采用協(xié)處理器和CMOS傳感器的數(shù)碼相機方案

什么是CMOS數(shù)碼相機？對于最終用戶而言，采用CMOS技術的數(shù)碼相機與傳統(tǒng)相機沒有太大不同。大多數(shù)拍照操作方法以及在取景器內給被拍對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)相機需要使用一個35毫米的膠片來曝光和存儲圖像，而數(shù)碼相機的曝光采用CMOS傳感器，存儲照片使用內置的閃存或可移動存儲卡。但這并不是全部，更復雜的問題來自于處理過程。CMOS傳感器由一個光電二極管陣列組成，當拍完一張照片時，CMOS傳感器曝光，然后讀取圖像數(shù)據(jù)。這個信息被發(fā)送到一個協(xié)處理器或者后端控制器。協(xié)處理器負責所有處理過程，直到最后圖像被壓縮并保存在任何一種存儲器中。雖然協(xié)處理器能夠處理所有的問題，但我們應看到傳感器和鏡頭在成像過程中是非常重要的。即使協(xié)處理器具有非常復雜的圖像處理能力，如果圖像數(shù)據(jù)失真嚴重，那么就不可能再完全修復。盡管成像過程很復雜，但還是有簡單的解決方案。
　　
　　在解決這些復雜問題方面，意法半導體具有很豐富的經驗。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，而且還是一個交鑰匙解決方案。我們將提供電路原理圖、BOM清單、固件、驅動器、生產工具以及支持和建議。

　　
　　現(xiàn)在，讓我們來看一下產品特性和優(yōu)點。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像素有4個晶體管，這在低光條件下特別有優(yōu)勢，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。借助這項技術，ST的CMOS傳感器能達到十分接近CCD的低光性能。眾所周知，CMOS與CCD相比具有其它優(yōu)點：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已經被構建在3.3V 和 1.8V線性穩(wěn)壓器中，當使用USB或充電電池供電時，這些線性穩(wěn)壓器可與外部功率晶體管一道調節(jié)其余電路的功率。
　　
　　我們還內置了一個用于錄音的音頻前置放大器，它使音頻電路變得非常簡單，只需連接麥克風即可。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，從而有可能實現(xiàn)25 fps(幀/秒)的視頻傳輸速率。這個特性允許我們在使用該解決方案時可以不用機械快門葉片。與此同時，它要求協(xié)處理器也必須能處理這個速率的數(shù)據(jù)，否則會導致圖片失真，如圖像分片。當數(shù)據(jù)讀取速率過慢時就會發(fā)生圖像分片現(xiàn)象。這時映入眼簾是快速運動的對象，因為傳感器的讀取順序是按照滾動快門的原則從上到下逐線讀取的。
　　
　　圖1說明了STv0684的特性，這個器件是系統(tǒng)的核心，負責控制所有處理過程和系統(tǒng)。
　　
　　對比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。我們在同一個系統(tǒng)內有兩個獨立的處理器，這可以從根本上提高整體性能。VP(視頻處理器)是由一個硬件模塊和一個類似控制器的高速8051組成。這種設計與其它解決方案相比更有優(yōu)勢。控制器和硬件模塊的工作與系統(tǒng)保持獨立，所以，主控制器(本例中是ST20)將不必處理與圖像質量有關的功能，如AE(自動曝光)、AWB(自動白平衡)、顏色處理和圖像慮波等。這些高強度的計算和運算任務被均衡地分配給各種固件，而與速度相關的操作由硬件模塊來執(zhí)行。為了使圖像質量在惡劣的環(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)、無需在生產線上進行任何特殊設置的故障像素糾錯功能和先進的統(tǒng)計學處理器。視頻處理器固件可以根據(jù)主內核的通用固件隨時更改。主內核是一個經過驗證的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。該內核的工作頻率為48MHz，能夠為系統(tǒng)提供強大的動力和靈活性。ST20的特殊地之處在于它的嵌入式實時操作系統(tǒng)OS20，該RTOS可進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性。STv0684首先將從引導ROM存儲器開始啟動，之后為代碼存儲提供幾種可行方案。一個方案是代碼可以存儲在小封裝尺寸的SPI閃存內，或者如果有NAND閃存也可以從NAND閃存引導。在這種情況下，就不再需要外部NOR閃存，從而為產品節(jié)省了寶貴的PCB板空間。然后，代碼被載入SDRAM內存，以便處理器執(zhí)行。對于這個特性，我們內建了DMA驅動的NAND閃存、SPI和SDRAM控制器。

　　數(shù)碼相機和攝像機所需芯片的工作特性如下：
　　
　　對于便攜設備來說，最重要的是具備高級電源管理功能，以延長電池工作時間。它允許關閉系統(tǒng)各級不必要的硬件模塊的電源，當不需要高性能時，它還可以降低CPU的頻率。在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，這種設計可以將功耗進一步降低到6Ma。當然，芯片還要支持待機和USB等其它必要功能。
　　
　　內置USB1.1接口，用于下載圖片和PC-相機連接功能。照相機將支持三種USB模式：一種是MSCD(海量存儲級設備)，它不需要PC機安裝驅動程序， Win98SE預置了我們提供的支持驅動程序。對于PC-相機連接功能，我們提供兩個選擇方法，一種是我們專有的兼容視頻類的驅動程序，我們的驅動程序所支持的操作系統(tǒng)無需安裝驅動程序。
　　
　　內置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1024 x 1024的分辨率。

　　內置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4:1。
　　
　　內置針對可移動媒體存儲器的接口，如CF、SD、MMC、SMC以及可能的微驅動器。
　　
　　最后，節(jié)省存儲器空間的另一種方法是壓縮圖片和短片，因此我們內置了一個壓縮引擎。這個壓縮引擎(VC)支持高達100:1的JPEG壓縮比率，而在實際應用中，35:1的壓縮比已經可以接受。這也是我們的系統(tǒng)優(yōu)于其它解決方案的一個重要特性，因為其它解決方案的壓縮比連要求的一半都很難達到，所以，客戶被迫購買更大容量的存儲器。此外，這個壓縮引擎能夠編碼和解碼真正的交叉存取AVI文件，該文件是許多平臺的一種標準，包括PDA(個人數(shù)字助理)、PVR(便攜錄像機)、PMP(個人媒體播放器)和PC。
　　
　　當然，我們利用這個芯片的機會很多，因為這款芯片具有遠高于數(shù)碼相機設計所需的靈活性。在消費電子市場，我們將看到越來越多的產品在一個設備上集成多種功能，如名為PMP的手持產品可以播放MP3、收聽FM頻道、存儲圖片和電影、交換數(shù)據(jù)、播放電影和其它媒體。這個市場呈現(xiàn)出一種繁榮景象，所以，我們會進一步利用這個芯片組開發(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，我們仍相信市場主流將介于200萬到400萬像素之間，因為圖片打印店打印的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，這對于圖像質量沒有任何意義。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)域時才會起到改進圖像質量的作用。
　　
　　現(xiàn)在，人們越來越多地談論MPEG4，我們也正計劃在下一代芯片中集成這個功能。我們目前在市場上見到的其它解決方案支持諸如MPEG4(low profile)標準，但通過更詳細的分析，人們發(fā)現(xiàn)它只是強調打包，而事實上，壓縮的MPEG4(low profile) 文件比壓縮的標準AVI文件還要大。因此，我們相信ST增強壓縮比的AVI文件是一種影片質量更加優(yōu)異的解決方案，因為它采用QVGA格式時可支持30fps的傳輸速率。至于專利費，每家設備制造商都必須考慮為一種價值還不如免費技術的壓縮方案支付金錢是否有意義。
　　
　　現(xiàn)在回到CMOS技術的話題。CMOS技術正在穩(wěn)定發(fā)展，我們相信這項技術是很有前景的，因為CMOS傳感器靈活性更高，操作更容易，成本更低。例如，在移動成像市場上，我們看到它已經占據(jù)一定市場份額，因此，我們將在未來的數(shù)碼相機或數(shù)字攝像機中看到同樣的結果。因為像素尺寸進一步縮小，質量越來越高，我們相信這是未來的趨勢。但值得注意的是，如果我們把CMOS技術產品與高檔產品對比，我們必須針對CMOS技術使用質量更高的鏡頭，甚至配備自動聚焦和自動變焦器件。由于我們正在著手為客戶解決這個問題，使用CMOS技術與使用其它技術之間的差異遲早會被消除。