高清成像芯片的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

目前數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的 高速發(fā)展，數(shù)碼產(chǎn)品的市場以驚人的速度 在增長，組成視訊、影音產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件——圖像 傳感器(Sensor)就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注 的對象。圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩種芯片， 而在我們目前的高清安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域，CMOS芯片產(chǎn) 品已經(jīng)被大量應(yīng)用至各式各樣的產(chǎn)品。

圖像傳感器的發(fā)展及應(yīng)用

眼睛是人的視覺圖像來源，而圖像傳感器就是視頻采集設(shè)備的圖像接受裝置。圖像傳感器按形態(tài)分類一般有兩類：線型圖像傳感器、面型圖像傳感器。線型圖像傳感器多用在掃描儀、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等設(shè)備中。而面型圖像傳感器則廣泛的應(yīng)用在我們熟知的安防監(jiān)控攝像機(jī)、手機(jī)攝像頭、汽車倒車影像攝像機(jī)、 平板電腦等產(chǎn)品中。

剛剛我們說到，圖像傳感器有CCD與CMOS芯片 兩種。早期，我們通常認(rèn)為圖像畫質(zhì)優(yōu)秀的設(shè)備都采 用CCD傳感器，而低成本產(chǎn)品則使用CMOS傳感器。 但是新的CMOS芯片技術(shù)已經(jīng)克服了早期CMOS傳感器 的技術(shù)弱點(diǎn)，傳感器的設(shè)計(jì)上相比老產(chǎn)品提升了低照 性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS傳感器 來說，在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，感光二極管位于 電路晶體管后方，光線會(huì)通過微透鏡和光電二極管之 間的電路和晶體管，那么進(jìn)光量就會(huì)因遮擋而受到影響。背照式CMOS傳感器在圖像傳感器原件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)上做了優(yōu)化，它將感光層的原件調(diào)轉(zhuǎn)方向，讓光線從圖像傳感器比傳統(tǒng)CMOS傳感器在感光靈敏度上有質(zhì)的飛躍，在低照度環(huán)境下，采用背照式CMOS傳感器的高清攝像機(jī)在聚焦能力、圖像畫質(zhì)表現(xiàn)、圖像噪點(diǎn)控制等方面有了極大的性能提升。

天地偉業(yè)的1080P高清陣列紅外高速球產(chǎn)品就使用背照式CMOS傳感器，背照式CMOS優(yōu)秀的低照性能配合設(shè)備上集成的LED Array，相比傳統(tǒng)的CMOS產(chǎn)品，由于背照式CMOS傳感器的良好的感紅外性能和性能優(yōu)異的Sensor QE，大幅提升了球機(jī)在低照及有紅外補(bǔ)光時(shí)的夜間效果。

背照式CMOS圖像傳感器除了優(yōu)秀的低照等性能外，還具有更好的高感光控噪性能。也就是說在ISO提高之后，再配合現(xiàn)金的3DDNR技術(shù)，噪點(diǎn)會(huì)比CCD少得多。這在低照環(huán)境下的圖像采集有很大優(yōu)勢，高幀率性能更好。背照式CMOS傳感器往往都是高速芯片，眾多芯片均支持全高清畫質(zhì)每秒60幀或更高幀率的圖像輸出，而在這方面CCD傳感器比較吃力。現(xiàn)在主流的采用背照式CMOS傳感器的高清攝像機(jī)大多支持1080P@30fps全高清視頻或720P@60fps。而我們常見的CCD傳感器攝像機(jī)只能夠720p@25fps，支持1080P格式的CCD傳感器造價(jià)高昂。背照式CMOS傳感器像素可以再高些。雖說無論是背照CMOS或是CCD，都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的構(gòu)造決定了傳感器面積不變的情況下，可以將有效像素進(jìn)一步提高，畫質(zhì)也能夠保持得比較好。相比之下CCD盲目提高像素的話，畫質(zhì)就會(huì)很差，而且隨著像素提高，芯片尺寸也在變大造成成本幾何倍數(shù)上升。

CCD傳感器制造工藝較復(fù)雜，采用CCD傳感器的攝像機(jī)價(jià)格都會(huì)相對比較高。事實(shí)上經(jīng)過技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)減小了不少。而且CMOS芯片的制造成本和功耗都要遠(yuǎn)低于CCD，所以很多高清攝像機(jī)廠家采用CMOS圖像傳感器。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而 CMOS的產(chǎn)品目前畫面通透性一般，對實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光模式由于大多使用Rolling Shutter模式造成高速運(yùn)動(dòng)物體傳感器在捕捉時(shí)存在畸變的問題，CMOS的成像質(zhì)量和CCD傳感器在畫質(zhì)要求較為 嚴(yán)格的場景中還是有一定距離的。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性，因此在日益迅速發(fā)展的高清攝像機(jī)市場中還是得到了廣泛的應(yīng)用。

圖像傳感器的最新研發(fā)成果

2012年CMOS圖像傳感器受到市場青睞重要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題由于使用了新的傳感器技術(shù)，如背照式CMOS，逐步得到解決。和CCD傳感器相比，CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實(shí)現(xiàn)包含其他邏輯電路在內(nèi)的SoC(System on Chip)產(chǎn)品，而這在CCD芯片中卻很難實(shí)現(xiàn)。尤其是CMOS傳感器不像CCD芯片那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為CMOS傳感器高度集成化開辟了新的發(fā)展方向。早期市場上就曾經(jīng)推出過CMOS傳感器自帶ISP處理器，內(nèi)含2A(AE、AWB)控制算法。而發(fā)展至今，這樣的產(chǎn)品極受市場的歡迎和青睞。眾多不具備ISP圖像處理器 /ISP算法研發(fā)能力的小企業(yè)可以使用自帶2A處理的CMOS傳感器來制造高清攝像機(jī)。傳統(tǒng)的高清攝像機(jī)架構(gòu)中，從前端到后端一般分為幾個(gè)組成部分：圖像傳感器SENSOR、ISP圖像傳感器，壓縮/信號轉(zhuǎn)換處理;而如果使用集成ISP的CMOS傳感器，中間部分使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的ISP單元就可以省去，這樣既有效的降低設(shè)備整體BOM成本，又繞過了ISP算法的研發(fā)門檻。目前市場上價(jià)格較為低廉的720P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)大多都使用此類方案。

集成R e a l 幀級寬動(dòng)態(tài)的超寬動(dòng)態(tài)高清背照式CMOS傳感器，與之前的集成2A功能的CMOS SENSOR不同，這款產(chǎn)品使用了傳感器廠家拿手的幀級寬動(dòng)態(tài)技術(shù)。我們知道，對于高清攝像機(jī)的圖像處理，尤其是ISP部分依靠的不僅僅是研發(fā)實(shí)力，也依靠對于圖像處理調(diào)試的豐富經(jīng)驗(yàn)積累。那么一款自帶幀級寬動(dòng)態(tài)功能的背照式CMOS傳感器產(chǎn)品，不僅將傳感器的動(dòng)態(tài)范圍提升至120dB以上，也為攝像機(jī)生產(chǎn)廠家節(jié)省了研發(fā)投入。

除了上述這種集成ISP圖像處理的圖像傳感器，未來市場推出集成壓縮處理的圖像傳感器也是方向之一。將攝像機(jī)的核心部件高度集成化是未來的發(fā)展趨勢，這些都得益于CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實(shí)現(xiàn)包含其他邏輯電路的架構(gòu)特性。

天地偉業(yè)最新推出的S3系列高清球機(jī)產(chǎn)品和S3E系列高清IPC就使用了集成行為分析處理引擎的SoC處理器和內(nèi)置ISP的CMOS傳感器。SOC處理器內(nèi)置行為分析硬件加速引擎，智能分析、視頻壓縮、自動(dòng)追蹤算法業(yè)務(wù)均在攝像機(jī)主控芯片中完成，不再依靠外置設(shè)備輔助。并且，行為分析技術(shù)結(jié)合高清視頻監(jiān)控將為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)帶來革命性的質(zhì)變。

【作者單位：天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司】