高清IPC CMOS传感器应用发展趋势

    【CPS中安网 cps.com.cn】随着互联网的高速发展与普及，安防监控行业也由模拟时代跨入了网络时代，向着网络化、高清化、智能化的方向发展。正因为如此，对前端监控摄像机产品的需求也发生了变化，高清网络摄像机就是在这种需求的推动下逐步发展成熟起来的。从目前的情况来看，虽然模拟监控摄像机仍然占据着很大的市场份额，但高清网络监控摄像机发展迅速，必将在未来的几年成为监控市场的绝对主流。

　　在前些年，CMOS传感器技术还不成熟，CCD凭借着优秀的成像质量、成熟的技术、稳定的性能和出色的夜视能力等优点被广泛应用于各个主流厂家的模拟监控摄像机中。最近几年，随着CMOS技术的发展和制作工艺的不断优化，在感光性能、信噪比等方面有了很大的提升，与CCD的差距在逐渐缩小。尤其是在高清网络监控方案上，CMOS更是有一些CCD所不可比拟的优势。

　　1、 成本

　　CCD结构复杂，对加工制作工艺要求非常高，目前仅有少数几个厂家可以掌握CCD的制作技术。而CMOS应用半导体工业常用的MOS制程，其生产工艺可以随着传统半导体工艺的不断发展而进行不断的提升和优化，使得成本越来越低。

　　2、 速度

　　CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，所有电荷由单一通道输出，速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。对于高分辨率和高帧率的处理有着绝对优势。

　　3、 功耗

　　CCD电荷耦合器需要多路电压传输信号电荷，且一般都需要较高电压驱动电荷移动，而CMOS光电传感器只需一个电源，其功耗仅为CCD电荷耦合器的1/8~1/10，在功耗上具有极大优势，对产品的散热结构要求也随之降低。

　　4、 体积

　　CCD传感器外围电路较为复杂，而CMOS传感器将所有的逻辑和控制电路都集成在芯片内部，集成度高，体积小，有利于设备的小型化。

 　　正是由于CMOS的以上优势，才使得它可以随着安防行业网络化的浪潮成为高清IPC的首选方案，打破了CCD在模拟时代的垄断地位。可以说未来高清网络监控市场的需求也就决定了CMOS在安防领域的发展方向。主要有以下几个趋势：

　　1、 更高的分辨率和帧率

　　高清分为三个等级，准高清720P，实际分辨率为1280×720，有效像素92万，通常被称为百万像素;全高清1080P，实际分辨率为1920×1080，有效像素207万，通常被称为两百万像素;最高端主流的超高清分辨率为2560×1920，有效像素492万，通常被称为五百万像素。目前市场上最常见的是720P和1080P，占据了高清IPC的大部分市场，其中720P更是以其低成本优势成为了绝对的主流。随着整个信息产业的不断发展，网络带宽越来越高、千兆以太网和光纤逐步普及、支持1080P的显示设备越来越多，因此可以预见在未来几年，两百万1080P网络监控摄像机的占比会逐步提高，对更高分辨率和更高帧率的需求也会愈加强烈，这就要求CMOS能够支持高速输出。随着半导体工艺的发展，CMOS单像素尺寸逐年减小，使得同样尺寸下分辨率可以做的更大，SENSOR可以做的更小，现在摄影行业所使用的CMOS传感器分辨率已经在千万像素以上，因此高清IPC要单纯的提高分辨率并不难，难度在于高分辨率高帧率的情况下，后端的图像处理、数据压缩、网络传输、视频存储等配套环节能否跟上。

　　2、 更好的低照效果

　　低照效果好坏直接影响夜间的图像效果，高清时代不仅仅要求白天能够看得清，夜晚同样也需要能够输出高品质的图像。前些年，相比CCD来说，低照度感光能力和噪点控制一直是CMOS的劣势，最近几年来，通过采用新技术，CMOS的低照拍摄水平不断提升，已经达到甚至超过了CCD。

　　反转硅基板表面技术，即背照式CMOS技术。通过将传统的感光组件基板上方的受光面配线位置进行改动，将它放到了基板的后方(下方)，使光线不会受到配线、晶体管等干扰影响，增大了光线的入射量，使得单个像素点的受光条件更佳，低照效果大幅提升。该技术由SONY公司最先提出并实际应用，现在已经被各个CMOS生产厂家广泛采用，虽然各家之间实现的细节有所不同，但其原理都一样。

　　堆栈式CMOS技术，即SONY声称的下一代背照技术。其与传统制程设计的不同之处，在于它采用堆栈的方式将原本需紧靠感光组件的电路部份置于感光组件的下方，这样的做法可使整颗组件在同尺寸规格下得到更多的空间来获得更大面积的感光范围，而受惠于此设计，也使得原本因为整体面积过大，而需要在组件下方加上一片支撑整块芯片的支持基板设计得以取消，更是大幅度减少了组件制作的复杂程度，并且让CMOS的芯片尺寸进一步缩小。

　　3、 宽动态技术

　　宽动态技术是在明暗对比强烈的情况下让摄像机同时能够看清亮处和暗处细节而运用的一种技术，在实际监控场景中应用非常广泛。比如说车库入口、白天看窗户外的场景等。宽动态技术的提升除了依靠后端的图像处理技术外，SENSOR本身动态范围的提升也很重要。由于CCD的固有特性，即便是采用多次曝光方式，CCD摄像机的宽动态范围最多也只有66dB，而CMOS宽动态摄像机在现有技术下其动态范围已能达到160dB。市面上主流的宽动态CMOS有SONY的IMX222和Aptina的9M034等，天地伟业公司推出的S3E系列IPC就采用了此技术以提高相机的宽动态效果。

　　除此以外，CMOS-DPS技术在未来更加值得关注。CMOS-DPS即CMOS数字像素传感器技术，与传统的CMOS传感器不同，CMOS-DPS每个像素点都包含一个独立的AD转换器，使用32位ARM精确控制每个像素，使每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换成数字信号，是目前市面上唯一的、真正的全数字图像处理系统。一些国际主流厂商已经推出了使用此技术的超宽动态摄像机。宽动态技术在监控领域有着极强的使用价值，必将成为未来高清IPC的标准配置。

　　4、 低成本百万像素高清方案

　　网络化让安防监控从以前的专业市场迅速扩展到普通民用消费市场，安防监控产品对价格也就变得更加敏感。百万像素IPC就是在这种环境下应运而生的，它满足了用户对高清IPC的基本要求：720P高清、网络传输控制、低成本。目前安防市场上的百万像素高清相机一般选用1/4寸超低成本CMOS，整机成本可以控制在和普通标清模拟摄像机相差不大的水平上。但由于受传感器尺寸及成本的限制，百万像素的低照效果都比较一般，噪声控制较差，属于高清IPC市场的入门产品。个人估计其仅属于过渡产品，在不久后随着130万、200万产品成本的降低就会逐渐失去其优势，最终被取代。

　　随着监控技术的提高和行业应用的不断发展，高清网络摄像机的市场地位迅速提升，在技术上会面临着更多的变革。同样，为了满足市场的需求，做为高清网络摄像机核心的CMOS图像传感器也必将会不断的完善与发展。只有不断的进步，才能保证自身的优势地位和发展空间，否则只有被市场所淘汰。

　　【作者单位：天津天地伟业数码科技有限公司】