半導體技術得到進一步發(fā)展的同時，圖像傳感器的種類也更多。本文將近距離關注該技術的發(fā)展動向，包括誰在研發(fā)、推動，未來的發(fā)展動向和如何應用于安防行業(yè)，以及該技術在獲取較大圖片時的重要性。
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。在光信號轉化成圖像時所出現(xiàn)的巨大差異，需要圖像傳感器供應商提供各種抓拍方法進行加工處理。從占主導地位的CCD (charge-coupled devices，電荷耦合器件)，到正在興起的CMOS (complimentary metal oxide semiconductors，互補性氧化金屬半導體，也稱為SEA-moss)，不同的圖像傳感器滿足了不同的安防需求。正因為采用了圖像傳感器，記錄至關重要的瞬間才能被高效便捷地實現(xiàn)。
各有所長
十九世紀六十年代，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換成數(shù)字信號，但是CCD的感光能力更強，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，多年來一直占有較大的市場份額，”O(jiān)mnivision公司產(chǎn)品經(jīng)理Michael Hepp解釋，“與CMOS相比，CCD是一項更昂貴的技術，提供高質量圖像和靈活性，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本身也很復雜，基于一個非常專業(yè)的處理流程。直到最近，安防攝像機的商業(yè)化應用中，要求具備更寬的動態(tài)范圍（HDR），這也就是說，能夠在光線變化較大的環(huán)境下記錄多種色調(diào)細節(jié)，單純從技術層面考慮，幾乎只能依靠CCD成像技術。這樣的話，用戶就不得不面臨CCD在清晰度、動態(tài)范圍、溫度方面的問題，而這些問題在安防應用中恰恰是至關重要的?！?
IQinVisoin公司市場營銷副總裁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，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，快速運動的物體在奇數(shù)場掃描和偶數(shù)場掃描中的位置存在較大差異，從而導致畫面模糊不清。對于交通等應用領域來說，它們更需要清晰的、無鋸齒的運動車輛圖像。
據(jù)預測，CMOS市場將持續(xù)增長。Frost&Sullivan市場調(diào)研機構解釋，CMOS圖像傳感器市場將實現(xiàn)33%的年均復合增長率，與此同時，2007年市場份額預期達到46.4億美元，與CCD市場相比提升了6.2%。
CMOS傳感器的支持者對CMOS的節(jié)能能力和低成本效應引以為傲?！巴ǔＧ闆r下，CMOS圖像傳感器的耗能相當于CCD的十分之一，這就為整個大型的安全網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)省了巨大開支，”Hepp解釋，“CMOS圖像傳感器的成本更低，市場價格也更便宜，同時降低了整個系統(tǒng)的成本，這等于為廠家節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本。”
當然，市場上還存在另一種爭議，部分人士認為，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)供應商自己反映，市場爭議的焦點在于哪一種技術最適宜于成像應用。
成像領域的新軍
索尼公司是CCD市場的領導者，其所銷售的大多數(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，索尼公司在CCD市場的份額占到40%，目前它在CCD行業(yè)的最大競爭對手是松下和夏普公司。
部分供應商則與索尼公司直接競爭，例如Pixim，這家二十世紀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領域的強勁競爭者，兩家公司都很自信他們是半導體行業(yè)的領先者。約一年前，提供DRAM和閃存的專業(yè)廠商——Micron公司也進軍CMOS市場。據(jù)該公司亞洲通訊部經(jīng)理John Mullins所說，在極短時間內(nèi)，從2006年12月到2007年2月，Micron公司就占領了38%的國際市場份額。
隨著CMOS市場的不斷發(fā)展，行業(yè)競爭者在功能和價格方面展開了激烈的競爭。每一家都各顯神通，竭力推出獨特功能的優(yōu)勢。
Micron蠢蠢欲動
由于具有半導體行業(yè)的背景，Micron公司比其他競爭對手更有優(yōu)勢。該公司的高級營銷代表Rene Hartner如此說道，“Micron公司的背景就是DRAM制造商，這種設備最大限度地防止晶體管信息的丟失。這有助我們在圖像傳感器中采取獨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)濟效益也遠遠超過CCD?！?
“其次，將攝像機的各種功能集成在芯片上，CMOS圖像傳感器簡化了攝像機系統(tǒng)的部件，增加可靠性，使設備小型化，無需額外的芯片包裝、組裝以及外部設備的支持，從而大大地降低了成本，”他解釋。
Micron公司已經(jīng)實現(xiàn)了CMOS傳感器的電耗低于CCD，成為新一代攝像機的較理想的選擇?！拔覀円呀?jīng)看到了電池供電攝像機的一個發(fā)展新趨勢，主要在民用和國土安全領域，”Hartner聲稱，“我們生產(chǎn)的傳感器在降低能耗方面表現(xiàn)突出，使廠商能夠開發(fā)出新的解決方案，給水、氣和管道運營商提供視頻監(jiān)控和保護資產(chǎn)?！?
他還補充道，寬動態(tài)范圍也是其中的一個優(yōu)勢，使得一個包含高亮度區(qū)域和黑暗角落的場景完全地顯示出來。例如，銀行、ATM機或交通領域都需要寬動態(tài)解決方案。標準CMOS傳感器的動態(tài)范圍是從70分貝到100分貝以上。“如果你要去銀行，一般都是從街道進入一個采用人工照明的營業(yè)廳。攝像機發(fā)現(xiàn)有人進入之后，場景的光線從適度變得明亮刺眼。這個時候，采用標準傳感器的話，就難以看到人通過大門進入銀行的各個細節(jié)，比如人的面部或衣服顏色等。MT9V032設備不僅能提供寬動態(tài)范圍，而且還能提供全景快門（Global Shutter：全幀同時曝光快門）功能，該設備不僅具備交通領域所需監(jiān)控攝像機的功能，同時還能作為高速球，用來抓拍交通肇事者的面部和車輛牌照，比如超速違章駕車?！?
另外，低照度也是監(jiān)控領域CMOS傳感器的一個關鍵參數(shù)?！癕icron公司的傳感器具有優(yōu)秀的低照度性能，這也是許多客戶選擇設備時所關心的重要參數(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?！癘minVision屬于第一批提供CMOS圖像傳感器的專業(yè)供應商，將信號處理器集成到傳感器上，”Hepp介紹，“這是一種單芯片解決方案，允許客戶將圖像傳感器和信號傳感器集成到一個芯片，因此，無需其它協(xié)同處理的芯片，這就大大節(jié)省了客戶的成本?！?
在圖像傳感器中，OmniVision公司為不同應用領域進行量身定做的設計。比如，在機動車應用領域，非常需要具備在高溫和惡劣的環(huán)境條件下正常運行的功能。當然，不同應用領域的基本需求是不變的。Hepp說道，“對于任何一個特殊的傳感器來說，它的性能需要達到或超過預期目標，否則，最初就沒必要采用這種傳感器。圖像質量、光線變化條件下的性能、溫度范圍，都是選擇傳感器時需要考量的因素，另外，還包括原材料成本、便于集成到一個攝像機或安防系統(tǒng)中，以及方便用戶安裝和使用。”
Pixim加緊腳步
來自于美國加利福尼亞州的Pixim公司是非常著名的CMOS供應商。“在行業(yè)中，Pixim的圖像傳感器非常獨特，”該公司市場營銷副總裁John Monti表示，“我們稱之為DPS (Digital Pixel System，數(shù)字成像系統(tǒng))技術，其關鍵之處在于每一個像素點上包含了一個10位A/D轉換器。這要求每個像素獨立完成采樣和曝光，并直接轉換為數(shù)字信號。其結果帶來超寬動態(tài)范圍（UWDR）功能，該功能有諸多好處，例如120分貝動態(tài)范圍、顏色精確、無花邊或鋸齒、逐行掃描圖像抓拍，以及全景電子快門以減輕運動物體圖像的模糊?！?
但是，并非所有解決方案都需要寬動態(tài)范圍的功能。“其實，成像解決方案是很主觀的，包括如何抓拍或顯示圖像，”Monti認為，“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。攝像機廠家、集成商或終端用戶等，都可以靈活地進行配置。”
正是這些技術特點，使得Monti認為Pixim比競爭對手更有優(yōu)勢?！澳MCMOS傳感器采用的滾動式快門（rolling shutter）方式不太適用于運動物體圖像的捕捉；受傳感器固定模式噪聲的影響，它的低照度性能也較差?！盤ixim公司提供的全景快門方式通過調(diào)節(jié)每一個像素的增益值來降噪。如此一來，即便是在低照度環(huán)境中，傳感器對光的靈敏度也更強。
攝像機廠商在尋找什么？
很多傳感器供應商都在大力推廣解決方案，攝像機廠商在挑選合作伙伴時選擇也更多。有的廠商選擇更好的技術，有的廠商則根據(jù)具體的應用需求，從CCD和CMOS中擇優(yōu)而取。
以德國的Mobotix公司為例，它的選擇是明確的。“考慮到靈敏度和動態(tài)范圍，以及圖像中的亮度變化范圍也很大，”國際營銷總監(jiān)Peter McKee表示，“攝像機就不得不面臨強光曝曬的問題，這時候就必須配置CMOS傳感器，因為CCD明顯容易被燒壞。”
Mobotix公司并未透露是否采用第三方供應的CMOS傳感器或誰是供應商，但是，該公司聲稱，其全幀CMOS解決方案提供了獨特的960電視線逐行掃描圖像，這與CCD供應商所提供的模糊的隔行掃描圖像不同。通過軟件，Mobotix公司還可以進一步掌握高清晰度圖像技術，同時不需要采用更多的硬件?！霸谟布C械部分，CMOS允許我們使用配置帶固定光圈的鏡頭，而且事實上我們不使用可移動的部件，這與Mobotix公司‘沒有移動部件就等于不需要維護’的理念一致，”McKee如此解釋。
與此不同，Mintron公司只在攝像機中使用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攝像機的原因是，其光靈敏度、降噪等性能。后來，Mintron公司開發(fā)了自己的圖像傳感器。它具備寬動態(tài)范圍，光靈敏度高達1:100000，即使光照不足的時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)勢結合在一起。
當然，并非所有的攝像機廠商都具備自主研發(fā)和生產(chǎn)零部件的能力，他們沒得選擇，只能找到自己的圖像傳感器合作伙伴。
誰將得到“水晶球”
與索尼在CCD市場的主導地位不同，目前，CMOS市場還未出現(xiàn)一個霸主。但可以肯定的是，惟有經(jīng)過不斷的激戰(zhàn)才能到達頂峰。
CMOS解決方案在多個應用市場受到青睞，有望在競爭中搶占更多的應用市場?！拔覀兤谕鸆MOS傳感器在全球各行各業(yè)中應用越來越廣，其中也包括安防行業(yè)。它在功能、價格、大小及性能等方面都有自己的優(yōu)勢，”Hepp強調(diào)，“亞洲和其它ODM市場上已經(jīng)出現(xiàn)這種苗頭，而我們也擁有眾多來自互聯(lián)網(wǎng)和安防領域的攝像機市場的客戶。現(xiàn)在，安防市場已經(jīng)在采用基于CMOS的傳感技術，并且，在圖像質量和低照度性能方面，CMOS已經(jīng)達到或即將超越CCD的水平?！?
而Yang也表示，在Mintron公司的收入中，CMOS的利潤正在向CCD逼近。當然，每一項技術的優(yōu)勢各有不同，比如CMOS的低耗能和低成本；而CCD的噪聲更少?？梢姡l也無法完全取代誰。同時，爭議也將繼續(xù)，雙方都持有強有力的論據(jù)。未來幾年之內(nèi)，零部件市場的動向也將更有看頭。
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