基于協(xié)處理器和CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)方案

什么是CMOS數(shù)碼相機(jī)?對(duì)于最終用戶而言，采用CMOS技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)沒有太大不同。大多數(shù)拍照操作方法以及在取景器內(nèi)給被拍對(duì)象安排正確位置的方法都完全相同。那么不同之處在哪里?傳統(tǒng)相機(jī)需要使用一個(gè)35毫米的膠片來曝光和存儲(chǔ)圖像，而數(shù)碼相機(jī)的曝光采用CMOS傳感器，存儲(chǔ)照片使用內(nèi)置的閃存或可移動(dòng)存儲(chǔ)卡。但這并不是全部，更復(fù)雜的問題來自于處理過程。CMOS傳感器由一個(gè)光電二極管陣列組成，當(dāng)拍完一張照片時(shí)，CMOS傳感器曝光，然后讀取圖像數(shù)據(jù)。這個(gè)信息被發(fā)送到一個(gè)協(xié)處理器或者后端控制器。協(xié)處理器負(fù)責(zé)所有處理過程，直到最后圖像被壓縮并保存在任何一種存儲(chǔ)器中。雖然協(xié)處理器能夠處理所有的問題，但我們應(yīng)看到傳感器和鏡頭在成像過程中是非常重要的。即使協(xié)處理器具有非常復(fù)雜的圖像處理能力，如果圖像數(shù)據(jù)失真嚴(yán)重，那么就不可能再完全修復(fù)。盡管成像過程很復(fù)雜，但還是有簡(jiǎn)單的解決方案。

在解決這些復(fù)雜問題方面，意法半導(dǎo)體具有很豐富的經(jīng)驗(yàn)。STv0684協(xié)處理器和VC6700(200萬像素)CMOS傳感器是支持200萬像素甚至更高分辨的解決方案之一。對(duì)用戶而言，我們提供的工具不僅是一套芯片組，而且還是一個(gè)交鑰匙解決方案。我們將提供電路原理圖、BOM清單、固件、驅(qū)動(dòng)器、生產(chǎn)工具以及支持和建議。

現(xiàn)在，讓我們來看一下產(chǎn)品特性和優(yōu)點(diǎn)。VC6700 CMOS傳感器采用四晶體管(4T)配置和H8i(0.18μm)制造工藝。這意味著該傳感器的每個(gè)像素有4個(gè)晶體管，這在低光條件下特別有優(yōu)勢(shì)，而普通CMOS傳感器的最大困難就在于低光環(huán)境的成像效果差。借助這項(xiàng)技術(shù)，ST的CMOS傳感器能達(dá)到十分接近CCD的低光性能。眾所周知，CMOS與CCD相比具有其它優(yōu)點(diǎn)：采用單電源供電因而功耗低;邏輯電路可以被集成到同一芯片上，從而減少外圍無源器件的數(shù)量。此外，VC6700已經(jīng)被構(gòu)建在3.3V 和 1.8V線性穩(wěn)壓器中，當(dāng)使用USB或充電電池供電時(shí)，這些線性穩(wěn)壓器可與外部功率晶體管一道調(diào)節(jié)其余電路的功率。

我們還內(nèi)置了一個(gè)用于錄音的音頻前置放大器，它使音頻電路變得非常簡(jiǎn)單，只需連接麥克風(fēng)即可。我們傳感器的主要特性之一是具有48MHz 或 4,800萬像素/秒的讀取速度，從而有可能實(shí)現(xiàn)25 fps(幀/秒)的視頻傳輸速率。這個(gè)特性允許我們?cè)谑褂迷摻鉀Q方案時(shí)可以不用機(jī)械快門葉片。與此同時(shí)，它要求協(xié)處理器也必須能處理這個(gè)速率的數(shù)據(jù)，否則會(huì)導(dǎo)致圖片失真，如圖像分片。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取速率過慢時(shí)就會(huì)發(fā)生圖像分片現(xiàn)象。這時(shí)映入眼簾是快速運(yùn)動(dòng)的對(duì)象，因?yàn)閭鞲衅鞯淖x取順序是按照滾動(dòng)快門的原則從上到下逐線讀取的。

圖1說明了STv0684的特性，這個(gè)器件是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制所有處理過程和系統(tǒng)。

對(duì)比STv0684與其它同類元器件，我們發(fā)現(xiàn)有很多不同之處，特別是在視頻管道方面。我們?cè)谕粋€(gè)系統(tǒng)內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立的處理器，這可以從根本上提高整體性能。VP(視頻處理器)是由一個(gè)硬件模塊和一個(gè)類似控制器的高速8051組成。這種設(shè)計(jì)與其它解決方案相比更有優(yōu)勢(shì)?？刂破骱陀布K的工作與系統(tǒng)保持獨(dú)立，所以，主控制器(本例中是ST20)將不必處理與圖像質(zhì)量有關(guān)的功能，如AE(自動(dòng)曝光)、AWB(自動(dòng)白平衡)、顏色處理和圖像慮波等。這些高強(qiáng)度的計(jì)算和運(yùn)算任務(wù)被均衡地分配給各種固件，而與速度相關(guān)的操作由硬件模塊來執(zhí)行。為了使圖像質(zhì)量在惡劣的環(huán)境中更加可靠，我們的視頻處理器增加了重新計(jì)算鏡頭明暗的防虛光功能、降低固定模式噪聲(FPN)的功能(用于消除不期望看到的垂線)、無需在生產(chǎn)線上進(jìn)行任何特殊設(shè)置的故障像素糾錯(cuò)功能和先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理器。視頻處理器固件可以根據(jù)主內(nèi)核的通用固件隨時(shí)更改。主內(nèi)核是一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的ST20 32位 RISC嵌入式控制器，該器件還被用于ST其它眾多多媒體解決方案之中。該內(nèi)核的工作頻率為48MHz，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供強(qiáng)大的動(dòng)力和靈活性。ST20的特殊地之處在于它的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)OS20，該RTOS可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。STv0684首先將從引導(dǎo)ROM存儲(chǔ)器開始啟動(dòng)，之后為代碼存儲(chǔ)提供幾種可行方案。一個(gè)方案是代碼可以存儲(chǔ)在小封裝尺寸的SPI閃存內(nèi)，或者如果有NAND閃存也可以從NAND閃存引導(dǎo)。在這種情況下，就不再需要外部NOR閃存，從而為產(chǎn)品節(jié)省了寶貴的PCB板空間。然后，代碼被載入SDRAM內(nèi)存，以便處理器執(zhí)行。對(duì)于這個(gè)特性，我們內(nèi)建了DMA驅(qū)動(dòng)的NAND閃存、SPI和SDRAM控制器。

數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)所需芯片的工作特性如下：

對(duì)于便攜設(shè)備來說，最重要的是具備高級(jí)電源管理功能，以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。它允許關(guān)閉系統(tǒng)各級(jí)不必要的硬件模塊的電源，當(dāng)不需要高性能時(shí)，它還可以降低CPU的頻率。在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，這種設(shè)計(jì)可以將功耗進(jìn)一步降低到6Ma。當(dāng)然，芯片還要支持待機(jī)和USB等其它必要功能。

內(nèi)置USB1.1接口，用于下載圖片和PC-相機(jī)連接功能。照相機(jī)將支持三種USB模式：一種是MSCD(海量存儲(chǔ)級(jí)設(shè)備)，它不需要PC機(jī)安裝驅(qū)動(dòng)程序， Win98SE預(yù)置了我們提供的支持驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于PC-相機(jī)連接功能，我們提供兩個(gè)選擇方法，一種是我們專有的兼容視頻類的驅(qū)動(dòng)程序，我們的驅(qū)動(dòng)程序所支持的操作系統(tǒng)無需安裝驅(qū)動(dòng)程序。

內(nèi)置TFT控制器，以直接支持無控制器的顯示器模塊。該控制器必須足夠靈活，以便支持不同廠商、不同類型的瀏覽器，并支持高達(dá)1024 x 1024的分辨率。

內(nèi)置PAL或NTSC制式的電視輸出。它可以通過軟件更改輸出，而且任何分辨率的圖像都可以被縮放成正確的格式。

內(nèi)置音頻編解碼器，以錄制和播放WAV壓縮文件。音頻的壓縮比可以高達(dá)4:1。

內(nèi)置針對(duì)可移動(dòng)媒體存儲(chǔ)器的接口，如CF、SD、MMC、SMC以及可能的微驅(qū)動(dòng)器。

最后，節(jié)省存儲(chǔ)器空間的另一種方法是壓縮圖片和短片，因此我們內(nèi)置了一個(gè)壓縮引擎。這個(gè)壓縮引擎(VC)支持高達(dá)100:1的JPEG壓縮比率，而在實(shí)際應(yīng)用中，35:1的壓縮比已經(jīng)可以接受。這也是我們的系統(tǒng)優(yōu)于其它解決方案的一個(gè)重要特性，因?yàn)槠渌鉀Q方案的壓縮比連要求的一半都很難達(dá)到，所以，客戶被迫購(gòu)買更大容量的存儲(chǔ)器。此外，這個(gè)壓縮引擎能夠編碼和解碼真正的交叉存取AVI文件，該文件是許多平臺(tái)的一種標(biāo)準(zhǔn)，包括PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、PVR(便攜錄像機(jī))、PMP(個(gè)人媒體播放器)和PC。

當(dāng)然，我們利用這個(gè)芯片的機(jī)會(huì)很多，因?yàn)檫@款芯片具有遠(yuǎn)高于數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)所需的靈活性。在消費(fèi)電子市場(chǎng)，我們將看到越來越多的產(chǎn)品在一個(gè)設(shè)備上集成多種功能，如名為PMP的手持產(chǎn)品可以播放MP3、收聽FM頻道、存儲(chǔ)圖片和電影、交換數(shù)據(jù)、播放電影和其它媒體。這個(gè)市場(chǎng)呈現(xiàn)出一種繁榮景象，所以，我們會(huì)進(jìn)一步利用這個(gè)芯片組開發(fā)解決方案。隨著我們傳感器的分辨率提高到300萬像素及以上，我們?nèi)韵嘈攀袌?chǎng)主流將介于200萬到400萬像素之間，因?yàn)閳D片打印店打印的5 x 7.5大小的正常照片只需要200萬像素。如果我們提高傳感器的分辨率，這對(duì)于圖像質(zhì)量沒有任何意義。更高的分辨率只有在我們打印大尺寸圖片或放大某一特定的區(qū)域時(shí)才會(huì)起到改進(jìn)圖像質(zhì)量的作用。

現(xiàn)在，人們?cè)絹碓蕉嗟卣務(wù)揗PEG4，我們也正計(jì)劃在下一代芯片中集成這個(gè)功能。我們目前在市場(chǎng)上見到的其它解決方案支持諸如MPEG4(low profile)標(biāo)準(zhǔn)，但通過更詳細(xì)的分析，人們發(fā)現(xiàn)它只是強(qiáng)調(diào)打包，而事實(shí)上，壓縮的MPEG4(low profile) 文件比壓縮的標(biāo)準(zhǔn)AVI文件還要大。因此，我們相信ST增強(qiáng)壓縮比的AVI文件是一種影片質(zhì)量更加優(yōu)異的解決方案，因?yàn)樗捎肣VGA格式時(shí)可支持30fps的傳輸速率。至于專利費(fèi)，每家設(shè)備制造商都必須考慮為一種價(jià)值還不如免費(fèi)技術(shù)的壓縮方案支付金錢是否有意義。

現(xiàn)在回到CMOS技術(shù)的話題。CMOS技術(shù)正在穩(wěn)定發(fā)展，我們相信這項(xiàng)技術(shù)是很有前景的，因?yàn)镃MOS傳感器靈活性更高，操作更容易，成本更低。例如，在移動(dòng)成像市場(chǎng)上，我們看到它已經(jīng)占據(jù)一定市場(chǎng)份額，因此，我們將在未來的數(shù)碼相機(jī)或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中看到同樣的結(jié)果。因?yàn)橄袼爻叽邕M(jìn)一步縮小，質(zhì)量越來越高，我們相信這是未來的趨勢(shì)。但值得注意的是，如果我們把CMOS技術(shù)產(chǎn)品與高檔產(chǎn)品對(duì)比，我們必須針對(duì)CMOS技術(shù)使用質(zhì)量更高的鏡頭，甚至配備自動(dòng)聚焦和自動(dòng)變焦器件。由于我們正在著手為客戶解決這個(gè)問題，使用CMOS技術(shù)與使用其它技術(shù)之間的差異遲早會(huì)被消除。