安防监控CIS图像传感器市场几点总结和思考

       得益于智能手机、汽车自动驾驶、人脸识别监控以及工业自动化、无人机、机器人等行业市场的快速发展，CIS(CMOS Image Sensor，CMOS图像传感器)市场规模近年来也迎来了持续稳定的增长。本文我们将重点讨论当前阶段安防监控领域的CIS图像传感器市场的发展状况，包括进入到AI监控时代，CIS的创新技术应用以及相关厂家的市场机会点和发力点等。

 

　　图像传感器作为机器视觉的核心视觉元件，一直以来都凭借着广阔的视觉应用市场拥有可观且稳定增长的出货量。图像传感器可分为CCD和CMOS，这几年来，随着CMOS图像传感器在体积、功耗及成本等多方面优于CCD的表现，使得CMOS图像传感器逐渐取代CCD而成为市场的主流。

 

　　汽车、安防、工业电子CMOS图像传感器市场增长量攀升

 

　　尤其随着近年来CMOS图像传感器的背照式和堆栈式技术的进一步推进，让CMOS图像传感器从智能手机逐渐朝汽车、安防监控、医疗、VR以及工业等诸多细分市场覆盖。

 

　　台湾Yuanta Research2019年年中发布的全球图像传感器的产业报告即对这一趋势进行了详细的数据说明，该报告指出：2017年，智能手机应用占CMOS图像传感器销售额的62%，达 77.5 亿美元，但手机市场逐渐进入到相对饱和期，未来三五年，市场份额预计将在2022年降至45%。而在未来几年，汽车、安防监控、医疗、玩具/电玩与工业等将成为带动 CMOS 传感器高速发展的主要动力。

 

　　其中，在“各领域CMOS传感器市场规模年平均复合增长率”这一项分析显示，汽车和安防领域的CMOS传感器市场将分别达到55%以及36%的复合增长率，自动驾驶以及AI监控将成为这些市场增长的主要推力。随着这几大市场近年来的持续高增长，CMOS图像传感器也将迎来新一轮的产业成长高峰。

 

　　作为CMOS传感器复合增长率快的两大行业领域，汽车和安防视频监控正进入到人工智能技术应用阶段，为了能够让机器更加快速、精准地理解图像中的“语义”，需要图像传感器能够尽可能真实地还原所拍摄图像中的每一处细节。正因如此，机器视觉/人工智能对于图像传感器的性能要求也在不断攀升，这使得近些年快速发展的CMOS图像传感器技术逐渐成为了机器视觉/人工智能基础的核心。这里我们重点探讨下安防监控市场的CMOS图像传感器的性能升级情况。

 

　　AI监控推动CMOS图像传感器性能升级

 

　　近年来，随着智慧城市、雪亮工程建设的大力推进，城市视频监控被赋予了“城市视觉感知系统”的新含义，为了让视频监控看得清、看得懂，我们一边在不断强化视频监控AI智能应用，另一边也在同步提升监控系统本身的硬件系统整体性能。这其中，视频监控的像素水平、超低照夜视功能是辅助AI更好发挥效能的前提和基础。在以视觉为核心的安防监控系统中，CMOS图像传感器无疑扮演着相当核心的角色。

 

　　为了更好的顺应安防监控的应用需求，CMOS图像传感器从成像设计上需要做针对性的改善，从这几年来成像技术厂商推出的安防专用CMOS传感器产品来看，由于需要考虑到场景环境、光照、气温等各种因素的影响，监控用CMOS图像传感器的设计也开始进入到“场景定制化”阶段，不同的应用场景所适用的产品不一而同。

 

　　当前监控行业普遍存在的四大问题，分别为夜晚摄像头工作困难、摄像头红曝刺眼、摄像头功耗大或体积大、AI对摄像头的人脸识别要求高等，为此，这也成为监控专用CMOS图像传感器不断突破的几大方向。

 

　　提升摄像头像素水平是首要的基础，豪威科技公司市场部副总裁陈家旺对此也表示，1080P成为主流，逐步向4K发展，人脸识别、物体识别等智能视频需求的兴起，H.265编码技术的普及，使得高分辨率成为发展趋势。安森美半导体(ON Semiconductor)图像传感器部全球市场及应用工程副总裁易继辉也指出客户对于监控的像素升级需求比较强烈，以前安防监控以200万像素为主，现在随着高清化的趋势加快，500万像素、4K产品开始逐渐上量。

 

　　与此同时，随着摄像头像素越来越高，网络传输能力无法满足其需求，必须依靠边缘计算等方式，在图像采集端进行视频预处理之后再到云端进行更复杂的解析，为此，需要推出适配的CMOS图像传感器以此辅助监控系统在采集端即能进行AI处理。

 

　　对此，SmartSens 提出了传感器端计算的概念，利用目前发展中的半导体制程技术，可以在堆叠式CMOS传感器芯片的封装中增加搭载部分人工智能算法的逻辑运算层。通过将数据处理过程“前置”至传感器端，开发者能够实现更快的数据处理速度、更高的系统效率和更强的数据隐私保护，并降低数据传输延迟、节省系统功耗、减少物联网网络带宽需求，以及降低系统硬件实现成本。

 

　　另外，长期以来，在低光照或无光照条件下实现清晰可辨的图像识别始终是困扰CMOS图像传感器开发者的一个重大技术难点。传统的红外或白光补光技术虽然能在低照度环境下获得相对清晰的图像，但却会牺牲图像的色彩，仅可获得黑白图像。而随着安防及人工智能领域对于图像识别的性能需求逐渐提升，不仅需要CMOS图像传感器提供色彩信息，同时对于分辨率、灵敏度、感光度、动态范围、帧率等技术指标也提出了较高的要求。为此，提升超低光线条件下的图像质量，包括超低光彩色，近红外的应用成为广泛的需求。

 

　　目前业内厂家基本都陆续推出了超低光照环境下的夜视图像传感器产品，星光级相关产品不仅能实现超低光照环境下的清晰成像，同时近红外(NIR)增强技术还能减少对于人眼的**，消除光线干扰，同时也避免入侵者的察觉。

 

　　CMOS图像传感器创新技术应用

 

　　而随着智能手机、工业自动化等领域成像技术的持续演进，一些新的成像技术也逐渐被引入到安防监控中来，比如原本应用于智能手机市场的BSI背照式像素工艺。在传统CMOS感光元件中，感光二极管位于电路晶体管后方，进光量会因遮挡受到影响。所谓BSI背照式，就是将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，从而显著提高低光照条件下的拍摄效果。

 

　　BSI背照式工艺可以显著地提高CMOS图像传感器的感光度，因此也被越来越多的成像技术厂商看中，创造性的将BSI像素工艺有机结合于CMOS图像传感器的开发中，增强安防监控摄像头在强光、逆光、暗光等不同光照条件下的环境适应性。

 

　　另一个提升图像传感器性能的技术还可以通过变更成像曝光的方式实现，比如全局快门(Global Shutter)技术的应用。

 

　　传统摄像头常用的是Rolling Shutter，这种方式是逐行式曝光，比如说一个图像传感器是一个阵面，它的曝光数是一行一行曝光，适用于静态或流速较慢的场景。但在动态场景中，尤其是面对高速运动的目标物体，这时候需要用到Global Shutter曝光方式，它的曝光是整幅画面在一帧中同时冻结，不管画面速度多快，只要快门设置合理，都可以拍得非常清楚。Global Shutter这项原本在工业自动化领域广泛应用的成像曝光技术，如今在安防领域也正逐渐成为主流技术应用，尤其对于AI监控场景中高速、实时的人流、车流动态画面的捕捉。

 

　　此外，今年年初，据外媒消息，韩国高等科学技术研究院开发了一款可用于三维图像传感器的核心芯片，一时间又引起了学术界对于三维图像传感器的关注。三维图像传感器的核心芯片身材小巧，科技含量高，不仅能快速精准地捕捉到深度信息，而且可以将距离信息(比如cubic effect)加到二维图像中(例如照片)，以使二维图像被识别为三维图像，使图像的信息量更大。对于自动动驾驶汽车、无人机和机器人等应用领域而言，三维图像传感器或将是一个显著的技术方向。

 

　　奋起直追，国内图像传感器厂家发力方向

 

　　回归到全球COMS图像传感器市场层面，据英国调查机构 HIS Markit 新的一份调查报告显示，就出货量而言，索尼 COMS 的市场份额占比达 50.1%，韩国三星以 20.5% 位居第二，美国的豪威科技占比 11.5% 位居第三，第四五名分别是美国的安森美半导体和韩国的 SK 海力士，占比都不超过 10%。

 

　　一个显著的事实是，日韩半导体厂家依然占据着全球CMOS图像传感器市场绝大多数的份额。由于国内的CIS技术发展起步较晚，国内外厂商的主要差距还在于工艺研发和电路研发方面，而这些都需要巨大的研发投入以及长时间的沉淀，国内厂商想要实现追赶依然很不容易。

 

　　技术革新依旧是推动传感器产业向前发展的主要驱动力，但从眼下的机会点来看，随着汽车、安防、工业电子、医疗等细分应用领域各自市场体量的不断增长，其中所蕴含的CMOS图像传感器市场潜力有目共睹，国内厂商可以从细分市场切入去拓展自己在行业市场的影响力，并通过不断的技术创新来巩固自身的优势。

 

　　比如在安防监控市场，据IHS Markit于今年7月份发布的《2019年全球专业视频监控设备市场概况》报告分析，2019年全球专业视频监控设备市场将延续2017(9.3%)年与2018年(8.7%)强劲增长的趋势，今年预计增长9.3%。其中，受智慧城市建设、雪亮工程以及商业市场的大力推动，中国专业视频监控设备市场目前已经占据了全球近一半的市场份额(45%)。

 

　　正值当下在贸易战等政治因素的影响下，中国本土安防市场的显著优势以及政府层面加大对国产半导体产业的大力扶持，包括利好政策、人才建设、资金扶持等，这些外部因素加上厂商本身在创新技术方面的钻研探索，势必都将成为推动国产图像传感器产业的重要推力。

 

　　另外汽车、工业电子、医疗等其他细分市场对图像传感器的需求同样呈现出持续增长态势，市场机会点依然很多。

 

　　与此同时，工信部2017年底印发的《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)》为我国智能传感器产业指出了明确的发展方向和任务，包括推进智能传感器向中高端升级，面向众多典型细分应用领域开展智能传感器应用示范，建设智能传感器创新中心，进一步完善技术研发、标准、知识产权、检测及公共服务能力，合理规划布局，进一步完善产业链，促进产业集聚发展等。

 

　　在市场需求和政策引导扶持的多重推力之下，部分国产图像传感器品牌也在陆续崛起，包括格科、思比科、比亚迪微电子、锐芯微电子、长光辰芯光电、思特威等，凭借着各自的工艺技术积累以及在行业市场的经验，这些国产CIS厂家近年来也打出了一定名声，同时他们也是肩负推动国产图像传感器产业发展重任的主力军。过去错过了CCD时代的中国，能否在CMOS图像传感器时代奋起直追扭转乾坤？我们对此保持期待！