Xiaomi 70mai dash cam pro midrive d02

Устройство матрицы

Мы не будем вдаваться в подробности устройства матрицы, так как наша цель – это выбор хорошего видеорегистратора, а не изучение основ фото- и видеосъемки. Но мы все же пройдемся по основным компонентам матрицы поверхностно, чтобы вы имели хоть какое-нибудь представление о ее работе. Для начала разберемся в основных терминах:

Пиксель – это наименьший неделимый логический элемент изображения или физический элемент матрицы. Пиксель может быть прямоугольной, округлой и квадратной формы. Если говорить простым языком, то пиксель это маленькая точка, которая может принимать тот или иной цвет. В матрицах видеорегистраторов пиксели, как правило, имеют квадратную форму.
Мегапиксель – это 1 000 000 пикселей (1000 х 1000 пикселей), которые формируют изображение. Как правило, разрешение матрицы измеряется именно в мегапикселях. Таким образом, зная, что ваш видеорегистратор снимает в разрешении 1920х1080 пикселей, можно сделать вывод, что разрешение матрицы 2 Мп, так как 1920*1080=2 073 600 пикселей.

Матрица в современных регистраторах представляет собой микросхему, поверхность которой состоит из чувствительных к свету элементов – пикселей. Каждый пиксель отвечает за преобразование попадающего на него света в электрический сигнал.

Несмотря на то, что многие представляют пиксели матрицы цветными, они являются монохромными. Поэтому для получения цветной картинки приходится применять специальные фильтры, например, мозаичные. Суть заключается в том, что матрица покрывается тончайшим фильтром, который осуществляет деление сенсора на субпиксели трех цветов – красный, зеленый и синий. Например, в фильтре Байера один пиксель делится на 4 субпикселя: 2 зеленых, красный и синий.

Устройство матрицыКак получается изображение на матрице

Так, рассматривая матрицу видеорегистратора под микроскопом, вы увидите следующую картину:

Матрица видеорегистратора под микроскопом

Преимущества КМОП-матрицы:

Прежде всего значительно снижено энергопотребление, благодаря тому, что в КМОП-матрице цепочка обработки информации не такая длинная, как в ПЗС-матрице, особенно низким энергопотреблением КМОП-матрица отличается в статическом режиме.

Схема ячейки КМОП-матрицы позволяет ее интегрировать непосредственно с аналого-цифровым преобразователем и даже с процессором. Это создает возможность объединения в одном кристалле как аналоговой схемы, так и цифровой и обрабатывающей. Благодаря этому стала возможной дальнейшая миниатюризация цифровых камер,снижение их стоимости из-за отсутствия необходимости в дополнительных процессорных микросхемах.

Возможность произвольного доступа к ячейкам КМОП позволяет считывать отдельные группы пикселей. Эта возможность получила название кадрированного считывания, т. е. считывания только части всего кадра, в отличие от ПЗС-матрицы, где для обработки информации необходимо выгрузить всю матрицу. Благодаря этому для обеспечения быстрого просмотра изображения на встроенном дисплее фотоаппарата с относительно небольшим числом пикселей можно выводить только часть информации. Для просмотра этого будет достаточно, можно контролировать точность фокусировки и т. д.

Кроме того для большей скорости ведения репортажной съемки можно вести ее с меньшим размером кадра и меньшим разрешением.

Еще одним достоинством КМОП-матрицы является возможность добавления к имеющемуся внутри КМОП-элемента усилителю еще усилительные каскады, тем самым значительно увеличить чувствительность матрицы. А возможность регулировки усиления для каждого цвета позволяет улучшить .

Производство КМОП-матриц проще и дешевле, чем ПЗС, его может освоить практически любой завод, занимающийся производством микроэлектроники. Особенно это сказывается при производстве матриц большого размера.

Недостатки КМОП-матрицы:

К недостаткам КМОП-матрицы по сравнению с ПЗС-матрицей следует отнести прежде всего уменьшение светочувствительной части элемента из-за наличия электронной обвязки вокруг пиксела. Именно поэтому вначале КМОП-матрицы имели существенно более низкую чувствительность, чем ПЗС-матрицы. Положение изменилось с разработкой и выпуском на рынок компанией Sony в 2007 году КМОП-матриц, изготовленных по технологии EXMOR, применявшейся ранее для специфических устройств, таких как электронные телескопы. Размер светочувствительной части пиксела удалось увеличить за счет перемещения электронной обвязки в нижний слой элемента, где она не мешала попаданию света. Это привело к увеличению чувствительности каждого пиксела и всей матрицы.

В каждом из элементов КМОП-матрицы имеются еще электронные элементы, которые по свойствам электронных схем обладают своим шумом, и этот шум добавляется к шуму непосредственно светочувствительного элемента. Причем для каждого пиксела уровень этого шума разный.

Величина сигнала,получаемого с каждого пиксела зависит не только от характеристик самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента электронной обвязки пиксела. Отсюда получается, что у каждого КМОП-элемента своя

В современных видеокамерах активно используют 2 типа матриц: CMOS и CCD. Матрица CMOS (КМОП)
построена на базе CMOS-технологии, которая и дала название этому продукту (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Если в камерах среднего ценового сегмента оба варианта применяются примерно в равной пропорции, то в бюджетных видеосистемах чаще встречается именно КМОП.

Принцип работы технологии следующий:

  • Подается сигнал сброса;
  • Диоды накапливают заряд во время экспозиции;
  • Происходит считывание параметров.

данного типа

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Основная статья: 3CCD

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используются CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

  • лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
  • выше разрешение: отсутствует необходимый для устранения муара размывающий (low-pass) фильтр;
  • выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
  • возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света.

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

  • принципиально бо́льшие габаритные размеры;
  • трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;
  • в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов, так как такие системы требуют точной юстировки, причём, чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами

Основная статья: Массив цветных фильтров

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции ().

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача:

  • RGGB — фильтр Байера, исторически самый ранний;
  • имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5—2 раза и 1 ступень по фотографической широте), частный случай RGBW-матрицы — CFAK-матрица компании Kodak;
  • (красный — зелёный — изумрудный — синий);
  • (голубой — зелёный — лиловый — жёлтый).

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma, вторая — на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Основная статья: Foveon X3

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя — синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.

Полноцветная RGB-матрица Nikon

В полноцветных матрицах Nikon (патент Nikon от 9 августа 2007) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе, содержащем одну микролинзу и три фотодиода, проходят через открытую микролинзу и падают на первое дихроичное зеркало. При этом синяя составляющая пропускается первым дихроичным зеркалом на детектор синего, а зелёная и красная составляющие отражаются на второе зеркало. Второе дихроичное зеркало отражает зелёную составляющую на детектор зелёного, и пропускает красную и инфракрасную составляющие. Третье дихроичное зеркало отражает красную составляющую на детектор и поглощает инфракрасную составляющую.

Несмотря на то, что прототип матрицы уже создан (2008 год), этот патент вряд ли найдёт своё применение в ближайшее время из-за существенных сложностей в технологии.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трёхматричных, данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера. (Точный выигрыш зависит от характеристик пропускания фильтров).

По сравнению с Foveon X3, данная технология выигрывает в качестве цветопередачи.

По сравнению с 3CCD системами, данный тип матрицы выигрывает в возможности использования в зеркальных аппаратах и в отсутствии необходимости точной юстировки оптической системы.

Физический размер матрицы и пикселя

Фото платы видеорегистратора для оценки размера матрицы

Проблема в том, что производитель крайне редко указывает размер пикселей матрицы. Но в интернете есть мнение, что размер пикселя можно вычислить самостоятельно, воспользовавшись следующей формулой: n = (x/a) x 1000, где n – размер физического пикселя в микрометрах; х – размер одной из сторон матрицы в миллиметрах; а – кол-во пикселей соответствующей стороны.

Так, если мы имеем матрицу размером 5.76мм х 3.24мм с разрешением 2.1 Мп (1920×1080), то размер одного пикселя будет: (5.76/1920)*1000=3 мкм. Такой же результат получим, если посчитаем по вертикали: (3.24/1080)*1000=3 мкм. Иными словами, матрица с таким размером будет иметь 2 073 600 пикселей размером 3х3 мкм.

Но все не так просто! Пиксели не располагаются вплотную друг к другу, между ними есть изоляционный слой, который может отличаться от матрицы к матрице, поэтому использовать подобные формулы можно лишь для получения примерных цифр.

Но, к сожалению, узнать реальные размеры матрицы в миллиметрах также трудно, ведь производитель указывает только диагональ матрицы, причем делает это в «видиконовых дюймах». Один «видиконовый» дюйм составляет 2/3 обычного дюйма (и это примерное соотношение).

Помимо этого, вы вряд ли найдете точное разрешение матрицы, так как оно не всегда точно равно 1920х1080, а может быть, например, 1936х1097, но производитель представит его в привычных нам цифрах.

В таблице мы перечислим наиболее популярные на рынке видеорегистраторов размеры матриц. Размеры перечислены от наименьшего к наибольшему.

Диагональ матрицы, видиконовые дюймы Диагональ матрицы, мм*
1/4” 4.45
1/3.2” 5.56
1/3” 5.64
1/2.8” 6.35
1/2.7” 6.58
1/2.5” 6.77
1/2” 8.0
1/1.8” 8.94
1/1.7” 9.5

*Значения в миллиметрах не являются точными, это приблизительные размеры матрицы.

Например, матрица SONY STARVIS IMX307 имеет диагональ 1/2.8 в видиконовых дюймах, что соответствует 6.35 мм, если учитывать общепринятые стандарты. Но дело в том, что в технической документации от Sony данная матрица имеет диагональ 6.46 мм. Все это говорит о том, что видиконовые дюймы это условная мера, по которой не получиться узнать реальные размеры матрицы.

Еще одной проблемой является тот факт, что многие производители просто не выкладывают в общий доступ информации о том, какая матрица установлена в их видеорегистраторе, что также затрудняет поиск информации.

Как же все-таки узнать размер пикселей? Для обычного покупателя остается один вариант – сопоставлять общее количество пикселей матрицы с ее размером (диагональю в видиконовых дюймах). Так, если перед вам выбор между двумя матрицами с диагональю 1/3”, но первая имеет разрешение 1920х1080 (2 Мп), а вторая 2304х1296 (3 Мп), то лучше остановить свой выбор на первой, так как она даст более качественную картинку из-за большей светочувствительности.

Для тех, кто хочет более подробной аналитики мы предлагаем воспользоваться нашими рейтингами, в которых мы учитываем реальный размер пикселей матриц.

Если кто-то все же сможет добраться до подробных характеристик, то знайте, что желательно выбирать то устройство, в котором размер пикселей не меньше 2 мкм. Идеальным размером можно считать 3 мкм.

Разработка систем на базе КМОП-видеосенсоров

Наряду с КМОП-видеосенсорами большинство производителей предлагает инженерам средства, позволяющие заметно сократить так называемое время выхода готового изделия на рынок, что в значительной степени экономит средства и время для компаний-разработчиков. Подобная практика существует во всех областях электроники, будь то аналого-цифровое преобразование сигнала, построение источника питания или проектирование системы на базе DSP (цифрового сигнального процессора).

Для решения подобных задач компания Micron Technology предлагает набор разработчика DEMO2 (рис. 6). Этот набор соединяется посредством интерфейса USB 2.0 с персональным компьютером, на котором пользователь может наблюдать полученную картинку и проводить настройку режима работы сенсора. Отдельно стоит отметить, что плата работает со всеми типами КМОП-сенсоров компании Micron Technology.

Рис. 6. Набор разработчика DEMO2

Требования к ПК:

  • Pentium 3 (450 МГц) или выше;
  • 128 MB RAM;
  • контроллер USB 2.0;
  • Widows 2000/XP.

Состав набора:

  • плата;
  • КМОП-сенсор;
  • объектив;
  • штатив для камеры;
  • программное обеспечение;
  • инструкция.

В зависимости от требований к разрабатываемому устройству набор разработчика может поставляться с 3 типами объективов: С-mount, S-mount и mini Lens (рис. 7).


Рис. 7. Виды объективов для набора разработчика DEMO2

Преимущества

  • Основное преимущество технологии КМОП — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
  • Важным преимуществом матрицы КМОП является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
  • С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
  • В дополнение к усилителю внутри пикселя, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого.
  • Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Типы матриц по применяемой технологии

  • ПЗС-матрица (CCD, «Charge Coupled Device»);
  • КМОП-матрица (CMOS, «Contact Metal Oxide Semiconductor»);
  • SIMD WRD (Wide dynamic range) матрица;
  • Live-MOS-матрица;
  • Super CCD-матрица.
  • QuantumFilm-матрица.

Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.

ПЗС-матрица

Основная статья: ПЗС-матрица

ПЗС-матрица (CCD, «Charge Coupled Device») состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Основная статья: КМОП-матрица

КМОП-матрица (CMOS, «Contact Metal Oxide Semiconductor») выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пиксела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.

SIMD WRD (Wide dynamic range) матрица, также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широту устройства.

Live-MOS-матрица

Основная статья: Live-MOS-матрица

Создана и применяется компанией Panasonic. Выполнена на основе МОП-технологии, однако содержит меньшее число соединений для одного пикселя и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Super CCD-матрица

В фотоаппаратах фирмы Fujifilm применяются матрицы, получившие название «Super CCD», в которых присутствуют зелёные пиксели двух различных размеров: большие, для малых уровней освещённости, и малые, совпадающие по размеру с синими и красными. Это позволяет увеличить фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.

QuantumFilm

Матрица на основе квантовых точек. Перспективная технология, в отличие от традиционных кремниевых чипов датчиков изображения, использование квантовых точек является более эффективным при захвате света (захват 90-95% света попадающего на сенсор), обеспечивая высокую чувствительность в условиях низкой освещённости, а также более высокий динамический диапазон. В то время как большинство традиционных датчиков изображения подвержены rolling shutter эффекту, что критично для съёмки видео.

Полноценная конкуренция

В качестве примеров мы приводили технологии Sony. Естественно, CMOS-матрицы, как и CCD, производят и другие компании, хотя не в таких масштабах и не столь известные. В любом случае все так или иначе идут примерно одним путем и используют похожие технические решения.

В частности, известная технология матриц Panasonic Live-MOS также существенно улучшает характеристики CMOS-матриц и, естественно, похожими методами. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Матрица — это основа любого фото- или видеоустройства. Она определяет качество и размер получаемого изображения. На сегодняшний день в изготовлении матриц используются два разных технологичных принципа — CCD и CMOS. Очень часто можно услышать вопрос: «Какую матрицу выбрать: CCD или CMOS?» Среди любителей фото- и видеотехники по этому поводу идут жаркие споры. В этой статье мы проведем обзор этих двух типов и попробуем разобраться, какая матрица лучше — CCD или CMOS.

Выбор матрицы фотоаппарата – что важно

Размер матрицы играет ключевую роль. Меньшие по размеру сенсоры обеспечат большую глубину резкости и будут использоваться в камерах с ультразумом. Однако, более крупные матрицы обеспечат более широкое поле зрения. Кроме того, мы можем рассчитывать на более качественные фотографии даже в условиях плохого освещения. Конечно, камеры, оборудованные таким образом, относительно дороги: их ценят самые требовательные пользователи. Поэтому нет сомнений в том, что размер сенсоров цифровых фотоаппаратов является важным критерием покупки.

Перед покупкой необходимо обратить внимание на типы матриц. В нашем руководстве мы представляем все самые популярные решения

Выбор будет зависеть от предпочтений пользователя и типа фотографий, для создания которых устройство используется. Обязательно стоит ознакомиться со всеми деталями, чтобы выбрать как подходящий тип, так и размер матрицы. Мнения, собранные в Интернете, и советы профессиональных пользователей также могут быть полезны при выборе.

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС-пикселя.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы — матрицы с карманом n-типа:1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;2 — ;3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;5 — оксид кремния;6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации ;8 — кремниевая подложка p-типа.

Микролинза субпикселя

Основная статья: Микролинзы

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Заключение

Номенклатура КМОП-датчиков от ON Semiconductor состоит из чуть более 20 изделий, включая варианты исполнения. Однако, реальные функциональные возможности уже существующих изделий ON Semiconductor покрывают не только потребности универсальных датчиков изображения, но и достаточно узкие и специализированные ниши, как например, высокоскоростная съемка, мониторинг движущихся объектов, астрономическая съемка.

Применительно к системам безопасности значительный интерес представляет биометрическая идентификация в системах контроля доступа. В этом плане IBIS4-6600 является оптимальным решением. Семейства VITA и LUPA могут найти применение в сфере обеспечения безопасности промышленных производств как высокотехнологичные элементы систем технического зрения.

Все упоминаемые в статье изделия поставляются только под заказ.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий