近年來，CIS(CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器)市場持續(xù)穩(wěn)定增長。圖像傳感器作為機(jī)器視覺的核心視覺元件，一直以來都憑借著廣闊的視覺應(yīng)用市場擁有可觀且穩(wěn)定增長的出貨量。圖像傳感器可分為CCD和CMOS，這幾年來，CMOS圖像傳感器在體積、功耗及成本等多方面表現(xiàn)都優(yōu)于CCD，已逐漸取代CCD成為市場的主流。
汽車、安防監(jiān)控、醫(yī)療CMOS圖像傳感器市場增長量攀升
近年來CMOS圖像傳感器背照式和堆棧式技術(shù)發(fā)展快速，使得CMOS圖像傳感器從智能手機(jī)逐漸朝汽車、安防監(jiān)控、醫(yī)療、VR以及工業(yè)等諸多細(xì)分市場覆蓋。
臺灣Yuanta Research2019年年中發(fā)布的全球圖像傳感器的產(chǎn)業(yè)報告即對這一趨勢進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)說明，該報告指出：2017年，智能手機(jī)應(yīng)用占CMOS圖像傳感器銷售額的62%，達(dá) 77.5 億美元，但手機(jī)市場逐漸進(jìn)入到相對飽和期，未來三五年，市場份額預(yù)計(jì)將在2022年降至45%。而在未來幾年，汽車、安防監(jiān)控、醫(yī)療、玩具/電玩與工業(yè)等將成為帶動 CMOS 傳感器高速發(fā)展的主要動力。
其中，在“各領(lǐng)域CMOS傳感器市場規(guī)模年平均復(fù)合增長率”這一項(xiàng)分析顯示，汽車和安防領(lǐng)域的CMOS傳感器市場將分別達(dá)到55%以及36%的復(fù)合增長率，自動駕駛以及AI監(jiān)控將成為這些市場增長的主要推力。隨著這幾大市場近年來的持續(xù)高增長，CMOS圖像傳感器也將迎來新一輪的產(chǎn)業(yè)成長高峰。
作為CMOS傳感器復(fù)合增長率最快的兩大行業(yè)領(lǐng)域，汽車和安防視頻監(jiān)控正進(jìn)入到人工智能技術(shù)應(yīng)用階段，為了能夠讓機(jī)器更加快速、精準(zhǔn)地理解圖像中的“語義”，需要圖像傳感器能夠盡可能真實(shí)地還原所拍攝圖像中的每一處細(xì)節(jié)。正因如此，機(jī)器視覺/人工智能對于圖像傳感器的性能要求也在不斷攀升，這使得近些年快速發(fā)展的CMOS圖像傳感器技術(shù)逐漸成為了機(jī)器視覺/人工智能最為基礎(chǔ)的核心。這里我們重點(diǎn)探討下安防監(jiān)控市場的CMOS圖像傳感器的性能升級情況。
AI監(jiān)控推動CMOS圖像傳感器性能升級
近年來，隨著智慧城市、雪亮工程建設(shè)的大力推進(jìn)，城市視頻監(jiān)控被賦予了“城市視覺感知系統(tǒng)”的新含義，為了讓視頻監(jiān)控看得清、看得懂，我們一邊在不斷強(qiáng)化視頻監(jiān)控AI智能應(yīng)用，另一邊也在同步提升監(jiān)控系統(tǒng)本身的硬件系統(tǒng)整體性能。這其中，視頻監(jiān)控的像素水平、超低照夜視功能是輔助AI更好發(fā)揮效能的前提和基礎(chǔ)。在以視覺為核心的安防監(jiān)控系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器無疑扮演著相當(dāng)核心的角色。
為了更好的順應(yīng)安防監(jiān)控的應(yīng)用需求，CMOS圖像傳感器從成像設(shè)計(jì)上需要做針對性的改善，從這幾年來成像技術(shù)廠商推出的安防專用CMOS傳感器產(chǎn)品來看，由于需要考慮到場景環(huán)境、光照、氣溫等各種因素的影響，監(jiān)控用CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)也開始進(jìn)入到“場景定制化”階段，不同的應(yīng)用場景所適用的產(chǎn)品不一而同。
當(dāng)前監(jiān)控行業(yè)普遍存在的四大問題，分別為夜晚攝像頭工作困難、攝像頭紅曝刺眼、攝像頭功耗大或體積大、AI對攝像頭的人臉識別要求高等，為此，這也成為監(jiān)控專用CMOS圖像傳感器不斷突破的幾大方向。
提升攝像頭像素水平是首要的基礎(chǔ)，有業(yè)內(nèi)人士表示，1080P成為主流，逐步向4K發(fā)展，人臉識別、物體識別等智能視頻需求的興起，H.265編碼技術(shù)的普及，使得高分辨率成為發(fā)展趨勢。現(xiàn)在人們對于監(jiān)控的像素升級需求比較強(qiáng)烈，以前安防監(jiān)控以200萬像素為主，現(xiàn)在隨著高清化的趨勢加快，500萬像素、4K產(chǎn)品開始逐漸上量。
與此同時，隨著攝像頭像素越來越高，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力無法滿足其需求，必須依靠邊緣計(jì)算等方式，在圖像采集端進(jìn)行視頻預(yù)處理之后再到云端進(jìn)行更復(fù)雜的解析，為此，需要推出適配的CMOS圖像傳感器以此輔助監(jiān)控系統(tǒng)在采集端即能進(jìn)行AI處理。
對此，SmartSens 提出了傳感器端計(jì)算的概念，利用目前發(fā)展中的半導(dǎo)體制程技術(shù)，可以在堆疊式CMOS傳感器芯片的封裝中增加搭載部分人工智能算法的邏輯運(yùn)算層。通過將數(shù)據(jù)處理過程“前置”至傳感器端，開發(fā)者能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理速度、更高的系統(tǒng)效率和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，并降低數(shù)據(jù)傳輸延遲、節(jié)省系統(tǒng)功耗、減少物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，以及降低系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)成本。
另外，長期以來，在低光照或無光照條件下實(shí)現(xiàn)清晰可辨的圖像識別始終是困擾CMOS圖像傳感器開發(fā)者的一個重大技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的紅外或白光補(bǔ)光技術(shù)雖然能在低照度環(huán)境下獲得相對清晰的圖像，但卻會犧牲圖像的色彩，僅可獲得黑白圖像。而隨著安防及人工智能領(lǐng)域?qū)τ趫D像識別的性能需求逐漸提升，不僅需要CMOS圖像傳感器提供色彩信息，同時對于分辨率、靈敏度、感光度、動態(tài)范圍、幀率等技術(shù)指標(biāo)也提出了較高的要求。為此，提升超低光線條件下的圖像質(zhì)量，包括超低光彩色，近紅外的應(yīng)用成為廣泛的需求。
目前業(yè)內(nèi)廠家基本都陸續(xù)推出了超低光照環(huán)境下的夜視圖像傳感器產(chǎn)品。
CMOS圖像傳感器創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用
而隨著智能手機(jī)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域成像技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，一些新的成像技術(shù)也逐漸被引入到安防監(jiān)控中來，比如原本應(yīng)用于智能手機(jī)市場的BSI背照式像素工藝。在傳統(tǒng)CMOS感光元件中，感光二極管位于電路晶體管后方，進(jìn)光量會因遮擋受到影響。所謂BSI背照式，就是將它掉轉(zhuǎn)方向，讓光線首先進(jìn)入感光二極管，從而增大感光量，從而顯著提高低光照條件下的拍攝效果。
BSI背照式工藝可以顯著地提高CMOS圖像傳感器的感光度，因此也被越來越多的成像技術(shù)廠商看中，創(chuàng)造性的將BSI像素工藝有機(jī)結(jié)合于CMOS圖像傳感器的開發(fā)中，增強(qiáng)安防監(jiān)控?cái)z像頭在強(qiáng)光、逆光、暗光等不同光照條件下的環(huán)境適應(yīng)性。
另一個提升圖像傳感器性能的技術(shù)還可以通過變更成像曝光的方式實(shí)現(xiàn)，比如全局快門(Global Shutter)技術(shù)的應(yīng)用。
傳統(tǒng)攝像頭常用的是Rolling Shutter，這種方式是逐行式曝光，比如說一個圖像傳感器是一個陣面，它的曝光數(shù)是一行一行曝光，適用于靜態(tài)或流速較慢的場景。但在動態(tài)場景中，尤其是面對高速運(yùn)動的目標(biāo)物體，這時候需要用到Global Shutter曝光方式，它的曝光是整幅畫面在一幀中同時凍結(jié)，不管畫面速度多快，只要快門設(shè)置合理，都可以拍得非常清楚。Global Shutter這項(xiàng)原本在工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的成像曝光技術(shù)，如今在安防領(lǐng)域也正逐漸成為主流技術(shù)應(yīng)用，尤其對于AI監(jiān)控場景中高速、實(shí)時的人流、車流動態(tài)畫面的捕捉。
此外，今年年初，據(jù)外媒消息，韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院開發(fā)了一款可用于三維圖像傳感器的核心芯片，一時間又引起了學(xué)術(shù)界對于三維圖像傳感器的關(guān)注。三維圖像傳感器的核心芯片身材小巧，科技含量高，不僅能快速精準(zhǔn)地捕捉到深度信息，而且可以將距離信息(比如cubic effect)加到二維圖像中(例如照片)，以使二維圖像被識別為三維圖像，使圖像的信息量更大。對于自動動駕駛汽車、無人機(jī)和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域而言，三維圖像傳感器或?qū)⑹且粋€顯著的技術(shù)方向。
奮起直追，國內(nèi)圖像傳感器廠家發(fā)力方向
再來看全球COMS圖像傳感器市場層面，據(jù)英國調(diào)查機(jī)構(gòu) HIS Markit 最新的一份調(diào)查報告顯示，就出貨量而言，索尼 COMS 的市場份額占比達(dá) 50.1%，韓國三星以 20.5% 位居第二，美國的豪威科技占比 11.5% 位居第三，第四五名分別是美國的安森美半導(dǎo)體和韓國的 SK 海力士，占比都不超過 10%。
可以看出，日韓半導(dǎo)體廠家依然占據(jù)著全球CMOS圖像傳感器市場絕大多數(shù)的份額。由于國內(nèi)的CIS技術(shù)發(fā)展起步較晚，國內(nèi)外廠商的主要差距還在于工藝研發(fā)和電路研發(fā)方面，國內(nèi)廠商想要實(shí)現(xiàn)追趕依然艱難。
技術(shù)革新依舊是推動傳感器產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的主要驅(qū)動力，目前看來，隨著汽車、安防、工業(yè)電子、醫(yī)療等細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域各自市場體量的不斷增長，其中所蘊(yùn)含的CMOS圖像傳感器市場潛力有目共睹，國內(nèi)廠商可以從細(xì)分市場切入去拓展自己在行業(yè)市場的影響力，并通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新來鞏固自身的優(yōu)勢。
比如在安防監(jiān)控市場，據(jù)IHS Markit于今年7月份發(fā)布的《2019年全球?qū)I(yè)視頻監(jiān)控設(shè)備市場概況》報告分析，2019年全球?qū)I(yè)視頻監(jiān)控設(shè)備市場將延續(xù)2017(9.3%)年與2018年(8.7%)強(qiáng)勁增長的趨勢，今年預(yù)計(jì)增長9.3%。其中，受智慧城市建設(shè)、雪亮工程以及商業(yè)市場的大力推動，中國專業(yè)視頻監(jiān)控設(shè)備市場目前已經(jīng)占據(jù)了全球近一半的市場份額(45%)。
正值當(dāng)下在貿(mào)易戰(zhàn)等政治因素的影響下，中國本土安防市場的顯著優(yōu)勢以及政府層面加大對國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的大力扶持，包括利好政策、人才建設(shè)、資金扶持等，這些外部因素加上廠商本身在創(chuàng)新技術(shù)方面的鉆研探索，勢必都將成為推動國產(chǎn)圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的重要推力。
另外汽車、工業(yè)電子、醫(yī)療等其他細(xì)分市場對圖像傳感器的需求同樣呈現(xiàn)出持續(xù)增長態(tài)勢，市場機(jī)會點(diǎn)依然很多。
與此同時，工信部2017年底印發(fā)的《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南(2017-2019年)》為我國智能傳感器產(chǎn)業(yè)指出了明確的發(fā)展方向和任務(wù)，包括推進(jìn)智能傳感器向中高端升級，面向眾多典型細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域開展智能傳感器應(yīng)用示范，建設(shè)智能傳感器創(chuàng)新中心，進(jìn)一步完善技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)、知識產(chǎn)權(quán)、檢測及公共服務(wù)能力，合理規(guī)劃布局，進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展等。
在市場需求和政策引導(dǎo)扶持的多重推力之下，部分國產(chǎn)圖像傳感器品牌也在陸續(xù)崛起，包括格科、思比科、比亞迪微電子、長光辰芯光電等，憑借著各自的工藝技術(shù)積累以及在行業(yè)市場的經(jīng)驗(yàn)，這些國產(chǎn)CIS廠家近年來也打出了一定名聲，同時他們也是肩負(fù)推動國產(chǎn)圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展重任的主力軍。
