CMOS与CCD之间的对决 - 安防知识网

半导体技术得到进一步发展的同时，图像传感器的种类也更多。本文将近距离关注该技术的发展动向，包括谁在研发、推动，未来的发展动向和如何应用于安防行业，以及该技术在获取较大图片时的重要性。
文/Ling-Mei Wong

抓拍清晰图片已成为视频监控系统的重要目标。在光信号转化成图像时所出现的巨大差异，需要图像传感器供应商提供各种抓拍方法进行加工处理。从占主导地位的CCD (charge-coupled devices，电荷耦合器件)，到正在兴起的CMOS (complimentary metal oxide semiconductors，互补性氧化金属半导体，也称为SEA-moss)，不同的图像传感器满足了不同的安防需求。正因为采用了图像传感器，记录至关重要的瞬间才能被高效便捷地实现。

各有所长

十九世纪六十年代，CCD和CMOS传感器发明。早期的CMOS传感器的感光能力不如CCD，CCD于1969年得到发展。两者都是基于集成电路将视频图像转换成数字信号，但是CCD的感光能力更强，尤其是在低照度环境下，于是，在第一回合比拼中CCD胜出。

“传统意义上，CCD更优越，多年来一直占有较大的市场份额，”Omnivision公司产品经理Michael Hepp解释，“与CMOS相比，CCD是一项更昂贵的技术，提供高质量图像和灵活性，需要系统足够大以充分容纳各种部件，其中包括昂贵的多芯片解决方案。过去，CCD图像传感器的感光能力比此前的CMOS传感器更好。CCD本身也很复杂，基于一个非常专业的处理流程。直到最近，安防摄像机的商业化应用中，要求具备更宽的动态范围（HDR），这也就是说，能够在光线变化较大的环境下记录多种色调细节，单纯从技术层面考虑，几乎只能依靠CCD成像技术。这样的话，用户就不得不面临CCD在清晰度、动态范围、温度方面的问题，而这些问题在安防应用中恰恰是至关重要的。”

IQinVisoin公司市场营销副总裁Paul Bodell曾表示，直到2003年，CMOS传感器感光能力才逐渐赶上CCD。逐行扫描CMOS传感器比隔行扫描CCD芯片更有优势，它依次扫描每一条电视线，而不是将电视线分成奇数和偶数线条再叠加成一副完整图像。采用隔行扫描方式的话，快速运动的物体在奇数场扫描和偶数场扫描中的位置存在较大差异，从而导致画面模糊不清。对于交通等应用领域来说，它们更需要清晰的、无锯齿的运动车辆图像。

据预测，CMOS市场将持续增长。Frost&Sullivan市场调研机构解释，CMOS图像传感器市场将实现33%的年均复合增长率，与此同时，2007年市场份额预期达到46.4亿美元，与CCD市场相比提升了6.2%。

CMOS传感器的支持者对CMOS的节能能力和低成本效应引以为傲。“通常情况下，CMOS图像传感器的耗能相当于CCD的十分之一，这就为整个大型的安全网络系统节省了巨大开支，”Hepp解释，“CMOS图像传感器的成本更低，市场价格也更便宜，同时降低了整个系统的成本，这等于为厂家节省了大量的生产成本。”

当然，市场上还存在另一种争议，部分人士认为，尽管CMOS提供了更多控制方式并降低了消耗，但是CCD的感光能力优于CMOS。据供应商自己反映，市场争议的焦点在于哪一种技术最适宜于成像应用。

成像领域的新军

索尼公司是CCD市场的领导者，其所销售的大多数图像传感器都是CCD产品，目前也在提高CMOS产品的产量。据业内部分人士估计，索尼公司在CCD市场的份额占到40%，目前它在CCD行业的最大竞争对手是松下和夏普公司。

部分供应商则与索尼公司直接竞争，例如Pixim，这家二十世纪九十年代成立的公司，目前正极力推出CMOS传感器。另外，Micron Technology和OmniVision公司也是CMOS领域的强劲竞争者，两家公司都很自信他们是半导体行业的领先者。约一年前，提供DRAM和闪存的专业厂商——Micron公司也进军CMOS市场。据该公司亚洲通讯部经理John Mullins所说，在极短时间内，从2006年12月到2007年2月，Micron公司就占领了38%的国际市场份额。

随着CMOS市场的不断发展，行业竞争者在功能和价格方面展开了激烈的竞争。每一家都各显神通，竭力推出独特功能的优势。

Micron蠢蠢欲动
由于具有半导体行业的背景，Micron公司比其他竞争对手更有优势。该公司的高级营销代表Rene Hartner如此说道，“Micron公司的背景就是DRAM制造商，这种设备最大限度地防止晶体管信息的丢失。这有助我们在图像传感器中采取独特的方法最小化暗电流。而且，除此之外，到目前为止，CMOS仍是最常用的，容易批量生产，而且其创造的经济效益也远远超过CCD。”

“其次，将摄像机的各种功能集成在芯片上，CMOS图像传感器简化了摄像机系统的部件，增加可靠性，使设备小型化，无需额外的芯片包装、组装以及外部设备的支持，从而大大地降低了成本，”他解释。

Micron公司已经实现了CMOS传感器的电耗低于CCD，成为新一代摄像机的较理想的选择。“我们已经看到了电池供电摄像机的一个发展新趋势，主要在民用和国土安全领域，”Hartner声称，“我们生产的传感器在降低能耗方面表现突出，使厂商能够开发出新的解决方案，给水、气和管道运营商提供视频监控和保护资产。”

他还补充道，宽动态范围也是其中的一个优势，使得一个包含高亮度区域和黑暗角落的场景完全地显示出来。例如，银行、ATM机或交通领域都需要宽动态解决方案。标准CMOS传感器的动态范围是从70分贝到100分贝以上。“如果你要去银行，一般都是从街道进入一个采用人工照明的营业厅。摄像机发现有人进入之后，场景的光线从适度变得明亮刺眼。这个时候，采用标准传感器的话，就难以看到人通过大门进入银行的各个细节，比如人的面部或衣服颜色等。MT9V032设备不仅能提供宽动态范围，而且还能提供全景快门（Global Shutter：全帧同时曝光快门）功能，该设备不仅具备交通领域所需监控摄像机的功能，同时还能作为高速球，用来抓拍交通肇事者的面部和车辆牌照，比如超速违章驾车。”

另外，低照度也是监控领域CMOS传感器的一个关键参数。“Micron公司的传感器具有优秀的低照度性能，这也是许多客户选择设备时所关心的重要参数之一，”Hartner解释。

OmniVision全力以赴
OmniVision公司一直致力于打造自己的传感器品牌。“OminVision属于第一批提供CMOS图像传感器的专业供应商，将信号处理器集成到传感器上，”Hepp介绍，“这是一种单芯片解决方案，允许客户将图像传感器和信号传感器集成到一个芯片，因此，无需其它协同处理的芯片，这就大大节省了客户的成本。”

在图像传感器中，OmniVision公司为不同应用领域进行量身定做的设计。比如，在机动车应用领域，非常需要具备在高温和恶劣的环境条件下正常运行的功能。当然，不同应用领域的基本需求是不变的。Hepp说道，“对于任何一个特殊的传感器来说，它的性能需要达到或超过预期目标，否则，最初就没必要采用这种传感器。图像质量、光线变化条件下的性能、温度范围，都是选择传感器时需要考量的因素，另外，还包括原材料成本、便于集成到一个摄像机或安防系统中，以及方便用户安装和使用。”

Pixim加紧脚步
来自于美国加利福尼亚州的Pixim公司是非常著名的CMOS供应商。“在行业中，Pixim的图像传感器非常独特，”该公司市场营销副总裁John Monti表示，“我们称之为DPS (Digital Pixel System，数字成像系统)技术，其关键之处在于每一个像素点上包含了一个10位A/D转换器。这要求每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换为数字信号。其结果带来超宽动态范围（UWDR）功能，该功能有诸多好处，例如120分贝动态范围、颜色精确、无花边或锯齿、逐行扫描图像抓拍，以及全景电子快门以减轻运动物体图像的模糊。”

但是，并非所有解决方案都需要宽动态范围的功能。“其实，成像解决方案是很主观的，包括如何抓拍或显示图像，”Monti认为，“我们提供的成像解决方案是可配置的，它可以使得GE生产的摄像机不同于霍尼韦尔、Pelco或Lenel的。它们提供的产品各具特色。摄像机厂家、集成商或终端用户等，都可以灵活地进行配置。”

正是这些技术特点，使得Monti认为Pixim比竞争对手更有优势。“模拟CMOS传感器采用的滚动式快门（rolling shutter）方式不太适用于运动物体图像的捕捉；受传感器固定模式噪声的影响，它的低照度性能也较差。”Pixim公司提供的全景快门方式通过调节每一个像素的增益值来降噪。如此一来，即便是在低照度环境中，传感器对光的灵敏度也更强。

摄像机厂商在寻找什么？

很多传感器供应商都在大力推广解决方案，摄像机厂商在挑选合作伙伴时选择也更多。有的厂商选择更好的技术，有的厂商则根据具体的应用需求，从CCD和CMOS中择优而取。

以德国的Mobotix公司为例，它的选择是明确的。“考虑到灵敏度和动态范围，以及图像中的亮度变化范围也很大，”国际营销总监Peter McKee表示，“摄像机就不得不面临强光曝晒的问题，这时候就必须配置CMOS传感器，因为CCD明显容易被烧坏。”

Mobotix公司并未透露是否采用第三方供应的CMOS传感器或谁是供应商，但是，该公司声称，其全帧CMOS解决方案提供了独特的960电视线逐行扫描图像，这与CCD供应商所提供的模糊的隔行扫描图像不同。通过软件，Mobotix公司还可以进一步掌握高清晰度图像技术，同时不需要采用更多的硬件。“在硬件机械部分，CMOS允许我们使用配置带固定光圈的镜头，而且事实上我们不使用可移动的部件，这与Mobotix公司‘没有移动部件就等于不需要维护’的理念一致，”McKee如此解释。

与此不同，Mintron公司只在摄像机中使用CCD。该公司CEO Mars Yang透露之所以选择索尼CCD，并基于它制造第一代CCD摄像机的原因是，其光灵敏度、降噪等性能。后来，Mintron公司开发了自己的图像传感器。它具备宽动态范围，光灵敏度高达1:100000，即使光照不足的时候也可抓拍到清晰图像。这种芯片基于CMOS程序，有效地将CCD的敏感度和CMOS的优势结合在一起。

当然，并非所有的摄像机厂商都具备自主研发和生产零部件的能力，他们没得选择，只能找到自己的图像传感器合作伙伴。

谁将得到“水晶球”

与索尼在CCD市场的主导地位不同，目前，CMOS市场还未出现一个霸主。但可以肯定的是，惟有经过不断的激战才能到达顶峰。

CMOS解决方案在多个应用市场受到青睐，有望在竞争中抢占更多的应用市场。“我们期望CMOS传感器在全球各行各业中应用越来越广，其中也包括安防行业。它在功能、价格、大小及性能等方面都有自己的优势，”Hepp强调，“亚洲和其它ODM市场上已经出现这种苗头，而我们也拥有众多来自互联网和安防领域的摄像机市场的客户。现在，安防市场已经在采用基于CMOS的传感技术，并且，在图像质量和低照度性能方面，CMOS已经达到或即将超越CCD的水平。”

而Yang也表示，在Mintron公司的收入中，CMOS的利润正在向CCD逼近。当然，每一项技术的优势各有不同，比如CMOS的低耗能和低成本；而CCD的噪声更少。可见，谁也无法完全取代谁。同时，争议也将继续，双方都持有强有力的论据。未来几年之内，零部件市场的动向也将更有看头。