基于協(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(shù)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(nèi)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(nèi)置的閃存或可移動存儲卡。但這并不是全部，更復(fù)雜的問題來自于處理過程。CMOS傳感器由一個光電二極管陣列組成，當(dāng)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(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。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(qū)動器、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。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(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：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，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(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(dǎo)致圖片失真，如圖像分片。當(dāng)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(zé)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(nèi)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(shè)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(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(zhì)量有關(guān)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(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)線上進行任何特殊設(shè)置的故障像素糾錯功能和先進的統(tǒng)計學(xué)處理器。視頻處理器固件可以根據(jù)主內(nèi)核的通用固件隨時更改。主內(nèi)核是一個經(jīng)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(nèi)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(dǎo)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(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。對于這個特性，我們內(nèi)建了DMA驅(qū)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(shè)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(guān)閉系統(tǒng)各級不必要的硬件模塊的電源，當(dāng)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(shè)計可以將功耗進一步降低到6Ma。當(dāng)然，芯片還要支持待機和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(shè)備)，它不需要PC機安裝驅(qū)動程序， Win98SE預(yù)置了我們提供的支持驅(qū)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(qū)動程序，我們的驅(qū)動程序所支持的操作系統(tǒng)無需安裝驅(qū)動程序。

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4:1。

內(nèi)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(qū)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(nèi)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(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(dāng)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(shè)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(chǎn)品在一個設(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?nèi)韵嘈攀袌鲋髁鲗⒔橛?00萬到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(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)域時才會起到改進圖像質(zhì)量的作用。

現(xiàn)在，人們越來越多地談?wù)揗PEG4，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(diào)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(zhì)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(shè)備制造商都必須考慮為一種價值還不如免費技術(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，在移動成像市場上，我們看到它已經(jīng)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(jié)果。因為像素尺寸進一步縮小，質(zhì)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(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(shù)與使用其它技術(shù)之間的差異遲早會被消除。