‧ 高清IP Camera CMOS感測器應用發展趨勢

來源:CPS中安網 作者:付邦鵬 薛超

隨著網路的高速發展與普及，安防監控行業也由類比時代跨入了網路時代，向著網路化、高清化、智慧化的方向發展。正因為如此，對前端監控攝影機產品的需求也發生了變化，高清網路攝影機就是在這種需求的推動下逐步發展成熟起來的。

從目前的情況來看，雖然類比監控攝影機仍然佔據著很大的市場佔有率，但高清網路監控攝影機發展迅速，必將在未來的幾年成為監控市場的絕對主流。

　　

在前些年，CMOS感測器技術還不成熟，CCD憑藉著優秀的成像品質、成熟的技術、穩定的性能和出色的夜視能力等優點，被廣泛應用於各個主流廠家的類比監控攝影機中。最近幾年，隨著CMOS技術的發展和製作技術的不斷優化，在感光性能、信噪比等方面有了很大的提升，與CCD的差距在逐漸縮小。尤其是在高清網路監控方案上，CMOS更是有一些CCD所不可比擬的優勢。

　　

1、 成本

CCD結構複雜，對加工製作過程要求非常高，目前僅有少數幾個廠家可以掌握CCD的製作技術。而CMOS應用半導體工業常用的MOS製程，其生產過程可以隨著傳統半導體技術的不斷發展，而進行不斷的提升和優化，使得成本越來越低。

　　

2、 速度

CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，所有電荷由單一通道輸出，速度較慢;而CMOS光電感測器採集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像資訊，速度比CCD電荷耦合器快很多。對於高解析度和高幀率的處理有著絕對優勢。

　　

3、 功耗

CCD電荷耦合器需要多路電壓傳輸信號電荷，且一般都需要較高電壓驅動電荷移動，而CMOS光電感測器只需一個電源，其功耗僅為CCD電荷耦合器的1/8~1/10，在功耗上具有極大優勢，對產品的散熱結構要求也隨之降低。

　　

4、 體積

CCD感測器週邊電路較為複雜，而CMOS感測器將所有的邏輯和控制電路，都集成在晶片內部，集成度高，體積小，有利於設備的小型化。

　　

正是由於CMOS的以上優勢，才使得它可以隨著安防行業網路化的浪潮，成為高清IPC的首選方案，打破了CCD在類比時代的壟斷地位。可以說未來高清網路監控市場的需求也就決定了CMOS在安防領域的發展方向。主要有以下幾個趨勢：

　　

1、 更高的解析度和幀率

高清分為三個等級，準高清720P，實際解析度為1280×720，有效像素92萬，通常被稱為百萬像素;全高清1080P，實際解析度為1920×1080，有效像素207萬，通常被稱為兩百萬像素;最高端主流的超高清解析度為2560×1920，有效像素492萬，通常被稱為五百萬像素。

目前市場上最常見的是720P和1080P，佔據了高清IP Cam的大部分市場，其中720P更是以其低成本優勢成為了絕對的主流。隨著整個資訊產業的不斷發展，網路頻寬越來越高、千兆乙太網和光纖逐步普及、支援1080P的顯示裝置越來越多，因此可以預見在未來幾年，兩百萬1080P網路監控攝影機的占比會逐步提高，對更高解析度和更高幀率的需求也會愈加強烈，這就要求CMOS能夠支持高速輸出。

隨著半導體技術的發展，CMOS單像素尺寸逐年減小，使得同樣尺寸下解析度可以做的更大，SENSOR可以做的更小，現在攝影行業所使用的CMOS感測器解析度已經在千萬像素以上，因此高清IP Cam要單純的提高解析度並不難，難度在於高解析度高幀率的情況下，後端的影像處理、資料壓縮、網路傳輸、影像儲存等配套環節能否跟上。

　　

2、 更好的低照效果

低照效果好壞直接影響夜間的圖像效果，高清時代不僅僅要求白天能夠看得清，夜晚同樣也需要能夠輸出高品質的圖像。前些年，相比CCD來說，低照度感光能力和噪點控制一直是CMOS的劣勢，最近幾年來，通過採用新技術，CMOS的低照拍攝水準不斷提升，已經達到甚至超過了CCD。

　　

反轉矽基板表面技術，即背照式CMOS技術。通過將傳統的感光元件基板上方的受光面配線位置進行改動，將它放到了基板的後方(下方)，使光線不會受到配線、電晶體等干擾影響，增大了光線的入射量，使得單個像素點的受光條件更佳，低照效果大幅提升。該技術由SONY公司最先提出並實際應用，現在已經被各個CMOS生產廠家廣泛採用，雖然各家之間實現的細節有所不同，但其原理都一樣。

　　

堆疊式CMOS技術，即SONY聲稱的下一代背照技術。其與傳統制程設計的不同之處，在於它採用堆疊的方式，將原本需緊靠感光元件的電路部份，置於感光元件的下方，這樣的做法可使整顆元件，在同尺寸規格下得到更多的空間，來獲得更大面積的感光範圍，而受惠於此設計，也使得原本因為整體面積過大，而需要在元件下方加上一片，支撐整塊晶片的支援基板設計得以取消，更是大幅度減少了組件製作的複雜程度，並且讓CMOS的晶片尺寸進一步縮小。

　　

3、 寬動態技術

寬動態技術是在明暗對比強烈的情況下讓攝影機同時能夠看清亮處和暗處細節而運用的一種技術，在實際監控場景中應用非常廣泛。比如說車庫入口、白天看窗戶外的場景等。寬動態技術的提升除了依靠後端的影像處理技術外，SENSOR本身動態範圍的提升也很重要。

由於CCD的固有特性，即便是採用多次曝光方式，CCD攝影機的寬動態範圍最多也只有66dB，而CMOS寬動態攝影機在現有技術下其動態範圍已能達到160dB。市面上主流的寬動態CMOS有SONY的IMX222和Aptina的9M034等，天地偉業公司推出的S3E系列IPC就採用了此技術以提高相機的寬動態效果。

　　

除此以外，CMOS-DPS技術在未來更加值得關注。CMOS-DPS即CMOS數位像素感測器技術，與傳統的CMOS感測器不同，CMOS-DPS每個像素點都包含一個獨立的AD轉換器，使用32位元ARM精確控制每個像素，使每個像素獨立完成採樣和曝光，並直接轉換成數位信號，是目前市面上唯一的、真正的全數位影像處理系統。

一些國際主流廠商已經推出了使用此技術的超寬動態攝影機。寬動態技術在監控領域有著極強的使用價值，必將成為未來高清IP Cam的標準配置。

　　

4、 低成本百萬像素高清方案

網路化讓安防監控從以前的專業市場，迅速擴展到普通民用消費市場，安防監控產品對價格也就變得更加敏感。百萬像素IP Cam就是在這種環境下應運而生的，它滿足了用戶對高清IP Cam的基本要求：720P高清、網路傳輸控制、低成本。

目前安防市場上的百萬像素高清相機一般選用1/4寸超低成本CMOS，整機成本可以控制在和普通標清類比攝影機相差不大的水準上。但由於受感測器尺寸及成本的限制，百萬像素的低照效果都比較一般，雜訊控制較差，屬於高清IPC市場的入門產品。個人估計其僅屬於過渡產品，在不久後隨著130萬、200萬產品成本的降低就會逐漸失去其優勢，最終被取代。

　　

隨著監控技術的提高和行業應用的不斷發展，高清網路攝影機的市場地位迅速提升，在技術上會面臨著更多的變革。同樣，為了滿足市場的需求，做為高清網路攝影機核心的CMOS圖像感測器也必將會不斷的完善與發展。只有不斷的進步，才能保證自身的優勢地位和發展空間，否則只有被市場所淘汰。