車聯(lián)網可不一定是IT巨頭說了算

1、物聯(lián)網知識2015年,隨著 CES 大會的熱捧, “車聯(lián)網”成為繼互聯(lián)網、物聯(lián)網之后未來智能城市又一 標志。汽車廠商巨頭積極布局,奧迪、奔馳、寶馬等均已推出各自的自動駕駛概念車 ; 整車廠、 零部件供應商結伴占位, 芯片廠商英偉達在 CES 上發(fā)布了世界上第一款浮點運算能力超過 1萬 億次的移動芯片,試圖通過超級移動芯片撬開智能汽車的大門。 IT 巨頭同樣不甘示弱,谷歌 Android Auto和蘋果 CarPlay 已然成為各家傳統(tǒng)汽車廠商合作熱點。 而國內隨著百度車聯(lián)網戰(zhàn)略 正式發(fā)布。 互聯(lián)網 BA T 三巨頭全部加入車聯(lián)網系統(tǒng)爭奪戰(zhàn)中, 但車聯(lián)網這塊蛋糕還真不一定是 這些巨頭們說了算。車

2、聯(lián)網,核心價值在數(shù)據(jù)不可否認在云計算、大數(shù)據(jù)的推動下,汽車、電子與互聯(lián)網結合更加緊密,未來汽車極有 可能成為下一個與人們生活緊密相連的移動終端。大數(shù)據(jù)將更加清晰透徹精準研究并構建“客 戶素描” ,滿足差異化用戶需求,這是對傳統(tǒng)制造產業(yè)根本性的沖擊甚至顛覆,換句話說大數(shù)據(jù) 就是讓制造產業(yè)變成服務產業(yè),讓制造企業(yè)變?yōu)閿?shù)據(jù)。響鈴認為在數(shù)據(jù)、軟件、硬件、服務四 駕馬車為主導的車聯(lián)網中,核心價值是數(shù)據(jù)。各 IT 巨頭也深諳其道,正積極占位,不管是把建 立地圖服務作為核心,還是打造車載智能終端系統(tǒng),都是在玩數(shù)據(jù)。比如阿里巴巴收購高德, 把地圖數(shù)據(jù)作為承載商業(yè)模式的載體 ; 騰訊聯(lián)合四維圖新推出趣駕 WeD

3、rive ,自家又推出車聯(lián)網 產品“路寶盒子” ; 百度推出 CarLife; 華為推出 ME909T; 國外蘋果推出“ iOS in the Car ”計劃和 車載系統(tǒng) CarPlay ,谷歌推出汽車版安卓操作系統(tǒng)。 。 。各個都“不懷好意” ,期望掌控數(shù)據(jù)一招 致勝,秒殺對手。作為 IT 巨頭, 對數(shù)據(jù)的掌控本身就擁有先發(fā)技術優(yōu)勢和天然的敏感性。 而車聯(lián)網是以車為 信息源點和關鍵節(jié)點,圍繞用戶使用場景構建智能化體驗。盡管形式各樣,但都是希望建立類 似互聯(lián)網讓人們“點對點”信息交流的方式,用數(shù)據(jù)把車串起來,實現(xiàn)車與車的“對話” , IT 巨頭們所具備的云計算處理能力和大數(shù)據(jù)處理能力顯然在車聯(lián)

4、網中獨享數(shù)據(jù)和軟件優(yōu)勢。但深 耕行業(yè)的汽車廠商也握有硬件和服務兩大法寶,四駕馬車,雙方各分秋色,所以 IT 巨頭光有數(shù) 據(jù)還不能保證穩(wěn)操勝券,汽車廠商他們的態(tài)度才真正決定著成敗。IT 巨頭搶灘數(shù)據(jù)與汽車商家之間,一場新的博弈 ?如今汽車廠商們都意識到下一個能改善交通安全提升自身產品競爭力的就是車與車間的 “交流” 。如果汽車能信息溝通實時對接,哪怕危險就在下一個路口,駕駛員也能提前防范,做 到零交通事故,產品行業(yè)話語權就將大大加強,消費者自然買賬。面對至關重要的車聯(lián)數(shù)據(jù), 汽車廠商是拱手讓給 IT 巨頭,還是死磕單干,雙方將會有新的博弈。原因很簡單車聯(lián)網產業(yè)鏈 的前裝市場中,整車廠商位于產業(yè)鏈

5、的中游,上連設備及服務提供商在上,下接用戶,整車廠 商擁有較強的話語權。 IT 巨頭如能與硬件廠商合作便是最好的結果,就如國內奧迪、現(xiàn)代、上 海通用與百度簽訂了車聯(lián)網方面的戰(zhàn)略合作協(xié)議, 現(xiàn)代兼容蘋果 Carplay 和谷歌 AndroidAuto 的 DisplayAudio 操作系統(tǒng)。雙方相互借力,取長補短,多贏之道。但更多汽車廠商會選擇自主研發(fā),不對 IT 巨頭開放,一來他們不差錢,二來他們不希望被 IT 巨頭控制數(shù)據(jù)掐住咽喉,上汽集團就最早試水車聯(lián)網,研發(fā)的 inkaNet 系統(tǒng)被搭載在自己的 榮威 350、榮威 550、 W5以及 MG5等多款車型上。通用的安吉星 (onstar也被

6、應用在凱迪拉克、 別克、雪佛蘭等汽車上,這是對 IT 巨頭的防御,也是攻擊。而對于 IT 企業(yè)來說,就是場硬仗。同樣對于服務與售后的定位差異,也是巨大的不確定因素。 IT 巨頭互聯(lián)網的趨于免費的服 務與 4S 的高利益存在沖突, IT 巨頭可以讓服務不掙錢,但汽車廠商的贏利點之一就是增值服 務。售后維修也是件麻煩事,即使 IT 巨頭能做到高效整合信息互通,老人和勞斯勞斯都不碰, 萬一交通事故真的要發(fā)生了,必須碰其一的時候,是追究 IT 軟件的問題,還是歸罪于汽車硬件 方,或者直接歸咎于個人價值觀,售后維修誰負責總之,還有太多問題待解, IT 巨頭若是 只期盼解決數(shù)據(jù)軟件問題就想高枕無憂,響鈴只

7、能呵呵了。延伸閱讀:“車聯(lián)網”如何才能叫好又叫座 ?車聯(lián)網下的汽車夜視系統(tǒng)需求分析當今的 CMOS 圖像轉換技術不僅服務于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理,而且還憑借其卓越的性 能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外,它還能確保汽車駕駛時的高安全性和 舒適性。最初, CMOS 圖像傳感器被應用于工業(yè)圖像處理;在那些旨在提高生產率、質量和生 產工藝經濟性的全新自動化解決方案中,它至今仍然是至關重要的一環(huán)。據(jù)市場研究 IMS Research的預測,在未來的幾年中,歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將 達到 6%,其中,在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國, 據(jù)其全國工具

8、機供應商協(xié)會 VDMA 提供的數(shù)據(jù), 2004年的圖像處理市場增長率達到了 14%。 市場調研 In-Stat/MDR亦指出,單就圖像傳感器的次級市場而言,其年成長率將高達 30%以上, 而且這種情況將持續(xù)到 2008年。最為重要的是:CMOS 傳感器的成長速度將達到 CCD 傳感器 的七倍,照相手機和數(shù)碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。顯然,人們如此看好 CMOS 圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實,即:與壟斷該領 域長達 30多年的 CCD 技術相比,它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提 升的品質要求,如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分

9、辨率、更 低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外, CMOS 圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能 以經濟的方式來實現(xiàn)的新穎應用。 另外, 還有一些有利于 CMOS 傳感器的 “軟” 標準在起作用, 包括:應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過,這種區(qū)別稍帶幾分任 意性,因為這些標準的重要程度將由于應用的不同 (消費、工業(yè)或汽車 而發(fā)生變化。細節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題就像我們從模擬攝影所獲知的那樣,拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情,照 相手機同樣如此。但是,對于工業(yè)或汽車應用來說,情況就大不一樣了:有些場合并不需要很 高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如,在監(jiān)控攝像機中,只要能夠發(fā)現(xiàn)

10、一幅場景中出現(xiàn)的變化(因為這種 變化可能預示著某種可疑情況 , 那么分辨率低一點也是完全可以接受的。 在此基礎之上才需要 借助全分辨率來采集更多的細節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行 播放,而且,在所捕獲的場景中,只有這一部分才是監(jiān)控人員所關注的。對于只提供全幀圖像的 CCD 圖像傳感器而言, 只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩 個觀測角度, 這意味著處理時間和成本的增加。 然而, CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM相似,所有的存儲位均可單獨讀出。 CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率,但是 幀速率較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區(qū)域。CM

11、OS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、 較短曝光時間和日 漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子 (感光面積與整個像素面積之比 與 量子效率 (由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量 的乘積。 CCD 傳感器因其技術的固有特性而 擁有一個很大的填充因子。而在 CMOS 圖像傳感器中,為了實現(xiàn)堪與 CCD 轉換器相媲美的噪 聲指標和靈敏度水平,人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器 (APS,并且導致填 充因子降低,原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用,留給光電二極管的 可用空間較

12、小。所以,當今 CMOS 傳感器的一個重要的開發(fā)目標就是擴大填充因子。賽普拉斯 (FillFactory通過其獲得專利授權的一項技術,可以大幅度地提高填充因子,這種技術可以把一 顆標準 CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。 nextpage另外,對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言,由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差 的情況下進行的,因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。 CMOS 圖像傳感器通過多斜率操 作實現(xiàn)了這一目標:轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成,它們共同形成了一個非線性特征 曲線。因此,一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬 -數(shù)字轉換器轉換范圍的很大一部分:轉 換特

13、征曲線在這里最為陡峭,以實現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像 的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝光,并以一個更加細致的標度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的 方式來運作 LUPA-4000將使高達 90dB 的光動態(tài)范圍與一個 10位 A/D轉換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM-001系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎上更進一步; 它們是專為汽車 應用而設計的。其像素由光電二極管組成,可提供高達 120dB 的自適應動態(tài)范圍。面向汽車應 用的 ACM 100相機模塊就采用了這些傳感器, 這種相機模塊據(jù)稱是同類產品中率先面市的全集 成化相機解決方案:該視覺解決方案被看作是面向駕駛

14、者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導 向的未來汽車安全系統(tǒng)的關鍵元件。此外,對于獨立于電網的便攜式應用而言,以低功耗特性而著稱的 CMOS 技術還具有一個 明顯的優(yōu)勢:CMOS 圖像傳感器是針對 5V 和 3.3V 電源電壓而設計的。而 CCD 芯片則需要大 約 12V 的電源電壓,因此不得不采用一個電壓轉換器,從而導致功耗增加。在總功耗方面,把 控制和系統(tǒng)功能集成到 CMOS 傳感器中將帶來另一個好處:它去除了與其他半導體元件的所有 外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用,這是因為在芯片內部進行通信所消耗的能量要 比通過 PCB 或襯底的外部實現(xiàn)方式低得多。擴展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢

15、在現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器中,一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區(qū) NIR(至約 1,100nm 的波長 。配備了 IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車應用將改善霧穿透力和夜 視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術開始運用更多波長位于 NIR 之中的光源,而且生物技術也在利 用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象,因此,新開發(fā)的 IBIS 5-AE-1300傳感器具有 700900nm 的 NIR 靈敏度。在面向消費應用的圖像捕獲技術中,另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到 2005年年中, 70%左右的手機相機已具有 VGA 格式分辨率 (640×480像素 ;但隨后的 2006年,幾百萬像

16、素 的傳感器就將占領 50%的市場份額,而到 2008年,其市場占有率預計將進一步攀升至 90%以 上。 為此, 賽普拉斯開發(fā)了一種用于蜂窩電話的 300萬像素圖像傳感器, 該產品采用了 Autobrite 技術,可進行 12位模擬 /數(shù)字轉換,并提供了 72dB 的寬廣動態(tài)范圍,而目前市面上的 10位模 擬 /數(shù)字轉換器的動態(tài)范圍僅為 60dB 。 逐行掃描模式中的幀速率高達 30幀 /秒, 因而可錄制實況 視頻節(jié)目。在工業(yè)和商業(yè)領域中,這種發(fā)展趨勢也很明顯:賽普拉斯已推出一款用于 Kodak 數(shù)碼相機 的 1,300萬像素 /35mm圖像傳感器,另外, 660萬像素的 IBIS 4-660

17、0傳感器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質它可在一幅完整的標準 A4頁面上提供出 色的分辨率。憑借技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機、 MP3播放機和 PDA 等傳統(tǒng)分離型功能 設備的加速數(shù)字融合 (即成為一部緊湊的消費型電子產品 ,導致人們越來越希望至少具有部分 自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術產生影 響:利用包含一個數(shù)碼相機、 PDA 用戶接口和 WLAN 聯(lián)網能力的便攜式檢驗工具,光測試和 監(jiān)視的應用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術, CMOS 符合這一發(fā)展潮流:CCD 圖像 轉換器仍然需要采用外部邏輯電路來

18、實現(xiàn)控制和模擬 /數(shù)字轉換功能, 而 CMOS 標準邏輯器件則 能夠把傳感器、控制器、轉換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應用而制作的 CYIWCSC1300AA 芯片的 圖像捕獲電路。 它基于 130萬像素圖像傳感器 CYIWOSC1300AA 和一個用于提供誤差插補、 黑 電平調整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特 效和 校正等等諸多功能的附加信號處理器。 集成更多的系統(tǒng)功能 (一直到自主型光電傳感器系 統(tǒng) 是可行的,這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經濟目標和限制因素。當今的 CMOS 圖像轉換技術

19、不僅服務于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理,而且還憑借其卓越的性 能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外,它還能確保汽車駕駛時的高安全性和 舒適性。最初, CMOS 圖像傳感器被應用于工業(yè)圖像處理;在那些旨在提高生產率、質量和生 產工藝經濟性的全新自動化解決方案中,它至今仍然是至關重要的一環(huán)。據(jù)市場研究 IMS Research的預測,在未來的幾年中,歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將 達到 6%,其中,在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國, 據(jù)其全國工具機供應商協(xié)會 VDMA 提供的數(shù)據(jù), 2004年的圖像處理市場增長率達到了 14%。 市場調研 In-Stat/

20、MDR亦指出,單就圖像傳感器的次級市場而言,其年成長率將高達 30%以上, 而且這種情況將持續(xù)到 2008年。最為重要的是:CMOS 傳感器的成長速度將達到 CCD 傳感器 的七倍,照相手機和數(shù)碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。顯然,人們如此看好 CMOS 圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實,即:與壟斷該領 域長達 30多年的 CCD 技術相比,它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提 升的品質要求,如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更 低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外, CMOS 圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能 以經濟的方式

21、來實現(xiàn)的新穎應用。 另外, 還有一些有利于 CMOS 傳感器的 “軟” 標準在起作用, 包括:應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過,這種區(qū)別稍帶幾分任 意性,因為這些標準的重要程度將由于應用的不同 (消費、工業(yè)或汽車 而發(fā)生變化。細節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題就像我們從模擬攝影所獲知的那樣,拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情,照 相手機同樣如此。但是,對于工業(yè)或汽車應用來說,情況就大不一樣了:有些場合并不需要很 高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如,在監(jiān)控攝像機中,只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場景中出現(xiàn)的變化(因為這種 變化可能預示著某種可疑情況 , 那么分辨率低一點也是完全可以接受的。 在此基礎之

22、上才需要 借助全分辨率來采集更多的細節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行 播放,而且,在所捕獲的場景中,只有這一部分才是監(jiān)控人員所關注的。對于只提供全幀圖像的 CCD 圖像傳感器而言, 只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩 個觀測角度, 這意味著處理時間和成本的增加。 然而, CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM 相似,所有的存儲位均可單獨讀出。 CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率,但是 幀速率較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區(qū)域。CMOS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈

23、敏度、 較短曝光時間和日 漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子 (感光面積與整個像素面積之比 與 量子效率 (由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量 的乘積。 CCD 傳感器因其技術的固有特性而 擁有一個很大的填充因子。而在 CMOS 圖像傳感器中,為了實現(xiàn)堪與 CCD 轉換器相媲美的噪聲指標和靈敏度水平,人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器 (APS,并且導致填 充因子降低,原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用,留給光電二極管的 可用空間較小。所以,當今 CMOS 傳感器的一個重要的開發(fā)目標就是擴大填充因子。賽普拉斯 (FillFactory通過其獲

24、得專利授權的一項技術,可以大幅度地提高填充因子,這種技術可以把一 顆標準 CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。 nextpage另外,對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言,由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差 的情況下進行的,因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。 CMOS 圖像傳感器通過多斜率操 作實現(xiàn)了這一目標:轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成,它們共同形成了一個非線性特征 曲線。因此,一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬 -數(shù)字轉換器轉換范圍的很大一部分:轉 換特征曲線在這里最為陡峭,以實現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像 的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝

25、光,并以一個更加細致的標度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的 方式來運作 LUPA-4000將使高達 90dB 的光動態(tài)范圍與一個 10位 A/D轉換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM-001系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎上更進一步; 它們是專為汽車 應用而設計的。其像素由光電二極管組成,可提供高達 120dB 的自適應動態(tài)范圍。面向汽車應 用的 ACM 100相機模塊就采用了這些傳感器, 這種相機模塊據(jù)稱是同類產品中率先面市的全集 成化相機解決方案:該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導 向的未來汽車安全系統(tǒng)的關鍵元件。此外,對于獨立于電網的便攜式應用而言,以低功

26、耗特性而著稱的 CMOS 技術還具有一個 明顯的優(yōu)勢:CMOS 圖像傳感器是針對 5V 和 3.3V 電源電壓而設計的。而 CCD 芯片則需要大 約 12V 的電源電壓,因此不得不采用一個電壓轉換器,從而導致功耗增加。在總功耗方面,把 控制和系統(tǒng)功能集成到 CMOS 傳感器中將帶來另一個好處:它去除了與其他半導體元件的所有 外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用,這是因為在芯片內部進行通信所消耗的能量要 比通過 PCB 或襯底的外部實現(xiàn)方式低得多。擴展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢在現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器中,一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區(qū) NIR(至約 1,100nm

27、的波長 。配備了 IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車應用將改善霧穿透力和夜 視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術開始運用更多波長位于 NIR 之中的光源,而且生物技術也在利 用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象,因此,新開發(fā)的 IBIS 5-AE-1300傳感器具有 700900nm 的 NIR 靈敏度。在面向消費應用的圖像捕獲技術中,另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到 2005年年中, 70%左右的手機相機已具有 VGA 格式分辨率 (640×480像素 ;但隨后的 2006年,幾百萬像素 的傳感器就將占領 50%的市場份額,而到 2008年,其市場占有率預計將進一步攀升至 90%以 上。 為此,

28、 賽普拉斯開發(fā)了一種用于蜂窩電話的 300萬像素圖像傳感器, 該產品采用了 Autobrite 技術,可進行 12位模擬 /數(shù)字轉換,并提供了 72dB 的寬廣動態(tài)范圍,而目前市面上的 10位模 擬 /數(shù)字轉換器的動態(tài)范圍僅為 60dB 。 逐行掃描模式中的幀速率高達 30幀 /秒, 因而可錄制實況 視頻節(jié)目。在工業(yè)和商業(yè)領域中,這種發(fā)展趨勢也很明顯:賽普拉斯已推出一款用于 Kodak 數(shù)碼相機 的 1,300萬像素 /35mm圖像傳感器,另外, 660萬像素的 IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視 人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質它可在一幅完整的標準 A4頁面上提供出 色的

29、分辨率。憑借技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機、 MP3播放機和 PDA 等傳統(tǒng)分離型功能 設備的加速數(shù)字融合 (即成為一部緊湊的消費型電子產品 ,導致人們越來越希望至少具有部分 自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術產生影 響:利用包含一個數(shù)碼相機、 PDA 用戶接口和 WLAN 聯(lián)網能力的便攜式檢驗工具,光測試和 監(jiān)視的應用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術, CMOS 符合這一發(fā)展潮流:CCD 圖像 轉換器仍然需要采用外部邏輯電路來實現(xiàn)控制和模擬 /數(shù)字轉換功能, 而 CMOS 標準邏輯器件則 能夠把傳感器、控制器、轉換器和評估邏輯電路等全

30、部集成到一塊芯片之中。一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應用而制作的 CYIWCSC1300AA 芯片的 圖像捕獲電路。 它基于 130 萬像素圖像傳感器 CYIWOSC1300AA 和一個用于提供誤差插補、 黑 電平調整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特 效和 校正等等諸多功能的附加信號處理器。 集成更多的系統(tǒng)功能(一直到自主型光電傳感器系 統(tǒng)是可行的，這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經濟目標和限制因素。 當今的 CMOS 圖像轉換技術不僅服務于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性 能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外，它還

31、能確保汽車駕駛時的高安全性和 舒適性。最初，CMOS 圖像傳感器被應用于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產率、質量和生 產工藝經濟性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關重要的一環(huán)。 據(jù)市場研究 IMS Research 的預測，在未來的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將 達到 6%，其中，在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國， 據(jù)其全國工具機供應商協(xié)會 VDMA 提供的數(shù)據(jù)，2004 年的圖像處理市場增長率達到了 14%。 市場調研 In-Stat/MDR 亦指出，單就圖像傳感器的次級市場而言，其年成長率將高達 30%以上， 而且這種情況將持續(xù)到 2008

32、 年。最為重要的是：CMOS 傳感器的成長速度將達到 CCD 傳感器 的七倍，照相手機和數(shù)碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。 顯然，人們如此看好 CMOS 圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實，即：與壟斷該領 域長達 30 多年的 CCD 技術相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提 升的品質要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更 低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS 圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能 以經濟的方式來實現(xiàn)的新穎應用。另外，還有一些有利于 CMOS 傳感器的“軟”標準在起作用， 包括：應用支持、抗輻射

33、性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任 意性，因為這些標準的重要程度將由于應用的不同(消費、工業(yè)或汽車而發(fā)生變化。 細節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題 就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情，照 相手機同樣如此。但是，對于工業(yè)或汽車應用來說，情況就大不一樣了：有些場合并不需要很 高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控攝像機中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場景中出現(xiàn)的變化（因為這種 變化可能預示著某種可疑情況） ，那么分辨率低一點也是完全可以接受的。在此基礎之上才需要 借助全分辨率來采集更多的細節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行 播放，而且，在所捕

34、獲的場景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關注的。 對于只提供全幀圖像的 CCD 圖像傳感器而言， 只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩 個觀測角度，這意味著處理時間和成本的增加。然而，CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM 相似，所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是 幀速率較高；而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區(qū)域。 CMOS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢 最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、 較短曝光時間和日 漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子(感光面積與整個像素面積之比與 量子

35、效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量的乘積。CCD 傳感器因其技術的固有特性而 擁有一個很大的填充因子。而在 CMOS 圖像傳感器中，為了實現(xiàn)堪與 CCD 轉換器相媲美的噪 聲指標和靈敏度水平，人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器(APS，并且導致填 充因子降低，原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的 可用空間較小。所以，當今 CMOS 傳感器的一個重要的開發(fā)目標就是擴大填充因子。賽普拉斯 (FillFactory通過其獲得專利授權的一項技術，可以大幅度地提高填充因子，這種技術可以把一 顆標準 CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。

36、nextpage 另外，對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差 的情況下進行的，因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS 圖像傳感器通過多斜率操 作實現(xiàn)了這一目標：轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個非線性特征 曲線。因此，一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉換器轉換范圍的很大一部分：轉 換特征曲線在這里最為陡峭，以實現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像 的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝光，并以一個更加細致的標度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的 方式來運作 LUPA-4000 將使高達 90dB 的光動態(tài)范圍與一個 10

37、 位 A/D 轉換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM-001 系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎上更進一步； 它們是專為汽車 應用而設計的。其像素由光電二極管組成，可提供高達 120dB 的自適應動態(tài)范圍。面向汽車應 用的 ACM 100 相機模塊就采用了這些傳感器， 這種相機模塊據(jù)稱是同類產品中率先面市的全集 成化相機解決方案：該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導 向的未來汽車安全系統(tǒng)的關鍵元件。 此外，對于獨立于電網的便攜式應用而言，以低功耗特性而著稱的 CMOS 技術還具有一個 明顯的優(yōu)勢：CMOS 圖像傳感器是針對 5V 和 3.3V 電源電壓而設計

38、的。而 CCD 芯片則需要大 約 12V 的電源電壓，因此不得不采用一個電壓轉換器，從而導致功耗增加。在總功耗方面，把 控制和系統(tǒng)功能集成到 CMOS 傳感器中將帶來另一個好處：它去除了與其他半導體元件的所有 外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用，這是因為在芯片內部進行通信所消耗的能量要 比通過 PCB 或襯底的外部實現(xiàn)方式低得多。 擴展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢 在現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器中，一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區(qū) NIR(至約 1,100nm 的波長。配備了 IM-001 CMOS 圖像傳感器的汽車應用將改善霧穿透力和夜 視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術開始

39、運用更多波長位于 NIR 之中的光源，而且生物技術也在利 用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的 IBIS 5-AE-1300 傳感器具有 700900nm 的 NIR 靈敏度。 在面向消費應用的圖像捕獲技術中，另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到 2005 年年中， 70%左右的手機相機已具有 VGA 格式分辨率(640×480 像素；但隨后的 2006 年，幾百萬像素 的傳感器就將占領 50%的市場份額，而到 2008 年，其市場占有率預計將進一步攀升至 90%以 上。 為此， 賽普拉斯開發(fā)了一種用于蜂窩電話的 300 萬像素圖像傳感器， 該產品采用了 Autobrite 技術，

40、可進行 12 位模擬/數(shù)字轉換，并提供了 72dB 的寬廣動態(tài)范圍，而目前市面上的 10 位模 擬/數(shù)字轉換器的動態(tài)范圍僅為 60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達 30 幀/秒，因而可錄制實況 視頻節(jié)目。 在工業(yè)和商業(yè)領域中，這種發(fā)展趨勢也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于 Kodak 數(shù)碼相機 的 1,300 萬像素/35mm 圖像傳感器，另外，660 萬像素的 IBIS 4-6600 傳感器正在一種面向弱視 人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質它可在一幅完整的標準 A4 頁面上提供出 色的分辨率。 憑借技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機、MP3 播放機和 PDA 等傳統(tǒng)分離型功能

41、設備的加速數(shù)字融合(即成為一部緊湊的消費型電子產品，導致人們越來越希望至少具有部分 自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術產生影 響：利用包含一個數(shù)碼相機、PDA 用戶接口和 WLAN 聯(lián)網能力的便攜式檢驗工具，光測試和 監(jiān)視的應用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術，CMOS 符合這一發(fā)展潮流：CCD 圖像 轉換器仍然需要采用外部邏輯電路來實現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉換功能， 而 CMOS 標準邏輯器件則 能夠把傳感器、控制器、轉換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。 一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應用而制作的 CYIWCSC1300AA 芯片

42、的 圖像捕獲電路。 它基于 130 萬像素圖像傳感器 CYIWOSC1300AA 和一個用于提供誤差插補、 黑 電平調整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特 效和 校正等等諸多功能的附加信號處理器。 集成更多的系統(tǒng)功能(一直到自主型光電傳感器系 統(tǒng)是可行的，這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經濟目標和限制因素。 當今的 CMOS 圖像轉換技術不僅服務于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性 能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外，它還能確保汽車駕駛時的高安全性和 舒適性。最初，CMOS 圖像傳感器被應用于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產率

43、、質量和生 產工藝經濟性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關重要的一環(huán)。 據(jù)市場研究 IMS Research 的預測，在未來的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將 達到 6%，其中，在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國， 據(jù)其全國工具機供應商協(xié)會 VDMA 提供的數(shù)據(jù)，2004 年的圖像處理市場增長率達到了 14%。 市場調研 In-Stat/MDR 亦指出，單就圖像傳感器的次級市場而言，其年成長率將高達 30%以上， 而且這種情況將持續(xù)到 2008 年。最為重要的是：CMOS 傳感器的成長速度將達到 CCD 傳感器 的七倍，照相手機和數(shù)碼相機的迅速普及

44、是這種需求的主要推動因素。 顯然，人們如此看好 CMOS 圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實，即：與壟斷該領 域長達 30 多年的 CCD 技術相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提 升的品質要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更 低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS 圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能 以經濟的方式來實現(xiàn)的新穎應用。另外，還有一些有利于 CMOS 傳感器的“軟”標準在起作用， 包括：應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任 意性，因為這些標準的重要程度將由于應用的不同

45、(消費、工業(yè)或汽車而發(fā)生變化。 細節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題 就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情，照 相手機同樣如此。但是，對于工業(yè)或汽車應用來說，情況就大不一樣了：有些場合并不需要很 高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控攝像機中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場景中出現(xiàn)的變化（因為這種 變化可能預示著某種可疑情況） ，那么分辨率低一點也是完全可以接受的。在此基礎之上才需要 借助全分辨率來采集更多的細節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行 播放，而且，在所捕獲的場景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關注的。 對于只提供全幀圖像的 CCD 圖像傳感器而言， 只有采用一

46、個分離的評估電路才能夠提供兩 個觀測角度，這意味著處理時間和成本的增加。然而，CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM 相似，所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是 幀速率較高；而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區(qū)域。 CMOS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢 最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、 較短曝光時間和日 漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子 (感光面積與整個像素面積之比與 量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量的乘積。CCD 傳感器因其技術的固有特性而 擁有一個很大的填充因

47、子。而在 CMOS 圖像傳感器中，為了實現(xiàn)堪與 CCD 轉換器相媲美的噪 聲指標和靈敏度水平，人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器(APS，并且導致填 充因子降低，原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的 可用空間較小。所以，當今 CMOS 傳感器的一個重要的開發(fā)目標就是擴大填充因子。賽普拉斯 (FillFactory通過其獲得專利授權的一項技術，可以大幅度地提高填充因子，這種技術可以把一 顆標準 CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。nextpage 另外，對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差 的情況

48、下進行的，因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS 圖像傳感器通過多斜率操 作實現(xiàn)了這一目標：轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個非線性特征 曲線。因此，一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉換器轉換范圍的很大一部分：轉 換特征曲線在這里最為陡峭，以實現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像 的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝光，并以一個更加細致的標度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的 方式來運作 LUPA-4000 將使高達 90dB 的光動態(tài)范圍與一個 10 位 A/D 轉換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM-001 系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎上更進一步； 它們是專為汽車 應用而設計的。