關(guān)于圖像處理芯片的性能分析和應(yīng)用

在了解視頻處理之前，我們需要了解圖像的基本組成：像素（pixel），即“畫像元素”。每個像素就是真實圖像的一個取樣點，而照片就是這一個個取樣點的集合，單位面積內(nèi)的像素越多代表分辨率越高，所顯示的圖片就會接近于真實物體。

我們平時說的百萬像素（Mega Pixels，縮寫為MP）是指有“一百萬個像素”，通常用于表達相機的分辨率。例如，我們說一個攝像頭有1200萬像素分辨率，拍攝出的最高像素圖片一行大約4000個像素，一列大約3000個像素，合計約為4000×3000=12,000 ,000像素,即12MP?，F(xiàn)在主流電視一般支持1080P片源。

攝像的過程實際就是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程。在數(shù)字攝像的過程中，外面的光通過透鏡打到傳感器芯片，傳感器芯片把圖像分解成百上千萬個像素，傳感器測量每個像素的色彩與亮度，并把它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號作為代號，例如“010101010……”。這樣，實際圖像就變成一系列數(shù)字的集合。由于原始圖片尺寸通常很大，為了傳輸方便，視頻處理芯片再對其繼續(xù)進行壓縮編碼等處理，以方便傳輸儲存等。

攝像處理流程:

1. 鏡頭：匯聚外界景物發(fā)出的光線。

2. 傳感器芯片：傳感器芯片把外屆圖像分解成百上千萬個像素，并轉(zhuǎn)化為電信號，并傳給模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

3. 視頻處理芯片：接受傳感器傳送的數(shù)字信號，對其進一步處理，比如壓縮編碼等。

所以，傳感器芯片（光信號轉(zhuǎn)為電信號）與視頻處理芯片（主要處理數(shù)字信號）是圖像處理最重要的兩種電子元器件。

CMOS傳感器逐步代替CCD傳感器成為主流

傳感器芯片主要有兩種類型：電荷耦合元件（CCD，Charge-Coupled Device）與CMOS傳感器（CIS，CMOS Image Sensor）。CCD于1969年被發(fā)明，并于1975年正式應(yīng)用于照相機領(lǐng)域，CMOS的出現(xiàn)則相對晚了十年。

隨著后來CMOS成像技術(shù)不斷提升，CIS借其低功耗、體積小、高幀數(shù)（有利于拍攝動態(tài)影像）等優(yōu)勢，逐步在民用消費電子等領(lǐng)域占領(lǐng)市場，而CCD則由于圖像質(zhì)量有優(yōu)勢，在專業(yè)領(lǐng)域如在衛(wèi)星、醫(yī)療等領(lǐng)域仍有一席之地，但已經(jīng)逐步丟失大部分市場份額。鑒于CIS的市場份額已經(jīng)超過99%。我們在本文主要討論CIS的行業(yè)狀況。

2.1 CIS行業(yè)技術(shù)發(fā)展與趨勢——得技術(shù)者得天下

芯片作為最高端的電子元器件，一直是靠技術(shù)迭代驅(qū)動，而CIS又是屬于芯片中相對高端的一類產(chǎn)品，故此一直是得技術(shù)者得天下，且龍頭效應(yīng)愈發(fā)明顯。索尼公司憑借在攝像領(lǐng)域強大的技術(shù)儲備與領(lǐng)先程度，近幾年一直處于龍頭地位而且在CIS市場份額一直在擴大，從2015年的38%上升到2016年的42%。

CIS主要分為傳統(tǒng)（前照式）CIS、背照式（Back-illuminated）CIS。

傳統(tǒng)的前照式CIS光線射入后依次經(jīng)過片上透鏡、彩色濾光片、金屬線路最后光線才被光電二極管接收。由于金屬線路會對光線產(chǎn)生影響，最后被光點二極管吸收的光只有80%或者更少，折舊影響了圖像質(zhì)量。

背照式CIS改變了架構(gòu)，把金屬線路與光電二極管位置調(diào)換，讓光線依次經(jīng)過片上透鏡、彩色濾光片、光電二極管。這樣減少金屬線路對管線的干擾，從而增加進光量，減少噪度，對于光線不足場景有比較明顯效果。Sony公司平衡了量產(chǎn)工藝與成本的問題，于2009年將背照式CIS商用化。

在背照式CIS的基礎(chǔ)上，各家公司紛紛開發(fā)新的技術(shù)：

2013年，為了解決相鄰像素模塊互相干擾問題，三星開發(fā)了ISOCELL技術(shù)，在相鄰像素模塊中間插入金屬隔離層，這樣每個像素模塊可以吸收更多光線，大幅度提高圖像質(zhì)量。隨后三星在ISOCELL基礎(chǔ)上推出升級版ISOCELL Plus，把金屬隔離層改成日本富士公司（Fujifilm）提供的特殊材料，進一步減少金屬對于光線的干擾，可以將感光度提升15%。目前ISOCELL PLUS技術(shù)主要應(yīng)用在大像素產(chǎn)品上，例如分辨率20MP以上的傳感器。

2017年，在背照式CIS之后索尼發(fā)明了業(yè)界第一款三層堆疊式stacked CIS。這款傳感器在傳統(tǒng)堆疊式傳感器的感光層（光電二極管）與金屬線路之間增加了一層DRAM存儲層。增加DRAM存儲層用來臨時存儲數(shù)據(jù)，作用類比計算機的內(nèi)存，可以整體提高數(shù)據(jù)讀寫速度，對于高速動態(tài)物體的抓拍有很好的效果。

2018年，索尼公司為了解決圖像扭曲問題，推出具有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)關(guān)（ADC，Analog Digital Converter）模塊的CIS。傳統(tǒng)的CIS需要一行一行讀取傳輸感光模塊，這就造成了圖像焦面扭曲。索尼新產(chǎn)品在傳統(tǒng)感光層下面平鋪一層ADC層，可以同時讀取感光模塊，完美的解決了圖像扭曲問題。在感光層與ADC之間，用銅-銅Cu-Cu連接，在一款傳感器中最多用了300萬個銅-銅連接器。

可以看出CIS的技術(shù)門檻很高，微架構(gòu)方面的改進都是在納米級別。半導(dǎo)體制造方面也需要有足夠的工藝水平來配合設(shè)計的構(gòu)想，故此索尼與三星在CIS方面都是IDM模式（Integrated Device Manufacturing，全產(chǎn)業(yè)鏈模式），即自己擁有設(shè)計、制造、封裝全套技術(shù)。

通過技術(shù)方面的不斷探索，索尼與三星逐步占領(lǐng)了CIS市場份額前兩位，目前兩個巨頭市場份額超過60%。

2.2 CIS市場概況

根據(jù)IC insights 2016年數(shù)據(jù)，2016年全球圖像傳感器市場規(guī)模約為116億美金，到2021年預(yù)計為170億美金，CAGR=10.3%，銷售數(shù)量CAGR=13.6%。我們的預(yù)測數(shù)據(jù)高于IC insight，詳情請看2.3節(jié)。

CIS市場集中度較高，龍頭（索尼）份額進一步加大。2016年前四大公司占有全球76%的市場份額，索尼（42%）、三星（18%）、豪威/Omnivision（12%）、安森半導(dǎo)體（6%）。前幾大廠的側(cè)重點各不一樣，索尼與三星主要是消費電子應(yīng)用占主導(dǎo)，安森半導(dǎo)體則在汽車電子有優(yōu)勢。

2.3 下游需求仍將保持旺盛

過去十年，對于CIS最大的拉動莫過于智能手機的普及。未來十年，我們認為多攝像頭手機、無人駕駛汽車、安防、醫(yī)療、機器人等行業(yè)應(yīng)用占比將逐步升高，繼續(xù)拉動下游需求。

從左下圖可以看出，從智能手機興起開始，CIS的出貨量曲線基本擬合智能手機出貨量曲線。2013年以前主要是智能手機的拉動，盡管在2013年后，手機增長趨勢放緩，但是由于其他應(yīng)用的崛起，例如安防、智能汽車、物聯(lián)網(wǎng)等，CIS的增長曲線仍能保持以前的增長趨勢。

多攝或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)趨勢

雖然智能手機出貨量已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是雙攝甚至多攝攝手機再一次拉動了CIS的需求。目前配備雙攝的主要是2000元以上手機。根據(jù)第三方數(shù)據(jù)，2017年全球雙攝手機滲透率達到了8%-10%，我們估計未來3年有望達到50%滲透率甚至更高。即絕大部分2000元機以及相當(dāng)比例千元機會標配雙攝。僅此一項，按年出貨15億部手機計算，未來三年即可額外拉動7億顆CIS需求。

2018年華為已經(jīng)率先推出搭配3攝的P20 Pro旗艦手機。而國外廠商Light已經(jīng)推出配備9個攝像頭的原型機。在智能手機創(chuàng)新不足的情況下，攝像頭是為數(shù)不多可以做文章的突破口。

3D感測（3D Sensing）將增加紅外CMOS圖像傳感器需求

3D感測是未來人機交互的重要入口之一。根據(jù)AMS公司預(yù)測，2017年3D感測市場規(guī)模為1億歐元，未來5年3D感測市場CAGR=44%，2022年將達到8億歐元。目前由于成本與技術(shù)的原因，大部分3D sensing 應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，未來4年電子/汽車/工業(yè)領(lǐng)域CAGR分別為74%/45%/13%。到2022年預(yù)計超過60%的下游應(yīng)用在消費電子領(lǐng)域。

未來3D感測應(yīng)用將從手機延伸到汽車、智能家居、可穿戴設(shè)備。主要應(yīng)用有：

智能手機：人臉識別、AR、手勢識別

工業(yè)：3D 定位、無人機器人、圖案（Pattern）識別

智能家居：手勢識別、光線感應(yīng)、人體感應(yīng)。

汽車：駕駛監(jiān)控（例如疲勞駕駛）、手勢識別、3D雷達

目前3D感測主要有三種技術(shù)路徑：結(jié)構(gòu)光（structured Light)、TOF(Time of Flight)與雙目測距(Stereo Vision)。其中雙目測距所需算法量太大，對于硬件資源要求較高，目前產(chǎn)業(yè)主要以結(jié)構(gòu)光與ToF為主。

從上表可以看出，3D sensing中對于紅外攝像頭或者紅外傳感器的需求是最多的。

隨著AR應(yīng)用的發(fā)展，未來手機3D感測配置將從前置擴展到后置。ToF 感應(yīng)技術(shù)識別距離可達4~5m，遠超過結(jié)構(gòu)光識別距離(一般在1m以內(nèi))，故此我們分析未來后置3D感測技術(shù)路徑將是ToF主導(dǎo)。例如微軟游戲主機Xbox One中的Kinect就是采用ToF技術(shù)解決方案。

根據(jù)智能手機出貨量與3D感測前置/后置滲透率，我們估算未來三年3D感測對于紅外CIS的拉動需求為7000萬顆/1.79億顆/3.5億顆，YOY分別為600%/255%/196%。

汽車無疑是繼手機之后最大的CIS應(yīng)用場景之一

預(yù)計到2021年，車用CIS在所有應(yīng)用占比將從2015年的3%提升到14%，是增幅最大的下游應(yīng)用。

車均攝像頭數(shù)目有望從目前1.23個持續(xù)增加，到2020年預(yù)計達到2.2個/車。2017年全球車載攝像頭出貨量約為1.2億臺，汽車產(chǎn)量約為9700萬輛，平均全球每臺車裝備攝像頭數(shù)目約為1.23個。隨著各個國家對于交通安全的重視（例如美國要求在2018年5月開始所有新產(chǎn)轎車必須裝備后視攝像頭，到2019年范圍擴大到所有卡車與公交車）以及ADAS的滲透率提升，未來 車均攝像頭數(shù)目有望持續(xù)增加。

一個攝像頭對應(yīng)一顆CIS?；谝韵聨讉€假設(shè)，我們估計未來3年車載CIS需求量：

全球汽車產(chǎn)量年均增長4%

配備ADAS車均攝像頭5個，1個后視攝像頭+4個環(huán)視攝像頭

普通車配備一個攝像頭

結(jié)論：預(yù)計未來3年車載（前裝市場）CIS需求量分別為1.4億、1.8億、2.4億顆，增速分別達到21%、28%、33%，到2020年車均攝像頭數(shù)目為2.2顆。以上估算略有保守，高端ADAS車型車均攝像頭超過5個，例如Tesla配置8顆攝像頭。

多攝智能手機、3D感測、無人汽車 三駕馬車對于CIS拉動

綜上所述，我們預(yù)測了對于CIS拉動最大的三架馬車：即智能手機多攝、3D 感測、無人駕駛汽車（前裝市場），對于CIS的需求未來三年將達到34億、39億、45億顆，YoY分別為12%、15%、15%。

視頻處理芯片——計算機視覺芯片將成為主流

視頻處理芯片的作用主要是處理上游CIS傳輸過來的數(shù)字信號，例如受限于傳輸帶寬的原因，圖像需要進行壓縮、編碼等處理，經(jīng)過傳輸，在后端進行解壓縮還原圖像。在這個過程中，視頻處理芯片處理算法的質(zhì)量直接決定著圖像后端顯示的清晰程度，重要程度可見一斑。

目前估計全球視頻處理芯片市場規(guī)模約為30億美金，其中安防領(lǐng)域5億美金左右。預(yù)計到2022年整體將達到55億美金，4年CAGR約為16%，其中汽車占比最高（74%），將達到41億美金；安防占比其次（20%），將達到11億美金。

我們認為以下幾個方面將會繼續(xù)拉動視頻處理芯片的發(fā)展：

終端視頻設(shè)備數(shù)量持續(xù)增加。隨著芯片小型化與性能提高，越來越多的終端可以提供高質(zhì)量視頻，如智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備、安防攝像頭、無人機等。關(guān)于手機、汽車等數(shù)據(jù)請參閱我們第二章的分析。

安防領(lǐng)域，我們估計2017年全球網(wǎng)絡(luò)攝像機芯片出貨量達到1億臺左右，其中專業(yè)安防占70%，消費級安防占30%，估計未來安防市場CAGR=15%，到2022年預(yù)計網(wǎng)絡(luò)攝像芯片整體數(shù)目將達到2.01億臺。

圖像處理質(zhì)量能力提升->ASP提升。終端產(chǎn)品所支持的圖像畫質(zhì)逐步提升，從最早的480P->720P->1080P->4K（UHD,超高清）。終端屏幕顯示能力的提高反過來驅(qū)動了片源圖像質(zhì)量的提升，同時也驅(qū)動了芯片的處理能力的提升。

視頻壓縮能力需求加強->ASP提升。對于家用攝像機領(lǐng)域，壓縮視頻可以延長攝像機的電池使用壽命與攝錄工作時間。我們看到純無線電池類攝像頭開始涌現(xiàn)，代表產(chǎn)品：Amazon doorbell ，待機時間可長達6個月。對于專業(yè)安防領(lǐng)域則可以節(jié)省傳輸帶寬，故此芯片壓縮視頻的能力變得至關(guān)重要。

例如，現(xiàn)在視頻芯片普遍從H.264編碼格式升級到H.265編碼方式。相比H.264，H.265只需原先H.264編碼的一半帶寬即可傳輸相同質(zhì)量的視頻，同樣存儲方面也會節(jié)省一半的空間。

功能性模塊增加->ASP提升。在個人消費領(lǐng)域，消費者會隨時把視頻從終端傳到智能手機或者社交網(wǎng)站分享，而在專業(yè)領(lǐng)域，視頻會被傳輸?shù)皆贫藘Υ?、分析。這就要求芯片具有無線通訊能力，即藍牙或者wifi模塊。

計算機視覺功能加入->ASP提升。計算機視覺指的是芯片可以自動分析、處理、識別圖像中的內(nèi)容。比如停車場中的自動識別車牌、自動駕駛中識別左右交通線防止車道偏離、人臉識別等。

具有計算機視覺模塊的視頻處理芯片將會逐步占領(lǐng)主流市場，目標領(lǐng)域是邊緣端。把計算機視覺處理能力放在邊緣端可以1）降低減少帶寬需求2）降低云端存儲成本3）加快反應(yīng)時間

代表產(chǎn)品：?？低?/u>500 萬星光級1/2.7”CMOS ICR 日夜型半球型網(wǎng)絡(luò)攝像機，其主要特點有：