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1、CCD与CMOS摄像头 在智能车竞赛中的选择 首先，我们通过一篇来自网络的文章，从CCD和CMOS技术本身，来了解他们的区别。 文章来自网络： = 有鉴于许多网友询问CCD与CMOS的主要差别。我们暂时撇开复杂的技术文字，透过简单的比较来看这两种不同类型，作用相同的影像感光元件不管CCD或CMOS，基本上两者都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能电 池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。 比较CCD和CMOS的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。简单的
2、说，按我们在上一讲“CCD感光元件的工作原理（上）”中所提之内容。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。 两者优缺点的比较 CCD CMOS 灵敏度 同样面积下高 感光开口小，灵敏度低 成本 成本高 CMOS整合集成，成本低 解析度 连接复杂度低,解析度高 低，新技术高 噪点比 单一放大，噪点低 百万放大，噪点高 功耗比 需外加电压，功耗高 直接
3、放大，功耗低 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至 单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 整体来说，CCD与CMOS两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异： ISO感光度差异：由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CC
4、D。 成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加ADC等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。 解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS感光
5、原件已经可达到1400万像素全片幅的设计，CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-by-36mm这样的大小。 噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的ADC放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。 耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加
6、电压通常需要12V以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。 = 文章到此为止，下面我们来讨论智能车比赛中，关于摄像头的选择。 重量和体积： 图中，左边是CMOS摄像头，右边的是CCD摄像头。很明显，CMOS体积可以做到非常小，而CCD，因为存在复杂的驱动电路，PCB面积至少需要4cm*4cm的空间。 重量上，因为体积和远见数量的区别，CMOS摄像头也优于CCD，大约有30%-50%的重量差别。 这个重量的差异，随摄像头安装的位置的不同而对整个赛车的稳定性有不同的影响。摄像头安装的位置越高，摄像头重量对赛车重心的影响越高。好在目
7、前的趋势看来，摄像头的安装高度越来越低，以至于这种重量的区别对赛车重心的影响也随之减小。 另外CMOS摄像头有一种数字式的摄像头，它在重量和体积上和CCD摄像头不相上下，因为其引出了三十多根信号线，实际安装的重量和体积较CCD摄像头还要臃肿，这是个特例。 噪声 在图像噪声方面，CCD明显好于CMOS摄像头。这一点是这两种技术本身先天决定的，CMOS的工艺无法保证几万个感光点的一致性，而CCD因为所有感光点均通过一个电荷-电压转换器，一致性可以得到很好的保障。 图像的噪声，在智能车比赛中，影响不是特别大。因为拍摄图像只有全白全黑两种，来自传感器的电平轻微跳动，还不至于影响到赛道的识别。同时在一个
8、设计不良的采集电路中，来自A/D模块的误差，也足以掩盖来自传感器的误差噪声，这一点却没有引起很多人的重视。 因此，我认为图像传感器的噪声不足以影响智能车比赛中对黑线的识别，因此可以在摄像头选型时，作为优先级较低的一个参考标准。而在其他需要高分辨率图像采集和识别的应用中，两种传感器的图像质量差别，还是需要引起一定的重视的。 解析度 针对智能车使用单片机对图像型号进行采集的应用，解析度的高低直接关系到采集的难度。 我们知道，标准的视频信号每秒有50或60场图像，这是固定不变的。越高的分辨率，包含了越多的行数。即在20ms的时间内，有更多的行数，以至于每行图像所占用的时间越少。 一个30万像素的摄像
9、头，每一场输出312.5行图像，行周期为64us。我们希望采集的分辨率越高，就需要在64us的时间内采样更多的点数。这就需要更快的A/D转换器，例如片外高速视频A/D。 既然单片机的速度远远跟不上视频信号的速度，那么选用越低分辨率的摄像头，图像采集的效果反而越好，因为每行图像有更多的时间留给MCU进行采集。 目前能买到的摄像头中，30万像素的是最佳选择，而130万像素就不适合了。 感光度 感光度的差别，在智能车应用中非常重要，这一点是我第一次公开提出。感光度，就是对光线的敏感程度。感光度越高，其在较低光照条件下能获得越明亮的图像，也直接决定了感光器件拍摄图像的曝光时间长度。 CCD的感光度大约
10、是CMOS的3-10倍1，这时在同样的光照条件下，要拍摄同样亮度的图像，CMOS的曝光时间将会是CCD的3-10倍。 随着车速的不断提高，这一点越来越影响到智能车竞赛中摄像头小车的性能。我们知道，拍照时手不能抖这个道理，抖了画面就糊了。这个简单的常识在智能车中同样适用。在高速下，曝光时间越短，所拍摄的画面越清晰，曝光时间越长，拖影越严重，画面越模糊。 根据这个原理，同样光照条件下，CCD在高速运动下拍摄的画面效果应该要比CMOS高一个等级。这对于目前每秒前进4米的模型车而言，是至关重要的。 电能和功耗 影响CCD在嵌入式中应用的一个重要原因，就是供电和功耗。首先，CCD1http:/ 需要12
11、V供电，对智能车竞赛而言，这就意味着需要额外给CCD设置一个升压电路。这意味着成本和体积的增加。还好，越来越多的队伍在智能车电机驱动部分开始采用MOS管驱动的方式，而MOS管栅极电压很多都需要12V，因此两路电源合二为一，提高了电源的利用率。 不能否认，CCD确实是耗电大户，工作时散发的热量足以烫手。对于电池供电的系统来说，每一点电能的节约都至关重要。从节能角度来说，CCD真的有点不适合，随着技术的发展，目前CCD单板机需要的电流已经从开始的150mA降到了现在的50mA，但是别忘记，CCD的供电是12V，这么看来，功耗依然很大。 而CMOS在这方面大出风头，5V供电和微功耗，足以让CCD汗颜
12、。 关于数字CMOS摄像头 在第四届比赛中，流行采用CMOS数字摄像头作为采集器件。本人也曾经是数字摄像头的推崇者，在第二届智能车比赛中率先使用OV7620摄像头，并且两个队伍均获得了当时华南第一第三，全国一等奖的成绩，足以证明数字摄像头的能力。 但是，经过实际调试和比赛，让我深深觉得数字摄像头在智能车比赛中并不是最佳选择。其原因有三： 一、体积和重量大。这个体积和重量不仅仅包括摄像头本身，还包括引出摄像头的32根数据线，采集需要的各种逻辑器件的总和。 这是本人在第二届比赛中制作的智能车摄像头部分，除了摄像头外，还有一块处理三个同步信号的摄像头板和32位的排线，比较臃肿，在第二届全国决赛中，随
13、着车速的进一步提高，重量太大导致重心提高的劣势进一步显现，以至于没有跑出最好成绩。 二、采集难度较大。现在网上流传的采集方法，是当行同步信号开始有效时，连续读取CMOS的数据输出口，而无视PCLK像素同步信号。这种方法可以获得较高的采集分辨率，但也是非常不严谨的，并行数据口在没有同步时钟的情况下，非常容易丢失数据和读到错误的数据。这一点在最近我的试验中得到了验证，而绝非有人所说的忽略PCLK同步信号对图像采集没有影响。而正统的采集方法，应该是本人所提出的，配合逻辑芯片对同步信号进行处理，使用FIFO存储器暂存图像数据，以匹配CMOS和MCU之间的速度差。这造成了板上需集成大量逻辑器件和增加一片
14、高速FIFO，系统复杂度进一步增加。关于这种采集方法，可以参考本人写的文章基于S12单片机的循迹小车视觉系统设计与优化。 三、配置复杂。数字CMOS传感器提供了非常多的IIC总线寄存器供用户配置，这大大提高了芯片的灵活性，但也增加了调试和配置的难度。想要数字CMOS输出对比度和亮度完美的图像，需要对CMOS中多个寄存器进行配置，进行手动曝光和对比度调整，不断调试。同时因为手动设置的原因，造成了对环境光变化的适应性反而降低，改变环境后需重新调试曝光参数，这一点希望引起各位的重视。 总结 对于智能车竞赛需要的摄像头选型，应当从本文提出的几个方面进行考虑，与自身实际情况结合，选用最适合的方案，而没有一个黄金定律说哪个绝对强于哪个。文中如有纰漏，欢迎与我交流。
