Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

 CMOS-сенсоры OmniVision OV2710 и Aptina AR0330

На данной страничке нашего сайта мы попробуем объяснить обычным покупателям что такое "матрица", как она работает, особенности и отличия разных матриц. Да пусть нас простят профессионалы, если наше изложение покажется им слишком примитивным, а термины неправильными. Мы не ставим цель написать научную статью, а хотим всего лишь доходчиво донести суть темы обычным пользователям. 

Сейчас появились новые современные матрицы, значительно более чувствительные и "малошумящие". Они способны формировать достаточно качественное видеоизображение в ночное время по сравнению со старыми матрицами.  OmniVision  OV2710  и Aptina AR0330 производства США. Эти матрицы давно и успешно применяются в профессиональных системах видеонаблюдения. Совсем недавно их начали устанавливать и в автомобильные видеорегистраторы и в бытовые видеокамеры. 

К сожалению, покупатели не совсем верно представляют, от чего реально зависит качество записи автомобильного видеорегистратора. Реклама сделала своё дело, и многие покупатели ищут МЕГАПИКСЕЛИ. Почти все старые матрицы имели разрешение 5МП, а новые 2.1Мп или 3.5Мп. И очень трудно объяснить покупателю, что матрица с разрешением 2.1Мп формирует более качественное изображение в условиях недостаточной освещенности, чем 5-ти мегапиксельная.

Матрица, видеоматрица, сенсор, видеосенсор - главная часть любой видеокамеры или фотоаппарата. Именно этот элемент преобразует свет в электричество. Существует две технологии производства матриц. CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП). Не углубляясь в подробности, отметим, что хорошие CCD-матрицы лучше CMOS-матриц. Но в мегапиксельном исполнении очень дороги и используются только в профессиональной технике. Поэтому производители в видеокамеры и в фотоаппараты бюджетного ценового диапазона устанавливают только CMOS-матрицы. К тому же технология CMOS развивается очень быстро. Разница в качестве между двумя технологиями не такая уж и большая. А разница в цене просто огромная.

Как устроена CMOS-матрица?

Многие знают, что такое солнечная батарея и видели её активный элемент, который преобразует солнечную энергию в электрическую. Технология CMOS-матрицы основана на этом же принципе. Вся поверхность матрицы состоит из миниатюрных активных элементов - пикселей. Каждый пиксель, под действием света, генерирует электрический заряд. Затем этот заряд считывается и обрабатывается, формируя кадр. Считыванием электрического заряда руководит специальная электронная схема. Назовём эту схему  "электронный затвор". В яркий солнечный день, заряд в каждом пикселе накапливается очень быстро. Достаточно около 1/1000 -1/10000 секунды. Ночью - наоборот, заряд накапливается очень медленно. Обычно, при недостаточной освещенности заряд накапливается в течении 1/25 - 1/30 сек. Это ограничение связано с частотой кадров. Если в одной секунде мы имеем 30 кадров, то и заряд с пиксела должен считываться 30 раз в секунду.  К сожалению, при столь большом времени накопления заряда в пикселе в 1/30 сек., в нём успевают накапливаться и "электронные" шумы. Поэтому изображение ночью так "шумит". Кроме того. Представьте, что видеокамера установлена на автомобиле и двигается со скорость хотя бы 30 км/ч. За 1/30 сек, автомобиль может пройти несколько десятков сантиметров. Вот именно поэтому, ночное изображение при движении получается размазанным. Для того что бы изображение ночью было с минимальными шумами и не было размазано, надо сделать так, что бы заряд в пикселе накапливался за более быстрое время. Не за 1/30 сек., а например, за 1/100- 1/120 сек. Конечно, можно принудительно уменьшить время экспозиции, но тогда накопленного заряда будет недостаточно, и изображение будет очень тёмным.  

Производители решают эту проблему несколькими способами:

  1. Увеличением размера самого пиксела. Больше поверхность - больше попадет света.
  2. Улучшением качества материала, из которого сделан пиксель.
  3. Установкой перед каждым пикселом микролинз. Позволяет более тщательно фокусировать световой поток.
  4. Установкой микролинз между пикселами. Позволяет фокусировать на линзы дополнительный световой поток.
  5. Применение технологий, улучшающих работу "электронного затвора".
  6. Так же можно значительно улучшить качество ночной записи применением качественного светосильного объектива перед матрицей. Но это уже зависит от производителей авторегистраторов, а не матриц.

 

Основные характеристики мегапиксельных CMOS-матриц.

 

 

  Aptina MT9P01 Aptina AR0330  OmniVision OV2710
Разрешение  5Мп  3.5Мп  2.1Мп
Кол-во пиксель 2592H x 1944V  2304H x 1296V  1920H x 1080V
Размер матрицы 1/2.5" 1/3" 1/3"
Размер пиксела 2.2μm x 2.2μm 2.2μm x 2.2μm 3.0μm x 3.0μm
Чувствительность 1.4 V/lux-sec 1.9 V/lux-sec 3.3 V/lux-sec
Динамический диапазон 70dB 72.4dB 69dB
Отношение сигнал/шум 38dB 40dB 39dB

 

 

1. Разрешение. Напрямую зависит от количества пиксель на матрице. Чем больше количество  пиксел, тем больше разрешение.

В большинстве автомобильных видеорегистраторов установлены 5-ти мегапиксельные матрицы американской фирмы Aptina  MT9P01. Она имеет 2592H x 1944V пиксель.  Но стоит учесть, что для видеозаписи с разрешением FullHD достаточно всего 1920х1080 пиксел (2.1 Мп).  Так исторически сложилось, что первые автомобильные видеорегистраторы FullHd качества с разрешением 1920х1080 появились путём доработки обычных бытовых миниатюрных видеокамер. К таким камерам бюджетного ценового диапазона не предъявляются высокие требования к качеству съемки при плохой освещенности. Кроме того, в рекламных целях, подобные камеры должны быть еще и фотоаппаратами. Именно поэтому устанавливалась матрица 5 Мп. Камера способна делать видео с разрешением 2.1 Мп и фотографировать с разрешением 5 Мп. Правда, в подавляющем большинстве автомобильных видеорегистраторов устанавливается широкоугольная оптика, которая не имеет оптического разрешения 5 Мп, поэтому фотографии получались низкого качества. Для видеозаписи используется не вся матрица, а только её центральная часть 1920H х 1080V пиксель (2.1 Мп).

Для видеозаписи в FullHD формате достаточно матрицы 2.1 Мп (перемножаем 1920х1080=2073600).

2. Размер матрицы. Обычно выражается в дюймах по диагонали. Понятно, чем больше матрица, тем крупнее размер (площадь) одного пиксела. А значит и больше света попадёт на него.

Старая матрица Aptina MT9P01 имеет размер 1/2.5". Это считается большой матрицей. Но если учесть, что на этой площади находится 5 миллионов пикселей, то каждый пиксель получается не таким уж большим, всего 2.2 микрона. Большая матрица - но маленький пиксель. А если взять только активную зону матрицы 1920 х 1080, необходимую для формирования видеосигнала, то размер этой зоны окажется меньше 1/4". Маловато.  И наоборот, на меньшей по размеру матрице 1/3" OV2710 находится всего 2.1 миллиона пикселей (напомним, этого достаточно для формирования кадра FullHD разрешения 1920 х 1080) и каждый пиксель получается довольно крупным - 3.0 микрона.  И в матрице используется вся площадь.

Большая, но 5-ти мегапиксельная матрица использует для формирования видеосигнала только центральную часть площади размером 1920х1080 пиксель, а не всю площадь.

3. Размер пиксела. Как уже писалось раньше, чем больше площадь поверхности пиксела, тем больше на него попадёт световых лучей. Значит матрица быстрее накопит электрический сигнал. Есть шанс уменьшить время экспозиции, тем самым понизить уровень шумов и эффект смазывания при недостаточной освещенности. Как видно, OV2710 имеет больший по размерам пиксел.

Чем больше пиксел, тем быстрее накопится заряд.

4. Чувствительность. Напрямую зависит от размера пиксела. Чем он больше, тем чувствительнее матрица. Как видно из таблицы, OV2710 имеет самый большой пиксель и самую большую чувствительность.  AR0330 так же имеет чувствительность выше, чем у старой матрицы, хотя размер тот же - 2.2μm x 2.2μm. Но это достигнуто новыми технологиями - усовершенствованными микролинзами перед пикселами, новой системой съема заряда и другими технологиями.

Чувствительность практически напрямую зависит от размера пиксела.

5. Динамический диапазон и отношение сигнал/шум у всех трех матриц примерно одинаков.

 

Проведенные нами исследования и испытания показали, что новые матрицы OmniVision OV2710 и APTINA AR0330 имеют примерно одинаково хорошее качество записи в условиях недостаточной освещенности. OV2710 - за счёт большого по площади пиксела. AR0330 - за счёт использования новейших технологий. Но обе матрицы имеют неоспоримое преимущество перед старой 5-ти мегапиксельной матрицей APTINA MT9P01, которую до сих пор еще применяют большинство производителей автомобильных видеорегистраторов. Следует честно признать, что даже эти современные матрицы OV2710 и AR0330 не решают проблему смазывания быстродвижущихся объектов. Т.к. даже они не способны работать в условиях недостаточной освещенности со скоростью электронного затвора меньше чем 1/30. Но данные матрицы имеют гораздо меньший уровень шумов.

Следует учесть, что качество видеозаписи так же зависит от объектива, который установлен перед матрицей. Дешёвый объектив, пропускающий мало света, может запросто свести все преимущества хорошей матрицы на минимум. И наоборот, хороший светосильный объектив может значительно повысить качество видеоизображения в ночное время даже со старой матрицей.