不久前，成像領(lǐng)域最熱門的爭(zhēng)論是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師是否應(yīng)該從傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榛贑MOS的胚胎繼承者（如果是這樣的話）?？爝M(jìn)短短幾年，技術(shù)轉(zhuǎn)型即將完成。在分辨率，幀速率，低光靈敏度等方面，除了最苛刻的應(yīng)用之外，所有應(yīng)用都熱情地接受了CMOS新貴。

CMOS傳感器的優(yōu)勢(shì)只是摩爾定律不可避免的最新案例研究。 CCD傳感器的重模擬電路依賴性意味著它們只能在一小部分代工廠和自保晶圓廠IC供應(yīng)商支持的專業(yè)工藝上制造。隨著時(shí)間的推移，這些專業(yè)工藝也越來(lái)越無(wú)法跟上其商品CMOS對(duì)應(yīng)物的光刻技術(shù)發(fā)展步伐，從而導(dǎo)致相當(dāng)高的每像素成本。最后，CMOS傳感器的傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)使得存儲(chǔ)器和邏輯處理模塊與像素電路可選地集成在一起。

傳感器缺點(diǎn)

正如工程領(lǐng)域中很少有黑白一樣，向CMOS過(guò)渡傳感器已被證明是一種混合的祝福。 CMOS傳感器顯示出比CCD更高的“暗電流”，導(dǎo)致較差的低光性能和更受限制的動(dòng)態(tài)范圍。此外，CCD直接輸出每像素累積電荷，片外處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓測(cè)量值，并從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。

相反，CMOS傳感器嵌入了電荷 - 電壓功能模塊，以及放大，A/D轉(zhuǎn)換和其他電路，從而對(duì)每像素填充因子產(chǎn)生負(fù)面影響 - 每個(gè)像素用于光子捕獲的總硅片面積的百分比其他函數(shù)（參見圖1）。

圖1：CMOS傳感器增加的片上外圍電路導(dǎo)致較低的填充因子（裸片的百分比用于光子捕獲與其他功能相比）與CCD前體相比。 （由Eastman Kodak提供）。

微透鏡和位于像素上方的其他類似功能結(jié)構(gòu)，以及先進(jìn)的像素設(shè)計(jì)和互連技術(shù)，可以在一定程度上抵消填充因子的缺點(diǎn)（見圖2）。然而，它們并不是一個(gè)完美的解決方案，并且與例如微透鏡的替代方案相比，它們的包含會(huì)對(duì)傳感器制造成本產(chǎn)生負(fù)面影響。背面照明是一種設(shè)計(jì)技術(shù)，可重置有源矩陣晶體管及其在像素光敏層下方的互連跡線，也可改善低環(huán)境光照效果。

圖2：位于圖像傳感器像素（a）陣列（b）上方的微透鏡減少但不消除與填充因子相關(guān)的低光性能缺點(diǎn)（c），隨著像素尺寸減小，變得更加尖銳。 （由Eastman Kodak提供）。

前面提到的摩爾定律趨勢(shì) - 在給定尺寸的硅片上隨時(shí)間推移實(shí)現(xiàn)更高水平的電路集成的趨勢(shì) - 通常對(duì)半導(dǎo)體制造的器件友好。然而，這一消息對(duì)于圖像傳感器來(lái)說(shuō)并不那么令人鼓舞?？s小像素尺寸以尋找更高的像素?cái)?shù)，并且除了填充因子缺點(diǎn)之外，您還固有地減少了每個(gè)像素的傳感器在給定時(shí)間段內(nèi)可以捕獲和累積的光子數(shù)量。例如，看看Aptina在Digi-Key產(chǎn)品目錄中的產(chǎn)品，你會(huì)注意到雖然VGA分辨率傳感器的像素尺寸約為6 x6μm，但Aptina的5 MP傳感器將每像素尺寸減小到~2.2 x2.2μm，更高分辨率的產(chǎn)品縮小到更小的1.67 x1.67μm像素度量。

其他圖像傳感器供應(yīng)商的產(chǎn)品在爬上分辨率階梯時(shí)也實(shí)現(xiàn)了類似的像素尺寸縮減。如果您試圖通過(guò)放大來(lái)自像素的信號(hào)來(lái)抵消減少的光子數(shù)量趨勢(shì)，您也會(huì)放大噪聲。結(jié)果，作為在線消費(fèi)者反饋數(shù)據(jù)庫(kù)的粗略細(xì)讀將很快揭示，與較新的和所謂的“更好”的相機(jī)相比，豐富的用戶感到沮喪，這些相機(jī)比較低分辨率的前輩提供更差的整體圖像。

記憶，處理負(fù)擔(dān)

噪聲和其他令人震驚的神器填充快照并不是您在Amazon.com的反饋?lái)?yè)面和其他志同道合的網(wǎng)站上遇到的唯一主題。另一個(gè)常見的抱怨涉及慢速快門按鈕按下圖像捕獲速度，以及相關(guān)的長(zhǎng)按快照 - 延遲 - 相當(dāng)于視頻捕獲中低幀速率的靜止圖像。這兩個(gè)因素基本上與增加的每圖像分辨率有關(guān)，因此導(dǎo)致每圖像處理負(fù)擔(dān)增加。簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)突出了根本原因 - 5 MP（~259 x 1944有源像素）傳感器的VGA（640 x 480有源像素）兄弟像素的像素是其16倍以上，需要更多的處理能力來(lái)抑制高分辨率的感應(yīng)噪聲。點(diǎn)擊摩爾定律趨勢(shì)也會(huì)影響圖像處理器的能力。邏輯集成和時(shí)鐘速度的改進(jìn)在某種程度上具有抵消傳感器分辨率驅(qū)動(dòng)的增加的處理需求。幸運(yùn)的是，圖像壓縮和其他處理任務(wù)特別適合并行處理技術(shù)。盡管如此，在所有其他因素相同的情況下，基于更高分辨率的靜止圖像（或視頻中的幀）的設(shè)計(jì)需要比更小分辨率的替代設(shè)計(jì)方法更大，更昂貴且更耗電的圖像處理器。 。另請(qǐng)注意，高價(jià)處理器不會(huì)是唯一會(huì)對(duì)總物料清單成本產(chǎn)生負(fù)面影響的IC。在初始捕獲，最終歸檔和最終傳輸之間的處理功能序列期間，更多像素需要更多RAM來(lái)保存它們（以及它們的中間副本）。更多和更大的存儲(chǔ)器設(shè)備意味著更多的成本，更多的功率消耗（包括DRAM的定期刷新），需要更多的接口引腳，以及更多的電路板空間消耗。相反，使用低分辨率傳感器的輸出，您甚至可以在SoC中利用嵌入式RAM陣列，而不需要依賴獨(dú)立的存儲(chǔ)設(shè)備。

存儲(chǔ)和傳輸需求

處理完成后，在移動(dòng)到HDD，光盤，磁帶或閃存之前，所得到的靜止圖像或視頻幀序列經(jīng)常在駐留的非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一段時(shí)間。未壓縮的圖像存檔不僅需要非常快的存儲(chǔ)寫入速度 - 尤其是涉及高分辨率時(shí) - 還需要令人畏懼的存儲(chǔ)容量，以實(shí)現(xiàn)合理的靜態(tài)圖像計(jì)數(shù)和視頻捕獲時(shí)間。因此，有損壓縮常常用于縮小每幀有效載荷，同時(shí)保留原始無(wú)損圖像的可接受的近似值。

盡管如此，即使考慮到有損壓縮后通常會(huì)顯著減少字節(jié)數(shù)，源內(nèi)容的分辨率也會(huì)越大，該內(nèi)容的壓縮版本越大。有損壓縮算法中的世代演進(jìn)，例如從用于視頻的MPEG-2到MPEG-4或VC-1，或用于從JPEG到JPEG XR或用于靜止圖像的WebP，在概念上允許更高的像素?cái)?shù)，幾乎沒(méi)有顯著增加的結(jié)果文件大小。但是，一代算法增量通常需要近乎指數(shù)級(jí)地增加所需的處理能力和臨時(shí)內(nèi)存占用。為了追求特定的文件大小的愿望，對(duì)圖像進(jìn)行壓縮的越積極，得到的材料的觀看者就越有可能辨別出令人分心的偽像錯(cuò)誤。

更新的壓縮算法本質(zhì)上也不如他們的更多支持成熟的前輩，即使在所謂的“支持”系統(tǒng)中，它們的復(fù)雜性往往也會(huì)導(dǎo)致不兼容。例如，MPEG-4包含各種各樣的零件和級(jí)別。例如，通常稱為“MPEG-4”的變體 - 或者也稱為H.264，AVC和JVT - 用于休閑術(shù)語(yǔ)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是MPEG-4 Part 10，它仍然包含17種不同的Profile版本。相反，通過(guò)使用較低分辨率的圖像傳感器，您可以捕獲與以前相同數(shù)量的圖片（或相同的視頻運(yùn)行時(shí)），但您可以使用較不復(fù)雜且更廣泛支持的算法，例如MJPEG。點(diǎn)擊考慮到非無(wú)限存儲(chǔ)容量，本地存檔的內(nèi)容必須遲早在其他地方重新定位，在這種情況下，必須從存儲(chǔ)的字節(jié)到傳輸?shù)奈坏囊暯寝D(zhuǎn)換。在“實(shí)時(shí)”流應(yīng)用程序（例如視頻會(huì)議）的情況下，不存在臨時(shí)非易失性存儲(chǔ)使用?，F(xiàn)代有線協(xié)議，例如USB 2.0，F(xiàn)ireWire 400和100 Mbps以太網(wǎng)，幸運(yùn)地為許多靜態(tài)圖像和視頻傳輸應(yīng)用提供了足夠的帶寬。諸如USB 3.0，F(xiàn)ireWire?800，GbE和英特爾支持的Thunderbolt?（以前的LightPeak）等技術(shù)后繼者將這一成功擴(kuò)展到高清時(shí)代，在某些情況下，通過(guò)從銅纜遷移到光纖作為物理互連介質(zhì)。

帶寬情況并不像無(wú)線本地網(wǎng)絡(luò)技術(shù)那樣樂(lè)觀，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超出局域網(wǎng)擴(kuò)展到有線或無(wú)線廣域網(wǎng)時(shí)，也不會(huì)樂(lè)觀。這些情況下的峰值帶寬是一個(gè)數(shù)量級(jí)或更低，可靠的持續(xù)速度仍然較低。

經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素也值得考慮。寬帶和蜂窩服務(wù)提供商希望不會(huì)淹沒(méi)其網(wǎng)絡(luò)的用戶導(dǎo)致帶寬上限和昂貴的超額費(fèi)用，以及在繁重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)間范圍內(nèi)使用時(shí)觸發(fā)的中間帶寬“限制”，特別是如果它超過(guò)了最差記錄的閾值。 br》典型的用戶不會(huì)理解 - 并且就此而言不應(yīng)該理解 - 這些挫折的根本原因。例如，所有用戶都知道，圖片需要很長(zhǎng)時(shí)間才能上傳，視頻口吃，并且每月服務(wù)費(fèi)用大大高于應(yīng)有的水平。所有這些都是令人信服的理由，為什么你應(yīng)該認(rèn)真考慮在你的設(shè)計(jì)中包含一個(gè)分辨率低得多的圖像傳感器，而不是“更多像素更好”的簡(jiǎn)單透視可能會(huì)建議。

應(yīng)用要求誠(chéng)實(shí)地問(wèn)自己和你的營(yíng)銷對(duì)手只需要什么圖像分辨率來(lái)滿足用戶的視覺(jué)質(zhì)量期望。市場(chǎng)已經(jīng)證明，與靜止圖像相比，視頻的“動(dòng)態(tài)圖像”特性放松了每幀的分辨率要求，而靜止圖像本質(zhì)上可以接受更嚴(yán)格的觀眾審查。

畢竟，即使是入門級(jí)VGA傳感器也能夠支持DVD視頻格式的480線分辨率要求。

技術(shù)老手也可能還記得AppleQuickTime?，Intel的初始迭代提供的郵票大小的視頻Indeo?和其他早期視頻播放標(biāo)準(zhǔn)。即使是美國(guó)ATSC數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的最高分辨率變體，只需要1920 x 1080像素，每幀2 MP - 或換句話說(shuō)，每1080i隔行掃描1 MP。即使有靜止圖像，您的用戶可能需要的像素比他們想象的要少，特別是如果它們還需要其他屬性，例如出色的低光質(zhì)量，快速快速拍攝和快速捕捉速度以及快速圖像卸載速率。即使您假設(shè)用戶以相對(duì)高質(zhì)量的300 dpi設(shè)置打印出圖像，5 MP傳感器也會(huì)生成無(wú)插值的6“x 8”輸出鏡頭。

更常見的低dpi打印將實(shí)現(xiàn)更高的效果來(lái)自5 MP源的原始分辨率圖片。即使您積極裁剪原始圖像，仍然可以生成高質(zhì)量的快照照片?，F(xiàn)在，推斷并考慮來(lái)自現(xiàn)代14 MP傻瓜相機(jī)的高質(zhì)量照片的大小。現(xiàn)代像素插值技術(shù)可以進(jìn)一步擴(kuò)展這些功能。難怪越來(lái)越多的技術(shù)分析師和記者，更不用說(shuō)知識(shí)淵博的用戶，現(xiàn)在聲稱百萬(wàn)像素‘競(jìng)賽’結(jié)束了嗎？

Apple的方法

Apple的iPad?2平板電腦，以及公司的之前推出的iPod?touch和iPhone?4兄弟姐妹，提供了一個(gè)有趣的案例研究，說(shuō)明設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如何在定義和開發(fā)成像子系統(tǒng)時(shí)平衡競(jìng)爭(zhēng)和經(jīng)常相互矛盾的權(quán)衡（見圖3）。 iPhone 4于2010年6月上市銷售，是第一款包含用于視頻會(huì)議應(yīng)用的前置圖像傳感器的iPhone系列，如Apple的FaceTime?。

iPhone 4前置傳感器的VGA分辨率能夠捕獲標(biāo)準(zhǔn)清晰度靜止圖像以及高達(dá)30 fps的480p視頻。配套的后置式圖像傳感器，用于傳統(tǒng)的圖像捕捉應(yīng)用，支持5 MP靜態(tài)照片和720p，30 fps高清視頻，均代表上一代Apple手機(jī)的升級(jí)，但低于獨(dú)立相機(jī)的功能（見表1） 。然而，當(dāng)iPhone 4成為Flickr?照片共享網(wǎng)站上最受歡迎的圖像來(lái)源時(shí)，它最近取得了顯著的指標(biāo)。

圖3： iPad?2和第四代iPod?touch?首次為平臺(tái)系列引入了圖像捕捉功能。 （由Apple提供）。

ProductFront camera前置攝像頭（視頻）后置攝像頭（靜態(tài)）后置攝像頭（視頻）iPhoneN/AN/A1600 x 1200N/AiPhone 3N/AN/A1600 x 1200N/AiPhone 3SN/AN/A2048 x 1536480p 30 fps（受Apple約束;傳感器支持720p）iPhone 4640 x 480480p 30 fps2592 x 1936720p 30 fps

2010年9月推出的第四代iPodtouch?是該特定產(chǎn)品系列的第一個(gè)版本，其中包括一個(gè)圖像傳感器 - 實(shí)際上是兩個(gè)。前置傳感器規(guī)格模仿了iPhone 4，再次考慮到FaceTime及其視頻會(huì)議。然而，與之前三個(gè)月的iPhone 4相比，背部安裝的傳感器基本上具有分辨率上限，“僅”支持0.7 MP（960 x 720像素）靜止圖像，以及720p 30 fps視頻。同樣的iPod touch傳感器套件也在2011年3月推出iPad 2，其第一代iPad前身沒(méi)有提供圖像捕捉功能?？梢哉f(shuō)，iPad 2的背部安裝圖像傳感器可能主要用于競(jìng)爭(zhēng)定位原因。替代平板電腦，例如基于Android?的平板電腦，摩托羅拉Xoom?提供的靜態(tài)圖像分辨率高達(dá)5 MP的后置攝像頭，即使沒(méi)有最佳證據(jù)表明任何用戶都使用任何平板電腦作為靜態(tài)和攝像機(jī)替代品