圖像傳感器助力高清監(jiān)控的發(fā)展

文/本刊記者 何遙

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由攝像、傳輸、控制、顯示、記錄登記等五大部分組成。視頻通過攝像機(jī)進(jìn)行前端采集，然后將高清視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)，控制主機(jī)再將視頻信號(hào)分配到各監(jiān)視器及錄像設(shè)備。因此，攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)是否高清，這一點(diǎn)非常影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果，而監(jiān)控?cái)z像機(jī)內(nèi)的圖像傳感器芯片成為關(guān)鍵?？傮w來看，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。而由昆山銳芯首創(chuàng)的MCCD兼容了這兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，代表了一種全新的發(fā)展方向。

從CMOS傳感器到CCD傳感器

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。

CCD（Charge Coupled Device），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)“?！獢?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（Complementary Metal Oxide Semiconductor），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)和成本低廉的特性受到不少廠商的追棒。

從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

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(jiǎn)單。

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。

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)。

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(zhǎng)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。

圖像傳感器助推高清監(jiān)控的發(fā)展

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)人用戶為主的消費(fèi)級(jí)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。2014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)。

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曾經(jīng)在監(jiān)控芯片占有率居第一位，技術(shù)底蘊(yùn)豐厚。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，更致力于高端客戶的需求。安霸體系的廠家還提出了“同樣碼流看效果，同樣效果比碼流”的概念。它最大的優(yōu)勢(shì)是圖像質(zhì)量方面，特別是編碼算法做得好，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)份額不算高。

特別值得一提的，由昆山銳芯首創(chuàng)的MCCD，是中國完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種全新的圖像傳感設(shè)計(jì)，兼容CCD設(shè)計(jì)工藝和CMOS設(shè)計(jì)工藝的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)正式發(fā)布1/2英寸BG0601C/D、BG0605C/D，正式推出海思3518C、TI365、Nextchip 2190、2040/E、HT801/802、南億S3000/S3100、富翰FH8520方案。

近兩年來，隨著支持4K編碼的低成本SoC芯片以及支持800萬像素的CMOS傳感器的推出，4K攝像機(jī)也逐漸開始普及，尤其是巴西世界杯和索契冬奧會(huì)等體育盛會(huì)采用4K分辨率視頻圖像輸出，把4K技術(shù)再次被推到輿論的制高點(diǎn)。在圖像傳感技術(shù)的助推下，不久的將來4K分辨率會(huì)成為主流應(yīng)用產(chǎn)品。