USB数码相机的控制芯片技术介绍

数码相机是由3个主要部份构成的：CMOS传感器（image sensor）、控制芯片、储存设备。但PC所使用的数码摄像头（PC camera）并没有储存设备，它的影像数据都是经由输出入通信端口（I/O port）直接传给PC播放或储存的，如图1所示。目前不管是消费型数码相机或PC摄像头，几乎都使用USB来传输影像数据，这是因为USB比其它传统的传输技术更便利和可靠，因此，也扩大了USB控制芯片的市场。

图1：USB数码相机架构图

一般功能

图2：USB相机控制器的内部架构

如图2所示，数码相机的USB控制芯片内部的主要功能有：影像信号处理（ISP）单元、影像数据压缩单元、数据传输单元。为了录音，有些还包括高音质的取样单元，此语音功能还必须遵守USB音频类别（audio class）标准。为了降低设计成本，此控制芯片必须包含USB控制器和传收器（transceiver），不需要外接内存。通常，从CMOS传感器传来的影像数据会被编译或压缩成JPEG、MPEG-4或H.264格式，所以，影像数据压缩单元其实是一个影像编码器。其余详细功能如下所列：

输出15fps的VGA信号（不需要额外的DRAM）

透过EEPROM或FLASH来启动和设定USB控制器参数。

接收来自于CMOS传感器的9/8位RGB（Bayer模式）原始数据

支持可程序化的色彩校正和gamma校正

支持可程序化的自动曝光（auto exposure；AE）、自动白平衡（auto white balance；AWB）、CMOS重置准位（reset level）的自动控制

支持自动增益控制（auto gain control）

支持4个量化表（quantization table），因此影像质量是可程序化的

可输出原始数据，借以提供高画质照片（still image）

I/O端口的供电压是3.3V，CPU的供电压是2.5V

在图2中，影像信号处理器在接收到原始的RGB数据之后，就进行各种影像处理工作，譬如：白平衡、色彩校正和gamma校正、histogram均化…….等。次取样（sub-sample）和水平扫描（raster）单元负责将输入的影像数据进行“缩放（scaling）”，并将它们转换成8×8的方块（block）格式，这种格式是DCT压缩模块所需要的。JPEG编码器单元将影像数据压缩成JPEG格式，最后，这些JPEG数据被USB设备控制器传送至PC储存或在屏幕上播放。音频接口支持单音（mono）或立体音16位PCM格式，这些语音数据是经过USB设备控制器的音频串流管路（pipe），被传送到PC。

CMOS传感器

目前常见的CMOS传感器厂牌有：Agilent、Hynix、IC Media、TASC、PixArt、Photobit、OmniVision、Century。CMOS传感器的输出接口是以8/9位为单位。

USB控制器

支持暂停（suspend）和远程唤醒（remote wakeup）的功能。支持3个传输接口：视频、音频和控制。USB参数储存于外部的EEPROM里，这些参数包括：厂商编号、产品编号、最大功率、序号、制造描述、产品描述、芯片版本。

影像信号处理

其硬件线路可以侦测或隐藏失效像素（dead pixel）。以2线或3线的串行总线（serial bus）接口与CMOS传感器通信。此外，还支持可程序化的AE/AWB窗口、画面边缘的强化、杂音的移除、2×2次取样。

水平扫描

通常，经过水平扫描（raster）以后的输出数据格式是4:2:2 YCbCr。虽然，CMOS传感器所拍摄到的原始影像是高画质的4:4:4 YCbCr，但为了影像压缩，必须将它转换为画质较差的4:2:2 YCbCr。此外，这个单元会将影像数据转换成DCT压缩模块所需要的8×8方块（block）格式。

压缩模块

支援2-AC和2-DC的Huffman码表（code table）。它具有“位率控制（bit rate control）”单元，可以调整压缩比。可程序化地简化JPEG抬头档（header），以加快编码速度。支持15fps VGA输出；或输出CIF（common intermediate format）/SIF（source input format）时，可以增加到30fps。

音频接口

内建16-位“模拟数码转换器（ADC）”，以提供录音功能。取样速率是8/16KHz。

系统控制

此单元负责控制影像信号处理单元、JPEG单元、USB单元，设定控制缓存器（control register）、产生系统频率、侦测错误、管理USB传输。

视频信号

图3：输入的视频信号

图4：输出的视频控制信号

图5：一个标准的Hsync信号和一条扫描线内的RGB视频信号

图3是从CMOS传感器输出端所测得的标准输入信号波形，其中CS_CLK是传感器的频率，CS_D是传感器的数据，Vsync和Hsync分别是垂直/水平同步信号。这些信号都是上升缘启动（rising-edge active）的。当Vsync从低值升到高值 时，表示一个新的视频框（frame）即将来临。当Vsync从低值升到高值时，表示一条新的扫描线（scanline）即将来临。

CS_CLK是从USB控制器输出到传感器，但是Vsync和Hsync的信号方向是双向的，当Vsync或Hsync是从传感器输入至USB控制器时，是标准的照相模式，影像数据随着CS_CLK频率不断地输出至USB控制器。当Vsync或Hsync是从USB控制器输入至LCD面板时，则是播放模式，影像数据随着CS_CLK频率不断地输出至LCD面板。因此，这种USB控制器芯片也是一种视频桥接器（video bridge）。图4是当Vsync或Hsync从USB控制器输入至LCD面板时的标准频率图，这时Vsync/Hsync会比CS_CLK慢Td的时间。

在一条标准的VGA或RGB信号线里面都包含了5个信号：红（R）、绿（G）、蓝（B）、Vsync、Hsync。红绿蓝3个信号是承载了像素数据的模拟信号，Vsync和Hsync则提供了要让显示器或面板能够正确播放影像所必需的时序信息。