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浅析视频监控高清成像芯片发展现状

来源: 作者: 2019-02-03 02:43:22

浅析视频监控高清成像芯片发展现状

目前数码技术、半导体制造技术以及络的高速发展,数码产品的市场以惊人的速度在增长,组成视讯、影音产品的关键零部件—图像传感器(Sensor)就成为当前以及未来业界重点关注的对象。图像传感器主要有CCD和CMOS两种芯片,而在我们目前的高清安防视频监控领域,CMOS芯片产品已经被大量应用至各式各样的产品。

浅析视频监控高清成像芯片发展现状

CMOS芯片络高清崛起的重要幕后推手

在今日,随着络高清的应用及家用监控、行车记录仪的崛起,CMOS传感器的节能、高清及小型化等元素被更多的人看中,并成为继CCD传感器后制作数码摄像器材的重要感光元件。

目前,随着CMOS成像技术的不断发展,有越来越多的国际公司可以提供高品质的CMOS成像芯片,包括:Micron、CMOSIS、Cypress等。然而,在国内除了中芯国际成功自主研发背照式CMOS成像传感芯片外,其他芯片设计公司在该领域都缺乏核心技术优势。随着络高清时代的到来,智能影像技术变革亦在即,高像素图像及视频传感芯片即将面临供不应求的现状。

CMOS,即互补金属氧化物半导体,是微机主板上的一块可读写的RAM芯片。所谓CMOS芯片解密,即单片机攻击者利用专用设备或自制设备对这块已加密的CMOS芯片进行技术解剖、晶圆暴露,在高倍显微镜下进行观察,确定芯片的加密方式并确定解密方案,通过烧断加密位,跳线,连线等方式将加密者对于程序提取所设立的障碍予以去除,从而读出内部程序。

虽然CMOS芯片相较于CCD芯片拥有低功耗、高集成度、高输出速度等优势,但固有的高噪声、低照度等劣势,使得低照度门槛终究不可回避。尤其对于平安城市、道路监控、治安监控等一些方面的问题。低照度更是有着较高的要求,很多时候的缺陷并非刻意单纯通过后期的摄像机处理能够完善的弥补。因此,对CMOS芯片解密后程序反汇编、查漏补缺、性能完善,这一步再创新服务不可避免,一般都需要再附加传感器存储器和更复杂的图像处理程序。芯谷科技在CMOS芯片反向设计时都会尽可能地化解芯片性能的提升以及成本的控制。

如今,随着络高清需求的增大,CMOS芯片已登上了制作数码影像器材宝座,尤其是片幅规格较大的单反数码相机。CMOS芯片解密本身依然拥有巨大的发展潜力,特别是在中国这个人口和世界工厂的国家,芯谷科技凭借其独具一格的CMOS IC解密方案优化,PCB抄板、代工代料、功能样机制作等全套解决方案及30万级规模晶圆代工工厂,必将成为中国络高清崛起的重要幕后推手。

图像传感器的发展及应用

眼睛是人的视觉图像来源,而图像传感器就是视频采集设备的图像接受装置。图像传感器按形态分类一般有两类:线型图像传感器、面型图像传感器。线型图像传感器多用在扫描仪、复印机、传真机等设备中。而面型图像传感器则广泛的应用在我们熟知的安防监控摄像机、摄像头、汽车倒车影像摄像机、 平板电脑等产品中。

刚刚我们说到,图像传感器有CCD与CMOS芯片两种。早期,我们通常认为图像画质的设备都采用CCD传感器,而低成本产品则使用CMOS传感器。但是新的CMOS芯片技术已经克服了早期CMOS传感器的技术弱点,传感器的设计上相比老产品提升了低照 性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS传感器来说,在传统的CMOS图像传感器中,感光二极管位于电路晶体管后方,光线会通过微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管,那么进光量就会因遮挡而受到影响。

背照式CMOS传感器在图像传感器原件内部的结构上做了优化,它将感光层的原件调转方向,让光线从图像传感器比传统CMOS传感器在感光灵敏度上有质的飞跃,在低照度环境下,采用背照式CMOS传感器的高清摄像机在聚焦能力、图像画质表现、图像噪点控制等方面有了极大的性能提升。

背照式CMOS图像传感器除了的低照等性能外,还具有更好的高感光控噪性能。也就是说在ISO提高之后,再配合现金的3DDNR技术,噪点会比CCD少得多。这在低照环境下的图像采集有很大优势,高帧率性能更好。背照式CMOS传感器往往都是高速芯片,众多芯片均支持全高清画质每秒60帧或更高帧率的图像输出,而在这方面CCD传感器比较吃力。现在主流的采用背照式CMOS传感器的高清摄像机大多支持1080P@30fps全高清视频或720P@60fps。

而我们常见的CCD传感器摄像机只能够720p@25fps,支持1080P格式的CCD传感器造价高昂。背照式CMOS传感器像素可以再高些。虽说无论是背照CMOS或是CCD,都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的构造决定了传感器面积不变的情况下,可以将有效像素进一步提高,画质也能够保持得比较好。相比之下CCD盲目提高像素的话,画质就会很差,而且随着像素提高,芯片尺寸也在变大造成成本几何倍数上升。

CCD传感器制造工艺较复杂,采用CCD传感器的摄像机价格都会相对比较高。事实上经过技术改造,目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS芯片的制造成本和功耗都要远低于CCD,所以很多高清摄像机厂家采用CMOS图像传感器。成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而 CMOS的产品目前画面通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光模式由于大多使用Rolling Shutter模式造成高速运动物体传感器在捕捉时存在畸变的问题,CMOS的成像质量和CCD传感器在画质要求较为 严格的场景中还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性,因此在日益迅速发展的高清摄像机市场中还是得到了广泛的应用。

图像传感器的研发成果

2012年CMOS图像传感器受到市场青睐重要原因在于过去大大低于CCD的灵敏度问题由于使用了新的传感器技术,如背照式CMOS,逐步得到解决。和CCD传感器相比,CMOS传感器具有更好的量产性,而且容易实现包含其他逻辑电路在内的SoC(System on Chip)产品,而这在CCD芯片中却很难实现。尤其是CMOS传感器不像CCD芯片那样需要特殊的制造工艺,因此可直接使用面向DRAM等大批量产品的生产设备。这样一来,CMOS图像传感器就有可能形成完全不同于CCD图像传感器的成本结构,同时也为CMOS传感器高度集成化开辟了新的发展方向。早期市场上就曾经推出过CMOS传感器自带ISP处理器,内含2A(AE、AWB)控制算法。而发展至今,这样的产品极受市场的欢迎和青睐。

众多不具备ISP图像处理器 /ISP算法研发能力的小企业可以使用自带2A处理的CMOS传感器来制造高清摄像机。传统的高清摄像机架构中,从前端到后端一般分为几个组成部分:图像传感器SENSOR、ISP图像传感器,压缩/信号转换处理;而如果使用集成ISP的CMOS传感器,中间部分使用FPGA芯片实现的ISP单元就可以省去,这样既有效的降低设备整体BOM成本,又绕过了ISP算法的研发门槛。目前市场上价格较为低廉的720P高清络摄像机大多都使用此类方案。

集成Real帧级宽动态的超宽动态高清背照式CMOS传感器,与之前的集成2A功能的CMOS SENSOR不同,这款产品使用了传感器厂家拿手的帧级宽动态技术。我们知道,对于高清摄像机的图像处理,尤其是ISP部分依靠的不仅仅是研发实力,也依靠对于图像处理调试的丰富经验积累。那么一款自带帧级宽动态功能的背照式CMOS传感器产品,不仅将传感器的动态范围提升至120dB以上,也为摄像机生产厂家节省了研发投入。

除了上述这种集成ISP图像处理的图像传感器,未来市场推出集成压缩处理的图像传感器也是方向之一。将摄像机的核心部件高度集成化是未来的发展趋势,这些都得益于CMOS传感器具有更好的量产性,而且容易实现包含其他逻辑电路的架构特性。

后记:

随着络高清需求市场的不断增大,CMOS芯片已登上了制作数码影像器材宝座,尤其是片幅规格较大的单反数码相机。CMOS芯片解密本身依然拥有巨大的发展潜力,特别是在中国这个人口和世界工厂的国家,芯谷科技凭借其独具一格的CMOS IC解密方案优化,PCB抄板、代工代料、功能样机制作等全套解决方案及30万级规模晶圆代工工厂,必将成为中国络高清崛起的重要幕后推手。

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