高清成像芯片的发展现状及前景

    目前数码技术、半导体制造技术以及网络的 高速发展，数码产品的市场以惊人的速度 在增长，组成视讯、影音产品的关键零部件——图像 传感器(Sensor)就成为当前以及未来业界重点关注 的对象。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。

    图像传感器的发展及应用

    眼睛是人的视觉图像来源，而图像传感器就是视频采集设备的图像接受装置。图像传感器按形态分类一般有两类：线型图像传感器、面型图像传感器。线型图像传感器多用在扫描仪、复印机、传真机等设备中。而面型图像传感器则广泛的应用在我们熟知的安防监控摄像机、手机摄像头、汽车倒车影像摄像机、 平板电脑等产品中。

    刚刚我们说到，图像传感器有CCD与CMOS芯片 两种。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。

    天地伟业的1080P高清阵列红外高速球产品就使用背照式CMOS传感器，背照式CMOS优秀的低照性能配合设备上集成的LED Array，相比传统的CMOS产品，由于背照式CMOS传感器的良好的感红外性能和性能优异的Sensor QE，大幅提升了球机在低照及有红外补光时的夜间效果。

    背照式CMOS图像传感器除了优秀的低照等性能外，还具有更好的高感光控噪性能。也就是说在ISO提高之后，再配合现金的3DDNR技术，噪点会比CCD少得多。这在低照环境下的图像采集有很大优势，高帧率性能更好。背照式CMOS传感器往往都是高速芯片，众多芯片均支持全高清画质每秒60帧或更高帧率的图像输出，而在这方面CCD传感器比较吃力。现在主流的采用背照式CMOS传感器的高清摄像机大多支持1080P@30fps全高清视频或720P@60fps。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。

    CCD传感器制造工艺较复杂，采用CCD传感器的摄像机价格都会相对比较高。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS芯片的制造成本和功耗都要远低于CCD，所以很多高清摄像机厂家采用CMOS图像传感器。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而 CMOS的产品目前画面通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光模式由于大多使用Rolling Shutter模式造成高速运动物体传感器在捕捉时存在畸变的问题，CMOS的成像质量和CCD传感器在画质要求较为 严格的场景中还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在日益迅速发展的高清摄像机市场中还是得到了广泛的应用。

    图像传感器的最新研发成果

    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(System on Chip)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R e a l 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CMOS SENSOR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。

    除了上述这种集成ISP图像处理的图像传感器，未来市场推出集成压缩处理的图像传感器也是方向之一。将摄像机的核心部件高度集成化是未来的发展趋势，这些都得益于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的架构特性。

    天地伟业最新推出的S3系列高清球机产品和S3E系列高清IPC就使用了集成行为分析处理引擎的SoC处理器和内置ISP的CMOS传感器。SOC处理器内置行为分析硬件加速引擎，智能分析、视频压缩、自动追踪算法业务均在摄像机主控芯片中完成，不再依靠外置设备辅助。并且，行为分析技术结合高清视频监控将为整个监控系统带来革命性的质变。

    【作者单位：天津天地伟业数码科技有限公司】