CCD与CMOS谁会称霸江湖？

　

　　图像传感器有CMOS和CCD两种。在模拟监控时代，CCD占有绝对优势，其灵敏度高、解析力强、信噪比高、低照度效果好。但到了网络摄像机时代，CMOS的呼声日益走高，低廉的价格、快速提升的技术水平，让其大有取代CCD，成为高清时代霸主的势头。那么，CCD与CMOS，到底谁会称霸江湖呢？本期行家视点邀请了索尼中国专业系统集团产品经理秦杰、韩国NEXTCHIP总裁金敬洙、比亚迪股份有限公司销售经理黄振中、深圳英飞拓科技股份有限公司市场部产品经理曾小伟、北京爱锐康特技术有限公司市场总监高默冉、深圳波粒科技股份有限公司客服部主管匡全慰、安维安防华北区域销售总监李文博、天敏科技安防产品经理高明共同探讨。

　　CCD与CMOS，孰优孰劣？

　　CCD与CMOS图像传感器是生产监控摄像机必须选用的元器件，经过多年的积累，厂家对它们各自特点已非常熟悉。那么，CCD与CMOS各自有什么优势、劣势呢？

　　秦杰：CCD的优势是灵敏度高、色彩还原真实、整体图像品质好、噪点控制好，劣势是功率稍大、成本高；CMOS优势是信号读出速度快、无垂直拖尾、低功耗、集成度高，劣势是有固定模式噪点，灵敏度较低。

　　李文博：CCD的特点是，其为单一感光器所以灵敏度在等同面积下较高，成本高，连接复杂度低，解析度高，其为单一放大所以噪点低，需外加电压故功耗高。信息读取方式上，CCD需外部电路控制，较为复杂；CMOS的特点是，由感光器连接放大器所以灵敏度低，成本低，噪点较高，功耗较低，其直接读取电流（或电压）信号，速度是CCD的10倍以上。

　　曾小伟：CCD有效感光单元面积大，灵敏度强、分辨率高、低照度下效果好。电信号经过放大器统一放大，噪点低，信噪比高；CMOS传感器每个感光像素可直接经过ADC放大，处理速度快、耗电量小、功耗低，同时，工艺制作简单、成本低。

　　宽动态、低照度、清晰度、色彩还原等主要取决于摄像机传感器和DSP的图像处理能力。对于CCD来说，低照度、清晰度、色彩还原效果较好，但宽动态多通过两种快门速度取像合成来实现，不及CMOS传感器通过设置数字电平阀值的宽动态效果。

　　匡全慰：CCD灵敏度高、畸变小、寿命长、体积小、无残缺、CCD广泛使用在数字摄影、天文学，尤其是光学遥测技术；CMOS具有读取方式简单、速度快、集成度高、高动态范围等特性。

　　CCD摄像机光感性能更好，在光线不足的环境下成像效果比CMOS好，目前CMOS需要达到CCD同样的效果，需采用低照度技术做后端的处理。同时CCD的色彩还原度更好，使得图像更加逼真。

　　高明：二者差异主要体现在灵敏度、成本、噪声、功耗等几个方面。在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器；CCD传感器的成本比CMOS传感器高；相同尺寸的CCD传感器分辨率通常优于CMOS传感器；CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

　　 黄振中：CCD称为“电荷耦合器件”，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上是将晶体管放在硅块上的技术。CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到2000帧/秒。这个优点对于眺望高速移动的物体非常有用。

　　二者技术更新的亮点

　　一款产品未来发展，仅仅看其现有特性是不够的，其技术更新速度、技术更新方向，更决定了其未来市场格局。CCD与CMOS图像传感器各自在技术更新方面有什么亮点呢？

　　金敬洙：CCD技术更新方向包括，增加像素、提高传感器的灵敏度、WDR(或者HDR)传感器的出现。1.增加像素。CCD传感器是根据模拟影像传输方式的NTSC/PAL制式来决定它的像素，并且以510H，760H像素的传感器作为市场的主流。但最近由于索尼的市场推动政策，逐渐形成960H传感器的市场。与760H传感器相比，虽然960H传感器的引进提高了100TVL以上水平分辨率，但因DVR设备的视频输入是720H的水平分辨率，区域受限制，所以录制/播放的图像质量仍然是720H级的分辨率，这点是需要解决的问题。不过，相信在不久的将来是可以解决的。2.提高传感器的灵敏度。CCD传感器制造商在不断地提高灵敏度，而且与传统的产品相比，CCD传感器的灵敏度已经提高了2.5倍以上。这使低照度环境下的视频监控环境得到了很大的改善。3.WDR(或者HDR)传感器的出现。通常，使用背光补偿技术时，在一个区域内出现照度差别较大的情况下，图像传感器一般不得不针对其中一种极端条件进行优化，代价则是另一种条件下的性能被降低。但如果使用WDR传感器，即使在同一区域内出现极暗、极亮环境下都可以清晰地捕捉图像。但是，为了使用WDR传感器，必须要使用能够针对一个图像可以进行多重曝光控制（长时间曝光和短时间曝光），并且可以把多重曝光的多个图像合成单一图像的摄像机ISP。现在模拟CCTV市场中SONY公司的市场操纵力是最强的。就CCD传感器在市场上的发展方向而言，目前，业界存在根据SONY公司的政策而决定的倾向。

　　CMOS技术更新包括提高传感器的灵敏度、在小的Optical Size中实现高灵敏度、引进高速传输接口及增加最大帧率、WDR(或者 HDR)Sensor的出现、引进Global Shutter方式。1.提高传感器的灵敏度。与CCD相比，灵敏度性能稍差一些的CMOS传感器，通过持续灵敏度性能的调整，已经开始相继出现了可以在低照度环境下存在低噪点，捕获高灵敏度图像的产品。这些灵敏度性能的提高，让CMOS传感器低灵敏度而使使用环境受限制的环境壁垒问题逐渐消失。2.在小的Optical Size中实现高灵敏度。监控系统中通常使用的传感器的Optical Size是1/4英寸和1/3英寸，尤其是在高清级传感器的情况下，普遍出现1/3英寸，但现在也有出现即使将Optical Size缩小到1/4英寸，也可以确保相同灵敏度的传感器。随着传感器Optical Size的减小，高价的Mega级别的CMOS传感器的价格也出现了下降。3.引进高速传输接口及增加最大帧率。随着从高清级传感器中输出的原始数据量增大，最大帧率也随之增加，高速串行传送需求逐渐兴起，因此，逐渐出现了采用从现有的并行接口转换成串行接口的Sub LVDS产品。最大帧率也从原来的高清级传感器的15frame/sec（帧/每秒）提高到现在的60frame/sec以上，已经达到可以实时传输百万级图像的水平。4.WDR(或者 HDR) Sensor的出现。现已有内置Logic Block Design的CMOS传感器，在此特性基础上，CMOS传感器可以直接输出WDR图像信号给ISP，无需ISP处理,所以安防制造商离带有WDR功能的高清CMOS摄像机越来越近了。5.引进Global Shutter方式。通常，CMOS传感器主要使用行曝光形式的卷帘快门（Rolling shutter）方式。由于Rolling Shutter方式，在平移或者倾斜摄像机时，图像的上半部跟下半部不会按照垂直方向排列，而是出现倾斜的Jello现象，降低图像的质量。目前，一些Automotive application中会使用拥有D1级分辨率的Global Shutter方式的CMOS传感器。在不久的将来，会出现应用Global Shutter方式的高清级别的CMOS传感器，这也将会突破应用CMOS传感器的环境壁垒问题。

　　黄振中：CCD的规格影响成本与设计，越来越多的LCD宽荧幕为了满足人类视觉比例，跳脱传统4：3的规格走向16：9/16：10及更宽广的界线。有人说，模拟监控，CCD称王；高清监控，CMOS后来居上。现实情况是这样吗？企业们会如何选用二者，安排其岗位呢？然而，大多数DSC消费型数位相机的CCD长宽比，依然沿袭二十世纪50年代电视规格标准刚制订时的4：3的标准（3：2主要仍为DSLR数位单眼机身所采用，另中片幅、专业数位机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要原因是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。CMOS的更新较为灵活，比亚迪为CMOS感光芯片专门开发了“增强型影像处理器”，它使用了一种全新的算法，能够很好地提升获取影像的动态范围，平衡光暗度，表现影像的层次感。所谓“动态范围”是指一台摄像机在大范围亮度（即明暗差别较大）拍摄物体时候的影像再现能力，这是考察数码摄像机成像质量的一个重要标准，高动态范围可以在大范围亮度（即明暗差别较大）实现原始影像真实重现并同时有很好的细节表现力。“增强型影像处理器”把原始的影像信号分离成为“图像信号”和“亮度信号”，画面的明暗处被分别优化处理，更加逼真传神，高清晰的视频信号就这样实现了。

　　随着技术的革新，CMOS更好一些，不但最终成品的能耗低，能实现原始影像真实重现且具有很好的细节表现力，可以更好的达到监控的目的；同时产品方案简洁，成品体积可控性强，适用场合更广。

　　高默冉：从传感器产品发展来看，目前COMS传感器新产品、新技术更新速率明显要快于CCD产品。CCD产品虽然目前在致力于降低成本，但是在未来高清领域内所需要的高清/超高清传感器方面取得的进展依然是非常有限。而COMS产品借助于已经十分成熟的CMOS工艺，其新技术的发展成果可以很容易地应用到新产品的生产当中去。随之而来研发和生产转化周期的缩短也有利于整体市场成本的有效降低。因此一些传统的老牌CCD厂家（如SONY等）也开始进行CMOS产品的研发工作以保持其新兴市场占有率。

　　未来CMOS产品将会在WDR方面发挥其固有的优势，实现更宽动态的图像捕捉。在CCD传统优势的低照度环境下通过不断增大传感器开口率，改进图像放大器工艺流程等措施提升低光图像的表现力，争取获得能与CCD传感器相匹敌的低光效果。Arecontvision最新产品中的binning技术能够有效提高低光环境下的信噪比和色彩还原度就是一个明显的例证。另一方面CMOS传感器在高清领域不断研发出1000万，2000万，3000万以上级超高像素传感器。今后Arecontvision将一如既往地不断给客户带来能够拥有更高像素、更快帧速率（实时性）和更优异画质表现的百万至千万像素高清工业级监控摄像机，将实时高清晰度的千万像素级别监控画面带进我们的生活。

　　模拟阵营与高清阵营， 谁是主宰？

　　有人说，模拟监控，CCD称王；高清监控，CMOS后来居上。现实情况是这样吗？企业们会如何选用二者，安排其岗位呢？

　　秦杰：目前使用CMOS芯片的高清摄像机非常普遍。不管是CCD还是CMOS，都是感光芯片，不存在太多争议。我们为什么把高清摄像机转用CMOS？最主要是CMOS的高帧率、高灵敏度更适合高清。索尼利用在CCD方面所积累的经验与技术，解决了传统的CMOS芯片具有的缺陷，如噪点、低照度、拖尾等问题。对索尼来说，无所谓用CCD还是CMOS，而是选择更合适的感光芯片来生产产品。而且，索尼目前还在针对CCD做研发，将来可能还会推出更好的CCD。索尼针对安防开发的高灵敏Exmor CMOS芯片，发挥了它自身特有的优势，速度快、帧率高、分辨率高、功耗低。针对安防业务的优化，索尼的Exmor CMOS感光芯片有以下几个特色，一是每列像素的A/D转换器可以迅速将每列产生的模拟信号转换成数字信号；二是双向降噪，它有对模拟的电信号的降噪，还有对转换成数字信号后的降噪；第三是本身结构的变化，从原来的前照射结构改为背照射结构，这可以有效提高感光效应，使噪点更少，灵敏度更好，图像更明亮。

　　黄振中：由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感，所以CCD更多应用于模拟摄像机；CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度，CMOS传感器非常快速，比CCD传感器要快10到100倍，因此非常适用于特殊应用，如high lens DSC camera或者高帧摄像机。

　　曾小伟：CCD高清摄像机图像清晰度高，色彩还原自然，低照效果尤其好；CMOS高清摄像机处理速度快，带宽要求稍低，在更高像素（300万像素以上）可选性多。英飞拓高清摄像机CCD和CMOS均有采用，在300万像素以上摄像机中多采用CMOS传感器，在卡口监控系统中，多采用CCD传感器。

　　CMOS与CCD结构上的主要差异，在于每个感光元件旁都连着一个 ADC（放大兼类比数字信号转换器），光电转换后的电信号可以直接放大并转换成数字信号，省去了多次模数和数模转换。这一特点应用于网络摄像机中，优势体现在提升信号处理速度，便于压缩编码，减小传输延迟。

　　高默冉：从使用性能上来讲，COMS传感器拥有更高的图像获取和处理速率，对于图像高帧率要求的监控领域是至关重要的。Arecontvision作为全球领先的工业级监控摄像机厂家，我们对于监控摄像机在各种严酷条件下的稳定性也是十分看重的。CMOS传感器较低发热量在温度较高条件下带来的热稳定性优势也是传统CCD相机无法企及的。CMOS相较于CCD传感器其工艺成熟，制造成本低得多，高分辨率面板良品率较高，且功耗只有相同尺寸的1/10左右，其体积小和易编程的特性也给网络摄像机的系统整合带来了很大的优势。

　　高明：在标清监控时代，无论是模拟摄像机还是标清网络摄像机，使用最广泛的是CCD。而在高清监控时代，情况将会有所改变。高清监控对成本非常敏感，CMOS传感器尽管图像品质总体上还不如CCD，但它在成本上的优势对CCD还是造成了非常大的威胁。当然，两者博弈的结果最终将由性价比决定，谁既能保证比较好的图像品质又不贵谁就胜出。从目前的趋势来看，CMOS胜出的机会明显更大。一方面，随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善。据悉，目前市场上致力于CMOS研究的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。另一方面，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在良率上的优势可以有效克服大尺寸感光元件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此CMOS更适合高清监控的大数据量特点。

　　金敬洙：模拟摄像机市场传统上一直使用CCD，并且已经熟悉CCD传感器的性能，而且也有诸如像NEXTCHIP这样拥有可以最大限度的提高CCD传感器性能的多种ISP阵容的芯片厂家。CCD传感器一直是根据模拟摄像机市场的需求而进行性能改善的。这应该也是因为SET制造商们拥有从低端到高端的产品线，CCD市场也在持续的原因。在要求D1级以下画质的模拟CCTV环境生产厂家到底偏爱CCD还是CMOS？未来CCD与CMOS到底谁会称雄？中，似乎CCD传感器的市场份额明显增高。这是因为与CMOS传感器相比，CCD传感器有更高的灵敏度，低照度环境中存在更好的低噪声以及使用Global Shutter方式的CCD传感器受到的设置环境的影响更小的原因。也可能是因为对于CCD应用，设备制造商对产品越来越熟悉。

　　从网络摄像机市场的角度来看，市场上已经出现能够满足安防摄像机功能需求的CMOS传感器，制造商也有了更多的选择。CMOS是从手机应用中开始慢慢专业化，从技术上来讲，也积累了即使在小体积上也能够实现杰出的图像品质的技术。我认为这样的技术，符合需要高清级图像质量的网络摄像机的市场趋势。对于系统结构复杂的网络摄像机来讲，选择可以简化周边配件的CMOS是正确的。

　　 在网络摄像机市场中，对于Mega Pixel级别分辨率的市场需求在急剧上升，因此，与少数生产CCD传感器公司相比，多数的CMOS制造商所面对的监控摄像机的市场正处于白热化的状态。因为，以Mega Pixel级为主流的网络摄像机市场中，CMOS传感器也将成为主流。

　　在模拟CCTV市场中占主导地位的CCD制造商们，综合摄像机模块可以相对简单的构成从而对SET制造商们而言进入到该市场也比较容易等特点，开始在网络摄像机市场中选择CMOS为主力，这样也为CMOS成为今后市场的主流奠定了基础。但是，如交通管制等快速移动的特殊环境下的监控系统上，还是要继续使用Global Shutter方式的CCD传感器。

　　未来，CCD和CMOS 谁更受青睐？

　　生产厂家到底偏爱CCD还是CMOS？未来CCD与CMOS到底谁会称雄？为什么呢？

　　黄振中：随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破，业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。而且，与CCD相比，CMOS的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低，种种迹像表明，图像传感器的领域正面临着一个重大转折，尽管从目前的状况看，CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界，但这个界限似乎越来越模糊。

　　李文博：目前在低照度和色彩还原上面，CCD要更胜一筹，其他都基本差不多了。我们更倾向于CMOS。因为CMOS整合集成，成本低、新CMOS技术具有极高解析度，快速——速度是CCD10倍以上。为什么现在所有的国际大品牌数字照相机全部是CMOS的而没有CCD？这证明在高清领域，CMOS一定是未来的趋势。另外，CCD的成本要高出很多，这是源于CCD和CMOS本身的制造原理。

　　高默冉：CMOS传感器可以将图像获得和图像处理电路整合在一套电路系统中，相比CCD工艺可以带来更低的图像延迟和更低的功耗。CMOS传感器在具有更高的整合度的同时对于电路加工生产的要求同CCD工艺相比反而有所降低。以上特点非常有利于大规模的商业化生产及应用。因此COMS传感器在从最高端专业图像采集直到中低端手机摄像头等各个领域都得到了广泛的应用。

　　摄像机的宽动态、低照度、清晰度，色彩还原等表现主要取决于传感器感光面积，曝光时间，图像后处理等环节。而相对于传统的CMOS传感器，Arecontvision新产品中CMOS传感器已经大幅提高了感光面积，与此同时CMOS传感器在曝光快门方面的优势又对于宽动态图像捕捉拥有技术优势。另外在技术的持续进步的条件下，通过不断改进图像处理单元的工艺制程，CMOS传感器也在不断提高在低照度下的色彩还原表现。

　　曾小伟：英飞拓模拟和IP标清摄像机多采用CCD传感器，宽动态摄像机采用CMOS传感器。高清摄像机两者兼而有之。CCD工艺制程复杂，生产良率不及CMOS，导致芯片成本高，较CMOS传感器高出不少。成本是公司产品开发中的一个考虑，同时很重要的还有生产厂家到底偏爱CCD还是CMOS？未来CCD与CMOS到底谁会称雄？产品效果，根据芯片优势开发相应产品。从视频监控的高清化发展趋势来看，两者都会得到很快发展。目前看来，高像素CMOS新品推出较快，可能在未来的高清监控中占据比较有利的地位。

　　高明：目前我们多采用CCD，主要是从性价比考虑，标清产品CCD的优势高于CMOS。但从目前的趋势来看，CMOS胜出的机会明显更大。一方面，随着技术的发展，CMOS的灵敏度正在得到快速改善，据悉目前市场上致力于CMOS研究的厂商已经研发出灵敏度性能与CCD接近的720p与1080p专用CMOS器件。另一方面，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在良率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。

　　匡全慰：CCD集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，两者的工作原理并没有本质的区别。开发初期，CMOS存在灵敏度低、成像效果差等问题，但后期通过技术的改进，目前已经和CCD差距很小了，而其价格比CCD却要便宜很多。这也是目前消费电子类产品使用CMOS的主要原因。此外，CMOS光电传感器经过光电转换后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单，而且在采集光信号的同时就能传输信号，比CCD要快很多。

　　金敬洙：单纯从监控摄像机的市场来看，目前CCD的出货量仍然大于CMOS，比例大约为9:1。特别是，1/3英寸25万像素的CCD占据总出货量的45%，1/3英寸38万像素CCD的出货量为20%。但是从监控摄像机市场中的网络摄像机市场来看，情况是相反的。CMOS 传感器的出货量占据总出货量的70%，而CCD传感器只维持30%的比例。预计到2013年，CMOS传感器的出货量将达到90%以上。预计，今后网络摄像机市场会以720p和1080p输出分辨率作为主流，特别是在1080p高分辨率市场中，CMOS传感器的市场份额将会达到100%。

　　关于CCD与COMS传感器的应用趋势，真的很难进行预测。对于同时生产CCD与CMOS的厂家来讲，也应该是很难判断的。但可以肯定的是，生产手机应用的CMOS厂家，会不断优化D1级分辨率的CMOS传感器(改善灵敏度,附加HDR功能, etc)，并冲击模拟CCTV市场。这个从主要的CMOS传感器制造商Aptina或者Omnivision 的产品的发展方向中也可以看出。从生产模拟CCTV使用的CCD传感器的厂家立场来看，今后CMOS会在价格上更加有竞争优势，并且也会持续生产提高性能和灵敏度的产品，对于要求Mega级图像质量的网络摄像机市场来看，CMOS传感器将掌握整个市场。即CMOS传感器会加速攻击现在CCD所掌握的监控摄像机市场的各个领域。

　　结束语

　　CCD与CMOS，二者共存于市场很多年了。目前大部分企业已经达成共识——CMOS更适合网络高清摄像机要求。在这个背景下，二者相争就成了网络高清摄像机与模拟摄像机之争。虽然现在CCD在出货量上仍然占有很大优势，但随着网络化、高清化的到来，CMOS也许会成为未来监控摄像机的主流。

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