Estos son realmente dos problemas diferentes, y es tanto el CCD como la marcha de la tecnología involucrada.
Arquitectura de transferencia de datos CCD
Los componentes básicos de un CCD son bastante simples. Tienes una gran variedad de condensadores fotosensibles. Cuando están polarizados y expuestos a la luz, estos condensadores acumulan carga hasta que se desactivan.
La mayoría de los CCD modernos agregan un poco de “cosas” adicionales. El diseño original del CCD expuso todos los condensadores a la vez, pero necesitaba un obturador mecánico, ya que todavía había sensibilidad durante la lectura. Los diseños más modernos funcionan de una de dos maneras. En un CCD de transferencia de fotogramas, tiene su conjunto de imágenes de condensadores sensibles a la luz y un segundo conjunto de condensadores enmascarados en la oscuridad. Tan pronto como se completa la exposición, toda la matriz de imágenes se desplaza, una línea a la vez, a la matriz enmascarada. En el Interline Transfer CCD, hay un píxel enmascarado al lado de cada píxel activo. Esto reduce la sensibilidad, pero tan pronto como se captura la imagen, cada píxel se transfiere a su vecino insensible.
Tenga en cuenta la forma en que esto funciona. Cada transferencia de datos de imagen en el CCD es analógica. Hay una carga en un condensador que se transfiere a su vecino … tipo de modelo de brigada de cangilones. En ambas arquitecturas, una vez que la imagen se transfiere al almacenamiento enmascarado, puede comenzar una nueva exposición en la matriz sensible a la luz mientras se desplaza la imagen anterior. Eso puede suceder en paralelo hasta cierto punto, bajando cada columna, pero las transferencias analógicas solo se ejecutan tan rápido. En muchos CCD, cada transferencia de columna va a un único registro de desplazamiento analógico en serie, cada carga eventualmente acoplada a una conversión de carga a voltaje, amplificada y enviada al mundo exterior. Ese flujo de datos analógico en serie se enviaría a un procesador de imágenes con convertidor analógico a digital en chip. Ese puede ser otro cuello de botella … el ADC tiene que funcionar a la velocidad del reloj de píxeles.
Ciertos algunos CCD tenían más de una salida en serie. Quedan algunos en uso, principalmente en la industria, con interfaces muy amplias y velocidades de video de 200 fps o más. Pero eso no es algo que puedas encontrar en una cámara de consumo.
CMOS hoy, todo digital
Como seguramente sabe, la mayoría de las cámaras actuales usan sensores CMOS, no CCD. Un sensor CMOS emplea un fotodiodo como bit sensible a la luz, que carga un condensador que a veces se denomina “carga bien”.
Entonces, al igual que el CCD, los chips CMOS están transfiriendo datos de píxeles en paralelo por columna, aunque probablemente haya una conversión de carga a voltaje realizada en cada píxel. No es obvio en el diagrama, pero estas rutas pueden ser tan anchas como desee, con N columnas cambiando a N amplificadores de ganancia analógicos, N convertidores analógicos a digitales, etc.
Tenga en cuenta que en este diseño, no hay almacenamiento secundario ya que está en el CCD de transferencia de trama o interlínea. Esto se debe a que, a diferencia de un CCD de fotograma completo básico, el chip CMOS es lo suficientemente rápido como para ser leído durante una exposición coordinada. La primera o varias líneas se sensibilizan, cronometran y leen … las siguientes líneas obtienen la siguiente, y así sucesivamente, según la velocidad de lectura. Esto conduce al “efecto gelatina”, que se muestra arriba, basado en el movimiento de la imagen a medida que se lee el sensor. Algunos chips de imagen CMOS especializados tienen un almacén de respaldo para la imagen, que se puede hacer de varias maneras, para entregar un obturador global. Pero a medida que las lecturas se hacen más rápidas, hay menos gelatina incluso sin eso.
Debido a que los chips CMOS se basan en un proceso CMOS estándar, puede haber procesamiento digital en chip. Esta es una de las principales razones por las que los chips CMOS son generalmente más silenciosos hoy que los CCD (aparte de los CCD especializados que se mantienen muy, muy frescos. Una etapa que todos están haciendo en estos días es usar un medio de transmisión digital moderno. A menudo es el CSI2 definido por MIPI o Bus CSI3, que ofrece una transmisión digital del sensor al procesador de imágenes. Algunos chips tienen 8, otros 12, algunos canales más separados. El sensor en la nueva Olympus OM-D E-M1 mark 2 puede entregar 60 fps a 20Mpixel.
La cosa de la tecnología
Una gran razón por la cual los CCD se han desvanecido es que CMOS se volvió primero más barato, luego más barato y mejor en muchos casos. Entonces, más dinero para el desarrollo se destinó a los sensores CMOS. Se pueden ejecutar en líneas de chip CMOS convencionales y, de hecho, dado el gran tamaño de los chips de cámara en relación con las CPU o GPU o la memoria, a menudo han podido aprovechar las líneas CMOS más antiguas, lo que ahorra dinero.
Ahora, acabo de mencionar un sensor de 20 megapíxeles … la mayoría de las cámaras fijas tienen sensores bastante grandes. Obtiene (en su mayoría) un zoom digital sin pérdidas recortando la imagen completa del sensor, pero nada menos que el tamaño de la imagen de video. Entonces podría obtener una imagen de 1080p con quizás un recorte de 3x de ese sensor de 20Mpixel y aún así tener resolución completa.
El problema para un CCD es que es un chip analógico … no está procesando los píxeles. Por lo tanto, debe transferir toda la imagen a su procesador de imágenes, luego fusionarla o hacer una demostración, dependiendo del sistema del sensor, y luego comprimirla. Es posible que no quede tiempo para escalar, que es lo que necesitaría hacer un zoom digital. Según su naturaleza serial, puede ser necesario leer todo el CCD, independientemente de cuánto se necesite.
El sensor CMOS es lo suficientemente rápido y, por supuesto, los procesadores de imagen digital en chip son mucho más rápidos que en el apogeo de CCD. Pero dadas las capacidades digitales en el chip, también es técnicamente posible que un sensor CMOS realice un recorte en el chip o un salto de línea u otras funciones diseñadas para evitar la necesidad de transferir datos que no se utilizarán.
