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1 概述 數字攝像機的最大特點在于信號數字化。它由成像芯片CCD將靜止或活動的圖像分解成像素，并轉換成電信號。這些信號由數字攝像機內的數字信號轉換器轉換成數字信號，再經微處理器進行圖像處理和數據壓縮編碼后送到內部或外部存儲器，同時也可送到LCD/TV顯示屏。 存儲器中的數字信息通過接口輸入電腦再變成圖像。借助于CPU所提供的圖像處理軟件，按人們意愿進行加工、編輯等處理，然后由彩色打印機制成一張理想的圖像。更重要的是，數字委員會還能通過電腦網絡傳到世界各地。 與模擬攝像機相比較，數字攝機具有如下特點： 圖像以數字方式存儲，這樣便于保存、傳送和重復使用，從而免除膠片沖洗和圖像擴印。 利用電腦可對圖像進行修改、編輯等加工處理，也可輸入電視和上網觀看。 可通過電腦網絡進行遠距離傳送，且具有速度快、干擾小、質量高等優點。本文介紹的數字攝像系統是由單片大規模集成電路LSI組成，它能以30幀/s的速率傳送全運動圖像或連續圖像，并具有體積小、功耗低、傳輸速度快、分辨率高的特點。 2 工作原理 數字攝像系統的原理如圖1所示。該系統由CCD信號處理器、M-JPEG編解碼器、32位RISC-CPU、NTSC編碼器、DRAM控制器和各種外設接口等組成，是典型的嵌入式系統。 來自CCD的信號，經彩色校正的Y/C分離后，通過A/D轉換器轉換為10位的數字信號，寫入動態存儲器DRAM中的幀緩沖器，作為YUV（4：2：2）圖像數據。這些數據又被傳送到NTSC/PAL編碼器進行編碼，最后由LCD顯示習顯示。當釋放快門時，這些數據同樣要傳送到M-JPEG芯片中，經1/10和1/20壓縮編碼處理后存儲到DRAM中的JPEG編碼區域。RISC-CPU把壓縮數據轉換成文件格式數據，然后寫到外部存儲器中，如微驅動。在放像時，數據的流向與上述（攝像）相反。解碼后的圖像在LCD顯示屏上顯示。 該系統采用三總線分技術，即把信號總線（228 MB/s）、CPU總線（114 MB/s）和外設總線（57 MB/s）分開，使用RISC芯片（32位嵌入式微處理器）能有效、高速地處理信號，以避免需要存儲大容量圖像數據和外設處理速度慢的矛盾。這種總線分離技術不僅能解決通信擁擠問題，還能實現高速、高分辨率圖像處理、是該系統重要特點這一。 3 幾個重要電路 3.1 CCD信號處理電路 為了能對1360×1042（1.5M）像素的信號進行實時處理，該電路采用像素原色逐行掃描CCD攝像技術。CCD信號處理器是數字攝像機（DSC）中的關鍵電路，它的優劣將直接影響DSC的性能。該電路由原始數據校準模塊、彩色處理模塊、數字放大模塊、RGB-YUV轉換模塊和圖像質量調節模塊組成，如圖2所示。其中原始數據校準模塊由數字鉗位、像素校準白色平衡、自動強制和伽碼校準電路組成。 利用4個行存儲器，彩色處理模塊能把原始CCD數據轉換為RGB數據。為了減小行存儲器的容量，特在信號處理模塊中采用新型掃描技術，好把圖像幀分成若干小塊，分別在各自小塊進行掃描。 與普通CCD信號處理電路相比，該電路具有如下特點： （1）只需要4個行存儲器，就能實現高質量和高速圖像放大處理。 （2）具有軟件功能的固件設置，能對圖像質量進行微調。 （3）利用流水線方式完成CCD實時信號處理，在實時處理時，只有把數據送入DRAM后，才驅逐把來自CCD的原始數據轉換成YUV數據。 3.2 M-JPEG編解碼電路 本系統采用一種新型運動JPEG編解碼技術，能在57MHz時鐘條件下，以88幀/s的速率對VGA （350×10 3像素）圖像進行壓縮編碼和解碼處理。這種新型編碼技術具有下列優點： （1）每個圖像是獨立的，很容易進行限幅和編輯處理； （2）JPEG與MPEG相比較，前者所需電路較少，能顯著降低功耗和成本。 M-JPEG編解碼電路如圖3所示。從圖3中看出，該電路由5個模塊組成。當進行編碼處理時，數據流向是向左的；當進行解碼處理時，數據流向是向右的。若對以8×8像素為單元的并不模塊進行高速流水線處理，可采用新型的M-JPEG編解碼技術，并以不同速率對VGA、XGA、1.5M圖像進行編碼和解碼處理。 M-JPEG編解碼的速率如表1所列。 從表1中看出，當工作頻率或時鐘頻率為57MHz時，使用新方法對VGA像素和1.5M像不比進行編解碼處理時，它們的速率分別為88幀/15幀/s，比過去的方法快4倍。這樣不僅能使DSC進行高速圖像拍攝和實時處理，而且還能大大節省總的編碼時間。 表1 M-JPEG編解碼速率 像素大小 VGA/(幀/s)（350K像素） XGA（幀/s）（800K像素） 1.5 M像素/（幀/s） 過去方法（fc=24MHz） 22.5 9 4 新方法（fc=57MHz） 88 34 15 3.3 RISC CPU RISC CPU是單片數字攝像系統的核心電路，它是一個32位RISC嵌入式微處理器。該電路內含有4KB的數字存儲器和4KB的程序存儲器及多個累加器，能在576MHz頻率下工作。在DSC系統中，RISC CPU能夠處理編輯圖像、實時攝像機控制、聲音的錄/放、產生圖像文件和各種軟件控制。 3.4 三總線結構 為了能夠對圖像進行高速、高分辨率的實時處理，本系統采用三總線分離技術。第一條總線叫信號總線，具有最高的傳輸速率（228 MB/s），與圖像處理器件相連。第二條總線叫CPU總線，是一種CPU局部總線，傳輸速率適中（114 MB/s）。它能通過CPU總線與信號總線相連。能直接對DRAM進行訪問。第三條總線叫外設總線，傳輸速率最低（57 MB/s），能連到低速工作的外設電路。 3.5 電源管理 為了節電，本系統使用兩種電源管理技術：一種是時鐘頻率調節技術；另一種是時鐘掛起控制技術。 時鐘頻率調節技術是根據CPU所需要的處理量來調節時鐘頻率的值，通常可在57MHz、28MHz和0 MHz選擇。當把圖像數據錄到卡式存儲時，時鐘頻率為57MHz；當CPU控制CCD中的AF、AE和AWB中，時鐘頻率為28MHz；當CPU不處理時，時鐘頻率為0 MHz。這種技術能使功耗降低到最大值的20%。 時鐘掛起控制技術是把時鐘饋電掛在非作用功能模塊，并把時鐘分成27份。根據攝像機工作模式，利用功能模塊和固件改變掛起時鐘，從而使整個系統的功耗降低。 另外，芯片采用不同電源供電技術，即芯片內部用低電源電壓（2.5V）供電，而I/O引腳用3.3V電源供電。這種供電技術也能大大降低電源的功耗。 4 性能 4.1 單塊芯片的性能 本系統的單塊芯片是目前較新的大規模集成電路LSI，其主要性能如表2所列。 表2 芯片主要性能 處理技術 0.25um,3層CMOS門陣列 時鐘頻率/MHz 最大值為57 芯片面積 10.1mm X 10.1mm 晶體管數量/個 3.35 X 10 6 電源電壓/V 2.5（芯子）/3.3（I/O） 功耗/mW 700 RISC CPU 時鐘頻率/MHz 57 存儲器/KB 4+4 封裝 FBGA封裝，324引腳 4.2 單片數字攝像機的性能 利用單塊芯片組成攝像機，這是SoC（System on Chip）的典型應用。攝像機的主要性能如表3所列。 表3 DSC的主要性能 CC傳感器 12.7mm(1/2in),1.5 X 10 6像素PS-CC 圖像分辨率 1360 X 1024像素 壓縮格式 M-JPEG 記錄媒體 小型快速存儲器（94MB），微驅動（340MB） 處理時間 0.8s(編碼)，0.6s（放音或放像） 圖像容量（微驅動） 靜止：4800圖像，視頻：50 視頻限幅 VGA：15幀/s X 5，QYGA：30幀/s X 5 連續攝像（1.5像素） 20個圖像（7.5個圖像/s） 聲音 8位16KHz 其它 LCD監視器（45.7mm,110X10 3像素） 電池：AAX2 體積：110mmX63mmX40mm 質量：220mg（主要元件） |
