Éleslátás

1. CCD vs CMOS. Miért CMOS?

Régi vita ez. Sony Ericssonos berkekben akkor élesedett ki igazán, amikor a K750 megjelent a piacon. Korábban senkit sem zavart, hogy a K750-et megelőző típusokban CMOS képérzékelő van, de a K750 2 megapixeles kamerája már felkavarta ezt az állóvizet. Különösen, mikor kiderült, hogy a K750 első néhány ezer darabos szériája CCD-vel jelent meg (ezekből nagy valószínűséggel nem is került hozzánk legfeljebb néhány darab), aztán a következő - és a mai napig gyártott - szériák már CMOS képérzékelőt kaptak. Ekkor óriási viták kezdődtek a CCD-CMOS témájában, és tartottak ezek a viták egészen addig, amíg be nem bizonyosodott, hogy (sok okból persze) az égadta világon semmilyen különbség nem tapasztalható a készített képek között.

A CCD és a CMOS technológiák lényegében azonos elven működnek, mégis eltérések vannak köztük. Mindkét technológia óriási múlttal rendelkezik, a CCD előbb jelent meg, és megjelenésekor elsősorban a professzionális digitális képalkotás (mozgókép-felvétel) céljait szolgálta, majd rövidesen teret nyert a nagy szériában gyártott digitális fényképezőgépekben is. A CMOS technológiát 1993-ban az űrkutatás miniatürizálási igényeihez fejlesztette ki a NASA.
A funkciójuk azonos egy kamerán belül: a külvilágról egy lencserendszeren keresztül érkező fényt digitális jelekké alakítani. A mindkét eszközre jellemző elvet az alábbi kép mutatja.

Mi hát a különbség a CCD (Charge Coupled Device) és a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) között?
A két technológia eltéréseit az alábbi két kép szemlélteti:

A CCD működési elve:

A CMOS működési elve:

A két képet jobbról balra irányba érdemes szemlélni. A felső képen (CCD) látjuk, hogy a képérzékelő lapka egy önálló egység, amelyhez baloldalon különféle elektronikai elemek csatlakoznak, annak érdekében, hogy a szenzoron keletkező elektromos impulzusokat értelmezni lehessen.
Az elvet maga az elnevezés is mutatja CCD (angolul: Charge Coupled Device), azaz töltéscsatolt eszköz. Az objektíven át beérkező fény egy ún. Bayer-szűrőn keresztül a fényérzékelő mátrixra vetül. A Bayer-mátrix hálópontjaiban CCD cellák (pixelek) állnak. Mindegyik pixelre csak egy-egy alapszín érkezik. Az expozíció alatt minden egyes CCD-t feltöltenek a becsapódó fotonok. Így a CCD-k töltése arányos lesz a beérkező fotonok számával, azaz az egyes pontokra beérkező fénymennyiséggel. Ezután minden egyes CCD cella töltésmennyiségét egy analóg/digitális átalakítás után továbbítják a feldolgozó-áramkör felé, amely előállítja a digitális kép egy színkomponensét. Ezt a soros feldolgozást jól szemlélteti a kép is. A lapkáról leolvasható a foton-elektron konverzió, majd sorosan történhet az elektronok mennyiségarányos feszültséggé alakítása. Mivel mindegyik cella-pixel egyszerre csak egy alapszín tulajdonságait közvetítheti, az RGB alapszinek mindegyikének feldolgozásához sorban megismétlődik a folyamat, úgy is mondhatjuk, hogy a kép ezt a két lépést sorban megismétli minden alapszín esetén.
Látjuk a CMOS elvét mutató képen, hogy itt viszont a Bayer-szűrőről érkező fényt az egyes cellák egy ütemben feldolgozzák, és párhuzamosan megvalósítják a foton-elektron és az elektron-feszülség konverziót.
A képalkotás digitális jelekké történő alakítása mindkét esetben egy sor-oszlop mátrix összehangolást biztosító áramkörrel történik, amelyet egy oszcillátor mintavétellel vezérelnek, de a CMOS esetében az áramkör "korábban" lép működésbe, és minden elemi munkafázisban részt vesz.

Nagyon leegyszerűsítve - és eltekintve a bonyolultabb fizikai és elektronikai részletektől - alapvetően ez a technológiai különbség a két képfeldogozási folyamatban.
Ami azonban számunkra mobilosok számára igazán érdekes, az az, hogy a két képfeldolgozási technológia milyen előnyökkel és hátrányokkal jár számunkra.
Ezt a következő táblázatban foglaltuk össze:

CCD	CMOS
- kiváló képtulajdonságok - alacsony zaj - a képfeldolgozáshoz további különálló áramkörök szükségesek - nagy méret és súly - drága előállítás - a méret csökkentése a képminőség romlásához vezet - lassabb képfeldolgozás - kiváló reakcióidő, kiváló mozgóképfelvétel	- jó képminőség - jellemző képzaj - a képfeldolgozáshoz szükséges áramköri elemek integrálhatók a lapkára - kis méretben gyártható - olcsó előállítás és tömeggyártás - miniatürizálható a képminőség jelentős romlása nélkül - gyors képfeldolgozás - lassú reakcióidő, emiatt mozgóképek esetén gyengébb képminőség

A felsorolt jellemzők már mutatják, hogy a CMOS technológiának (így helyes mondani, mert nem csak maga a fényérzékelő lapka anyaga és szerkezete a domináns) vannak olyan hasznos tulajdonságai, amik kifejezetten célszerűek egy mobiltelefonba történő beépítéshez. Be is építették minden olcsó kamerás mobilba.
A technológia fejlődése pedig szép lassan oda vezetett, hogy a CMOS technológia képminősége egyre jobban megközelítette, majd szélesebb körben el is érte - egyes esetekben le is hagyta a CCD technológiát.
Ma már nincs sok értelme úgy feltenni a kérdést, hogy melyik jobb. Amatőr célú felhasználásra ma már a két technológia közel egyenértékűnek tekinthető. Jelenleg szinte minden újabban megjelenő olcsóbb 5-6 megapixeles digitális fényképezőgépben CMOS található, és lám, kiváló képek készíthetők. Azaz a CMOS az olcsó és a középkategóriában kitúrta a piacról a CCD-t a digitális fotózásban. Ebben nyilvánvalóan szerepet játszik a CMOS alacsonyabb előállítási költsége a CCD-hez képest, de ezen kívül sokminden más is. (Például, hogy a CMOS védettebben tokozható, azaz nem kell a tisztításáról gondoskodni, ami egy külön hideglelés egy több százezer Forintos félprofi gépnél...)
Mobilos szempontból vizsgálva: eleve le kell mondanunk egy csúcsszuper digitális kamera képminőségéről, hiszen esetünkben a végletekig miniatürizálni kell mindent, így az optikánk méreteit is. Ha pedig az optikánk méretei eleve korlátozottak, akkor a CCD már teljesen felesleges, hiszen annak képességeit úgysem tudnánk kihasználni! Ami nekünk kell: jó képminőség, alacsony fogyasztás, a mobilunk processzorának minél kisebb terhelése, gyors képfeldolgozás.
Említendő az is, hogy a CMOS lapka is és áramköreinek méretei is szinte a fizikai határokig csökkenthetők, a képminőség elméleti (!) romlása nélkül. Ez lehetővé teszi egyre több megapixeles képek készítését. A következő képen a Samsung mobilba épített rekordere:

Ez a CMOS nem kevesebb, mint 8,4 megapixeles képet képes készíteni (és még efelett interpolálja is a Samsung). Olvasónk joggal teheti fel a kérdést: minek! Sajnos JELENLEG (mert ki tudja mit hoz majd a jövő) a CMOS egyik alapjellemzőjét még nem sikerült kiküszöbölni: a képzajt! Ez valamennyire elnyomható áramköri vagy szoftveres megoldással, de ez meg más tulajdonságok rovására lehetséges csak.
Ugyancsak joggal merül fel, hogy van-e értelme a megapixel-hajhászásnak! Véleményünk szerint 5 megapixel feletti felbontásnak egy mobiltelefonban csak üzleti fogásként van értelme (a vevők szeretik a minél nagyobb számokat!). Akinek ettől több kell, az ne mobiltelefont vegyen fotózásra!

2. Nokia vs. Sony Ericsson

A közelmúlt eseményei - azaz az 5 megapixeles K850 és a konkurensek szintén 5 megapixeles mobiljainak megjelenése - újabb vitákat váltottak és váltanak ki napjainkban.
Nézzük meg közelebbről tehát a 3,2 megapixeles Sony Ericsson (Sony) Cyber-shot mobilok és a Nokia Nxx néhány tulajdonságát, milyen módszerekkel igyekeznek javítani a képek minőségét.
Senki ne csodálkozzon, hogy ha Nokiáról lesz szó, akkor többször kerül szóba a Toshiba márkanév. A Nokia nem rendelkezik semmiféle fotózáshoz szükséges saját hardverrel, vagy ennek licencével. Esetünkben a Toshiba eszközeit használja.

A ClearVid technológia

A CMOS eddig a már említett Bayer-féle sémát használta, melyben a pixel elosztás egy négyzethálóra emlékeztet, és a pixelek RGB szerinti színelosztása 2-1-1 volt a zöld javára.
A ClearVid alapvetően megváltoztatta ezt a sémát, elsősorban megnövelték a pixelek méretét, majd mindet elforgatták 45 fokkal.
Ezután a zöld pixelek számát drasztikusan megnövelték, az arány így 6-1-1 lett. Mivel az emberi szem is leginkább a zöld színre érzékeny, így erre a színre nőtt inkább az érzékenység. A 45 fokkal történő elforgatás azzal is járt, hogy ugyanarra a lapkára több pixelt tudtak ráintegrálni, ezáltal növekedett a felbontás.
Érdekes, hogy mivel a pixelek el vannak forgatva, a képnek is fordulnia kellene. Éppen ezért az egész érzékelő az ellenkező irányba van forgatva a lapkán 45 fokkal, így lesz a kép mégis eredeti.
A ClearVidről elmondható az is, hogy csökkent a pixelek közötti távolság.

Míg a CCD esetében 2 egységnyi volt a távolság két pixel között, a ClearVid esetében 1 egységnyi. Elmondható, hogy a több pixel használatával megnövekedett a fényérzékenység is, ellenben a más színekre való érzékenység valamelyest csökkent.

Toshiba Dynastron

A Toshiba is rájött, hogy érdemes maszírozni a CMOS technológiát, így ők is elővették raktár mélyéről ezt a fajta érzékelőt. Míg a Sony elsősorban kamkorderekbe szánta a ClearVid technológiát, és csak másodsorban dolgozta át mobiltelefonokba, a Dynastron leginkább ezekre lett kifejlesztve. 3,2 és 2 megapixeles lapkákat terveztek ezekből.
A pixelek közti távolságot itt is csökkentették, de a ClearVid pixeltávolságát nem érték el. A Toshiba nem titkoltan a mobilpiacot akarta ezzel a Dynastron lapkával meghódítani, és sikerült is bevágódnia a Nokiánál. Ezek a lapkák találhatók elsősorban az N73-ban és az "N" sorozatban.
Az érzékelő emellett tartalmaz egy feldolgozó egységet is, így biztosítva, hogy amit megcsináltak, az úgy is működjék.
A feldolgozó egység tulajdonságai igen sokrétűek, képeffektek, teljes körű kamerakezelés, 15 FPS videófelvételi mód QXGA módban, 30 FPS VGA módban, automatikus hibajavítás, fényérzékenység állítás, lencse árnyékolási kompenzáció, fehéregyensúly állítás, digitális zoom.
A Toshiba is sokat szenvedett a CMOS technológia élesztésével, és ez a műve egy igen kimagasló teljesítményt nyújtó technológia. Ők is elérték a kívánatos alacsony fogyasztást, még alacsony fényű környezetben is.
A Dynastron továbbra is a Bayer-sémát használja, talán épp emiatt nem tudtak annyira integrálni több pixelt Mit tapasztaltunk? >Két nagy gyártó alapjaiban ugyanolyan technológián, de mégis másképp használja a fejlesztéseket. A Sony 2 megapixel feletti videokamerákban használja ma már főként a ClearVidet, valamint mobiltelefonokban alkalmazzák az erősen csökkentett méretű érzékelőket.
A dynastronról csak annyit mondok, hogy egy igen jó érzékelő, jó vásárt csináltak a Nokiával, bár a színek a képeken helyenként túl élénkek, szemben a ClearVid enhye fakóságával.
A ClearVid technológia mobilokba való implementálása sajnos nem hozta magával a beépített ISP (Integrated image-signaling processor) egyes részeit, például fejlesztett videófelvételi módok. A ClearVid esetében a Cyber-shot szoftverrel kell együttműködnie, az pedig a belső processzort használja képdolgozásra, valamint videófelvételre.

Hogy pontosan mely típusokról beszéltünk ebben a cikkben?

A Sony esetében a K800-ba beépített Sony IMX-018 CMOS szenzorról, a Nokia esetében az N70/N73-ba beépített Toshiba 3.2 megapixeles ET8EE6-AS CMOS szenzorról.
És, hogy melyik a jobb? Ez jó kérdés. Inkább nem is válaszolunk erre a kérdésre, mindenki másra esküszik. Két nagyon jó érzékelőről van szó másfajta tulajdonságokkal. Egyszóval mindenki döntsön saját maga.

Mind a K850, mind az N95 esetében ezeknek a technológiáknak a "meghosszabításáról" van szó. A Sony Ericssonnál és a Nokiánál is az igazi újdonságokra az 5 megapixeles fronton még várnunk kell!

 

- agravius & lyzzard -

|HOME|TOP|