不久前，成像領域最熱門的爭論是系統(tǒng)設計師是否應該從傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器轉變?yōu)榛贑MOS的胚胎繼承者（如果是這樣的話）。快進短短幾年，技術轉型即將完成。在分辨率，幀速率，低光靈敏度等方面，除了最苛刻的應用之外，所有應用都熱情地接受了CMOS新貴。

CMOS傳感器的優(yōu)勢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供應商支持的專業(yè)工藝上制造。隨著時間的推移，這些專業(yè)工藝也越來越無法跟上其商品CMOS對應物的光刻技術發(fā)展步伐，從而導致相當高的每像素成本。最后，CMOS傳感器的傳統(tǒng)工藝基礎使得存儲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

正如工程領域中很少有黑白一樣，向CMOS過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”，導致較差的低光性能和更受限制的動態(tài)范圍。此外，CCD直接輸出每像素累積電荷，片外處理轉換為相應的電壓測量值，并從模擬域轉換到數(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轉換和其他電路，從而對每像素填充因子產(chǎn)生負面影響 - 每個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構，以及先進的像素設計和互連技術，可以在一定程度上抵消填充因子的缺點（見圖2）。然而，它們并不是一個完美的解決方案，并且與例如微透鏡的替代方案相比，它們的包含會對傳感器制造成本產(chǎn)生負面影響。背面照明是一種設計技術，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的低光性能缺點（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 - 在給定尺寸的硅片上隨時間推移實現(xiàn)更高水平的電路集成的趨勢 - 通常對半導體制造的器件友好。然而，這一消息對于圖像傳感器來說并不那么令人鼓舞。縮小像素尺寸以尋找更高的像素數(shù)，并且除了填充因子缺點之外，您還固有地減少了每個像素的傳感器在給定時間段內(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商的產(chǎn)品在爬上分辨率階梯時也實現(xiàn)了類似的像素尺寸縮減。如果您試圖通過放大來自像素的信號來抵消減少的光子數(shù)量趨勢，您也會放大噪聲。結果，作為在線消費者反饋數(shù)據(jù)庫的粗略細讀將很快揭示，與較新的和所謂的“更好”的相機相比，豐富的用戶感到沮喪，這些相機比較低分辨率的前輩提供更差的整體圖像。

記憶，處理負擔

噪聲和其他令人震驚的神器填充快照并不是您在Amazon.com的反饋頁面和其他志同道合的網(wǎng)站上遇到的唯一主題。另一個常見的抱怨涉及慢速快門按鈕按下圖像捕獲速度，以及相關的長按快照 - 延遲 - 相當于視頻捕獲中低幀速率的靜止圖像。這兩個因素基本上與增加的每圖像分辨率有關，因此導致每圖像處理負擔增加。簡單的數(shù)學突出了根本原因 - 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抑制高分辨率的感應噪聲。點擊摩爾定律趨勢也會影響圖像處理器的能力。邏輯集成和時鐘速度的改進在某種程度上具有抵消傳感器分辨率驅動的增加的處理需求。幸運的是，圖像壓縮和其他處理任務特別適合并行處理技術。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）的設計需要比更小分辨率的替代設計方法更大，更昂貴且更耗電的圖像處理器。 。另請注意，高價處理器不會是唯一會對總物料清單成本產(chǎn)生負面影響的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來保存它們（以及它們的中間副本）。更多和更大的存儲器設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，而不需要依賴獨立的存儲設備。

存儲和傳輸需求

處理完成后，在移動到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器中存儲一段時間。未壓縮的圖像存檔不僅需要非常快的存儲寫入速度 - 尤其是涉及高分辨率時 - 還需要令人畏懼的存儲容量，以實現(xiàn)合理的靜態(tài)圖像計數(shù)和視頻捕獲時間。因此，有損壓縮常常用于縮小每幀有效載荷，同時保留原始無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顯著減少字節(jié)數(shù)，源內(nèi)容的分辨率也會越大，該內(nèi)容的壓縮版本越大。有損壓縮算法中的世代演進，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數(shù)，幾乎沒有顯著增加的結果文件大小。但是，一代算法增量通常需要近乎指數(shù)級地增加所需的處理能力和臨時內(nèi)存占用。為了追求特定的文件大小的愿望，對圖像進行壓縮的越積極，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誤。

更新的壓縮算法本質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，它們的復雜性往往也會導致不兼容。例如，MPEG-4包含各種各樣的零件和級別。例如，通常稱為“MPEG-4”的變體 - 或者也稱為H.264，AVC和JVT - 用于休閑術語，嚴格來說是MPEG-4 Part 10，它仍然包含17種不同的Profile版本。相反，通過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（或相同的視頻運行時），但您可以使用較不復雜且更廣泛支持的算法，例如MJPEG。點擊考慮到非無限存儲容量，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，必須從存儲的字節(jié)到傳輸?shù)奈坏囊暯寝D換。在“實時”流應用程序（例如視頻會議）的情況下，不存在臨時非易失性存儲使用。現(xiàn)代有線協(xié)議，例如USB 2.0，F(xiàn)ireWire 400和100 Mbps以太網(wǎng)，幸運地為許多靜態(tài)圖像和視頻傳輸應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）等技術后繼者將這一成功擴展到高清時代，在某些情況下，通過從銅纜遷移到光纖作為物理互連介質。

帶寬情況并不像無線本地網(wǎng)絡技術那樣樂觀，當傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超出局域網(wǎng)擴展到有線或無線廣域網(wǎng)時，也不會樂觀。這些情況下的峰值帶寬是一個數(shù)量級或更低，可靠的持續(xù)速度仍然較低。

經(jīng)濟驅動因素也值得考慮。寬帶和蜂窩服務提供商希望不會淹沒其網(wǎng)絡的用戶導致帶寬上限和昂貴的超額費用，以及在繁重的網(wǎng)絡負載時間范圍內(nèi)使用時觸發(fā)的中間帶寬“限制”，特別是如果它超過了最差記錄的閾值。 br》典型的用戶不會理解 - 并且就此而言不應該理解 - 這些挫折的根本原因。例如，所有用戶都知道，圖片需要很長時間才能上傳，視頻口吃，并且每月服務費用大大高于應有的水平。所有這些都是令人信服的理由，為什么你應該認真考慮在你的設計中包含一個分辨率低得多的圖像傳感器，而不是“更多像素更好”的簡單透視可能會建議。

應用要求誠實地問自己和你的營銷對手只需要什么圖像分辨率來滿足用戶的視覺質量期望。市場已經(jīng)證明，與靜止圖像相比，視頻的“動態(tài)圖像”特性放松了每幀的分辨率要求，而靜止圖像本質上可以接受更嚴格的觀眾審查。

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

技術老手也可能還記得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準。即使是美國ATSC數(shù)字電視標準的最高分辨率變體，只需要1920 x 1080像素，每幀2 MP - 或換句話說，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。即使您假設用戶以相對高質量的300 dpi設置打印出圖像，5 MP傳感器也會生成無插值的6“x 8”輸出鏡頭。

更常見的低dpi打印將實現(xiàn)更高的效果來自5 MP源的原始分辨率圖片。即使您積極裁剪原始圖像，仍然可以生成高質量的快照照片。現(xiàn)在，推斷并考慮來自現(xiàn)代14 MP傻瓜相機的高質量照片的大小。現(xiàn)代像素插值技術可以進一步擴展這些功能。難怪越來越多的技術分析師和記者，更不用說知識淵博的用戶，現(xiàn)在聲稱百萬像素‘競賽’結束了嗎？

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，提供了一個有趣的案例研究，說明設計團隊如何在定義和開發(fā)成像子系統(tǒng)時平衡競爭和經(jīng)常相互矛盾的權衡（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議應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分辨率能夠捕獲標準清晰度靜止圖像以及高達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手機的升級，但低于獨立相機的功能（見表1） 。然而，當iPhone 4成為Flickr?照片共享網(wǎng)站上最受歡迎的圖像來源時，它最近取得了顯著的指標。

圖3： iPad?2和第四代iPod?touch?首次為平臺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)品系列的第一個版本，其中包括一個圖像傳感器 - 實際上是兩個。前置傳感器規(guī)格模仿了iPhone 4，再次考慮到FaceTime及其視頻會議。然而，與之前三個月的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前身沒有提供圖像捕捉功能。可以說，iPad 2的背部安裝圖像傳感器可能主要用于競爭定位原因。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5 MP的后置攝像頭，即使沒有最佳證據(jù)表明任何用戶都使用任何平板電腦作為靜態(tài)和攝像機替代品