手机摄像头越来越多,国内镜头和CMOS产业或将沐浴春风

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手机摄像头越来越多,国内镜头和CMOS产业或将沐浴春风
麻省理工科技评论 2019-10-06

2019-10-06

智能手机后置摄像头的数量远远超过了人们的预期
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智能手机后置摄像头的数量远远超过了人们的预期

从 iPhone 11 的三摄像头开始,到 Mate 30 的四摄像头,再到诺基亚的六摄像头概念机。智能手机后置摄像头的数量远远超过了人们的预期,尤其是与夏普 J-SH01 这个第一台拥有摄像头的手机相对比的时候。

手机所使用的摄像头与传统相机镜头是截然不同的两种事物,手机摄像头利用诸如 CMOS、CCD 这两种图像摄取装置,将测量目标转换成规定格式的数字图像信息,图像处理系统选择预先设置的算法,并根据图像所承载的像素、亮度、颜色等物理信息进行各种运算,以此来获取目标物体的特征信息。

正是由于摄像头相关的软硬件技术迭代,才造就了如今摄像头更多,拍出的照片更加立体、动人的局面。那么单台手机所包含的摄像头数量是以往的三倍甚至更多,对于国内摄像头相关供应链来说,一旦抓住了这次产业变革的机会,势必会迎来一次猛烈的增长。

手机摄像头市场成熟的标志无非是市场增长率下降、需求下降,而行业特点、竞争状况以及用户特点趋向稳定。最终买方市场形成,产品量供大于求,行业盈利能力降低。其具体表现可以类比于 2010 年,带有拍照功能的手机占据市场所有手机的 81%,这意味着单摄像头手机市场逐渐走向成熟。

但是像 iPhone 11 这种类似于眼镜斗犬的三摄像头设计,不仅存在进灰等因为技术不成熟而引起的问题,且市场中使用多摄像头的手机占比较少,因此该领域市场仍属于幼稚期。那么市场是否会朝着多摄像头发展呢?

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图丨 iPhone 11(图源:苹果)

答案是一定的,这是由于现在手机照相算法在机器视觉的进步下不断提升,为了实现更强大的算法,必须要更多更优质的摄像头来采集信息。机器视觉主要由三部分组成,图像的获取、处理和输出。其中图像的处理部分是将摄像头所拍摄的三维观感世界和二维投影序列输入到计算机中,进行分析和处理。当输入的信息越完整、噪点越少时,处理后的效果也就越好。

图像的处理又可以被简略地分成三层,第一层是低层视觉,用于对输入的原始图像进行处理;第二层是中层视觉,用于恢复场景的深度、表面法线方向、轮廓等 2.5 维度的信息;第三层是高层视觉,其作用是以图中的物体为中心,在原始输入图像、图像基本特征、2.5 维信息的基础上,恢复完整的三维图像,建立物体的三维描述,并识别三维物体以及确认物体的位置和方向。

当然,光从机器视觉的理论中并不能得“出手机需要更多摄像头”的结论。在一些工业检测中,只需要单摄像头就能实现 99.9% 的检测正确率。比如日本 FUTEC 株式会社所推出的全自动印品检测和监控系统,只需要一个摄像头就能在印刷设备处于最高生产速度的情况下,对 100% 幅宽进行整个工作时段的追踪,并及时发现印刷故障。

工业检测中机器视觉的场景是固定,可是手机相机的工作场景却是各种各样的,包括光源、光强、场景纵深等等。从物料价格出发,用以实现现代机器视觉算法的多摄像头组反而比单摄像头便宜,这正是手机厂商选择多摄像头的理由之一。

虽然都是摄像头,不过在多摄像头组里各个摄像头是各司其职的,有的负责接收光线信息,有的负责测量场景距离等等。以手机摄像头的结构来看,该模组一共包含四个部分:镜头、传感器、后端图像处理芯片、软板。其中对像素等参数影响最大的是镜头,即便是负责不同任务的摄像头,对高像素、低噪点的需求也都是相同的。

同时,镜头的技术门槛是最高的,良品率低、投入产出比也相对较低,因此镜头的利润率是四大部分中最高的,一般在 30% 到 50% 之间。我国台湾大立光电、玉晶等厂商在手机摄像头镜头生产上位于全球领先的位置,尤其是大立光电,更是带动了台湾摄像领域的发展。

手机摄像头越来越多,国内镜头和CMOS产业或将沐浴春风

图丨镜头(图源:网络)

大立光电第一次踏足手机摄像头领域是在 2002 年,该公司首次推出了手机用的相机镜头。随后在 2009 年时发布了 1200 万像素的自动对焦手机摄像头。事实上直至 2011 年,手机摄像头的像素数仍在 800 万,大立光电的产品能力远远超出了市场需求。

正如上文所提 2011 年是智能手机行业的爆发期,2010 年全球智能手机的销量为 9.18 亿台,2011 年增长达到了 21%,为 11.14 亿台。手机摄像头是智能手机的标配,同年带有 800 万像素及更高配置摄像头的手机增长更是超过了 240%

伴随着这样蓬勃的市场,2010 年大立光电的毛利率达到了 49%,仅次于联发科的 53.70%,且超出行业第三名原相科技 10%。在 2011 年手机市场爆发之后,大立光电的收入翻了 1.3 倍,净利润翻了近一倍。

除了技术外,生产效率也是在手机摄像头竞争上的关键因素,取决于工人对设备的熟练操纵程度以及手机摄像头的模仁利用率。举例来说,在塑料镜头的制作过程中,需要用到高端的塑料射出成型器,这种机器需要根据不同产品的需求设置不同的参数,一旦参数设置错误,不但会影响生产,还会浪费材料造成制造成本的增加。

而模仁是根据订单来制作的,每生产一种订单就会制作一种模仁,一旦订单完成,这种模仁也就作废了。多摄像头手机则需要制作多个不同的模仁,因此企业对模仁使用寿命和制作成本的掌控就显得更为重要。

从 2003 年开始,台湾相机大厂群光、致伸、普立尔等陆续投入到了手机摄像头模组的生产之中,致使台湾手机摄像头整体出货占据全球的 40%。不仅如此,在摄像头所触及的光学领域,台湾有大立光电、玉晶光电、亚光、今国等厂商,大陆方面则有深圳青鸟、凤凰光学、无锡凯尔、深圳比亚迪等等。

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图丨大立光电(图源:大立光电)

受到两岸三通的影响,中国台湾不断加大对大陆的投资,如大立光电、玉晶电、亚光电、致伸等集团分别在东莞、苏州、佛山等地建厂。使得广东光学聚落也在逐渐壮大,在中低端镜头领域取代了台湾成为全球第一。

这种投资所带来的不仅仅是经济,还有技术。另外,台湾光学厂商约有 20 到 30 家,产品的种类包括玻璃毛坯、镜头、变焦镜头、瞄准器、取景器、模具等等。随着先锋军投资,越来越多优秀的技术会被引入大陆,这是一切摄像头产业发展的源头。

同时大陆地区提出了培养光学人才的战略计划,目前在陕西西安、四川成都、江西省都建立了光学实验基地,不但能够培养人才,还能依靠附近的光学集团将人才与生产相结合,更注重了技术的实用性。如江西凤凰光学集团的“退城进园”计划,正是推动产业革新的关键之一。

除了镜头外,手机摄像头还有一个重要的组成部分就是上文提到的 CMOS,也就是互补金属氧化物半导体。CMOS 通过光学镜头将景物聚焦到图像传感器像素阵列上,时序发生器对像素单元阵列复位后开始进行光电转换,产生光生电荷,再将其转换为电信号。现在常用的是一种数字像素 CMOS 图像传感器,是在原有的有源像素传感器基础上集成了模数转换器和存储单元,能够直接生成数字信号,以此来保证更高的图像采集质量。

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图丨索尼手机 CMOS(图源:索尼)

CMOS 是一种载体,可以用来实现很多功能,例如把低噪声放大器、上/下变频混频器、中频滤波器、本机振荡器、功率放大器等集成到单片 CMOS 收发机芯片上,加上基带信号处理,就可以用很小的空间完成多种复杂的任务。

事实上除了 CMOS 以外,还有一种与之类似的载体叫做 CCD。CCD 像敏单元中没有信号放大装置,感光二极管可以占据像敏单元表面较大的面积,俗称开口率。这就使得 CCD 的光利用率、动态范围等光感参数都比 CMOS 高。可是 CCD 需要外加电压才能使电荷移动,并且不同的垂直寄存器电压不同,再加上 CCD 鲁棒性低的缘故,这就使得在消费者的日常使用场景中,CMOS 的性价比远超 CCD。

不排除未来 CCD 技术会变得更加成熟以摆脱现有缺点,但就当下情形来看,手机厂商仍然更偏爱于 CMOS。CMOS 是一个垄断性较强的领域,基本上所有高端手机的 CMOS 都只能采用索尼的解决方案。

高端 CMOS 之所以会被垄断,是由于多种复杂的原因组合在一起。比如从材料的制备开始,需要引用大量的交叉学科知识,为了能够得到质量更高的互补金属氧化物,往往需要进行大量的材料研究。除此之外还有国际间的稀土矿政策等等。

然而随着我国整体科技实力的进步,越来越多的创业者都对这个以前高不可攀的山峰发起了挑战。现如今像是思特威、CISTA 这样的创业公司都在 CMOS 的道路上不断探索着。不过从企业整体的成熟度而言,相较于索尼所铺设的 CMOS 布局,国内创业公司还需要很长时间的努力才有机会扳回一城。

最后回归到手机摄像头行业,手机摄像头行业的变革势必会引起镜头、CMOS 等行业的剧变,而且还没有迎来真正的爆发点。问题就在于,如何把握技术、明晰战略定位、降低运营成本、提高效率,最终才能增加自己的竞争优势。

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