Επιλέγοντας αισθητήρα: CCD ή CMOS;

Το Security Manager αποκαλύπτει τι κρύβεται πίσω από τους όρους CCD και CMOS, περιγράφει τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε τεχνολογίας και προτείνει τα κριτήρια επιλογής τους.

Όταν έρχεται η ώρα επιλογής ενός συστήματος CCTV και των καμερών που θα το “επανδρώσουν” τότε πολλοί αναρωτιούνται τι κρύβεται πίσω από τους όρους CCD και CMOS που διαβάζουν στα τεχνικά εγχειρίδια των προϊόντων. Αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται για την ονομασία των δύο τύπων αισθητήρων με τους οποίους είναι εφοδιασμένες οι σύγχρονες CCTV κάμερες. Σκοπός των αισθητήρων σε μια κάμερα είναι η υποδοχή των φωτονίων που αποτελούν το μέσο μεταφοράς του φωτός και η μετατροπή τους σε ηλεκτρόνια, ώστε να δημιουργηθεί η τελική εικόνα.

Κάνοντας μια σύντομη ιστορική αναδρομή διαπιστώνουμε ότι οι αισθητήρες τύπου CCD (Charged Coupled Device) έχουν καθιερωθεί εμπορικά εδώ και περίπου τέσσερις δεκαετίες. Αντίθετα με τους αισθητήρες τύπου CMOS, των οποίων η εμπορική διάδοση και χρήση μετράει πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα.
Ενδιαφέρον όμως παρουσιάζει τόσο η ιστορική εξέλιξή τους όσο κυρίως τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζει σήμερα η κάθε τεχνολογία. Έτσι ο χρήστης θα μπορεί να διαμορφώσει μια τελική άποψη πριν επιλέξει μία κάμερα, ανάλογα με το τι αισθητήρα είναι εξοπλισμένη αυτή. Το Security Manager κάνει μια σύγκριση μεταξύ αυτών των δύο τύπων αισθητήρων, παραθέτοντας τα δυνατά σημεία αλλά και τις αδυναμίες τους.

Η εξέλιξη
Μέσω των συνεχών βελτιώσεων και τεχνολογικών εξελίξεων οι αισθητήρες CCD είναι σε θέση σήμερα να δίνουν εικόνες υψηλής ποιότητας, κάτι που ήταν δύσκολο να επιτευχθεί μέχρι πριν λίγα χρόνια, γι’ αυτό και έχουν το μεγαλύτερο μερίδιο στην αγορά. Γενικότερα άλλωστε, ήταν η ανακάλυψη και η χρήση τους που έδωσε μια άλλη διάσταση στις δυνατότητες της καταγραφής εικόνων. Γι’ αυτό το λόγο σχετικά πρόσφατα – το 2009 – οι Αμερικανοί επιστήμονες Willard Boyle και George E. Smith βραβεύθηκαν με το βραβείο Νόμπελ για την εφεύρεση των αισθητήρων CCD. Ο CCD αισθητήρας ανακαλύφθηκε το 1969 από τους δύο αυτούς επιστήμονες. Αρχικά προορίζονταν για χρήση σε εφαρμογές αποθήκευσης δεδομένων. Όμως γρήγορα διαπιστώθηκαν οι δυνατότητές του ως φωτοευαίσθητος αισθητήρας. Στο μέσο της δεκαετίας του 1970 χρησιμοποιήθηκαν οι πρώτοι αισθητήρες CCD με ικανοποιητική ανάλυση σε τηλεοπτικές κάμερες. Αντιθέτως, οι αισθητήρες τύπου CMOS (Complementary Metale Oxide Semiconductor) χρειάστηκαν περίπου άλλα δέκα χρόνια για να αναπτυχθεί η τεχνολογία επεξεργασίας τους. Ενώ ακόμα μεγαλύτερη καθυστέρηση είχε η ανάπτυξή τους για εμπορικές χρήσεις. Ως εκ τούτου ήταν στα μέσα στης δεκαετίας του 1990 που κυκλοφόρησαν οι πρώτες εμπορικές εκδόσεις τους.

Αρχή λειτουργίας
Τόσο οι αισθητήρες CMOS όσο και οι αισθητήρες CCD βασίζονται στο ίδιο φυσικό φαινόμενο. Πρόκειται για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο τα φωτόνια που είναι οι φορείς του φωτός προκαλούν την έκλυση ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια με τη σειρά τους, μέσω μιας αλληλουχίας διεργασιών δημιουργούν την τελική εικόνα. Ουσιαστικά οι αισθητήρες λειτουργούν όπως ο ανθρώπινος αμφιβληστροειδής χιτώνας, μετατρέποντας ένα φωτεινό ερέθισμα σε ηλεκτρικό σήμα.
Η μετατροπή αυτή εκτελείται από εκατομμύρια φωτοδιόδους, έτσι ώστε όσο περισσότερο φως προσπίπτει, τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται. Στη συνέχεια το σήμα ενισχύεται και μετατρέπεται σε ψηφιακό με έναν κατάλληλο μετατροπέα.
Στο παρελθόν οι αισθητήρες τύπου CMOS διέθεταν συγκριτικά με τους CCD σημαντικά λιγότερες δυνατότητες όσον αφορά στη διεργασία μετατροπής του εισερχόμενου φωτός. Η αιτία για αυτό το μειονέκτημά τους ήταν τεχνολογική, καθώς η φωτο-ευαίσθητη περιοχή του αισθητήρα CMOS περιορίζονταν μόνο σε μια μικρή περιοχή στο εικονοστοιχείο (pixel) που αντιστοιχούσε, διότι σημαντικό τμήμα του χώρου καταλαμβανόταν από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που ήταν απαραίτητα για την ανάγνωση του pixel. Στους CCD αισθητήρες ο τρόπος κατασκευής ήταν διαφορετικός, καθώς τα ηλεκτρονικά για την επεξεργασία των πληροφοριών τοποθετούνταν εξωτερικά του αισθητήρα, οπότε και ολόκληρος ο αισθητήρας χρησιμοποιούνταν ως επιφάνεια συλλογής του φωτός (φωτοευαίσθητη περιοχή).
Μία σημαντική λοιπόν διαφορά ανάμεσα στους CCD και στους CMOS είναι ότι ενώ οι πρώτοι διαθέτουν ένα ενιαίο ηλεκτρονικό κύκλωμα για την επεξεργασία όλων των pixels, οι δεύτεροι διαθέτουν ένα κύκλωμα για κάθε pixel. Ίσως αυτό φαντάζει ως πλεονέκτημα για τους αισθητήρες CMOS από πλευράς ταχύτητας επεξεργασίας, αλλά οι CCD πλεονεκτούν στο γεγονός ότι όλα τα pixels επεξεργάζονται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο. Οπότε οι αισθητήρες τύπου CMOS οι οποίοι διαθέτουν ουσιαστικά ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα για κάθε pixel, μπορεί να υπερτερούν στην ταχύτητα επεξεργασίας, υστερούν όμως στην ομοιόμορφη επεξεργασία όλων των pixels. Γιατί μπορεί θεωρητικά όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα να λειτουργούν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο, όμως μικρές κατασκευαστικές ατέλειες και διαφορές – που είναι φυσικό να υπάρχουν – συμβάλλουν στη διαφοροποίηση των offsets για κάθε pixel. Αυτό στην πράξη δημιουργεί προβλήματα στο βαθμό ευαισθησίας των CMOS αισθητήρων και τους κάνει πιο επιρρεπείς στην ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικού θορύβου. Ειδικότερα η ύπαρξη θορύβου εκφράζεται με τη χρήση του μεγέθους Fixed Pattern Noise, μέσω του οποίου απεικονίζεται ο βαθμός ύπαρξης παρεμβολών σε μία εικόνα. Πρόκειται για το γνωστό φαινόμενο, όπου σε μία εικόνα ή σε μία σκηνή η οποία έχει εγγραφεί σε συνθήκες σταθερής φωτεινότητας, υπάρχουν pixels σκοτεινότερα ή φωτεινότερα. Γενικά οι κάμερες με αισθητήρα CMOS χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερο FPN σε σχέση με τις CCD και αυτό αποτελούσε ένα από τα σημαντικά τους μειονεκτήματα και έναν από τους σημαντικότερους λόγους για την επικράτηση των CCD.
Όπως προαναφέραμε, ο χαμηλός βαθμός ευαισθησίας και οι περιορισμένες ανοχές στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο ήταν ορισμένα από τα θεμελιώδη προβλήματα των CMOS αισθητήρων. Εντούτοις, μερικές φορές παρουσιάζουν και ορισμένα πιο εξειδικευμένα προβλήματα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το ακόλουθο φαινόμενο. Ορισμένες συμβατικές κάμερες με αισθητήρες CMOS διαθέτουν για λόγους κόστους διαφράγματα τύπου rolling (rolling shutter). Η διαφορά ανάμεσα σε ένα διάφραγμα τύπου global που είναι και ακριβότερο και ενός διαφράγματος τύπου rolling, είναι ότι στο πρώτο ο φωτισμός των pixels γίνεται την ίδια ακριβώς στιγμή, ενώ στα rolling διαφράγματα ο φακός καταγράφει την εικόνα ανά γραμμή ή ανά στήλη (ανάλογα με τον αισθητήρα). Όμως τότε είναι πιθανό να εμφανιστούν φαινόμενα συνεχόμενων παραμορφώσεων στην εικόνα, γνωστά και ως artifacts, ειδικά όταν στην εικόνα περιέχονται αντικείμενα που κινούνται πολύ γρήγορα. Εντούτοις οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν επιτρέψει την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των αδυναμιών. ¶λλωστε και οι αισθητήρες CCD μπορεί να παρουσιάσουν προβλήματα στην ποιότητα της εικόνας. Μερικοί κατασκευαστές αισθητήρων CCD επιλέγουν το διαχωρισμό της εικόνας σε δύο μέρη, με το σκεπτικό της αύξησης της ταχύτητας επεξεργασίας. Τότε όμως ανακύπτει το θέμα του διαφορετικού offset ανάμεσα στα δύο μέρη, με εμφανείς επιπτώσεις στην ποιότητα της εικόνας.

Κριτήρια επιλογής.
Εντούτοις, οι αισθητήρες CMOS μπορεί να έχουν μικρότερη ευαισθησία και να είναι πιο ευάλωτοι στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο σε σχέση με τους αισθητήρες τύπου CCD, αλλά σε ορισμένους τομείς εμφανίζουν και πλεονεκτήματα. Καταρχήν έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα ηλεκτρονίων ανά pixel, δηλαδή υπερτερούν στο Full- Well Capacity όπως είναι η ονομασία αυτού του μεγέθους. Όπως γνωρίζουμε, τα ηλεκτρόνια σύμφωνα με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο – στο οποίο άλλωστε βασίζουν τη λειτουργία τους και οι δύο τύποι αισθητήρων – παράγονται από το φως. Οπότε υπερέχοντας οι CMOS στο Full-Well Capacity, σημαίνει ότι μπορούν να χειριστούν καλύτερα μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων. Τι σημαίνει όμως αυτό στην καθημερινή πρακτική; Aν θέλουμε να διαφοροποιήσουμε τους δύο αισθητήρες ανάλογα με το πώς συμπεριφέρονται σε διάφορες συνθήκες φωτισμού, θα συνοψίζαμε καταλήγοντας στο εξής: Οι αισθητήρες τύπου CCD λειτουργούν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, ενώ αντιθέτως οι CMOS αισθητήρες έχουν καλύτερη λειτουργία όταν ο φωτισμός είναι έντονος.
Μια άλλη διαφοροποίηση με βάση την οποία φαίνεται οι CMOS αισθητήρες να κερδίζουν και σε ένα άλλο πεδίο, είναι το πώς συμπεριφέρονται σε εξωτερικούς χώρους. Ήδη αναλύθηκε προηγουμένως ότι σε συνθήκες ισχυρού φωτισμού, όπως παραδείγματος χάρη σε ημέρες έντονης ηλιοφάνειας, οι CMOS αισθητήρες έχουν καλύτερα αποτελέσματα. Εμβαθύνοντας λίγο παραπάνω, μπορούμε να εστιάσουμε και σε φαινόμενα που έχουν σχέση με έντονες και ακανόνιστες συνθήκες φωτισμού. Δηλαδή, εάν ένα pixel ενός CCD αισθητήρα φωτιστεί σε πολύ μεγάλο βαθμό, τότε τα επιπλέον ηλεκτρόνια που παράγονται διοχετεύονται προς τα γειτονικά pixels, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα φαινόμενο που ονομάζεται blooming. Είναι κάτι το οποίο όμως δεν συναντάμε στους αισθητήρες CMOS. Όμως συνθήκες έντονου φωτισμού δεν έχουμε μόνο την ημέρα αλλά και κατά τη διάρκεια ορισμένων στιγμών και τη νύχτα, όταν βρισκόμαστε σε εξωτερικούς χώρους όπου το περιβάλλον δεν είναι ελεγχόμενο. Παραδείγματος χάρη, όταν στο χώρο που επιτηρεί μια κάμερα πέσουν οι προβολείς ενός διερχόμενου οχήματος. Αυτά τα πολύ φωτεινά αντικείμενα προκαλούν φωτεινές λωρίδες στην εικόνα, ενώ το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό με τον όρο smearing. Οι αισθητήρες CMOS υπερτερούν στη διαχείριση και των δύο αυτών καταστάσεων, οπότε προφανώς προκύπτει ότι αποτελούν καλύτερη επιλογή σε σχέση με τους CCD για τη χρήση σε εξωτερικούς χώρους.
Φυσικά, ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα των CMOS είναι ο τρόπος κατασκευής τους. Δηλαδή κατασκευάζονται με τη λιθογραφική μέθοδο που χρησιμοποιείται και στα ολοκληρωμένα υπολογιστικά κυκλώματα. Με αυτόν τον τρόπο υπάρχει σημαντική εξοικονόμηση στο κόστος αλλά και στο μέγεθος. Έτσι οι κατασκευαστές έχουν τη δυνατότητα να ενσωματώσουν τους αισθητήρες CMOS σε συσκευές μικρότερων διαστάσεων, ενώ παράλληλα κάνουν και σημαντικές οικονομίες κλίμακας, οπότε τα προϊόντα τους γίνονται πιο ανταγωνιστικά χωρίς να μειώνεται το περιθώριο κέρδους τους.

Συνοψίζοντας.
Αν και οι CMOS αισθητήρες καθυστέρησαν να βρουν το δρόμο τους στην αγορά των καμερών CCTV, αποτελούν πλέον έναν υπολογίσιμο αντίπαλο για τους αισθητήρες CCD. Έχοντας αντιμετωπίσει σε ικανοποιητικό βαθμό τα προβλήματα της χαμηλής φωτοευαισθησίας τους αλλά και των παρεμβολών, διεκδικούν ένα σημαντικό μερίδιο στις προτιμήσεις των κατασκευαστών, καθώς διαθέτουν και σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η ευκολία κατασκευής, η δυνατότητα μείωσης του μεγέθους των συσκευών και το χαμηλότερο κόστος. Αλλά και οι χρήστες έχουν πλέον κάθε λόγο να τοποθετούν ψηλά στις προτιμήσεις τους αυτούς τους αισθητήρες, διότι όπως είδαμε σε ορισμένες περιπτώσεις δεν αποτελούν απλώς μια εναλλακτική πρόταση, αλλά πλέον παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα. Τελικά είναι η προσεκτική αξιολόγηση της κάθε εφαρμογής και των συνθηκών που τη χαρακτηρίζουν, αυτή που θα αποτελέσει το κριτήριο επιλογής ανάμεσα στους αισθητήρες CCD και CMOS.

Του ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ ΛΥΜΠΕΡΟΠΟΥΛΟΥ