画面质量成为关注 CMOS图像传感掀开发热潮

2013-12-13 18:30:07来源: 中国安防展览网
    随着中国视频监控市场的发展,图像传感器芯片和处理器芯片的市场份额将分别从2013年的28%增至2015年的72%以及2012年的70%增至2015年的88%。纵观整个市场,行内预测,未来五年,全球电子安防市场将保持8%的年均增长率,并在2017年达到3220亿美元。
  
  而安防市场的增长主要来自两个方面:视频监控总额增长12%和亚洲高端安防市场的需求。据了解,全球视频监控市场在过去的十年内快速发展。而中国设备制造商在市场中扮演着越来越重要的角色。许多国际品牌也通过中国工厂生产安防产品,以供给海外市场的销售。对于为视频监控设备提供核心半导体元器件的公司,中国正在成为他们最重要的区域市场。
  
  《IHS中国视频监控设备制造报告2013版》指出,中国视频监控制造市场在2012年的产量约为70M。其中前端设备如模拟摄像机、网络摄像机和模拟高清摄像机占87.3%,DVR、NVR和模拟高清DVR等后端设备占12.7%。更为重要的是,越来越多的业界人士开始意识到,高品质的视频成像效果是一个系统化的工程,图像质量已成为市场关注的焦点。

  画面质量成为关注 CMOS图像传感掀开发热潮
  
  “高清监控代表着巨大的数据量和更快的处理速度,无论图像采集单元、图像处理单元,还是传输、显示和储存单元等都必须具备高速的处理能力,当元器件高速化之后,就很容易受外界噪声的干扰,如ESD、Surge等瞬时噪声。”晶焱科技股份有限公司创办人/设计研发部副总经理姜信钦从电子元器件的角度分析道,尤其是针对前端摄像机的两大关键部件——成像芯片和图像处理,深圳比亚迪微电子有限公司副总经理兼总工程师冯卫更为直接地指出,高清监控任务要靠整个系统来完成,很多情况下难以把图像处理和成像芯片的问题分开。
  
  对于图像传感器芯片厂商而言,需要借助感光技术的进步,通过工艺、感光单元、电路设计封装等方面的提升,提高图像清晰度和低光成像效果。而作为后端图像处理方案,则需要有充足的适应能力,要求芯片厂商加快技术创新,开发出工作频率更快、芯片功耗更低、性价比更佳的产品方案。
  
  CMOS传感技术效果凸显  节省厂家研发投入
  
  2012年CMOS图像传感器受到市场青睐重要原因在于过去大大低于CCD的灵敏度问题由于使用了新的传感器技术,如背照式CMOS,逐步得到解决。和CCD传感器相比,CMOS传感器具有更好的量产性,而且容易实现包含其他逻辑电路在内的SoC(SystemonChip)产品,而这在CCD芯片中却很难实现。尤其是CMOS传感器不像CCD芯片那样需要特殊的制造工艺,因此可直接使用面向DRAM等大批量产品的生产设备。
  
  这样一来,CMOS图像传感器就有可能形成完全不同于CCD图像传感器的成本结构,同时也为CMOS传感器高度集成化开辟了新的发展方向。早期市场上就曾经推出过CMOS传感器自带ISP处理器,内含2A(AE、AWB)控制算法。而发展至今,这样的产品极受市场的欢迎和青睐。
  
  众多不具备ISP图像处理器/ISP算法研发能力的小企业可以使用自带2A处理的CMOS传感器来制造高清摄像机。传统的高清摄像机架构中,从前端到后端一般分为几个组成部分:图像传感器SENSOR、ISP图像传感器,压缩/信号转换处理;而如果使用集成ISP的CMOS传感器,中间部分使用FPGA芯片实现的ISP单元就可以省去,这样既有效的降低设备整体BOM成本,又绕过了ISP算法的研发门槛。目前市场上价格较为低廉的720P高清网络摄像机大多都使用此类方案。
  
  集成Real帧级宽动态的超宽动态高清背照式CMOS传感器,与之前的集成2A功能的CMOSSENSOR不同,这款产品使用了传感器厂家拿手的帧级宽动态技术。我们知道,对于高清摄像机的图像处理,尤其是ISP部分依靠的不仅仅是研发实力,也依靠对于图像处理调试的丰富经验积累。那么一款自带帧级宽动态功能的背照式CMOS传感器产品,不仅将传感器的动态范围提升至120dB以上,也为摄像机生产厂家节省了研发投入。
  
  未来趋势明显  CCD图像传感器市场地位迅速崛起
  
  近两年,无论是在模拟监控市场,还是网络监控市场,一个共同的发展变化就是:CMOS图像传感技术的迅速崛起,使得监控前端从过去CCD传感技术一统天下的格局,快速转向CMOS图像传感技术。一批厂商纷纷在市场上掀起了一股以CMOS图像传感器为核心的监控摄像机开发热潮。
  
  与CCD图像传感器相比,CMOS在低光条件下的成像效果以及高动态范围的性能表现,一直是市场人士诟病的主要问题。对此,Aptina公司汽车、工业和医疗(AIM)事业部高级市场总监AlvinWong介绍道,传感器的低光照性能对于准确地呈现图像和保持图像的真实色彩是至关重要的。然而,低光照性能的一个关键因素是像素尺寸,因为它与灵敏度直接相关,即使像素技术在不断进步,较大像素尺寸具有较高灵敏度的准则仍然适用,但对于给定的分辨率,较大的像素尺寸由于需要使用成本较高的透镜,这通常也意味着较高的系统成本。
  
  而在另一方面,更高的动态性能是指图像传感器必需具备同时准确捕获极亮和低光照场景的能力,即保证明亮和黑暗场景能够同时适当曝光。但高动态功能也增加了系统的成本和复杂性,一般都需要附加的传感器存储器和更复杂的图像处理程序。因此,目前各家图像传感器供应商面对的同一个挑战是——既要满足低光照和高动态性能要求,又不能有太高的总体系统成本。
  
  另一个比较明显的趋势是,在CMOS感光芯片内部集成ISP,以进一步弥补在感光度和信噪比上不足的SoC芯片,是厂商们目前主推的一种解决方案。与后端分离式的ISP或DSP方案相比,冯卫指出这两大技术方案各有优缺点。
  
  后端处理的SP或DSP方案能够在图像处理上获得更多的缓存,因而可以采用更复杂的图像处理算法,处理时间和空间更宏观,图像效果也更佳;当然,这样的方案往往集成度稍差,成本较高,需要感光芯片、DSP工程师一起配合进行开发,开发时间稍长,应用成本、生产损失也相对偏高。
  
  而对于COMS内集成ISP的SoC芯片,他认为,由于要考虑到散热及芯片面积等问题,图像处理算法方面的资源有限,但其优势是可以提供高度集成的单芯片方案,方便工程开发、备料,并缩短产品的上市周期等,可为客户带来高性价比的技术方案,因此,厂商可以根据实际的应用需求来选择不同的技术开发路线。

  相关阅读:图像传感器两种芯片的优劣势发展
  
  图像传感器主要有CCD和CMOS两种芯片,而在我们目前的高清安防视频监控领域,CMOS芯片产品已经被大量应用至各式各样的产品。
  
  早期,我们通常认为图像画质优秀的设备都采用CCD传感器,而低成本产品则使用CMOS传感器。但是新的CMOS芯片技术已经克服了早期CMOS传感器的技术弱点,传感器的设计上相比老产品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS传感器来说,在传统的CMOS图像传感器中,感光二极管位于电路晶体管后方,光线会通过微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管,那么进光量就会因遮挡而受到影响。
  
  背照式CMOS传感器在图像传感器原件内部的结构上做了优化,它将感光层的原件调转方向,让光线从图像传感器比传统CMOS传感器在感光灵敏度上有质的飞跃,在低照度环境下,采用背照式CMOS传感器的高清摄像机在聚焦能力、图像画质表现、图像噪点控制等方面有了极大的性能提升。
  
  而我们常见的CCD传感器摄像机只能够720p@25fps,支持1080P格式的CCD传感器造价高昂。背照式CMOS传感器像素可以再高些。虽说无论是背照CMOS或是CCD,都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的构造决定了传感器面积不变的情况下,可以将有效像素进一步提高,画质也能够保持得比较好。相比之下CCD盲目提高像素的话,画质就会很差,而且随着像素提高,芯片尺寸也在变大造成成本几何倍数上升。

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2013/1213/article_6538.html
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