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超越像素的成像:器件和技术的发展提升数码相机性能

Brian Dipert?? EDN高级技术编辑?? 2007年06月19日 ?? 收藏0

  加州大学的研究人员把光学系统的开发提高到一个更加革命性的水平。他们最近推出了一种“折纸式”镜头,它们采用天文望远镜使用的反射镜技术,建立在一片5mm的氟化钙碟上。它可以降低相机的厚度,实现预定的焦距和变焦范围。UCSD的Jacobs工程学校的电子与计算机工程博士生Eric Tremblay在该校的简报上说:“传统的相机镜头一般都由很多不同镜片组成,它们一起工作,提供清晰而高质量的图像。现在,我们完成相同的任务,但各个部件互相重叠,降低了光学系统的厚度。”(参考文献6)。最初的8倍原型机实现了38mm焦距,能对 2.5m 以外的物体聚焦,而厚度只有传统多镜头的七分之一。

  处理像素

  我请 Analog Devices 公司产品系列总监 Stuart Boyd 提供有关该公司高速信号处理部门参与成像业务的大致情况。他说:“我们看到,制造商们正在更努力地帮助他们的客户获得更好的图像。这种努力表现在脸部检查辅助自动对焦和曝光,按键时相机内图像校正,辅助图像接合成全景照片。这些功能过去可能只有软件能实现,也很少有人关心。在相机‘引擎’中正在发生的事是要管理大堆复杂的东西,并保证其性能,足以立即给出

我们期望的结果。”在谈到消费者不恰当地将自己的照片与杂志上的专业作品作比较时,EDN 的 Wilson 对 Boyd 的观察做出回应,他在自己的在线 CES 报告中这样说:“给相机架构带来的压力是把更好的图像质量问题塞给采集过程,而尽可能将更强的后期处理能力放到平台上。”

  显然,这个问题对处理器供应商是好消息,并且短期内看不到问题解决的迹象。但是,哪家处理器供应商和哪种架构最适合你的下一个系统设计?这个问题的答案就不那么简单了;在探索替代方案时,你会面临一系列选择,从硬接线法到全软件编程法。NuCore Technology 处理器采用以成像为中心的流水线是硬件方法,而采用德州仪器公司(TI)的 DSC 处理器与通用 DSP 核和成像中心外设的组合则代表以软件为中心的另一方面。(注意 NuCore 和 TI 的产品都采用 ARM 核作为总体系统处理器。)TI 数码相机部门营销经理 Kanika Ferrell 的评论反映了TI的成像处理方案:“由于多个功能运行在一个单一核上,它需要系统中的图像处理器有足够的能力同时运行多个功能。为保持低功耗,制造商转向更先进的工艺技术节点,并使处理器在较小功耗下运行于更高的速度。”

  另一方面,Nvidia 的 Ballew 则提出了专用硬件支持实现特别好效果的一些图像处理方法:

  “进入GPU(图像处理单元)的一个非常快的数据路径。优点:快速捕捉。传感器模块可以设置为全分辨率预览,这样传感器就不存在从低分辨率预览到全分辨率捕捉的复位延迟。

  实时JPEG编码。优点:快速多次拍摄;图像压缩速度与传感器的数据发送一样快,因此用户每按下并松开一次快门,就可以捕捉一行中的多个帧。这有助于捕捉动态照片,或那些难以获得的照片。实时 JPEG 还降低了内存需求,因此有助于 OEM 制造出更便宜的手机。而全硬件 JPEG 编、解码还能减少压缩、解压缩图像时需要的功耗。

  ISP(图像信号处理器)。优点:ISP 是自动对焦、自动白平衡和自动曝光以及各种图像特性的关键,如怀旧片、黑白片、老照片、消红眼,以及清晰边缘等。它还使手机 OEM 能更灵活地选择带或不带 ISP 的相机模块。最新的传感器上市时通常不集成 ISP。与外接 ISP 相比,将此功能放到图像处理器中可节省成本和电路板空间。与基于软件的 ISP 相比,它还能减少需要的功耗。”

  最后,如果一直宣扬的从 CCD(电荷耦合器件)向 CMOS 传感器迁移的优点之一是能够将图像处理逻辑集成在传感器阵列中,你可能认为 CMOS 传感器供应商不会同意 Nvidia 的分割立场,确实如此。包含 ISP 的最新一代传感器甚至包括了对 JPEG 编码功能的支持。东芝 ASSP(专用标准产品)业务单元的成像与通信营销部门副总裁 Andrew Burt 评论说:“对于 ISP 是应集成在 CMOS 图像传感器核中,还是在基带处理器上,一直存在着争议。很多手机制造商告诉我们,他们喜欢带有一个嵌入式高度优化 ISP 的 CMOS 图像传感器SoC(单片系统)。它使系统能够充分利用 CMOS 图像传感器设计者的丰富知识。当分辨率达到500万像素以上时,这种优点成为关键。但即使在200万像素,SoC方案也可以为终端用户提供更好的视觉体验。”实际上,所有图像处理方案都各有利弊。为指导你的选择,应对各种因素作出评估,如成本、性能、集成度、功耗、灵活性与应用对灵活性的要求,以及开发工具的成熟度和可靠性。


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