图像传感器技术：视频监控系统的核心

图像传感器技术：视频监控系统的核心 来源：中国安防网 导读导读 “图像不清，看不清楚画面，有噪点，画面不高清，失真，设备耗电量太大了”， 这些问题都出在监控摄像机的图像传感器上。本期我们就详解下图像传感技术。 关键词：关键词：CCD 传感器 CMOS 传感器视频监控系统图像传感器 “图像不清，看不清楚画面，有噪点，画面不高清，失真，设备耗电量太大了”，这 些问题都出在监控摄像机的图像传感器上。本期我们就详解下图像传感技术。 目前，监控摄像机的图像传感器正逐渐从传统的 CCD 向 CMOS 转变。 我们都知道，视频监控系统中很重要的步奏就是前端采集，监控摄像机作为数据采集 的重要设备，在整个视频监控系统中起着重要的作用。图像传感器就是决定监控摄像机采 集质量好坏的重要因素。 视频监控系统的核心部分就是图像传感技术，目前，监控摄像机的图像传感器正逐渐 从传统的 CCD 向 CMOS 转变。这两种传感器各有长短，但一直以来，CMOS 传感器的缺点渐 渐减少。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。 CMOSCMOS 传感器与传感器与 CCDCCD 传感器的比较传感器的比较 CCD（ChargeCoupledDevice），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 22 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（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），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是商家们 梦寐以求的。 从技术的角度比较，从技术的角度比较，CCDCCD 与与 CMOSCMOS 有如下四个方面的不同：有如下四个方面的不同： 1.1.信息读取方式信息读取方式：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。 2.2.速度：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。 3.3.电源及耗电量：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。 4.4.成像质量：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。 CMOSCMOS 传感器与传感器与 CCDCCD 传感器商业应用传感器商业应用 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 低端市场。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。目前市场上 CMOS 产品不多，但在美国，包括 Intel、ATI 在内的多家公司都在积极研发相关产品。今年 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，其中探索 CMOS 技术极限的 “AdvancedDeviceImplementationProgram”，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 60nm30nm 的技术。 TITI、HisiliconHisilicon、AmbarellaAmbarella 方案比较方案比较 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 作为之前的监控芯片占有率 No.1，技术底蕴丰厚，不过感觉 TI 前些年在安防市场 投入不多，近两年的产品没有什么突出的亮点，功耗方面比较突出，图像质量一般。要开 发出好的效果和强大的功能那得要相当的功力。可以体现开发人员的水平，以前开发难度 大，但这两年感觉技术支持提高了。二次开发方案比较多，利于有一定技术实力的研发性 公司。 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，安霸更致力于高端客户的需求，对视频图像的压缩、码流、 画质等各方面做到极致，是目前视频图像效果处理方面当之无愧的老大。且安霸体系的厂 家提出同样码流看效果，同样效果比码流的概念。最大的优势是图像质量方面，特别是编 码算法做得很好，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 不高。 TITI、海思、安霸公司简介、海思、安霸公司简介 TI（TexasInstruments）：是美国德州仪器的简称，总部位于美国德克萨斯州的达拉 斯，是全球知名的半导体企业，主要从事模拟电路和数字信号处理技术的研究，其具有代 表性的 DaVinci-DM3xARM9 视频处理器解决方案在安防行业有着广泛的应用。 1951 年更名为德州仪器，并开始进入半导体市场，至今在多个市场领域占有重要份额。 当安防领域的视频监控从模拟阶段发展到数字压缩处理阶段后，TI 在安防视频压缩领域逐 渐暂居主导地位。在 IPC 领域有代表性的解决方案是 DM355、DM365、DM368，以及最新推 出的 DM369，DM388。 海思（Hisilicon）：海思半导体有限公司成立于 2004 年 10 月，前身是创建于 1991 年的华为集成电路设计中心。海思公司总部位于深圳，在北京、上海、美国硅谷和瑞典设 有设计分部。海思的产品覆盖无线网络、固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案， 成功应用在全球 100 多个国家和地区;在数字媒体领域，已推出网络监控芯片及解决方案、 可视电话芯片及解决方案、DVB 芯片及解决方案和 IPTV 芯片及解决方案。在 2009-2012 年， DVR 芯片可谓风生水起。在 IPC 领域有代表性的解决方案是 Hi3516、Hi3516C、Hi3517、Hi3518A、Hi3518C、Hi3518E。 安霸（Ambarella）：于 2004 年组建，总部位于加州的圣克拉拉市;公司中文名称为 “安霸”，安霸是高清视频业界的技术领导者，主要提供低功耗、高清视频压缩与图像处 理的解决方案，在电视广播市场，安霸技术也得到广泛应用，来自世界各地的电视节目都 经安霸芯片压缩后传送。在业界率先推出了基于最新 H.264 视频压缩标准的高集成 SoC 芯 片，集成了各种关键系统功能，提供高性价比的高清整体解决方案，在 H.264 高清专业广 播编码设备市场拥有