CMOS czy CCD?

Przetwornik obrazu jest dla kamery tym, czym siatkówka dla ludzkiego oka – odbiera “bodźce wzrokowe” (światło) przechodzące przez obiektyw i przetwarza je na odpowiednie impulsy (w wypadku kamery są to sygnały cyfrowe).

Tak przetworzony cyfrowy obraz zapisywany jest (po dodatkowej obróbce procesora kamery) w pamięci kamkordera w postaci pliku wideo, który można potem oglądać na ekranie komputera lub telewizora.

Oprócz układu optycznego, przetwornik obrazu jest drugim istotnym elementem kamkordera mającym wpływ na jakość rejestrowanego obrazu.

Przetwornik Sony CMOS Exmor R

Liczba pikseli przetwornika (tak często eksponowana w różnego rodzaju reklamówkach) nie jest najważniejszym elementem wpływającym na jakość obrazu. Liczy się również fizyczny rozmiar samej matrycy.

Większe przetworniki mogą “łapać” więcej światła, aniżeli ich mniejsi bracia, nawet jeśli mają mniejszą rozdzielczość (mniej pikseli). Dzieje się tak, ponieważ matryca składa się z większych, a więc bardziej czułych pikseli zdolnych do wyłapania większej ilości światła. Przetwornik taki zapisuje też mniej zaszumiony obraz. Kamery wyposażone w większe matryce z reguły lepiej radzą sobie w trudniejszych warunkach oświetleniowych (chociaż i w dzień prezentują dzięki większej dynamice lepszą jakość obrazu) oraz pozwalają na łatwiejszą kontrolę nad głębią ostrości.

Z rozmiarami matrycy jest także nierozłącznie związana szerokość kadru – im większa matryca, tym szerszy kadr może objąć (przy tym samym obiektywie).

Poniżej prezentujemy film porównujący aparaty z funkcją kręcenia filmów – Canon 5D MarkII dysponuje pełną klatką (36×24 mm), Canon 7D – formatem APS-C (23,6×15,7) , natomiast 1D Mark IV – APS-H (28,7×19). Wszystkie wykorzystują ten sam obiektyw 16-35 mm F2.8.

Dlatego właśnie oprócz sprawdzenia rozdzielczości matrycy należy zwrócić uwagę na jej fizyczny rozmiar, który w przypadku kamer konsumenckich nie przekracza jednego cala. Można też założyć, że im większy przetwornik, tym lepszy obraz jest w stanie zapisać, powinien też posiadać niewiele więcej pikseli, niż zakłada to rozdzielczość Full HD (a więc około 2 Mpix).

Zanim odpowiemy na to pytanie przyjrzymy się zasadzie działania obu rodzajów przetworników.

W kamerach wideo można spotkać jeden z dwóch typów matryc – CCD (charge coupled device) oraz CMOS (complementary metal oxide semiconductor).

Oba rodzaje przetworników składają się z milionów pikseli. Piksel matrycy światłoczułej można porównać do miniaturowego kubełka, w którym zbierane są elektrony wytworzone w wyniku padania światła (a właściwie fotonu, czyli “porcji” światła) na dany piksel

W przetworniku CCD “złapane” w kubełku (czyli pojedynczym pikselu) elektrony przesyłane są  do przetwornika zamieniającego ładunek na napięcie, a następnie do kolejnego przetwornika A/D (przetwarzającego sygnał analogowy na wartość cyfrową). W matrycy CCD nie można odczytać bezpośrednio pojedynczego piksela – można to zrobić dopiero po załadowaniu i przekonwertowaniu całej klatki.  Układy CCD z racji swej konstrukcji pobierają też więcej mocy – szybciej się grzeją i szybciej zużywają akumulator. Oferują natomiast mniejsze szumy, aniżeli element CMOS.

W przypadku matrycy CMOS każdy z pikseli posiada swój własny przetwornik – dzięki temu nie trzeba przesyłać sygnałów z powierzchni matrycy. Czujnik CMOS pobiera też mniej prądu. Wadą matryc CMOS jest ich mniejsza czułość, gdyż każdy z pikseli otoczony jest obwodami przetwarzającymi obraz – część światła, która pada na te elementy nie jest przetwarzana na sygnał elektryczny.

Część użytkowników kamer z przetwornikami CMOS narzeka na tzw. efekt rolling shutter (migawka roletkowa) – jest to zniekształcenie obrazu, które wynika z mechanizmu rejestrowania obrazu przez matrycę (linia po linii). W związku z tym, że układ CMOS nie zapamiętuje klatek “w całości” (tak jak czyni to CCD), ale odczytuje zawartość matrycy linia po linii, możemy czasem rejestrować zupełnie nieprzewidziane obrazy, np takie jak ten nagrany telefonem z przetwornikiem CMOS:

A oto wyjaśnienie tej zagadki:

Rolling shutter jest również widoczny podczas szybkiego panoramowania – rejestrowany obraz wydaje się “walić” na boki:

Na rynku dostępne są już niezależne aplikacje oraz wtyczki do programów montażowych niwelujących ten efekt. Pojawiły się także rozwiązania sprzętowe, np. QuantumShutter firmy InVisage.

Migawka roletkowa niekorzystnie rejestruje również światło lamp błyskowych oraz stroboskopów – dlatego kręcenie dyskotek kamerami z przetwornikiem CMOS nie zawsze daje spodziewany efekt.

Matyce CCD od wielu lat uchodzą za elementy generujące orbaz bardzo dobrej jakości. Jednakże w produkcji CMOS (a trzeba przyznać, że sam proces produkcji CMOS jest tańszy) dokonano ogromnego postępu i większość producentów kamer stosuje właśnie tego typu przetworniki.

Mimo że przetworniki CMOS i CCD różnią się od siebie, różnice te dla przeciętnego użytkownika nie są aż tak istotne. Powinien on zwrócić uwagę na rozdzielczość oraz fizyczny rozmiar matrycy kamkordera.