上篇文章讲述了人形机器人-3D视觉，对人形机器人视觉有了初步了解。但是从整个视觉行业来看应用较为广泛，3D视觉只是其中的一小部分，笔者特地梳理了整个视觉行业的底层CMOS传感器技术，以及CMOS传感器在各个行业中的应用和市场空间，以便大家对视觉有更多的了解和参考。
一、COMS图像传感器原理
1.1、原理
CMOS 图像传感器是一种光学传感器，是摄像头模组的核心元器件，对摄像头的光线感知和图像质量起到了关键的影响。CMOS 图像传感器首先通过感光单元阵列将所获取对象景物的亮度和色彩等信息由光信号转换为电信号；再将电信号按照顺序进行读出并通过 ADC（Analog Digital Convertor）数模转换模块转换成数字信号；最后将数字信号进行预处理，并通过传输接口将图像信息传送给平台接收。
图|CMOS 图像传感器示意图
来源：格科微招股书
CMOS 图像传感器是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、感光二极管（PD）、电路层。
图|CMOS构成
来源：思特威招股书
光通过具有球形表面的微透镜后聚拢穿过彩色滤光片，拆分成为红、蓝、绿色光进入感光二极管内并转化为电子，再经由像素电路转化为电压信号，最后通过逻辑电路输出成为图像数字信号。
图|CMOS原理图
来源：思特威招股书
表|各名词原理
来源：西南证券、与非研究院整理
1.2、Bayer阵列滤镜与像素
感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的 RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2×2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer阵列扩大到了4×4，并且以2×2的方式将RGB相邻排列。
图|CMOS 图像传感器Bayer 阵列滤镜
来源：西南证券
像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象 的取样，我们用彩色方块来表示。图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸， 图示尺寸为0.8μm。
图|像素与像素尺寸
来源：西南证券
1.3、CIS种类介绍
早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰 ，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。
技术改进后，在背面照度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。
来源：西南证券
堆栈式（Stack）结构是在背照式基础上的改良，将所有线路层移至感光元件的底层，缩小了芯片的整体面积，此外，感光元件周围的逻辑电路也相应移至底层，可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果。堆栈式 CMOS 传感器的制作工艺与成本高于 BSI 结构的 CMOS 传感器，对生产企业的技术水平要求极高。
二、应用市场分析
数据显示，全球CMOS图像传感器市场规模由2017年的139.05亿美元增长至2022年的233.66亿美元，复合年均增长率达66.0%，预计2023年将达253.13亿美元。
图|CMOS全球出货量和市场规模
来源：Frost&Sullivan
Frost&Sullivan 数据显示，2012 年全球 CMOS 图像传感器出货量为21.9亿颗，市场规模为55.2亿美元，2022年全球 CMOS 图像传感器出货量为80.8亿颗，市场规模为 214.5 亿美元，预计2024年出货量可达 91.1 亿颗，市场规模增至238.4亿美元。
CMOS图像传感器在国内还处于高速发展的阶段，2021年国内CMOS图像传感器销售额为295.4亿元，同比增长19%，增速明显快于全球，预计到2024年国内CMOS图像传感器市场规模将达到516.5亿元，符合增长率为20%。
图|国内CMOS图像传感器市场规模及增速
来源：赛迪顾问
CMOS图像传感器下游应用领域主要包括智能手机、安防监控、汽车电子、消费、工业（含机器视觉）、和医疗等其他领域。全球占比中手机占比最大为75.9%，国内市场手机占比61.82%，主要差别为安防监控市场国内占比21.6%，远超全球6.2%平均水平。汽车电子和机器视觉全球和国内占比水平较为接近。
图|2021年全球与国内应用占比
来源：赛迪顾问、与非研究院整理
2.1、智能手机
5G 时代手机用户对智能手机的拍摄功能有很高的需求，智能手机的拍摄功能，包括分辨率、清晰度、美观度和全场景适应能力，已成为智能手机的核心亮点，因此对CMOS图像传感器的超高像素的要求非常高。
2022年全球手机出货量12.059亿部。2023年全年，全球智能手机总出货量为11.669亿部，同比下降4%。2024年1月16日，市场调研机构Canalys报告显示，2023年第四季度，全球智能手机市场增长8%，达到3.2亿部，连续两个季度复苏。
来源：iFnd、与非研究院整理
来源：IDC，东吴证券研究所
根据 IDC预测，2024 年全球智能手机出货量有望恢复6.2%的增长，下游需求修复将继续带动CMOS图像传感器销量增长。
尽管手机出货量呈下滑态势，但由于手机多摄渗透率、手机平均搭载摄像头数量的提升， 全球手机摄像头出货量呈缓慢上升态势。2021 年全球手机摄像头模组出货量约为 48.2 亿颗，同比增长 5.77%，预计 2022 年为 49.2 亿颗，同比增长 2.1%。
根据Frost&Sullivan统计，全球智能手机后置双摄及多摄（三摄及以上）的渗透率呈现持续上升趋势。后置双摄智能手机自 2015 年初具规模以来，于 2018 年渗透率达到高峰，占据 40.0%的份额。此后，后置三摄及以上的多摄智能手机逐渐成为市场主流，预计至2024 年，后置双摄及多摄智能手机渗透率合计将达到 98.0%。
图|手机摄像头颗数
来源：Frost&Sullivan
与此同时，平均单部智能手机所搭载的摄像头数量也在逐年上升，自 2015 年的 2.0 颗上升至 2019 年的 3.4 颗，年均复合增长率达到 14.3%，此后预计将以年均 7.3%的增长率上升至 2024 年的 4.9 颗。智能手机摄像头搭载数量的增加直接带动了 CMOS 图像传感器市场需求的上升，在智能手机市场进入存量时代后，多摄趋势为 CMOS 图像传感器市场注入了强大的发展动能，使其有望实现显著高于手机市场的增长速率。
2.2、汽车电子
摄像头为汽车视觉感知的核心。汽车智能驾驶系统按功能可划分为：感知系统（环境感知与定位）、决策系统（智能规划与决策）、执行系统（控制执行）三大核心模块。在自动驾驶系统的感知层，视觉感知扮演重要角色，其他多种传感器（毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达等）为辅助角色。视觉感知的核心就是车载摄像头，随着自动驾驶级别的不断提高，汽车相应地需要增加车载摄像头以增强汽车的信息获取能力。
表|四类传感器对比
来源：联储证券
与摄像头价格相比，激光雷达的成本过高。早期的64线Velodyne机械激光雷达单价可以达到数十万人民币且使用寿命有限，随着产量的提高和技术的迭代，近期的固态激光雷达可以下沉到万元左右。而800万像素辅助驾驶车载摄像头每颗的价格在400-600元左右。
图|不同自动驾驶等级与其对应的摄像头需求数量
来源：Yole，联储证券研究院
Yole 预测的自动驾驶等级以及其对应的摄像头需求数量显示，L1 传统标准车通常搭载 1前置摄像头和1后置摄像头；随着自动驾驶系统升级至L2+，对环视摄像头的需求增加带动单车摄像头的数量升至5个；2022年正是L2++的蓬勃发展期，通常单车摄像头搭载量将跃升至12 颗左右，其中前置摄像头的质量要求攀升，内置摄像头也开始成为标配。预计 2027年汽车行业将迎来L3和L4的辅助驾驶系统时代，预计单车摄像头搭载量可能高达 20 颗左右。
具备 ADAS 功能的车载摄像头与普通车载摄像头的价格差异极大，数据显示普通车载摄像头的价格在150-200元左右，而具备辅助驾驶功能的前视摄像头的价格为300-500元左右，兼备芯片和算法的前视摄像头模组价格更是高达1000-1500元。
图2020-2030年全球车载摄像头平均搭载量 图 2020-2026 年全球车载 CIS 市场规模
来源：Yole，长城国瑞证券研究所
2021 年全球车载CIS市场规模约为38.1亿美元，同比增长56.8%。预计2026年有望达 90.7亿美元，CAGR为18.94%。
图|国内车载摄像头及子领域市场规模（亿）
来源：格科微招股书、联储研究院测算
中国车载摄像头市场有望在2029年破千亿，2023/2025/2030 年市场规模分别有望达到 226.8/448.1/1129.8亿元。其中CMOS图像传感器2023/2025/2030 年市场规模分别有望达到113.4/201.7/451.9亿元。
2.3、安防监控
安防摄像机需要在可见光不足、暴晒高温以及其他各类的苛刻环境条件下保持24小时正常工作，除常规参数达到基本要求外，其最重要的技术参数包括信噪比、HDR 和量子效率，同时对耗电量、极端温度条件工作性能等也有较高的要求。
图|全球安防CMOS出货量（亿颗） 图|全球安防CMOS市场规模（亿美元）
来源：Frost&Sullivan，长城国瑞证券研究所
根据Frost&Sullivan统计，2020年安防监控领域 CMOS 图像传感器的出货量和销售额分别为4.2亿颗和8.7亿美元，随着未来安防监控行业整体市场规模的不断扩大，预计 2025年出货量和销售额将分别达到8.0亿颗和20.1亿美元，预期年复合增长率将达到13.75% 和18.23%。
中国是全球最大的视频监控市场，2019 年中国市场占全球专业视频监控市场的比例约为48.4%。根据“十四五”发展规划，国家将推进智慧城市和数字乡村改造，视频监控设备的需求将大幅上升，叠加智能视频监控技术的迭代提升，视频监控设备正在向各个行业加速渗透。由于物联网的出现，安防监控摄像头已经不再局限于机场、火车站、银行和办公楼等企业应用，它们已经成为零售企业，智能城市和智能家居的重要组成部分，用于收集和分析大数据，视频监控摄像头的出货量随之与日俱增。
2.4、机器视觉
机器视觉指的是通过计算机、图像传感器及其他相关设备模拟人类视觉功能的技术，以赋予机器“看”和“认知”的能力。从目前市场使用场景来看，机器视觉领域内CMOS图像传感器的应用主要可分为传统上的工业机器视觉应用（主要包括产线检测、不良品筛检、条码识别、自动化流水线运作等），以及消费级机器视觉应用（如无人机、扫地机器人、AR/VR 等）。
目前来看，全球新兴领域全局快门 CMOS图像传感器的主要应用包括无人机、扫地机器人、AR/VR、新型家用式游戏主机、智能教学终端和翻译笔等新型智能产品。对于上述新兴视觉领域产品，动态场景下拍摄无畸变的影像是至关重要的需求，而只有高帧率的全局快门 CMOS 图像传感器才能满足这类新兴应用的技术需求。
根据Frost&Sullivan统计，全球新兴领域CMOS图像传感器市场自2018年实现行业技术突破后迅速扩张，全局快门CMOS图像传感器总出货量从2018年的1100万颗迅速增至 2020 年的6000万颗，过去三年间年均复合增长率高达132.7%。随着AI和5G技术的商用落地，这些CMOS图像传感器的新兴下游应用市场不断涌现，将为该市场发展注入了新活力。同时随着下游应用的更多样化，其设备搭载的摄像头数量也随之增加，因此全球新兴领域全局快门CMOS图像传感器市场规模预计将持续增长，总出货量2025年将增至3.92亿颗，未来五年间年均复合增长率为35.7%。
三、竞争格局
中国 CMOS 传感器行业起步较晚，行业参与企业数量较少，原因在于CMOS 传感器属于可大规模批量生产的半导体产业，具有显著的规模效应，需要CMOS传感器供应商稳定的前期投入作为研发基础，导致行业准入壁垒高。
图|2021-2022年全球竞争格局
来源：Yole developpement
2022年按厂商来看，索尼以42%市场份额排名第一，与2021年39%份额相比提升了3个百分点；三星以19%份额排名第二，相较2021年22%份额下滑了3个百分点；豪威科技(Omnivision）以11%份额排名第三，相比2021年13%份额下降了2个百分点。另外， 中国厂商里面，除了豪威外，格科微(Galaxycore， 4%份额)、思特威（Smartsens，2%）也位列前10；国外厂商中，除了索尼外，安森美（从4%到6%）、SK海力士（从3%到5%）份额上也有所增加。
四、总结
当前中国 CMOS 传感器行业集中度极高，索尼、三星及豪威科技三家企业占有中国 CMOS 传感器市场份额的 70%以上，覆盖智能终端、安防监控及车载摄像头等多个领域， 处于中高端市场的领导地位。未来，以格科微电子有限公司、思特威电子科技有限公司为代 表的企业在经过连续多年的技术追赶后，凭借较低的产品成本、丰富的营销渠道及全面的售后网络，具备潜力取代国际竞争厂商，成为行业的头部企业。