圖像傳感器技術(shù)：視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心

　　“圖像不清，看不清楚畫面，有噪點(diǎn)，畫面不高清，失真，設(shè)備耗電量太大了”，這些問題都出在監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像傳感器上。本期我們就詳解下圖像傳感技術(shù)。

　　目前，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像傳感器正逐漸從傳統(tǒng)的CCD向CMOS轉(zhuǎn)變。

　　我們都知道，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中很重要的步奏就是前端采集，監(jiān)控?cái)z像機(jī)作為數(shù)據(jù)采集的重要設(shè)備，在整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中起著重要的作用。圖像傳感器就是決定監(jiān)控?cái)z像機(jī)采集質(zhì)量好壞的重要因素。

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分就是圖像傳感技術(shù)，目前，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像傳感器正逐漸從傳統(tǒng)的CCD向CMOS轉(zhuǎn)變。這兩種傳感器各有長短，但一直以來，CMOS傳感器的缺點(diǎn)漸漸減少。CMOS圖像傳感器低成本、高集成度為其主要特點(diǎn)，圖像質(zhì)量已不輸于CCD。與基于CCD的探頭相比，CMOS探頭的集成度更高，因?yàn)镃MOS傳感器集成了許多外圍處理功能，所需器件比CCD探頭少，且CMOS探頭的功耗要低得多。從整個(gè)系統(tǒng)來看，CMOS傳感器可將成本大大降低。

　　CMOS傳感器與CCD傳感器的比較

　　CCD（ChargeCoupledDevice），即“電荷耦合器件”，以百萬像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無膠片相機(jī)等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會(huì)不停留地送入一個(gè)“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)處理器以及一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備（比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡）。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。1970美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。

　　CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機(jī)中的感光傳感器，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢(mèng)寐以求的。

　　從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

　　1.信息讀取方式：CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號(hào)，信號(hào)讀取十分簡單。

　　2.速度：CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

　　3.電源及耗電量：CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

　　4.成像質(zhì)量：CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

　　CMOS傳感器與CCD傳感器商業(yè)應(yīng)用

　　目前，CCD技術(shù)主要掌握在索尼、佳能、奧林巴斯等幾大廠商手中。主流的數(shù)碼相機(jī)均采用CCD作為光敏傳感器件，像素?cái)?shù)一般為三百萬左右。其制造工藝復(fù)雜，功耗大，成本較高。未來，采用CCD傳感器的數(shù)碼相機(jī)將繼續(xù)朝著提高像素?cái)?shù)，增加拍攝功能，提高照片質(zhì)量的方向發(fā)展，力爭(zhēng)在各項(xiàng)指標(biāo)上早日達(dá)到傳統(tǒng)相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　采用CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)一般低于130萬像素，主要面向以家庭、個(gè)人用戶為主的低端市場(chǎng)。其時(shí)尚化、多功能、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)受到了普通消費(fèi)者的歡迎。國內(nèi)的數(shù)碼相機(jī)廠商對(duì)CMOS數(shù)碼相機(jī)傾注了極高的熱情，包括海鷗、先科、喜馬拉雅等先后推出了相應(yīng)產(chǎn)品。CMOS可塑性較高，未來除了數(shù)碼相機(jī)之外，將在傳真機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、安全偵測(cè)系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)上CMOS產(chǎn)品不多，但在美國，包括Intel、ATI在內(nèi)的多家公司都在積極研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。今年7月，歐洲的獨(dú)立半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)IMEC公布了兩個(gè)有關(guān)CMOS的研發(fā)項(xiàng)目，其中探索CMOS技術(shù)極限的“AdvancedDeviceImplementationProgram”，其目標(biāo)是確立國際半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)劃（ITRS）的最新版本，并提出面向60nm～30nm的技術(shù)。

　　TI、Hisilicon、Ambarella方案比較

　　單百萬高清前端攝像機(jī)來講，TI、Hisilicon、Ambarella三家的方案都有各自的優(yōu)劣，沒有一家是所有維度都占優(yōu)的。

　　TI作為之前的監(jiān)控芯片占有率No.1，技術(shù)底蘊(yùn)豐厚，不過感覺TI前些年在安防市場(chǎng)投入不多，近兩年的產(chǎn)品沒有什么突出的亮點(diǎn)，功耗方面比較突出，圖像質(zhì)量一般。要開發(fā)出好的效果和強(qiáng)大的功能那得要相當(dāng)?shù)墓α?。可以體現(xiàn)開發(fā)人員的水平，以前開發(fā)難度大，但這兩年感覺技術(shù)支持提高了。二次開發(fā)方案比較多，利于有一定技術(shù)實(shí)力的研發(fā)性公司。

　　海思在占據(jù)了DVR市場(chǎng)后，近兩年比較重視IPC市場(chǎng)，在IPC領(lǐng)域推出的產(chǎn)品頻率較高。性能都算是優(yōu)秀的，集成了自己的ISP以后，圖像質(zhì)量也還不錯(cuò)，而且作為國內(nèi)方案廠商，技術(shù)支持比較到位。開發(fā)相對(duì)容易一些，價(jià)格相對(duì)便宜。目前以其高性價(jià)比、良好的技術(shù)支持獲得市場(chǎng)的廣泛接受。

　　安霸作為傳統(tǒng)的DV方案商，安霸更致力于高端客戶的需求，對(duì)視頻圖像的壓縮、碼流、畫質(zhì)等各方面做到極致，是目前視頻圖像效果處理方面當(dāng)之無愧的老大。且安霸體系的廠家提出同樣碼流看效果，同樣效果比碼流的概念。最大的優(yōu)勢(shì)是圖像質(zhì)量方面，特別是編碼算法做得很好，在低碼率的情況下是三個(gè)方案中圖像質(zhì)量最好的，價(jià)格偏貴，市場(chǎng)份額不高。

　　TI、海思、安霸公司簡介

　　TI（TexasInstruments）：是美國德州儀器的簡稱，總部位于美國德克薩斯州的達(dá)拉斯，是全球知名的半導(dǎo)體企業(yè)，主要從事模擬電路和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的研究，其具有代表性的DaVinci-DM3xARM9視頻處理器解決方案在安防行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。

　　1951年更名為德州儀器，并開始進(jìn)入半導(dǎo)體市場(chǎng)，至今在多個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域占有重要份額。當(dāng)安防領(lǐng)域的視頻監(jiān)控從模擬階段發(fā)展到數(shù)字壓縮處理階段后，TI在安防視頻壓縮領(lǐng)域逐漸暫居主導(dǎo)地位。在IPC領(lǐng)域有代表性的解決方案是DM355、DM365、DM368，以及最新推出的DM369，DM388。

　　海思（Hisilicon）：海思半導(dǎo)體有限公司成立于2004年10月，前身是創(chuàng)建于1991年的華為集成電路設(shè)計(jì)中心。海思公司總部位于深圳，在北京、上海、美國硅谷和瑞典設(shè)有設(shè)計(jì)分部。海思的產(chǎn)品覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)、固定網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字媒體等領(lǐng)域的芯片及解決方案，成功應(yīng)用在全球100多個(gè)國家和地區(qū);在數(shù)字媒體領(lǐng)域，已推出網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控芯片及解決方案、可視電話芯片及解決方案、DVB芯片及解決方案和IPTV芯片及解決方案。在2009-2012年，DVR芯片可謂風(fēng)生水起。在IPC領(lǐng)域有代表性的解決方案是Hi3516、Hi3516C、Hi3517、Hi3518A、Hi3518C、Hi3518E。

　　安霸（Ambarella）：于2004年組建，總部位于加州的圣克拉拉市;公司中文名稱為“安霸”，安霸是高清視頻業(yè)界的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，主要提供低功耗、高清視頻壓縮與圖像處理的解決方案，在電視廣播市場(chǎng)，安霸技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，來自世界各地的電視節(jié)目都經(jīng)安霸芯片壓縮后傳送。在業(yè)界率先推出了基于最新H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高集成SoC芯片，集成了各種關(guān)鍵系統(tǒng)功能，提供高性價(jià)比的高清整體解決方案，在H.264高清專業(yè)廣播編碼設(shè)備市場(chǎng)擁有近90%的市場(chǎng)。在IPC領(lǐng)域代表性的解決方案是A2、A5、A5S、A7、A9。

　　結(jié)語：

　　視頻監(jiān)控領(lǐng)域芯片大多掌握在國外企業(yè)手中，國產(chǎn)芯片研發(fā)的滯后導(dǎo)致的危害效應(yīng)已經(jīng)引起國家的重視。于是，政府對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)采用刺激政策，計(jì)劃10年內(nèi)投資10萬億元，支持芯片國產(chǎn)化。而這一政策受益地將包含深圳、上海、武漢等地。圖像傳感器技術(shù)，作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其國產(chǎn)化將會(huì)有一個(gè)大的提升。