CMOS与CCD的灵敏度比较

文/张勇

作者为深圳市星航洋科技有限公司总经理

CMOS和CCD是两种不同的光电转换技术，两者也经历了不同的技术发展阶段。当前CMOS图像传感器科技发展迅猛，整个安防领域从Sensor端开始竞争白热化，在Ipcam、模拟高清的噱头效应下，已经很少有人关注CCD，这从绝大多数安防企业不再向Sony下计划，以及传闻Sony计划停产CCD就能看出端倪。但从CMOS和CCD的比较而言，了解两者之间的差异，在琳琅满目的传感器应用方案面前，根据实际应用进行选择，选对方案，有很重要的实际意义，特别是在激烈竞争中的战略选型。下面就两种图像传感技术的主要特点差异在应用端的实际意义进行简单的描述。

帧率和靶面尺寸对图像传感器的影响

CCD图像传感器和CMOS图像传感器的主要技术指标有像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率和信噪比，等等。

帧率代表单位时间所记录或者播放的图片的数量，连续播放一系列图片就会产生动画效果，根据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/秒的时候，人眼就基本看不出来图片的跳跃；在达到24幅/s～30幅/s之间时就已经基本觉察不到闪烁现象了。每秒的帧数，或者帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。

靶面尺寸，也就是图像传感器感光部分的大小。一般用英寸来表示，和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量，而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。

高清领域的CMOS

CCD在上世纪70年代诞生于美国贝尔实验室，发展历程在此不做赘述。安防行业传统的认识是CCD感度好，CMOS功耗低价格便宜，至于为什么CCD好，大部分从业人员讲不出一个所以然来。CCD采取互补光CMYG色彩阵列，理论上通光率可达到约60%，而CMOS采取的三原色RGB色彩阵列，通光率理论值只有33%，也就是说，在同等的工艺和设计水平下，采用CMYG互补光色彩阵列的感光能力要比采用RGB色彩阵列的CMOS感光元件大约80%。所以CCD呈现出来的夜视效果相对就要好很多。RGB的优势就在于色彩还原度更高，呈现出来的图像效果更加细腻。

自Sony创造Super HAD CCD到 EXVIEW HAD CDD一直统治着CCD甚至整个安防领域的市场。除了品牌效应、品质信心、需求惯性以外，是因为CCD最大的产品特性就是感光灵敏度更好，EXVIEW HAD CCD更是在近红外成像部分有更大的突破，夜视效果更佳出色。国产MCCD采取首创三级Fd技术，更是在CCD基础上取得了更高的灵敏度和动态范围，可以呈现更完美的夜视效果。目前市面上的夜视王摄像机即是采用MCCD 方案。

但问题是CCD往高清发展的代价非常昂贵，且CMOS功耗更低，所以传统的安防领域，CCD出到960H即终止了，只有像天文望远镜等对清晰度和灵敏度都要求特别高的特殊行业在采用高清CCD组件，而在民用安防高清领域取而代之的是CMOS。这本质上是由工艺难度和生产成本决定的。目前业内普及的720P以上的图像传感器几乎全是CMOS，除了工艺的因素外，更重要是是CMOS更便宜。我们只要看到手机领域应用的几百万甚到上千万像素的图像传感器全是CMOS，就一目了然了。可以说，在眼见为实的民用高清时代，CMOS是王道。

低照度下CCD/MCCD的应用更有效

尽管CMOS在民用高清监控领域的应用普遍，但是，如果单纯从安全防范的核心价值而言，监控最主要的目的是“看得见”、“看得清”，其次才是“看得漂亮”。高清的CMOS图像传感器元件，我们以1080P为例，通常认为这是200万象素，但绝大多数人不知道的是，这只是理论上的有效像素点的多少。对于感光器件而言，实际的有效像素点的多少取决于光照条件。当光照条件足够，1080P即200万象素，当光照条件下降到一个临界值，有效像素将会降低，在10lux光照条件下(比如黄昏室内)1080P的有效像素就跟同等相同靶面大小（比如同为1/3”）的720P相当，当光照条件下降到8lux,1080P的有效像素就比720P的有效像素要低，照度越低，1080P的有效像素下降越快，这就是大多数行业人士看到的1080P夜视糟糕的原因。反而在低照度下，几十万象素的CCD和MCCD的有效像素要比1080P和720P要高很多。

小结如下：在光照充足条件下（Pixel大小相同，不考虑工艺和设计差异情况下）：有效像素（图像效果）1080P＞720P＞960H＞D1, 在光照条件不充足条件下（黄昏以后），有效像素（图像效果）1080P＜720P＜960H＜D1。

照度参考表：

?

在如何解决看得见的问题下，目前安防行业红外补光技术和生产基础发达，流行红外夜视摄像机。但是我们通常所应用的传感器，不论CMOS还是CCD，红外的感光灵敏度都比可见光的更低，所以我们发现很多传感器的应用中，即使把红外光功率补得再大，图像效果依然糟糕，诸如噪点、“雪花”、“飞絮”之类的就出现了。CCD通常能感应940nm波段的红外光，MCCD更是能感应1100nm波段的红外光，而普通的CMOS只能采用850nm红曝补光。一般的CMOS采用850灯板补光效果还不如CCD采用940nm补光的效果好。

?

从图像效果出发，不考虑工艺、设计水平、靶面、帧率、ISP、DSP、传输、存储、监视器的处理能力的前提下，我们可以简单总结如下，CMOS色彩还原好，CCD夜视好；数字高清CMOS白天更漂亮，模拟CCD夜视更漂亮。不论CMOS还是CCD/MCCD，像素点越多，白天画面越漂亮，Pixcel Size越大，感光灵敏度越高，夜视效果更漂亮。

从产品形态出发，如果从防止犯罪的角度，建议选择CCD或MCCD；如果从娱乐和白天视觉享受的角度，就选择数字高清CMOS。由于当前DVR和NVR不兼容，模拟监控领域建议兼容模拟760H/960H CCD/MCCD和铜轴模拟高清搭配的组合套装产品形态，达到兼顾白天视觉享受和监控的目的。IPcam领域就建议采用1/2”、1/3”、1/4”高清CMOS搭配的形式。

深圳市星航洋科技有限公司将基于MCCD 760H、960H, 比亚迪和锐芯720P、1080P，为合作伙伴提供更丰富、更专业、更系统的产品服务，为安防产业的发展贡献绵薄之力。