论文学习 数码相机系统

本论文学习是一个系列，针对自己感兴趣的部分进行节选标记。

本小节目录：

2数码相机系统

2.1        体系结构

2.2        图像采样

2.2.1光学处理

2.2.2图像传感器

2.2.3模拟前端处理

2.3        图像处理

2.3.1可见光

2.3.2视觉系统

2.3.3色度学

2.3.4图像处理

2.3.5数码相机处理器

第二章 数码相机系统

本章从数码相机系统的基本结构出发，介绍了数码相机中各部件的主要功能 和工作原理，突出数码相机处理器的核心地位。

2.1体系结构

第一台数码相机的问世，距今不过二十多年的历史。在这二十多年里，数码 相机系统在外观、尺寸、架构、功能、性能等各个方面都发生了巨大的变化，主 要经历了 PCB、DSP、SoC等3种不同的系统构成，

•    PCB系统

早期的数码相机系统功能远比现在简单，其复杂程度却毫不逊色。由于当时的芯片集成度低，处理器、存储器、传感器等部件均需要独立芯片，因此只能在 PCB板上实现整个系统。

•    DSP系统

随着集成电路技术的发展，基于DSP (数字信号处理器）的数码相机系统 出现了。和PCB系统相比，DSP芯片集成了所有的图像处理功能，大大减少了 PCB板上的器件数，数码相机的尺寸、性能随之得到了很好的改善 由于DSP能力有限，图像压缩（如JPEG)还需要独立芯片完 成。

•    SoC系统

随着SoC (单片系统集成）概念的推广和设计方法的不断成熟，基于SoC芯 片的数码相机系统逐步出现，目前已成为市场的主流。在这样一 个系统中，图像处理、压缩、控制和各种系统接口都集成在单个芯片上，外部只 需要少量的器件和必要的部件（如镜头、图像传感器等）。因此，整个系统的尺 寸、功耗、设计难度等都大大降低了。

图2.1给出了一个典型的数码相机系统的框图。从图中可以看出，数码相机 处理器是一个数码相机系统的核心，承担着图像采样、处理、压缩、存储、显示、 传输等操作的实现或控制工作，其性能优劣直接影响到整个系统的正常运转。

图2.1典型的数码相机系统

分析以上数码相机系统的不同发展阶段，可以发现，为了完成各项功能，数 码相机集成了以下功能和部件：

•图像采样

图像釆样系统包括光学处理、光电转换和模拟前端3部分。光学处理包括镜 头、马达、快门、闪光灯、滤光镜等，负责对光线进行滤光、聚焦、曝光等各种 处理，保证图像传感器能够采到正确的图像。光电转换是由图像传感器完成的， 常用的图像传感器为CCD和CMOS。模拟前端对传感器输出的图像模拟信号进 行处理，包括相关数据双采样（CDS)、自动增益控制（AGC)和模数转换（ADC) 等模块。

•图像处理

运用各种算法，对图像数字信号进行图像恢复和增强的过程，是保证图像质量的关键。图像处理有两种方式，一种是实时的，以保证取景的需要，一般在空 域进行；另一种是非实时的，以提高图像质量，一般在频域或小波域进行。常见的图像处理操作有：内插、白平衡、伽玛校正、色彩校正、色空间变换、边界增强、动态范围调整、降噪等等。另外，对动态图像进行检测，以实现自动曝光、 自动白平衡、自动聚焦的过程，也是图像处理的一个重要内容。

•图像压缩

随着图像分辨率的不断增加，图像数据也变得日益庞大。一个30万像素（640 X480)的RGB图像需要900KB的存储空间，而一个500万像素（2592X 1944) 的RGB图像需要14.4MB的存储空间，一张16MB的存储卡只能存储一张照片！ 而且需要大量的存储时间。因此需要对图像进行压缩处理。目前常用的静态图像 压缩标准是JPEG算法，JPEG2000则是近年来推出的性能更加优越的新标准。

•图像存储

拍摄的照片首先放在内存中，必须转存到非易失性存储卡中才不会丢失。目 前，常用存储卡（Memory Card)作为外部存储器，如CF卡（CompactFlash)、 SD 卡（Security Data)、Sony 记忆棒 MS (Memory Stick)等。一些入门级数码 相机会采用大容量闪存芯片NAND Flash Memory充当外存，一些专业级数码相 机会采用迷你硬盘（Mini Disk)作为外存。

•图像显示

数码相机支持TFT-LCD直接取景，省去了通过取景框进行取景的麻烦，乃 一大进步。TFT-LCD是主要的图像显示设备，从1.5英寸到3.5英寸不等。 TFT-LCD不仅支持取景，还支持拍照后的回放功能，用户可以在TFT-LCD上浏 览照片，进行照片删除、修改、放大等操作。

•图像传输

数码相机还支持图像传输，通过PC接口将图像传送至PC (当然，直接将存 储卡插入读卡器也是一种办法)。常用的传输接口为EPP、USB等。其中USB 接口己从USB 1.1发展到USB 2.0,前者仅支持12Mbps的传输速度，而后者达 到 480Mbps。

综上所述，数码相机是一个非常复杂的系统，涉及很多领域的知识，全部从头设计一个数码相机完全不可能，必须有所取舍。

2.2图像采样

数码相机的图像采样是一个光学处理、光电转换和模拟前端处理相结合的过程，主要目的是将景物光线转换成图像数字信号。图2.2给出了一个图像采样系 统的完整结构：

图2.2数码相机的图像采样过程

光线通过镜头组的综合处理，包括滤光、曝光和聚焦，作用于图像传感器表 面，经过传感器的光电转换作用，得到图像的模拟信号；然后经过模拟前端处理， 包括相关数据双采样（CDS)、自动增益控制（AGC)和模数转换（ADC)，得 到图像的数字信号。

(未完待续，I am hungry!)