图像处理芯片潜力无限中国表现若何？_芯片_范畴

来源：内容由 半导体行业不雅观察 转载自「国金半导体」，感激。

在理解视频处理之前，我们须要理解图像的基本组成：像素（pixel），即“画像元素”。
每个像素便是真实图像的一个取样点，而照片便是这一个个取样点的凑集，单位面积内的像素越多代表分辨率越高，所显示的图片就会靠近于真实物体。

我们平时说的百万像素（Mega Pixels，缩写为MP）是指有“一百万个像素”，常日用于表达相机的分辨率。
例如，我们说一个摄像头有1200万像素分辨率，拍摄出的最高像素图片一行大约4000个像素，一列大约3000个像素，合计约为4000×3000=12,000 ,000 像素,即12MP。
现在主流电视一样平常支持1080P片源。

摄像的过程实际便是把光旗子暗记转换为电旗子暗记的过程。
在数字摄像的过程中，表面的光通过透镜打到传感器芯片，传感器芯片把图像分解成百上千万个像素，传感器丈量每个像素的色彩与亮度，并把它转化为数字旗子暗记作为代号，例如“010101010……”。
这样，实际图像就变成一系列数字的凑集。
由于原始图片尺寸常日很大，为了传输方便，视频处理芯片再对其连续进行压缩编码等处理，以方便传输储存等。

摄像处理流程:

1. 镜头：汇聚外界景物发出的光芒。

2. 传感器芯片：传感器芯片把外届图像分解成百上千万个像素，并转化为电旗子暗记，并传给仿照数字转换器，转换成数字旗子暗记。

3. 视频处理芯片：接管传感器传送的数字旗子暗记，对其进一步处理，比如压缩编码等。

以是，传感器芯片（光旗子暗记转为电旗子暗记）与视频处理芯片（紧张处理数字旗子暗记）是图像处理最主要的两种电子元器件。

CMOS传感器逐步代替CCD传感器成为主流

传感器芯片紧张有两种类型：电荷耦合元件（CCD，Charge-Coupled Device）与CMOS传感器（CIS，CMOS Image Sensor）。
CCD于1969年被发明，并于1975年正式运用于摄影机领域，CMOS的涌现则相对晚了十年。

随着后来CMOS成像技能不断提升，CIS借其低功耗、体积小、高帧数（有利于拍摄动态影像）等上风，逐步在民用消费电子等领域盘踞市场，而CCD则由于图像质量有上风，在专业领域如在卫星、医疗等领域仍有一席之地，但已经逐步丢失大部分市场份额。
鉴于CIS的市场份额已经超过99%。
我们在本文紧张谈论CIS的行业状况。

2.1 CIS行业技能发展与趋势——得技能者得天下

芯片作为最高真个电子元器件，一贯是靠技能迭代驱动，而CIS又是属于芯片中相对高真个一类产品，故此一贯是得技能者得天下，且龙头效应愈发明显。
索尼公司凭借在摄像领域强大的技能储备与领先程度，近几年一贯处于龙头地位而且在CIS市场份额一贯在扩大，从2015年的38%上升到2016年的42%。

CIS紧张分为传统（前照式）CIS、背照式（Back-illuminated）CIS。

传统的前照式CIS光芒射入后依次经由片上透镜、彩色滤光片、金属线路末了光芒才被光电二极管吸收。
由于金属线路会对光芒产生影响，末了被光点二极管接管的光只有80%或者更少，折旧影响了图像质量。

背照式CIS改变了架构，把金属线路与光电二极管位置调换，让光芒依次经由片上透镜、彩色滤光片、光电二极管。
这样减少金属线路对管线的滋扰，从而增加进光量，减少噪度，对付光芒不敷场景有比较明显效果。
Sony公司平衡了量产工艺与本钱的问题，于2009年将背照式CIS商用化。

在背照式CIS的根本上，各家公司纷纭开拓新的技能：

2013年，为理解决相邻像素模块相互关扰问题，三星开拓了ISOCELL技能，在相邻像素模块中间插入金属隔离层，这样每个像素模块可以接管更多光芒，大幅度提高图像质量。
随后三星在ISOCELL根本上推出升级版ISOCELL Plus，把金属隔离层改成日本富士公司（Fujifilm）供应的分外材料，进一步减少金属对付光芒的滋扰，可以将感光度提升15%。
目前ISOCELL PLUS技能紧张运用在大像素产品上，例如分辨率20MP以上的传感器。

2017年，在背照式CIS之后索尼发明了业界第一款三层堆叠式stacked CIS。
这款传感器在传统堆叠式传感器的感光层（光电二极管）与金属线路之间增加了一层DRAM存储层。
增加DRAM存储层用来临时存储数据，浸染类比打算机的内存，可以整体提高数据读写速率，对付高速动态物体的抓拍有很好的效果。

2018年，索尼公司为理解决图像扭曲问题，推出具有仿照数字转关（ADC，Analog Digital Converter）模块的CIS。
传统的CIS须要一行一行读取传输感光模块，这就造成了图像焦面扭曲。
索尼新产品在传统感光层下面平铺一层ADC层，可以同时读取感光模块，完美的办理了图像扭曲问题。
在感光层与ADC之间，用铜-铜Cu-Cu连接，在一款传感器中最多用了300万个铜-铜连接器。

可以看出CIS的技能门槛很高，微架构方面的改进都是在纳米级别。
半导系统编制造方面也须要有足够的工艺水平来合营设计的构想，故此索尼与三星在CIS方面都是IDM模式（Integrated Device Manufacturing，百口当链模式），即自己拥有设计、制造、封装全套技能。

通过技能方面的不断探索，索尼与三星逐步盘踞了CIS市场份额前两位，目前两个巨子市场份额超过60%。

2.2 CIS市场概况

根据IC insights 2016年数据，2016年环球图像传感器市场规模约为116亿美金，到2021年估量为170亿美金，CAGR=10.3%，发卖数量CAGR=13.6%。
我们的预测数据高于IC insight，详情请看2.3节。

CIS市场集中度较高，龙头（索尼）份额进一步加大。
2016年前四大公司霸占环球76%的市场份额，索尼（42%）、三星（18%）、豪威/Omnivision（12%）、安森半导体（6%）。
前几大厂的侧重点各不一样，索尼与三星紧张是消费电子运用占主导，安森半导体则在汽车电子有上风。

2.3 下贱需求仍将保持兴旺

过去十年，对付CIS最大的拉动莫过于智好手机的遍及。
未来十年，我们认为多摄像头手机、无人驾驶汽车、安防、医疗、机器人等行业运用占比将逐步升高，连续拉动下贱需求。

从左下图可以看出，从智好手机兴起开始，CIS的出货量曲线基本拟合智好手机出货量曲线。
2013年以前紧张是智好手机的拉动，只管在2013年后，手机增长趋势放缓，但是由于其他运用的崛起，例如安防、智能汽车、物联网等，CIS的增长曲线仍能保持以前的增长趋势。

虽然智好手机出货量已经趋于稳定，但是双摄乃至多摄摄手机再一次拉动了CIS的需求。
目前配备双摄的紧张是2000元以上手机。
根据第三方数据，2017年环球双摄手机渗透率达到了8%-10%，我们估计未来3年有望达到50%渗透率乃至更高。
即绝大部分2000元机以及相称比例千元机会标配双摄。
仅此一项，按年出货15亿部手机打算，未来三年即可额外拉动7亿颗CIS需求。

2018年华为已经率先推出搭配3摄的P20 Pro旗舰手机。
而国外厂商Light已经推出配备9个摄像头的原型机。
在智好手机创新不敷的情形下，摄像头是为数不多可以做文章的打破口。

3D感测是未来人机交互的主要入口之一。
根据AMS公司预测，2017年3D感测市场规模为1亿欧元，未来5年3D感测市场CAGR=44%，2022年将达到8亿欧元。
目前由于本钱与技能的缘故原由，大部分3D sensing 运用在工业领域。
随着产品技能的不断发展，未来4年电子/汽车/工业领域CAGR分别为74%/45%/13%。
到2022年估量超过60%的下贱运用在消费电子领域。

未来3D感测运用将从手机延伸到汽车、智能家居、可穿着设备。
紧张运用有：

目前3D感测紧张有三种技能路径：构造光（structured Light)、TOF(Time of Flight)与双目测距(Stereo Vision)。
个中双目测距所需算法量太大，对付硬件资源哀求较高，目前家当紧张以构造光与ToF为主。

从上表可以看出，3D sensing中对付红外摄像头或者红外传感器的需求是最多的。

随着AR运用的发展，未来手机3D感测配置将从前置扩展到后置。
ToF 感应技能识别间隔可达4~5m，远超过构造光识别间隔(一样平常在1m以内)，故此我们剖析未来后置3D感测技能路径将是ToF主导。
例如微软游戏主机Xbox One中的Kinect便是采取ToF技能办理方案。

根据智好手机出货量与3D感测前置/后置渗透率，我们估算未来三年3D感测对付红外CIS的拉动需求为7000万颗/1.79亿颗/3.5亿颗，YOY分别为600%/255%/196%。

汽车无疑是继手机之后最大的CIS运用处景之一

估量到2021年，车用CIS在所有运用占比将从2015年的3%提升到14%，是增幅最大的下贱运用。

车均摄像头数目有望从目前1.23个持续增加，到2020年估量达到2.2个/车。
2017年环球车载摄像头出货量约为1.2亿台，汽车产量约为9700万辆，均匀环球每台车装备摄像头数目约为1.23个。
随着各个国家对付交通安全的重视（例如美国哀求在2018年5月开始所有新产轿车必须装备后视摄像头，到2019年范围扩大到所有卡车与公交车）以及ADAS的渗透率提升，未来 车均摄像头数目有望持续增加。

一个摄像头对应一颗CIS。
基于以下几个假设，我们估计未来3年车载CIS需求量：

结论：估量未来3年车载（前装市场）CIS需求量分别为1.4亿、1.8亿、2.4亿颗，增速分别达到21%、28%、33%，到2020年车均摄像头数目为2.2颗。
以上估算略有守旧，高端ADAS车型车均摄像头超过5个，例如Tesla配置8颗摄像头。

多摄智好手机、3D感测、无人汽车 三驾马车对付CIS拉动

综上所述，我们预测了对付CIS拉动最大的三架马车：即智好手机多摄、3D 感测、无人驾驶汽车（前装市场），对付CIS的需求未来三年将达到34亿、39亿、45亿颗，YoY分别为12%、15%、15%。

视频处理芯片——打算机视觉芯片将成为主流

视频处理芯片的浸染紧张是处理上游CIS传输过来的数字旗子暗记，例如受限于传输带宽的缘故原由，图像须要进行压缩、编码等处理，经由传输，在后端进行解压缩还原图像。
在这个过程中，视频处理芯片处理算法的质量直接决定着图像后端显示的清晰程度，主要程度可见一斑。

目前估计环球视频处理芯片市场规模约为30亿美金，个中安防领域5亿美金旁边。
估量到2022年整体将达到55亿美金，4年CAGR约为16%，个中汽车占比最高（74%），将达到41亿美金；安防占比其次（20%），将达到11亿美金。

我们认为以下几个方面将会连续拉动视频处理芯片的发展：

安防领域，我们估计2017年环球网络摄像机芯片出货量达到1亿台旁边，个中专业安防占70%，消费级安防占30%，估计未来安防市场CAGR=15%，到2022年估量网络摄像芯片整体数目将达到2.01亿台。

例如，现在视频芯片普遍从H.264编码格式升级到H.265编码办法。
比较H.264，H.265只需原来H.264编码的一半带宽即可传输相同质量的视频，同样存储方面也会节省一半的空间。

具有打算机视觉模块的视频处理芯片将会逐步盘踞主流市场，目标领域是边缘端。
把打算机视觉处理能力放在边缘端可以1）降落减少带宽需求2）降落云端存储本钱3）加快反应韶光

代表产品：海康威视500 万星光级1/2.7”CMOS ICR 昼夜型半球型网络摄像机，其紧张特点有：

4.1 环球CIS干系公司

这里我们比拟一下国内外CIS厂商各自主流高端产品：

从传感器尺寸、有效像素、帧率等三个紧张参数看，索尼仍旧在CIS领域领先环球。
例如索尼2018年7月最新发布的IMX586具有业界最高水平的 4800 万像素，并且传感器尺寸为 1/2 英寸，在高达4800万像素图像下，仍旧可以达到每秒30帧的水平，性能相称刁悍。
三星与豪威紧随其后，中国厂商的产品虽然间隔一流大厂还有一定差距，但已经逐步从中低端开始渗透。

索尼——CIS市占率42%

源自日本，以研制电子产品为主业，经营领域横跨消费性电子产品、专业性电子产品、游戏、金融、娱乐等。
众所周知，索尼公司长期统治了相机市场，与其节制强大的核心元器件技能CIS是分不开的。
2017其半导体营收占集团总营收10%，达到72亿美金，个中紧张产品有CIS（营收45亿美金，约占半导体营收60%）、VCSEL(运用于3D感测核心部件)、电视投影仪芯片、OLED等。
其多次发布革命性CIS技能，如3D堆叠（详细见2.1节），牢牢霸占摄像领域高端市场。

三星电子——CIS市占率18%

韩国最大的消费电子产品及电子组件制造商，亦是环球最大的信息技能公司。
2017年受益于存储器价格景气周期，存储龙头三星电子超过Intel成为最大的半导体公司。
2017年三星电子总营收2139亿美金，个中半导体营收663亿美金，占总营收31%。
CIS营收约为20亿美金旁边。

Omnivision（北京豪威科技）——CIS市占率12%

成立于1995年的豪威科技，是一家领先的数字图像处理方案供应商，原为美国纳斯达克上市公司，后于2016年初被中资财团以19亿美金收购。
公司主营业务便是CMOS图像传感技能。

截止到2017年底，豪威紧张财务数据如下（公民币）：资产总额 143.7亿；净资产90.89亿；营收90.5亿元；净利润27.7亿元。

2018年7月14日，韦尔股份公告拟以现金收购北京豪威1.97%的股权，本次收购价格估量为公民币2.6-3.0亿元，我们预期往后韦尔会提高其持股。

中国成本收购豪威，有助于补中国在CIS领域的空缺。
被收购前，豪威是属于CIS第一集团，市占率仅次于索尼、三星。
从豪威专利数量也可以看出豪威的技能储备，而且在国外的专利数量（我们剖析紧张是中国）已经超过美国本土。
如果中方成本能够利用好豪威的技能储备，背靠中国的大市场，豪威在中国半导体的家当链中将霸占主要一环。

安森美半导体On Semiconductor——CIS市占率6%

安森美半导体(ON Semiconductor，美国纳斯达克上市代号：ON)供应全面的高能效电源管理、仿照、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件。

格科微——未上市

公司创立于2003年，是海内领先的图像传感器芯片设计公司，紧张做事于环球移动设备及消费电子市场。
目前，公司紧张从事CMOS图像传感器、LCD Driver、高端嵌入式多媒体SOC芯片及运用系统的设计开拓和发卖，得到中国半导体行业协会颁发的“2017年中国十大集成电路设计企业奖”。

海内第一颗量产的CMOS图像传感芯片，第一颗基于BSI工艺的5M像素CMOS图像传感芯片以及第一颗BSI工艺的2M像素CMOS图像传感芯片均来自于格科。

4.2 图像处理芯片干系厂商

华为海思海内芯片龙头企业已经霸占专业安防领域超过50%市场份额，从以下产品性能比拟也可以看出，高端Hi3559芯片在专业安防领域已经不逊于国外产品。
安霸新产品CV2紧张卖点在于配备神经网络（DNN）的打算机视觉功能，可以在边缘端领域自动识别物体；被英特尔收购的Movidius芯片有比较好的性能与功耗的平衡，目标市场在于可穿着、无人机等领域；中国富瀚微在高清视频处理方面颇又有竞争力，已经成功进入海内一流安防市场，并且积极进行汽车前装领域的验证。

华为海思——专业安防芯片领域市占率超过50%

海思半导体作为中国大陆半导体设计公司龙头，2017年营收达到387亿公民币，同比增长27.7%.海思已经深耕半导体行业20多年，有超过200种芯片和专利数量超过5000。
在以智好手机代表的移动通信领域，海思麒麟系列芯片已经成功跻身国际一线芯片行列，无论是从处理器速率、基带（全网通模式，上\下行下载速率）、工艺制程等参数均不输于国外一线大厂。

在安防领域，根据我们的市场调研，海思已经在专业安防领域（即对芯片性能哀求最高的领域），已经霸占环球50%以上市场份额，产品已经广泛运用于海康威视、大华股份等一线安防厂商。
而华为的目标不仅仅是专业安防领域，在消费级也在逐步扩展市场。
例如视频会议系统、USB即插即用运动相机等。

华为在安防领域的上风：

1）节制底层核心技能：芯片。
在这一系列扩展的背后都是有强大的技能做支持：从底层芯片到上层软件从而延伸到全体系统，缺一不可。
而华为正好节制了底层最核心的元器件——芯片，即节制了全体系统的入口，在自家芯片上开拓自家系统，无论从安全性与系统开拓迭代速率角度看都有较大上风的。

2）节制未来发展的入口：人工智能。
未来安防向着智能化方向发展。
而华为已经率先在自家芯片试验人工智能模块，例如运用于旗舰机Mate10的麒麟970芯片。
虽然麒麟970的人工智能功能不是很明显，可以看做是一次试水，我们更期待今年发布麒麟980芯片在人工智能方面的表现，但是这个证明华为已经在未来科技入口处开始布局，并且是从芯片、软件、系统、产品全方位布局，可以推断华为会将人工智能运用从智好手机扩展到智能安防领域。

安霸（Ambarella）——市场地位受到寻衅

2017发布第一款打算机视觉芯片CV1，紧张运用在安防、可穿着、无人机领域，未来还将扩展到无人汽车等领域。
下贱紧张客户包括海康威视、大华股份、GoPro， Garmin等。
2018财年营收达到2.95亿美金，下贱紧张市场包括安防、无人机、运动相机、汽车（包括前装、后装）等。

安霸在视频市场的地位收到了来自中国厂家的寻衅，紧张竞争对手包括海思、富瀚微等。
故此安霸须要加快开拓高端产品，以增加产品附加值，例如2018年推出的采取10nm工艺的CV2打算机视觉芯片，紧张定位于无人汽车市场。

富瀚微

A 股为数不多的安防芯片优质标的。
公司成立于2004年，是海内最早进入安防视频监控干系领域的企业之一，公司紧张产品为安防视频监控多媒体处理芯片。
个中，图像旗子暗记处理（ISP）芯片产品种类覆盖度高，2016年仿照摄像机ISP芯片市场份额超过60%；网络摄像机芯片（IPC SoC）的市场份额由于与安防巨子海康威视的深度互助得以快速提升，2017年度IPC SoC 芯片在安防领域实现从零到一的增长。

公司积极向高端领域扩展：

1）逐步向汽车前装市场渗透。
公司现在已经有1颗芯片进入海内主流厂商前装验证环节，目标是360度环视系统。

2）积极投入研发，在研项目有：

估量安防市场空间未来3-5 年仍有望保持15%-20%旁边高速增长，公司仍将受益于行业增长红利。

晶方科技——CIS封测厂商

公司成立于2005年，专注于传感器领域的封装测试业务，同时具备8英寸、12英寸晶圆级芯片封装技能。
封装产品紧张包括CIS芯片、指纹识别芯片、微机电系统芯片（MEMS）等。