图像传感器助力高清监控的发展

文/本刊记者 何遥

视频监控系统是由摄像、传输、控制、显示、记录登记等五大部分组成。视频通过摄像机进行前端采集，然后将高清视频图像数据传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到各监视器及录像设备。因此，摄像机采集的数据是否高清，这一点非常影响视频监控系统的整体运行效果，而监控摄像机内的图像传感器芯片成为关键。总体来看，监控摄像机的图像传感器正逐渐从传统的CCD向CMOS转变。而由昆山锐芯首创的MCCD兼容了这两种传感器的优点，代表了一种全新的发展方向。

从CMOS传感器到CCD传感器

CMOS图像传感器低成本、高集成度为其主要特点，图像质量已不输于CCD。与基于CCD的探头相比，CMOS探头的集成度更高，因为CMOS传感器集成了许多外围处理功能，所需器件比CCD探头少，且CMOS探头的功耗要低得多。从整个系统来看，CMOS传感器可将成本大大降低。

CCD（Charge Coupled Device），即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模—数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备（比如内存芯片或内存卡）。CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有2×2平方英寸。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。有人发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器，其便于大规模生产和成本低廉的特性受到不少厂商的追棒。

从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：

信息读取方式：CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

速度：CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，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。

电源及耗电量：CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

成像质量：CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

图像传感器助推高清监控的发展

目前，CCD技术主要掌握在索尼、佳能、奥林巴斯等几大厂商手中。主流的数码相机均采用CCD作为光敏传感器件，像素数一般为三百万左右。其制造工艺复杂，功耗大，成本较高。未来，采用CCD传感器的数码相机将继续朝着提高像素数，增加拍摄功能，提高照片质量的方向发展，力争在各项指标上早日达到传统相机的标准。

采用CMOS传感器的数码相机一般低于130万像素，主要面向以家庭、个人用户为主的消费级市场。其时尚化、多功能、价格低的优势受到了普通消费者的欢迎。国内的数码相机厂商对CMOS数码相机倾注了极高的热情，包括海鸥、先科、喜马拉雅等先后推出了相应产品。CMOS可塑性较高，未来除了数码相机之外，将在传真机、扫描仪、数字摄像机、安全侦测系统等方面得到广泛应用。2014年7月，欧洲的独立半导体研究机构IMEC公布了两个有关CMOS的研发项目，其目标是确立国际半导体技术规划（ITRS）的最新版本，并提出面向60nm-30nm的技术。

单百万高清前端摄像机来讲，TI、Hisilicon、Ambarella三家的方案都有各自的优劣，没有一家是所有维度都占优的。TI曾经在监控芯片占有率居第一位，技术底蕴丰厚。海思在占据了DVR市场后，近两年比较重视IPC市场，在IPC领域推出的产品频率较高。性能都算是优秀的，集成了自己的ISP以后，图像质 量也还不错，而且作为国内方案厂商，技术支持比较到位。 开发相对容易一些，价格相对便宜。目前以其高性价比、良好的技术支持获得市场的广泛接受。安霸作为传统的DV方案商，更致力于高端客户的需求。安霸体系的厂家还提出了“同样码流看效果，同样效果比码流”的概念。它最大的优势是图像质量方面，特别是编码算法做得好，在低码率的情况下是三个方案中图像质量最好的，价格偏贵，市场份额不算高。

特别值得一提的，由昆山锐芯首创的MCCD，是中国完全自主知识产权的一种全新的图像传感设计，兼容CCD设计工艺和CMOS设计工艺的优点，现对市场正式发布1/2英寸BG0601C/D、BG0605C/D，正式推出海思3518C、TI365、Nextchip 2190、2040/E、HT801/802、南亿S3000/S3100、富翰FH8520方案。

近两年来，随着支持4K编码的低成本SoC芯片以及支持800万像素的CMOS传感器的推出，4K摄像机也逐渐开始普及，尤其是巴西世界杯和索契冬奥会等体育盛会采用4K分辨率视频图像输出，把4K技术再次被推到舆论的制高点。在图像传感技术的助推下，不久的将来4K分辨率会成为主流应用产品。