc CMOS (viết tắt của Complementary Metal Oxide Semiconductor): Chuyển đổi tín hiệu quang đãng học thành tín hiệu analog.

– Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog/digital converter: Đây là nơi xử lý và biến đổi tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để dùng cho cho các giai đoạn xử lý tiếp theo của phần mềm.

– Vi xử lý – Microprocessors: Phân tích và xử lý những tín hiệu số của hình ảnh, sau đấy dựa vào những thông số đặt trước để đưa ra quyết định.

– Input-Output: Cung cấp kênh truyền thông giao tế mang các đồ vật khác.

– Các trang bị ngoại vi kết nối điều khiển khác.

3. Quá trình hoạt động của cảm biến hình ảnh

– Được chia khiến 3 phần: Thu thập thông tin, phân tích thông tin, đưa ra kết quả thông tin. Để giai đoạn làm cho việc của cảm biến diễn ra tiện lợi thì các thành phần cũng bắt buộc hoạt động đúng theo yêu cầu:

+ Nguồn sáng phải đảm bảo độ tương phản, khiến vượt trội chi tiết, đối tượng bắt buộc phân tích.

+ Thấu kính cần tụ hợp ánh sáng lên chip xử lý hình ảnh. Tiêu cự thấu kính càng ngắn thì vật thể quan sát được càng lớn và ngược lại. Đây là phần tương đối quan yếu vì nó thúc đẩy tới hình ảnh mục đích của bạn

+ Cuối cùng cảm biến hình ảnh sẽ thực hiện các bước thu thập và phân tích.

4. Các cái cảm biến chính trên thị trường.

Có hai dòng vi mạch (cảm biến hình ảnh) khác nhau về cấu tạo tiêu dùng trong những camera giám sát, camera với vi-mạch ảnh CCD và CMOS , là hai dòng camera đang cai trị thị trường thiết bịquan sát quản lý và giám sát an ninh. Như vậy, điều cần biết là bao nhiêu thông báo 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 mẫu kênh p-n trên một mảnh silicon hình chữ nhật từ 10 tới 400mm2.

Cảm biến CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

Đây là mẫu cảm biến được tiêu dùng nhiều hơn cả. Thời gian trước đây cảm biến CMOS ko được coi trọng như cảm biến CCD bởi khả năng kiểm soát nhiễu tốt, xử lý hình ảnh tốt. Tuy nhiên cảm biến này có giai đoạn chế tạo vô cùng phức tạp so với CMOS rất đơn giản. Nên dần dần cảm biến máy ảnh CMOS đã dần thay thế cảm biến CCD và được thị trường yêu chuộng.

Cảm biến CMOS sử dụng bộ lọc màu RGB sau ấy chuyển sang dữ liệu dạng số rồi đưa vào thẻ nhớ để lưu lại. Dựa trên công nghệ căn bản của cảm biến máy ảnh CMOS này, các hãng đã tùy biến ra các cảm biến máy ảnh riêng biệt.

Cảm biến CCD (Charge-Coupled Device).

Đối mang cái cảm biến này khi nó hoạt động những diode (là Điốt bán dẫn một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép loại điện đi qua nó theo 1 chiều mà ko theo chiều ngược lại. một dòng diode sẽ thu 1 màu riêng biệt. Ba màu trên 3 dòng diode đó là Đỏ (RED) Xanh lá cây (Green) và xanh dương (Blue). 3 chiếc màu này pha trộn có nhau theo ánh sáng từ ống kính đưa vào tạo nên 1 bức ảnh mà người sử dụng sở hữu thể nhìn thấy được.) trên bề mặt cảm biến sẽ thu ánh sáng rồi chuyển thành điện tích sau đấy chuyển vào camera theo những dữ liệu thông tin dạng số nhị phân.

Sự khác nhau giữa CCD và CMOS là gì?

CCD nhạy cảm hơn có ánh sáng .

Độ nhạy cảm sở hữu ánh sáng là 1 trong những khác biệt cực kỳ 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 có cảm biến CCD. Mắt người mang thể nhìn thấy các đối tượng trong điều kiện ánh sáng ít nhất là dưới một LUX, còn cảm biến CCD thấy được mục tiêu rộng rãi hơn so mang mắt con người , CCD vẫn thấy trong điều kiện ánh sáng thấp từ khoảng 0,1 Lux – 3 Lux , sở hữu tức thị thấy được trong điều kiện tối phải chăng hơn từ 3-10 lần so mang cảm biến CMOS. Độ nhạy sáng của cảm biến CMOS là khoảng giữa 6 Lux – 15 LUX, CMOS lại nhạy cảm mang tỷ lệ cao của tiếng ồn 10 lần so có cảm biến CCD. Cảm biến CMOS mang thể ko thấy rõ dưới điều kiện ánh sáng khoảng 10LUX , bởi vậy cảm biến CCD được tiêu dùng nhiều hơn cho rất nhiều những camera giám sát video. Thông thường, cảm biến CMOS được sử dụng cho những đồ vật quan sát gia đình vì tầm giá thấp hơn, đồng thời phải tương trợ của đèn chiếu hồng ngoại (Led IR) để sử dụng trong ban đêm.

Các camera mẫu đặc thù mẫn cảm mang ánh sáng rất rẻ “Low light illumination” đều tiêu dùng vi mạch ảnh CCD để thấy trong đêm tối mà ko cần chiếu led hồng ngoại. Các nguyên liệu dùng phân phối vi mạch ảnh CCD (cảm biến CCD) có tầm giá tốn kém hơn so có nguyên liệu phân phối Vi mạch ảnh CMOS (cảm biến CMOS).

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

Sự khác biệt thứ 1 giữa CCD và CMOS là sự dị biệt về cấu trúc của bộ cảm biến độ phân giải điểm ảnh (pixels). Ngoại trừ việc mang đựng những nguyên liệu bán dẫn “phô-ton ánh sáng” , CCD còn bao gồm nhiều tụ điện chiếc MOS (Metal Oxide Semiconductor). Cảm biến CMOS được chế tạo sở hữu bề ngoài phức tạp hơn, ko kể các vật liệu bán dẫn photon, CMOS còn bao gồm bộ khuếch đại và mạch A/D. So sánh hai cái lúc hoạt động trong lãnh vực nhạy cảm khu vực rộng, so với cảm biến CMOS thì cảm biến CCD sở hữu mức độ nhạy cảm rộng hơn, CCD với thể tạo ra tín hiệu điện mạnh mẽ hơn lúc xuất ở ngõ ra của hình ảnh (vpp – video output) trong cùng 1 điều kiện môi trường, cảm biến CCD sở hữu thể cung cấp hình ảnh có mức tiếng ồn thấp sở hữu tức là chất lượng cao hơn. Do đó, cảm biến CMOS theo truyền thống được cho là không thấp như cảm biến CCD.

Tuy nhiên, vì sự tăng trưởng của kỹ thuật mới, bây giờ đã mang các cải thiện siêu ấn tượng cho việc cung ứng những cảm biến CMOS thế hệ mới ít thua kém CCD, sở hữu lợi thế giá tiền thấp, cảm biến CMOS khởi đầu thách thức sự cai 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 ngoại hình về số lượng ADC và công nghệ ADC khác nhau. Mỗi dòng ngang của 1 điểm ảnh bên trong cảm biến CCD kết nối với 1 ADC, sau lúc hoàn tất tiến trình tiếp xúc, tín hiệu được chuyển vào một bộ lưu và đưa đến 1 bộ khuếch đại ADC để nén và điều biến hình ảnh xuất ra (analog signal). Mỗi điểm ảnh trong cảm biến CMOS kết nối sở hữu 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 khoa học số.

Cảm biến CCD và cảm biến CMOS mang sự khác biệt giữa việc xử lý tín hiệu, cảm biến CCD xử lý chuẩn y tín hiệu dạng hao hao (analog), có những thông số của dòng-ngang. Cảm biến CMOSthông qua tín hiệu công nghệ số, trực tiếp mang tham số của độ phân giải điểm ảnh. Do vậy, khicamera giám sát sử dụng mạng IP để truyền tải thường sẽ được tiêu dùng với cảm biến CMOS vì ưu thế tín hiêu khoa học số, còn camera giám sát truyền thống lại thường được dùng có cảm biến CCD.

Với sự vững mạnh đặc trưng về vi mạch cảm biến hình ảnh của vài năm qua, các ngoại hình cải tiến chocảm biến CMOS đã tăng dung tích nhạy cảm sở hữu ánh sáng gần bằng có chừng độ nhạy của bộ cảm biến CCD. Ngoài ra, cảm biến CMOS sở hữu lợi thế của cấu trúc đơn giản, tầm giá thấp, tiêu thụ điện năng thấp. Cảm biến CCD mang thể làm cho việc thấp hơn CMOS trong điều kiện ban đêm, nhưng ngược lạicảm biến CMOS có thể sản xuất 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 có mặt trên thị trường là sự thách thức về thế hệ so với CCD.

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

Thế hệ tiếp theo của camera chiếc quét cmos ( Progressive scan CMOS) được thiết lập, những tiêu chuẩn mới cho tốc độ chiếc ngang, độ phân giải điểm ảnh và chất lượng hình ảnh cao.

Với sự phấn đấu cải tiến EliiXA + 16K camera phân phối khoảng 100.000 chiếc / s chưa từng có trong camera định dạng 16K điểm ảnh và kết hợp phản ứng cao có 1 chừng độ tiếng ồn cực kỳ thấp, điều này chế tạo tín hiệu cao tỷ lệ tiếng ồn ngay cả lúc thời kì tích hợp ngắn được yêu cầu hoặc chiếu sáng lúc bị hạn chế.

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

Chất lượng của bất kỳ hình ảnh số nào, dù được in ra hay hiển thị trên màn hình cũng đều phụ thuộc vào độ phân giải (resolution). Độ phân giải là số lượng điểm ảnh (pixel) tiêu dùng để tập trung thành hình ảnh. Số lượng điểm ảnh càng nhiều và càng nhỏ thì độ nét và yếu tố ảnh sẽ càng cao.

Sự khác biệt:

Không giống như CCD, cảm biến CMOS (kim loại-oxit-bán dẫn bổ sung) số hóa từng pixel tại chỗ. Ma trận CMOS ban đầu ít tiêu tốn điện năng và rẻ, đặc biệt là trong sản xuất ma trận lớn, nhưng chúng kém hơn ma trận CCD về chất lượng.

Những ưu điểm của ma trận CCD bao gồm:

• Độ ồn thấp.
• Hệ số lấp đầy pixel cao (khoảng 100%).
• Hiệu quả cao (tỷ lệ giữa số photon đã đăng ký trên tổng số của chúng chạm vào vùng nhạy sáng của ma trận, đối với CCD – 95%).
• Dải động cao (độ nhạy).

Những nhược điểm của ma trận CCD bao gồm:

• Nguyên tắc phức tạp của việc đọc tín hiệu, và do đó là công nghệ.
• Mức tiêu thụ điện năng cao (lên đến 2-5W).
• Đắt hơn để sản xuất.

Ưu điểm của ma trận CMOS:

• Hiệu suất cao (lên đến 500 khung hình / s).
• Tiêu thụ điện năng thấp (gần 100 lần so với CCD).
• Rẻ hơn và dễ sản xuất hơn.

• Triển vọng của công nghệ (trên cùng một tinh thể, về nguyên tắc, không tốn kém gì để thực hiện tất cả các mạch bổ sung cần thiết: bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số, bộ xử lý, bộ nhớ, do đó có được một máy ảnh kỹ thuật số hoàn chỉnh trên một tinh thể. Samsung Electronics và Mitsubishi Điện).

Nhược điểm của ma trận CMOS bao gồm

• Hệ số lấp đầy pixel thấp, làm giảm độ nhạy (bề mặt pixel hiệu quả là ~ 75%, phần còn lại do bóng bán dẫn chiếm giữ).
• Mức độ tiếng ồn cao (đó là do cái gọi là dòng nhịp độ – ngay cả khi không có ánh sáng, một dòng điện khá đáng kể chạy qua điốt quang), cuộc chiến chống lại điều này làm phức tạp và tăng chi phí của công nghệ.
• Dải động thấp.

Tầm quan trọng của cảm biến CMOS trong camera giám sát.

• Trước đây cảm biến CCD được coi trọng hơn cảm biến CMOS bởi khả năng kiểm soát nhiễu tốt, xử lý hình ảnh tốt. Tuy nhiên cảm biến CCD được chế tạo có qui trình phức tạp hơn cảm biến CMOS, nên dần dần cảm biến CMOS thay thế cảm biến CCD và được thị trường yêu chuộng.
• Khi tậu hệ thống camera giám sát, người sử dụng thường quan tâm đến số chấm (megapixels) tối đa trên 1 chiếc camera nhưng bản tính độ phân giải megapixels chỉ là một phần nhỏ trong hệ thống của 1 loại camera giám sát. Khách hàng thường ít quan tâm tới cái cảm biến được tích hợp trong dòng camera đó, cảm biến quyết định đến chức năng của camera, chất lượng hình ảnh thu được, độ nét của ảnh, độ nhạy sáng (ISO) nên cảm biến được coi như là trái tim của một chiếc camera giám sát.