发展CMOS摄像机的国内市场环境(修改篇).doc

发展CMOS摄像机的国内市场环境分析目录 第一部分 背景材料 1、CMOS简介 2、CMOS工作原理 3、CMOS的发展 4、CDD的局限性 5、发展CMOS的技术条件 第二部分 市场环境 1、政策环境 1）宏观政策环境 2）微观政策环境 2、经济环境 1）宏观经济环境 2）微观经济环境 A、CMOS图像传感器市场的发展。 B、项目建设推动CMOS摄像机发展步伐。 3、社会文化环境 第一部分 背景材料CMOS简介 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂， 不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求 小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩 具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛 的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。 2、CMOS图像传感器基本工作原理 首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通 相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选 择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像 头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头 的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。 3、象素阵列工作原理图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。 以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单元的特点。下图是单个象素 的示意图。 (1) 首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电至V，二极管处于反向状态；(2) 然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个 固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之 中了；(3) 最后进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。 无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典 型值为20个电子。二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。 光敏二极管型APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提 高，读出噪声一般为75100个电子,此种结构的C3&适合于中低档的应用场 合。 在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。其读出噪声为1020个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。 4、CMOS的发展 几年前，人们还在讨论CCD和CMOS影像传感器哪一个会占上风。但是去年，CMOS影像传感器单元在市场上销售的数量已经超过了CCD。CMOS影像传感器在低端市场(例如玩具相机和PC摄像头)完全打败了CCD。在最近一年中，因为更好的像素设计和半导体工艺技术，CMOS影像传感器的质量继续提升，它开始主导手机相机市场。CCD在过去的30多年中已经是成熟技术，提高的空间非常小。因为独特的工艺，CCD的制造成本很难与和CMOS兼容的CMOS影像传感器竞争。因为高的操作电压(大于10 伏)，CCD的功耗很高，这使它难以做成便携式的。因为历史的原因，CCD技术在日本非常成熟，95%的CCD都出自日本。然而，CMOS影像传感器却不同。任何具有技术能力的半导体公司都能够制造CMOS影像传感器，所以低廉的成本使它很快就在PC摄像头和手机摄像头中普遍被采用。那些日本的CCD制造商例如SONY等现在正快速追赶CMOS影像传感器的研发和制造。CMOS影像传感器在高质量的图像应用方面(例如DSC数码相机)赶上CCD应该只是时间问题。 照相功能已经成为时尚手机的标准配置，这也是CMOS影像传感器最大的阵地之一。目前国内手机市场摄像头超过300万像素的手机价格昂贵难以普及，但受限因素却并不是源于CMOS影像传感器部分，而是受限于镜头价格。 要理解CMOS为什么将进入商业安全监视应用这个广阔的领域，完全理解CMOS为什么可行是很重要的。技术进步是以多个行业的应用和对CMOS芯片的积极需求为基础的。从奔腾处理器到基带芯片，CMOS已经成为制造工艺技术的选择。在仅仅7年的时间里，CMOS工艺已经从0.8微米发展到0.18微米、0.13微米、以至90纳米和65纳米。从800纳米到65纳米的发展几乎等于把尺寸缩小了15倍，从而显著提高了性能。 CMOS的优势包括高集成密度、高性能、低耗电量和低成本。与CCD图像传感器不同，CMOS图像传感器在一个芯片上同时具有模拟和数字两种属性，能够适应广泛的温度范围，可提供随机像素存取和与复杂的电路共存。CMOS能够向商业安全桌面提供高性能、红外线功能和嵌入在流程中的高动态范围。目前，CMOS传感器已经能够完成70%的CCD传感器能够完成的高端的安全监视应用。这个数字在未来的12至18个月将提高到100%。 CMOS还具有改善的像素设计的特点。由于工艺的改善，目前的像素具有噪声低(也就是干扰较少)，需要的电流少和具有更好的敏感度等特点。CMOS工艺是以晶体管技术和像素中的晶体管为基础的。晶体管数量越多，像素上获得的亮度就越好。目前，最多配置7个晶体管，每一个晶体管都有从模拟向数字转换的功能。实际上，每一个像素现在就是一台摄相机。像素尺寸在几年前还是9 x 9微米。这个尺寸在短短的几年里已经缩小到了我们在OmniPixel2技术中看到的2.2微米。现在，这个行业正准备迈向1.4微米，在保持质量水平的同时进一步缩小尺寸。由于图像处理技术的进步，数字噪声也在降低。无噪声的像素极为重要，小像素的CMOS传感器的性能已经大幅提高。CCD与CMSO的宽动态比较 5、CCD的局限性 CCD图像传感器过去曾经提供高性能的成像和灵活性，不过，为了容纳昂贵的多芯片解决方案，系统需要足够大的尺寸。过去，CCD图像传感器的光敏感度比上一代CMOS传感器要好得多。光敏感度越高，在照明条件差的情况下的图像质量就越好。然而，明亮的物体对于CCD技术来说是一个问题，导致在显示屏上造成人们称作“污点(Smear)”效应的垂直线条。 CCD还很复杂，是以非常专业的处理为基础的。商业安全摄像机应用需要高动态范围(HDR)，也就是能够在各种照明条件下记录范围更广的色调细节。在此之前，由于技术原因监控系统几乎完全依靠CCD传感器。因此，用户必须要应付CCD传感器固有的分辨率、适应范围和温度等局限性。这些问题在安全应用中是极为重要的。当尺寸和耗电量变得很重要时，多芯片解决方案与高度集成的单芯片解决方案相比总是处于劣势。考虑到平衡，CMOS传感器(如OmniVision公司的OV10620 CMOS传感器)，提供了更好的高动态范围性能，而且在安全应用中使用CMOS的实例也在继续增加。图显示了使用高动态范围芯片和非高动态范围芯片有多大的区别。这对于安全市场的积极意义是显而易见的。 6、技术条件： 1、众所周知，CCD 和CMOS两者都是利用矽感光二极管进行光与电转换的图像传感器。从发展历史看，CMOS影像传感器技术演进速度远远快于CCD技术。CCD技术的像素从5.2微米演进至1.7微米耗时12年之久，而CMOS技术完成这一变化则只用了3年时间。随着CMOS影像传感器技术的快速发展，CCD技术在市场中所占比重日益下降。 2、从系统上来看，闭路电视监控系统标准本身就限制了自身的发展，从清晰度和成本两方面都不具有优势。以目前安防市场所采用闭路电视的方式而言，大部分的成本并不是设备成本，而是花费在布局布线中。但是，随着网络的日益普及，将监控摄像头与网络相结合可不用再次布线，通过有线、无线网络实现安防摄像头的连接。同时，由于数字压缩技术和数字存储技术的快速发展，安防系统的成本也在下降。有专家预计，未来个人安防市场将是目前市场的五倍，约4000万台左右，并能以年10左右的速度增长，随着有线、无线网络的部署日益完善，以及相应软件的完善，在2-3年内CMOS技术将会快速发展。第二部分 市场环境目前我国视频监控行业概况： 截止至2010年，中国的监控摄像机产量已成为全球之最，我国安防企业达到2.5万家左右，从业人员120万人，行业总产值达到2300亿元，年增长率23%。规模以上的厂家就超过十家。虽然模拟摄像机的市场份额暂时还领先于IP摄像机，其销售会继续增长，但IP摄像机已步入井喷期。大多数厂商预测，到2011年，IP摄像机销量将超过模拟摄像机。而IP摄像机的核心部件就是CMOS芯片。一、宏观政策：1、安防行业“十二五规划”的出台。 2010年是中国安防行业“十一五”发展的最后一年，同时也是“十二五”发展规划的编制年，对“十二五”，安防产业的发展提出了重要目标，这些目标包括行业发展的总体方向目标;行业科技、市场建设发展目标;视频监控、入侵报警、出入口控制、防爆安检、工程及系统集成企业发展的方向目标等。在这些目标的形成基础之上，国家相关部门必定会采取各项积极措施，比如提出行业技防需求、规范行业标准等，以便促进“十二五”发展目标的实现。正是因为行业的刺激，让很多安防应用领域的需求得到了扩张，如教育、医疗、银行等。 公安部科信局科技管理处处长李明甫出席会议并做了讲话。他说：明年是十二五规划开局之年，要进一步在全国范围内积极开展城市报警与监控系统建设，要把城市报警与监控系统建设纳入各地政府规划中；公安部也下发了关于深入开展报警与监控系统建设和应用的文件，要求实现部、省、市三级联网，重点建立部、省、市三级视频监控共享平台，做到资源整合、信息共享；此外还要借鉴开展城市报警与监控系统建设的经验，指导社区技防建设和农村治安防范体系建设。2、“绿色经济”、“低碳经济”时代。 最近，随着“十二五规划”的顺利确定，在多方预测中显示：该规划将会以产业升级及发展战略性新兴、产业区域发展和城镇化为两大主题，根据我国的国情，在这未来5年里面，政府或将设定单位GDP能耗再下降20%的节能目标。同时，基于在哥本哈根会议上，温家宝总理向全世界承诺中国2020年实现单位GDP碳排放较2005年降低40%-45%的承诺，我国可能也会制定碳排放中期目标。基于“绿色经济”、“低碳经济”的前提下，在CMOS图像传感器的能耗是CCD的1/2到1 /4(CMOS摄像机尽管耗能同样或者高于CCD摄像机，但是CMOS传感器使用很少的圆环如CDS, TG和DSP环，所以同样尺寸的总能量消耗比CCD摄像机减少了1/2到1/4。)的情况下，CMOS更具有优势，符合市场发展趋势。 3、技术驱动即便是模拟监控，在一些技术方面还是有很大的改善空间。而网络视频监控产品应该属于安防行业的新兴产品，因为技术方面的限制，导致用户对于IP产品在稳定性方面的信心不足。但是随着各大厂家在技术实力的沉淀和积累，IP产品的技术优势越来越明显。不仅在清晰度方面取得了百万高清的突破，而且在网络传输和存储方面也做到了多码流。管理平台也较易操作和设置，并且能兼容其他厂家的前端设备。所以可以说IP技术的逐渐成熟，也在极大层度上推动了IP监控市场的逐步发展。4、价格下降任何一个行业的兴起，和产品的价格本身有着本质的联系。大部分用户对于网络的优势及趋势都百分百认同，可实际应用中因为价格一直居高不下导致用户不多。有关数据表明：随着网络视频监控产品的高速发展(IP视频监控系统的增长率将达到30%，而模拟视频监控的增长率仅为10%)以及网络技术瓶颈的突破，IP视频监控市场2010年将会有突飞猛进的增长，特别是在价格的利好诱因下。根据目前IP视频监控系统增长的势头，一旦产品价格放开，哪怕是部分产品的价格放开，都会极大推动IP视频监控的兴起。而且从综合应用成本上来分析，用户构建视频监控系统，IP视频监控已经比传统的模拟监控更具优势，节省了布线成本的同时，对于系统的维护、升级及管理也带来了极大的方便。5、服务改善网络视频监控产品相对于模拟来说在技术方面要求更高，一般需要对计算机及网络有一定的了解或者操作经验。这样就导致很多缺乏专业知识的用户担心产品的服务问题，一旦发生故障或者其他技术问题，工程商就无法及时去处理和维护，往往需要厂家的技术人员上门服务，无形之中增加了人力成本，而且也延长了响应服务时间。所以有些工程商为了省去麻烦，就不主推网络产品。所以说服务流程的改善和意识的提高，对于工程商及用户在使用IP监控产品方面的信心得到了增强。6、品牌影响力安防行业和其他电子行业一样，竞争激烈。很多做安防产品的并没有自己的研发、更没有自己的工厂，甚至连品牌都没有。这样的环境下，会让很多用户觉得行业还没有形成规范，所以对IP监控的未来发展更加捉摸不透。但是很多厂家开始注重自身的品牌建设和推动， 作为专业的网络视频监控厂商，无疑走在了前面。我们很难评估品牌的影响力作用到底是多大。但是如果你不做品牌，就千万别指望在行业中得到用户的尊敬。二、微观政策 视频监控市场数字化趋势明显加快。在2010年即将到达尾声的时候，我们发现，安防数字化已经成为所有安防人必须面对的现实，而影响安防数字化的因素则主要来自以下方面： 第一，价格成本。相对于模拟监控设备来说，数字监控是新兴事物，新的技术和概念产品的推出，伴随的是高昂的价格。“太贵了，暂时还是不考虑吧”是绝大多数还在坚持用模拟的工程商、集成商和用户的心声。不过，CMOS传感器的应用正在改变这种窘境，尽管其图像品质总体上还不如CCD，但它集成度高，产品体积更小，功耗更低，成本较低的优势越来越被青睐。随着技术的成熟，数字产品的价格也会逐渐降下来。而且，要实现百万像素级以上的高分辨率监控效果，CMOS更具成本优势，这使得未来更高端的高清方向发展上，数字监控比模拟更容易实现，成本也会相对便宜。 第二，用户需求。“看得更清”是安防监控一直追求的目标，而从目前的市场现状来看，模拟摄像机最高像素水平也仅为650线，而对于IP摄像机而言，百万高清摄像机已经不再是神话，甚至于两百万、五百万像素也已经面世。随着人们对图像清晰度的要求越来越高，数字监控取代模拟监控从而取得绝对主导性地位已经成为不可避免的事实。另外，与传统模拟监控相比，数字监控有着无可比拟的优势，IP视频监控系统部署简便，即插即用，方便灵活，并且可以轻松实现远程访问和多点访问，易于管理与维护，这些都是数字监控日益受到用户亲睐的原因。 第三，公司发展需要。毫无疑问，安防IT化是数字化趋势愈演愈烈的推动力之一，越来越多的IT企业开始加入到安防这个大家庭中，现在的安防行业中已经频频出现诸如Intel、技嘉、EMC、WD、清华同方、神州数码等等IT企业的身影。这些成功进入安防的IT大佬们都是经过激烈市场竞争考验的，在营销、品质、成本控制、研发等各个环节都有丰富的管理经验，加上自身强大的资金和品牌实力，对现有的安防厂商造成强烈冲击，甚至反客为主，用他们擅长有的运作模式改造安防市场，使安防产品IT化趋势加速。越来越多的传统安防企业和业内人士已经意识到，和IT企业共同竞争、共同发展已成定局，他们在继续占领传统模拟安防市场的同时，也开始恶补数字化、网络化方面的不足，尽量做到与安防IT化同步，而安防数字化则成为他们必须面对的第一道门槛。三、经济环境宏观经济因素微观经济因素（一）CMOS图像传感器的市场。1、据美国国际市场调查公司的统计和预测报告显示，1997年，全球CMOS图像传感器的销售总额为0.54亿美元，1998年增至2.18亿美元；1999年增至10.03亿美元，2000年增至20.58亿美元；2001年增至36.78亿美元；2005年突破100亿美元。iSuppli公司市场情报服务部门日前预测，2005年CMOS图像传感器单位出货量将由2001年的1800万个增长至7200万个。其中，2005年CMOS图像传感器出货量占所有图像传感器的比例将由2001年的23%提高至47%。In-Stat预测CMOS图像传感器的价格将从1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，预计置入移动设备的CMOS相机全球市场将达到6000万部，销售额达到3亿美元。专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机，移动通信市场、数码相机、摄像机市场、游戏机市场等领域获得大幅度增长，呈现出一派红红火火的兴旺景象。 2、安防市场将成为CMOS影像传感器的新应用领域。传统的中央控制电视安全系统成本较高，多用在大公司中或者用于公共安全。但是CMOS图像传感器安全系统能够结合无线通信和互联网技术，且其价格将会越来越为家庭所能接受，将很快为家庭所采用。（二）项目建设推进视频监控行业发展。1、 平安城市的建设2、 电子政务3、 智能小区的管理4、 智能交通的建设 IP摄像机是继DVR之后的又一块产业蛋糕。IP摄像机作为集新一代摄像机技术和网络技术于一身的宠儿，是本土安防厂商赶超世界水准的一次历史机遇，因为它带来了较以往更公平的竞争环境。一个明显的机会，CMOS传感器技术几年内进步神速，而且已开始与CCD竞争。如果本土厂商能在CMOS领域深入，将有可能摆脱日韩厂商对传感器的控制。当前，本土的DVR、DVS、模拟摄像机厂家纷纷推出IP摄像机，反映出一个信号，IP摄像机的未来将由中国厂家决定。四