半導(dǎo)體技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，圖像傳感器的種類(lèi)也更多。本文將近距離關(guān)注該技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，包括誰(shuí)在研發(fā)、推動(dòng)，未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向和如何應(yīng)用于安防行業(yè)，以及該技術(shù)在獲取較大圖片時(shí)的重要性。
文/Ling-Mei Wong
抓拍清晰圖片已成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要目標(biāo)。在光信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖像時(shí)所出現(xiàn)的巨大差異，需要圖像傳感器供應(yīng)商提供各種抓拍方法進(jìn)行加工處理。從占主導(dǎo)地位的CCD (charge-coupled devices，電荷耦合器件)，到正在興起的CMOS (complimentary metal oxide semiconductors，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，也稱(chēng)為SEA-moss)，不同的圖像傳感器滿足了不同的安防需求。正因?yàn)椴捎昧藞D像傳感器，記錄至關(guān)重要的瞬間才能被高效便捷地實(shí)現(xiàn)。
各有所長(zhǎng)
十九世紀(jì)六十年代，CCD和CMOS傳感器發(fā)明。早期的CMOS傳感器的感光能力不如CCD，CCD于1969年得到發(fā)展。兩者都是基于集成電路將視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，但是CCD的感光能力更強(qiáng)，尤其是在低照度環(huán)境下，于是，在第一回合比拼中CCD勝出。
“傳統(tǒng)意義上，CCD更優(yōu)越，多年來(lái)一直占有較大的市場(chǎng)份額，”O(jiān)mnivision公司產(chǎn)品經(jīng)理Michael Hepp解釋?zhuān)芭cCMOS相比，CCD是一項(xiàng)更昂貴的技術(shù)，提供高質(zhì)量圖像和靈活性，需要系統(tǒng)足夠大以充分容納各種部件，其中包括昂貴的多芯片解決方案。過(guò)去，CCD圖像傳感器的感光能力比此前的CMOS傳感器更好。CCD本身也很復(fù)雜，基于一個(gè)非常專(zhuān)業(yè)的處理流程。直到最近，安防攝像機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用中，要求具備更寬的動(dòng)態(tài)范圍（HDR），這也就是說(shuō)，能夠在光線變化較大的環(huán)境下記錄多種色調(diào)細(xì)節(jié)，單純從技術(shù)層面考慮，幾乎只能依靠CCD成像技術(shù)。這樣的話，用戶(hù)就不得不面臨CCD在清晰度、動(dòng)態(tài)范圍、溫度方面的問(wèn)題，而這些問(wèn)題在安防應(yīng)用中恰恰是至關(guān)重要的?！?
IQinVisoin公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Paul Bodell曾表示，直到2003年，CMOS傳感器感光能力才逐漸趕上CCD。逐行掃描CMOS傳感器比隔行掃描CCD芯片更有優(yōu)勢(shì)，它依次掃描每一條電視線，而不是將電視線分成奇數(shù)和偶數(shù)線條再疊加成一副完整圖像。采用隔行掃描方式的話，快速運(yùn)動(dòng)的物體在奇數(shù)場(chǎng)掃描和偶數(shù)場(chǎng)掃描中的位置存在較大差異，從而導(dǎo)致畫(huà)面模糊不清。對(duì)于交通等應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，它們更需要清晰的、無(wú)鋸齒的運(yùn)動(dòng)車(chē)輛圖像。
據(jù)預(yù)測(cè)，CMOS市場(chǎng)將持續(xù)增長(zhǎng)。Frost&Sullivan市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)解釋?zhuān)珻MOS圖像傳感器市場(chǎng)將實(shí)現(xiàn)33%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率，與此同時(shí)，2007年市場(chǎng)份額預(yù)期達(dá)到46.4億美元，與CCD市場(chǎng)相比提升了6.2%。
CMOS傳感器的支持者對(duì)CMOS的節(jié)能能力和低成本效應(yīng)引以為傲?！巴ǔＧ闆r下，CMOS圖像傳感器的耗能相當(dāng)于CCD的十分之一，這就為整個(gè)大型的安全網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)省了巨大開(kāi)支，”Hepp解釋?zhuān)癈MOS圖像傳感器的成本更低，市場(chǎng)價(jià)格也更便宜，同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，這等于為廠家節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本。”
當(dāng)然，市場(chǎng)上還存在另一種爭(zhēng)議，部分人士認(rèn)為，盡管CMOS提供了更多控制方式并降低了消耗，但是CCD的感光能力優(yōu)于CMOS。據(jù)供應(yīng)商自己反映，市場(chǎng)爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于哪一種技術(shù)最適宜于成像應(yīng)用。
成像領(lǐng)域的新軍
索尼公司是CCD市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，其所銷(xiāo)售的大多數(shù)圖像傳感器都是CCD產(chǎn)品，目前也在提高CMOS產(chǎn)品的產(chǎn)量。據(jù)業(yè)內(nèi)部分人士估計(jì)，索尼公司在CCD市場(chǎng)的份額占到40%，目前它在CCD行業(yè)的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是松下和夏普公司。
部分供應(yīng)商則與索尼公司直接競(jìng)爭(zhēng)，例如Pixim，這家二十世紀(jì)九十年代成立的公司，目前正極力推出CMOS傳感器。另外，Micron Technology和OmniVision公司也是CMOS領(lǐng)域的強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)者，兩家公司都很自信他們是半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先者。約一年前，提供DRAM和閃存的專(zhuān)業(yè)廠商——Micron公司也進(jìn)軍CMOS市場(chǎng)。據(jù)該公司亞洲通訊部經(jīng)理John Mullins所說(shuō)，在極短時(shí)間內(nèi)，從2006年12月到2007年2月，Micron公司就占領(lǐng)了38%的國(guó)際市場(chǎng)份額。
隨著CMOS市場(chǎng)的不斷發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者在功能和價(jià)格方面展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。每一家都各顯神通，竭力推出獨(dú)特功能的優(yōu)勢(shì)。
Micron蠢蠢欲動(dòng)
由于具有半導(dǎo)體行業(yè)的背景，Micron公司比其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更有優(yōu)勢(shì)。該公司的高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)代表Rene Hartner如此說(shuō)道，“Micron公司的背景就是DRAM制造商，這種設(shè)備最大限度地防止晶體管信息的丟失。這有助我們?cè)趫D像傳感器中采取獨(dú)特的方法最小化暗電流。而且，除此之外，到目前為止，CMOS仍是最常用的，容易批量生產(chǎn)，而且其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)CCD?！?
“其次，將攝像機(jī)的各種功能集成在芯片上，CMOS圖像傳感器簡(jiǎn)化了攝像機(jī)系統(tǒng)的部件，增加可靠性，使設(shè)備小型化，無(wú)需額外的芯片包裝、組裝以及外部設(shè)備的支持，從而大大地降低了成本，”他解釋。
Micron公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CMOS傳感器的電耗低于CCD，成為新一代攝像機(jī)的較理想的選擇。“我們已經(jīng)看到了電池供電攝像機(jī)的一個(gè)發(fā)展新趨勢(shì)，主要在民用和國(guó)土安全領(lǐng)域，”Hartner聲稱(chēng)，“我們生產(chǎn)的傳感器在降低能耗方面表現(xiàn)突出，使廠商能夠開(kāi)發(fā)出新的解決方案，給水、氣和管道運(yùn)營(yíng)商提供視頻監(jiān)控和保護(hù)資產(chǎn)。”
他還補(bǔ)充道，寬動(dòng)態(tài)范圍也是其中的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，使得一個(gè)包含高亮度區(qū)域和黑暗角落的場(chǎng)景完全地顯示出來(lái)。例如，銀行、ATM機(jī)或交通領(lǐng)域都需要寬動(dòng)態(tài)解決方案。標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是從70分貝到100分貝以上?！叭绻阋ャy行，一般都是從街道進(jìn)入一個(gè)采用人工照明的營(yíng)業(yè)廳。攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)有人進(jìn)入之后，場(chǎng)景的光線從適度變得明亮刺眼。這個(gè)時(shí)候，采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器的話，就難以看到人通過(guò)大門(mén)進(jìn)入銀行的各個(gè)細(xì)節(jié)，比如人的面部或衣服顏色等。MT9V032設(shè)備不僅能提供寬動(dòng)態(tài)范圍，而且還能提供全景快門(mén)（Global Shutter：全幀同時(shí)曝光快門(mén)）功能，該設(shè)備不僅具備交通領(lǐng)域所需監(jiān)控?cái)z像機(jī)的功能，同時(shí)還能作為高速球，用來(lái)抓拍交通肇事者的面部和車(chē)輛牌照，比如超速違章駕車(chē)?！?
另外，低照度也是監(jiān)控領(lǐng)域CMOS傳感器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?！癕icron公司的傳感器具有優(yōu)秀的低照度性能，這也是許多客戶(hù)選擇設(shè)備時(shí)所關(guān)心的重要參數(shù)之一，”Hartner解釋。
OmniVision全力以赴
OmniVision公司一直致力于打造自己的傳感器品牌。“OminVision屬于第一批提供CMOS圖像傳感器的專(zhuān)業(yè)供應(yīng)商，將信號(hào)處理器集成到傳感器上，”Hepp介紹，“這是一種單芯片解決方案，允許客戶(hù)將圖像傳感器和信號(hào)傳感器集成到一個(gè)芯片，因此，無(wú)需其它協(xié)同處理的芯片，這就大大節(jié)省了客戶(hù)的成本?！?
在圖像傳感器中，OmniVision公司為不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行量身定做的設(shè)計(jì)。比如，在機(jī)動(dòng)車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，非常需要具備在高溫和惡劣的環(huán)境條件下正常運(yùn)行的功能。當(dāng)然，不同應(yīng)用領(lǐng)域的基本需求是不變的。Hepp說(shuō)道，“對(duì)于任何一個(gè)特殊的傳感器來(lái)說(shuō)，它的性能需要達(dá)到或超過(guò)預(yù)期目標(biāo)，否則，最初就沒(méi)必要采用這種傳感器。圖像質(zhì)量、光線變化條件下的性能、溫度范圍，都是選擇傳感器時(shí)需要考量的因素，另外，還包括原材料成本、便于集成到一個(gè)攝像機(jī)或安防系統(tǒng)中，以及方便用戶(hù)安裝和使用?！?
Pixim加緊腳步
來(lái)自于美國(guó)加利福尼亞州的Pixim公司是非常著名的CMOS供應(yīng)商?！霸谛袠I(yè)中，Pixim的圖像傳感器非常獨(dú)特，”該公司市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁John Monti表示，“我們稱(chēng)之為DPS (Digital Pixel System，數(shù)字成像系統(tǒng))技術(shù)，其關(guān)鍵之處在于每一個(gè)像素點(diǎn)上包含了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器。這要求每個(gè)像素獨(dú)立完成采樣和曝光，并直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其結(jié)果帶來(lái)超寬動(dòng)態(tài)范圍（UWDR）功能，該功能有諸多好處，例如120分貝動(dòng)態(tài)范圍、顏色精確、無(wú)花邊或鋸齒、逐行掃描圖像抓拍，以及全景電子快門(mén)以減輕運(yùn)動(dòng)物體圖像的模糊?！?
但是，并非所有解決方案都需要寬動(dòng)態(tài)范圍的功能?！捌鋵?shí)，成像解決方案是很主觀的，包括如何抓拍或顯示圖像，”Monti認(rèn)為，“我們提供的成像解決方案是可配置的，它可以使得GE生產(chǎn)的攝像機(jī)不同于霍尼韋爾、Pelco或Lenel的。它們提供的產(chǎn)品各具特色。攝像機(jī)廠家、集成商或終端用戶(hù)等，都可以靈活地進(jìn)行配置?！?
正是這些技術(shù)特點(diǎn)，使得Monti認(rèn)為Pixim比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更有優(yōu)勢(shì)?！澳MCMOS傳感器采用的滾動(dòng)式快門(mén)（rolling shutter）方式不太適用于運(yùn)動(dòng)物體圖像的捕捉；受傳感器固定模式噪聲的影響，它的低照度性能也較差?！盤(pán)ixim公司提供的全景快門(mén)方式通過(guò)調(diào)節(jié)每一個(gè)像素的增益值來(lái)降噪。如此一來(lái)，即便是在低照度環(huán)境中，傳感器對(duì)光的靈敏度也更強(qiáng)。
攝像機(jī)廠商在尋找什么？
很多傳感器供應(yīng)商都在大力推廣解決方案，攝像機(jī)廠商在挑選合作伙伴時(shí)選擇也更多。有的廠商選擇更好的技術(shù)，有的廠商則根據(jù)具體的應(yīng)用需求，從CCD和CMOS中擇優(yōu)而取。
以德國(guó)的Mobotix公司為例，它的選擇是明確的?！翱紤]到靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，以及圖像中的亮度變化范圍也很大，”國(guó)際營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Peter McKee表示，“攝像機(jī)就不得不面臨強(qiáng)光曝曬的問(wèn)題，這時(shí)候就必須配置CMOS傳感器，因?yàn)镃CD明顯容易被燒壞?！?
Mobotix公司并未透露是否采用第三方供應(yīng)的CMOS傳感器或誰(shuí)是供應(yīng)商，但是，該公司聲稱(chēng)，其全幀CMOS解決方案提供了獨(dú)特的960電視線逐行掃描圖像，這與CCD供應(yīng)商所提供的模糊的隔行掃描圖像不同。通過(guò)軟件，Mobotix公司還可以進(jìn)一步掌握高清晰度圖像技術(shù)，同時(shí)不需要采用更多的硬件?！霸谟布C(jī)械部分，CMOS允許我們使用配置帶固定光圈的鏡頭，而且事實(shí)上我們不使用可移動(dòng)的部件，這與Mobotix公司‘沒(méi)有移動(dòng)部件就等于不需要維護(hù)’的理念一致，”McKee如此解釋。
與此不同，Mintron公司只在攝像機(jī)中使用CCD。該公司CEO Mars Yang透露之所以選擇索尼CCD，并基于它制造第一代CCD攝像機(jī)的原因是，其光靈敏度、降噪等性能。后來(lái)，Mintron公司開(kāi)發(fā)了自己的圖像傳感器。它具備寬動(dòng)態(tài)范圍，光靈敏度高達(dá)1:100000，即使光照不足的時(shí)候也可抓拍到清晰圖像。這種芯片基于CMOS程序，有效地將CCD的敏感度和CMOS的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。
當(dāng)然，并非所有的攝像機(jī)廠商都具備自主研發(fā)和生產(chǎn)零部件的能力，他們沒(méi)得選擇，只能找到自己的圖像傳感器合作伙伴。
誰(shuí)將得到“水晶球”
與索尼在CCD市場(chǎng)的主導(dǎo)地位不同，目前，CMOS市場(chǎng)還未出現(xiàn)一個(gè)霸主。但可以肯定的是，惟有經(jīng)過(guò)不斷的激戰(zhàn)才能到達(dá)頂峰。
CMOS解決方案在多個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)受到青睞，有望在競(jìng)爭(zhēng)中搶占更多的應(yīng)用市場(chǎng)。“我們期望CMOS傳感器在全球各行各業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣，其中也包括安防行業(yè)。它在功能、價(jià)格、大小及性能等方面都有自己的優(yōu)勢(shì)，”Hepp強(qiáng)調(diào)，“亞洲和其它ODM市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)這種苗頭，而我們也擁有眾多來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)和安防領(lǐng)域的攝像機(jī)市場(chǎng)的客戶(hù)?，F(xiàn)在，安防市場(chǎng)已經(jīng)在采用基于CMOS的傳感技術(shù)，并且，在圖像質(zhì)量和低照度性能方面，CMOS已經(jīng)達(dá)到或即將超越CCD的水平?！?
而Yang也表示，在Mintron公司的收入中，CMOS的利潤(rùn)正在向CCD逼近。當(dāng)然，每一項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)各有不同，比如CMOS的低耗能和低成本；而CCD的噪聲更少。可見(jiàn)，誰(shuí)也無(wú)法完全取代誰(shuí)。同時(shí)，爭(zhēng)議也將繼續(xù)，雙方都持有強(qiáng)有力的論據(jù)。未來(lái)幾年之內(nèi)，零部件市場(chǎng)的動(dòng)向也將更有看頭。
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