采用協(xié)處理器和CMOS傳感器的數碼相機方案

什么是CMOS數碼相機？對于最終用戶(hù)而言，采用CMOS技術(shù)的數碼相機與傳統相機沒(méi)有太大不同。大多數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？傳統相機需要使用一個(gè)35毫米的膠片來(lái)曝光和存儲圖像，而數碼相機的曝光采用CMOS傳感器，存儲照片使用內置的閃存或可移動(dòng)存儲卡。但這并不是全部，更復雜的問(wèn)題來(lái)自于處理過(guò)程。CMOS傳感器由一個(gè)光電二極管陣列組成，當拍完一張照片時(shí)，CMOS傳感器曝光，然后讀取圖像數據。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)處理器負責所有處理過(guò)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(wèn)題，但我們應看到傳感器和鏡頭在成像過(guò)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，如果圖像數據失真嚴重，那么就不可能再完全修復。盡管成像過(guò)程很復雜，但還是有簡(jiǎn)單的解決方案。
　　
　　在解決這些復雜問(wèn)題方面，意法半導體具有很豐富的經(jīng)驗。STv0684協(xié)處理器和VC6700(200萬(wàn)像素)CMOS傳感器是支持200萬(wàn)像素甚至更高分辨的解決方案之一。對用戶(hù)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、驅動(dòng)器、生產(chǎn)工具以及支持和建議。

　　
　　現在，讓我們來(lái)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(zhù)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，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(shù)，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(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(wú)源器件的數量。此外，VC6700已經(jīng)被構建在3.3V 和 1.8V線(xiàn)性穩壓器中，當使用USB或充電電池供電時(shí)，這些線(xiàn)性穩壓器可與外部功率晶體管一道調節其余電路的功率。
　　
　　我們還內置了一個(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(wàn)像素/秒的讀取速度，從而有可能實(shí)現25 fps(幀/秒)的視頻傳輸速率。這個(gè)特性允許我們在使用該解決方案時(shí)可以不用機械快門(mén)葉片。與此同時(shí)，它要求協(xié)處理器也必須能處理這個(gè)速率的數據，否則會(huì )導致圖片失真，如圖像分片。當數據讀取速率過(guò)慢時(shí)就會(huì )發(fā)生圖像分片現象。這時(shí)映入眼簾是快速運動(dòng)的對象，因為傳感器的讀取順序是按照滾動(dòng)快門(mén)的原則從上到下逐線(xiàn)讀取的。
　　
　　圖1說(shuō)明了STv0684的特性，這個(gè)器件是系統的核心，負責控制所有處理過(guò)程和系統。
　　
　　對比STv0684與其它同類(lèi)元器件，我們發(fā)現有很多不同之處，特別是在視頻管道方面。我們在同一個(gè)系統內有兩個(gè)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(gè)硬件模塊和一個(gè)類(lèi)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?？刂破骱陀布K的工作與系統保持獨立，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。這些高強度的計算和運算任務(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(lái)執行。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(xiàn))、無(wú)需在生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行任何特殊設置的故障像素糾錯功能和先進(jìn)的統計學(xué)處理器。視頻處理器固件可以根據主內核的通用固件隨時(shí)更改。主內核是一個(gè)經(jīng)過(guò)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，能夠為系統提供強大的動(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OS20，該RTOS可進(jìn)一步提高系統的穩定性和靈活性。STv0684首先將從引導ROM存儲器開(kāi)始啟動(dòng)，之后為代碼存儲提供幾種可行方案。一個(gè)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(chǎn)品節省了寶貴的PCB板空間。然后，代碼被載入SDRAM內存，以便處理器執行。對于這個(gè)特性，我們內建了DMA驅動(dòng)的NAND閃存、SPI和SDRAM控制器。

　　數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(lái)說(shuō)，最重要的是具備高級電源管理功能，以延長(cháng)電池工作時(shí)間。它允許關(guān)閉系統各級不必要的硬件模塊的電源，當不需要高性能時(shí)，它還可以降低CPU的頻率。在系統工作狀態(tài)下，這種設計可以將功耗進(jìn)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(dòng)程序， Win98SE預置了我們提供的支持驅動(dòng)程序。對于PC-相機連接功能，我們提供兩個(gè)選擇方法，一種是我們專(zhuān)有的兼容視頻類(lèi)的驅動(dòng)程序，我們的驅動(dòng)程序所支持的操作系統無(wú)需安裝驅動(dòng)程序。
　　
　　內置TFT控制器，以直接支持無(wú)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(chǎng)商、不同類(lèi)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(guò)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(dòng)媒體存儲器的接口，如CF、SD、MMC、SMC以及可能的微驅動(dòng)器。
　　
　　最后，節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(gè)壓縮引擎。這個(gè)壓縮引擎(VC)支持高達100:1的JPEG壓縮比率，而在實(shí)際應用中，35:1的壓縮比已經(jīng)可以接受。這也是我們的系統優(yōu)于其它解決方案的一個(gè)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(hù)被迫購買(mǎi)更大容量的存儲器。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，該文件是許多平臺的一種標準，包括PDA(個(gè)人數字助理)、PVR(便攜錄像機)、PMP(個(gè)人媒體播放器)和PC。
　　
　　當然，我們利用這個(gè)芯片的機會(huì )很多，因為這款芯片具有遠高于數碼相機設計所需的靈活性。在消費電子市場(chǎng)，我們將看到越來(lái)越多的產(chǎn)品在一個(gè)設備上集成多種功能，如名為PMP的手持產(chǎn)品可以播放MP3、收聽(tīng)FM頻道、存儲圖片和電影、交換數據、播放電影和其它媒體。這個(gè)市場(chǎng)呈現出一種繁榮景象，所以，我們會(huì )進(jìn)一步利用這個(gè)芯片組開(kāi)發(fā)解決方案。隨著(zhù)我們傳感器的分辨率提高到300萬(wàn)像素及以上，我們仍相信市場(chǎng)主流將介于200萬(wàn)到400萬(wàn)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(wàn)像素。如果我們提高傳感器的分辨率，這對于圖像質(zhì)量沒(méi)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域時(shí)才會(huì )起到改進(jìn)圖像質(zhì)量的作用。
　　
　　現在，人們越來(lái)越多地談?wù)揗PEG4，我們也正計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(jiàn)到的其它解決方案支持諸如MPEG4(low profile)標準，但通過(guò)更詳細的分析，人們發(fā)現它只是強調打包，而事實(shí)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(zhì)量更加優(yōu)異的解決方案，因為它采用QVGA格式時(shí)可支持30fps的傳輸速率。至于專(zhuān)利費，每家設備制造商都必須考慮為一種價(jià)值還不如免費技術(shù)的壓縮方案支付金錢(qián)是否有意義。
　　
　　現在回到CMOS技術(shù)的話(huà)題。CMOS技術(shù)正在穩定發(fā)展，我們相信這項技術(shù)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(dòng)成像市場(chǎng)上，我們看到它已經(jīng)占據一定市場(chǎng)份額，因此，我們將在未來(lái)的數碼相機或數字攝像機中看到同樣的結果。因為像素尺寸進(jìn)一步縮小，質(zhì)量越來(lái)越高，我們相信這是未來(lái)的趨勢。但值得注意的是，如果我們把CMOS技術(shù)產(chǎn)品與高檔產(chǎn)品對比，我們必須針對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(zhù)手為客戶(hù)解決這個(gè)問(wèn)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。