数码相机影像处理部分设计分析

引言

　　目前﹐数码相机技术进步很快，朝着高解析﹑高ISO、多功能、超薄、超小、防水、防震等方面不断发展。但其中，数码相机拍出的照片图像质量才是最重要的﹐图片的成像质量与镜头、CCD﹑DSP等等均有关联，特别是影像处理部分硬件方面的设计尤显关键。

　　本文所说的影像处理部分硬件包含以下几个部分。(见图1)

　　关键元器件的选择

　　(1)CCD光电耦合器

　　CCD的总类较多﹐按滤光片的颜色分有原色CCD及补色CCD，原色CCD滤光片按绿蓝﹑红绿方式排序，补色CCD滤光片按洋红绿﹑青黄方式排序。基本上，原色CCD的色彩还原性好但灵敏度差﹐补色CCD的色彩还原性差但灵敏度好﹐一般数码相机使用原色CCD的较多。按电荷的转移方式分有全帧转移设计(FT)CCD﹑行间转移设计(IT)CCD﹑帧行转移设计(FIT)CCD。FT CCD器件面积较大，价格较低;IT CCD面积最小﹑价格最低;FIT CCD面积最大﹐价格最高﹐综合考虑﹐一般家用普通数码相机均使用IT CCD。

首先﹐根据相机的设计要求决定CCD使用多少的像素﹐再根据与镜头的搭配性确认其合适的尺寸﹐并仔细了解CCD的规格书﹐重点确认饱和输出及灵敏度的值(如图2 )﹐选用值大的产品。简单来说﹐CCD就是将光信号转化为电信号的器件(如图3)。

　　(2) IC AFE

AFE模拟前端，TG时序发生器，CDS关联双倍取样器，通常与CCD驱动、ADC等整合在一起，组成一个整体的从CCD电荷读出、取样、放大、模数转换处理单元IC AFE。基本上，只要选定了CCD，此处理单元AFE也随之确定。AFE就是将CCD输出的仿真电信号转化为数字信号的器件(如图4、图5)。

　　(3)DSP数字处理器

　　DSP主要就是对经过AFE得到的数字影像信号进行一系列处理﹐如白平衡﹑亮度调整﹑色调整﹑γ修正﹑锐利化﹑白点﹑热燥点补正﹑噪声处理﹑压缩等﹐一般根据产品的设计规格﹑DSP厂商演示实际效果评价﹑成本分析等决定。(见图6、图7)

电路设计

　　上述关键元器件确定后﹐就可以根据厂商提供的规格书进行电路设计﹐本文以CCD使用Panasonic MN34542PAJ(12M像素)﹐AFE 使用Panasonic NN12083A﹐DSP 使用Novatek NT96433BG作做设计。

　　电路重点分析说明

　　(1) CCD使用-6V及+12V两组电源，其中+12V同时提供给CCD输出电流放大IC U3使用﹐CCD输出的信号质量直接影响图像质量﹐故对+12V电源噪声要求很高﹐需小于60mV(越小越好)。

　　(2) 在AFE电路中﹐CCD信号进入AFE前设计了一个由R210及C242组成的简单的RC滤波器﹐将高频噪声滤掉。AFE各部分使用的电源对噪声要求较高﹐故使用了三个LDO对电源进行净化﹐+1.8V同时提供TG及 模拟部分﹐用L200作分隔。H1/H2/HL/RG均是对CCD电荷进行驱动转移及清除用的﹐频率为40.5MHz﹐瞬间电流较大(达到60~80mA)，对EMI影响很大﹐增加FL200/FL201 LC滤波器作改善。

　　PCB设计

　　考虑到装配需求﹐通常CCD部分电路单独使用一块FPC﹐AFE/DSP及其他电路放在另一块PCB上，通过FPC输出连接。

　　(1) CCD FPC设计重点﹕一是CCD输出两旁及底部要完整包地﹐线宽要求8mils(1mils=0.0254mm)以上。二是H1/H2/HL/RG优先走线，两旁及底部要完整包地﹐线宽要求6mils以上﹐并且尽量远离CCD输出信号(32mils以上)(见图8、图9)。

(2)AFE/DSP部分﹐CCD输出﹑H1/H2/HL/RG要求同(1)﹐另外还需要注意﹕一是C237/238/239/241/243/244/246是提供基准电平用的﹐必须与CCD输出隔直电容C240尽量靠近;二是AFE每组电源旁需放置至少一个0.1mF的旁置电容;三是40.5MHz晶振必须远离CCD输出信号。

　　调试

　　样品组装出来后，必须经过复杂且繁琐的调试过程，其中调试的项目、内容、步骤很多，这里只介绍CCD输出(输入)信号取样点的调整﹐因为此对图像的质量至关重要。

　　(1)调整H1/RG﹐使CCD输出P与D部分宽度基本相等(如图10)。

(2)调整SHP﹐使其上升沿在CCD输出信号P段的相对平滑处﹐此为CCD输出信号取样比较(黑电平)的基准点(如图11、图12)。

　　(3)调整SHD，使其上升沿在CCD输出信号D段的幅度最大且相对平滑处，此为CCD输出信号亮度取样的基准点。

　　常见图像不良现象分析处理

　　(1)图片左边有一固定亮条。

　　原因﹕RG/HL驱动电流过大。

　　对策﹕调整RG/HL驱动电流至合适(无过冲)

　　(2)图片上方有一固定亮条。

　　原因﹕RGVDD/HVDD电流响应不够快。

　　对策﹕靠近AFE IC RGVDD/HVDD PIN增加0.01mF LOW ESR MLCC电容。

(3)图片中有一些固定的竖条纹。

　　原因﹕AFE TG时序与CCD垂直驱动要求时序不符。

　　对策﹕调整AFE TG时序与CCD垂直驱动要求时序一致。

　　(4)图片中有一些固定的横条纹。

　　原因﹕不同帧的曝光时间不同。

　　对策﹕调整DSP的相关设定﹐使曝光时间一致。

　　(5)图片中有不固定的斜条纹。

　　原因﹕AFE CDS/CCD/TG电源噪声大。

　　对策﹕调整AFE CDS/CCD/TG电源设计﹐尽量减小电源噪声。