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。

　　结语

　　本文针对数码相机影像部分的硬件设计给出了一个从元器件的选择到电路的制作﹑PCB的布线等整个过程的具体实施方案﹐并针对设计及调试中常遇到的一些重点注意事项进行了较深入的分析。