論文學習 數碼相機系統

本論文學習是一個系列，針對本身感興趣的部分進行節選標記。

本小節目錄：

2數碼相機系統

2.1        體系結構

2.2        圖像採樣

2.2.1光學處理

2.2.2圖像傳感器

2.2.3模擬前端處理

2.3        圖像處理

2.3.1可見光

2.3.2視覺系統

2.3.3色度學

2.3.4圖像處理

2.3.5數碼相機處理器

第二章 數碼相機系統

本章從數碼相機系統的基本結構出發，介紹了數碼相機中各部件的主要功能 和工做原理，突出數碼相機處理器的核心地位。

2.1體系結構

第一臺數碼相機的問世，距今不過二十多年的歷史。在這二十多年裏，數碼 相機系統在外觀、尺寸、架構、功能、性能等各個方面都發生了巨大的變化，主 要經歷了 PCB、DSP、SoC等3種不一樣的系統構成，

•    PCB系統

早期的數碼相機系統功能遠比如今簡單，其複雜程度卻絕不遜色。因爲當時的芯片集成度低，處理器、存儲器、傳感器等部件均須要獨立芯片，所以只能在 PCB板上實現整個系統。

•    DSP系統

隨着集成電路技術的發展，基於DSP (數字信號處理器）的數碼相機系統 出現了。和PCB系統相比，DSP芯片集成了全部的圖像處理功能，大大減小了 PCB板上的器件數，數碼相機的尺寸、性能隨之獲得了很好的改善 因爲DSP能力有限，圖像壓縮（如JPEG)還須要獨立芯片完 成。

•    SoC系統

隨着SoC (單片系統集成）概念的推廣和設計方法的不斷成熟，基於SoC芯 片的數碼相機系統逐步出現，目前已成爲市場的主流。在這樣一 個系統中，圖像處理、壓縮、控制和各類系統接口都集成在單個芯片上，外部只 須要少許的器件和必要的部件（如鏡頭、圖像傳感器等）。所以，整個系統的尺 寸、功耗、設計難度等都大大下降了。

圖2.1給出了一個典型的數碼相機系統的框圖。從圖中能夠看出，數碼相機 處理器是一個數碼相機系統的核心，承擔着圖像採樣、處理、壓縮、存儲、顯示、 傳輸等操做的實現或控制工做，其性能優劣直接影響到整個系統的正常運轉。

圖2.1典型的數碼相機系統

分析以上數碼相機系統的不一樣發展階段，能夠發現，爲了完成各項功能，數 碼相機集成了如下功能和部件：

•圖像採樣

圖像釆樣系統包括光學處理、光電轉換和模擬前端3部分。光學處理包括鏡 頭、馬達、快門、閃光燈、濾光鏡等，負責對光線進行濾光、聚焦、曝光等各類 處理，保證圖像傳感器可以採到正確的圖像。光電轉換是由圖像傳感器完成的， 經常使用的圖像傳感器爲CCD和CMOS。模擬前端對傳感器輸出的圖像模擬信號進 行處理，包括相關數據雙採樣（CDS)、自動增益控制（AGC)和模數轉換（ADC) 等模塊。

•圖像處理

運用各類算法，對圖像數字信號進行圖像恢復和加強的過程，是保證圖像質量的關鍵。圖像處理有兩種方式，一種是實時的，以保證取景的須要，通常在空 域進行；另外一種是非實時的，以提升圖像質量，通常在頻域或小波域進行。常見的圖像處理操做有：內插、白平衡、伽瑪校訂、色彩校訂、色空間變換、邊界加強、動態範圍調整、降噪等等。另外，對動態圖像進行檢測，以實現自動曝光、 自動白平衡、自動聚焦的過程，也是圖像處理的一個重要內容。

•圖像壓縮

隨着圖像分辨率的不斷增長，圖像數據也變得日益龐大。一個30萬像素（640 X480)的RGB圖像須要900KB的存儲空間，而一個500萬像素（2592X 1944) 的RGB圖像須要14.4MB的存儲空間，一張16MB的存儲卡只能存儲一張照片！ 並且須要大量的存儲時間。所以須要對圖像進行壓縮處理。目前經常使用的靜態圖像 壓縮標準是JPEG算法，JPEG2000則是近年來推出的性能更加優越的新標準。

•圖像存儲

拍攝的照片首先放在內存中，必須轉存到非易失性存儲卡中才不會丟失。目 前，經常使用存儲卡（Memory Card)做爲外部存儲器，如CF卡（CompactFlash)、 SD 卡（Security Data)、Sony 記憶棒 MS (Memory Stick)等。一些入門級數碼 相機會採用大容量閃存芯片NAND Flash Memory充當外存，一些專業級數碼相 機會採用迷你硬盤（Mini Disk)做爲外存。

•圖像顯示

數碼相機支持TFT-LCD直接取景，省去了經過取景框進行取景的麻煩，乃 一大進步。TFT-LCD是主要的圖像顯示設備，從1.5英寸到3.5英寸不等。 TFT-LCD不只支持取景，還支持拍照後的回放功能，用戶能夠在TFT-LCD上瀏 覽照片，進行照片刪除、修改、放大等操做。

•圖像傳輸

數碼相機還支持圖像傳輸，經過PC接口將圖像傳送至PC (固然，直接將存 儲卡插入讀卡器也是一種辦法)。經常使用的傳輸接口爲EPP、USB等。其中USB 接口己從USB 1.1發展到USB 2.0,前者僅支持12Mbps的傳輸速度，然後者達 到 480Mbps。

綜上所述，數碼相機是一個很是複雜的系統，涉及不少領域的知識，所有從頭設計一個數碼相機徹底不可能，必須有所取捨。

2.2圖像採樣

數碼相機的圖像採樣是一個光學處理、光電轉換和模擬前端處理相結合的過程，主要目的是將景物光線轉換成圖像數字信號。圖2.2給出了一個圖像採樣系 統的完整結構：

圖2.2數碼相機的圖像採樣過程

光線經過鏡頭組的綜合處理，包括濾光、曝光和聚焦，做用於圖像傳感器表 面，通過傳感器的光電轉換做用，獲得圖像的模擬信號；而後通過模擬前端處理， 包括相關數據雙採樣（CDS)、自動增益控制（AGC)和模數轉換（ADC)，得 到圖像的數字信號。

(未完待續，I am hungry!)