（电气工程专业论文）500万像素cmos数码相机的设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h r a p i dg r o w t ho f t h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，d i g i t a lc a m e r ah a s b e e ni n c r e a s i n g l yp o p u l a ra sah a n d yp cp e r i p h e r a lf o rc a p t u r i n gn a t u r a l i m a g e s ，a u d i oa n dv i d e o t h i sp a p e re x p l o r e sh o wt ol o wd i g i t a lc a m e r ac o s t sa n dh o wt o i m p r o v et h eu s e di m p r e s s i o na l g o r i t h m w eh a v ed e t a i l e dt h es y s t e m p r i n c i p l ea n dh a r d w a r ed e s i g n o fc m o sb a s e dd i g i t a lc a n e r aa n d d e v e l o p e da ni m p r o v e dc o m p r e s s i o na l g o r i t h m t h eu s eo fa d v a n c e dd e s i g n c o n c e p t sa n dq u a l i t ym a n a g e m e n t p h i l o s o p h y , t h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，s o t h a td i g i t a lc a m e r ae f f i c i e n c y , q u a l i t ya n dp r o d u c t i o no fs t r a i g h t - t h r o u g hr a t e si n c r e a s e ds u b s t a n t i a l l y t h e r ea r ee i g h tp a r t so ft h i sa r t i c l e t h ef i r s tc h a p t e rr a i s et h es o u r c e o ft h i sp r o b l e ，t h eb a c k g r o u n da n dt h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c h t h es e c o n d c h a p t e ri sd e s i g nt e c h n i q u e so fm a k i n gad i g i t a lc a m e r ai n t e g r a t e d h a r d w a r e t h et h i r dc h a p t e ri sd e s i g nt e c h n i q u e so f d i g i t a lc a m e r a s a u t o e x p o s u r et e c h n i q u e s t h ef o u r t hc h a p t e ri sd e s i g nt e c h n i q u e so f d i g i t a lc a m e r a sa u t o m a t i cw h i t eb a l a n c et e c h n o l o g y t h ef i f t hc h a p t e ri s d e s i g nt e c h n i q u e so fd i g i t a lc a m e r a si m a g eq u a l i t yd e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h es i x t hc h a p t e ri sd e s i g nt e c h n i q u e so fd i g i t a lc a m e r aa p p l i c a t i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t h es e v e n t hc h a p t e ri sas u m m a r yo f p r o d u c t i o n ，i n c l u d i n gp l a n ta n dp r o c e s s t h el a s tc h a p t e ri ss u m m a r i z eo f 江苏大学工程硕士学位论文 t h i sa r t i c l e ，i n c l u d i n gt h ee x p e r i e n c ea n dt h ee x p e c t a t i o no ff u r t h e rw o r k c o m p l e t i o no ft h ep r o j e c tt oa d d r e s s t h ed i g i t a lc a m e r ai nt h e p r o c e s s o fi n d u s t r i a l i z a t i o no ft h et e c h n o l o g y , t e c h n o l o g y , m a r k e t c h a l l e n g e s ，h a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dav a r i e t yo fd i g i t a lc a m e r a s 。 k e yw o r d s ：d i g i t a lc a m e r a ，c m o s ，i m a g ec o m p r e s s i o n ，a u t o f o c u s ，a u t oe x p o s u r e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名： 签字日期：2 0 0 9 年 陈永钢 侣办气田 i 1 0 月2 5 日汨 眨 小 、莎 年 苍7 名 期 签 日 井p 7 一 师 字 导 签 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：陈永钢 日期：2 0 0 9 年1 0 月 2 5 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 自1 8 3 9 年摄影术问世以来，在这一个多世纪的漫长岁月里，胶片照相机一 直是摄影舞台上的主角。进入2 0 世纪9 0 年代，数字技术突飞猛进，数字化如春 潮泛起，以计算机技术为核心的多媒体技术向传统的模拟技术发起了全面的冲 击。多媒体技术的融入，加快了传统胶片摄影的数字化进程。 和传统拍摄技术相比，它大致有如下的优点： ( 1 ) 不需要传统相机所必须的胶卷、暗室，不需要扫描仪即可实现照片的数字 化，所拍摄的照片也能直接输入到计算机中或i n t e m e t 网上，并可通过计算机实 现对图像的编辑、处理，大大地提高了工作效率； ( 2 ) 用传统的相机拍照无法立即看到结果，而数码相机则实现了“所见即所得”， 能够立刻看到拍摄到的照片，如不满意可删去； ( 3 ) 数码相机的存储器可以重复使用，非常经济、方便； ( 4 ) 大部分数码相机均具有视频输出功能，可作为一种图像演示设备； ( 5 ) 数码相机拍出的相片可以无限次复制，永久保存。 正是由于它具有上述突出的优点，所以，一经问世便迅速走红全球，受世人 所瞩目。在互联网应用飞速发展的今天，更展示出强大的生命力。如今，数码相 机已经不仅仅是一种新型的摄影工具，同时也成为计算机的重要外设，并且已经 成为当前计算机外围设备市场中最热门的商品，在短短的时间内受到了广大用户 的青睐，应用的范围也不断地扩大，现在，触角已经伸向广告设计、新闻摄影、 保险、档案、医疗、婚纱摄影等领域。 1 2 研究背景 目前市场上出现的数码相机大多数是日本等国家生产的，如：尼康、奥林巴 斯、索尼、富士等。 而国内自行研制丌发的数码相机不多，并且不论是像素点的个数还是成像的 清晰度，与国外的产品都有不小的差距，我们作为中国电子产品生产厂家的技术 江苏大学工程硕士学位论文 人员，这就更激励我们应该迎头赶上。 当然，数码相机和其他消费类电子产品一样，也分为产品开发设计技术和产 品制造加工技术。无论是开发设计还是生产制造，数码相机所涉及的技术层面都 要比现有的d v d 、液晶电视等消费类电子产品复杂，这可能也是国产数码相机 还没能像d v d 、液晶电视等产品那样大规模制造的原因之一。为了使国内开发 设计和生产制造的数码相机也能像国产d v d 和液晶电视等一样，在世界市场中 占有应有的份额，一方面必须大力提高国内厂商的生产制造水平，另一方面更需 要提高产品开发设计的水平。 1 3 主要工作和结构安排 数码相机所涉及的关键硬件，如图像传感器、l c d 、镜头等目前在短期内对 国内厂商来说还必须依赖进口，尤其c c d 更是制约着国内数码相机的发展。本 文的研究工作就是降低目前数码相机成本高，国产化低的不足，在降低成本，并 且图像品质不降低的情况下，讨论低成本、高性能的数码相机的系统原理，并在 此基础上，实现国产化，大批量生产。 1 3 1 产品的硬件整合技术 首先理解了数码相机的系统构成，在此基础上对数码相机进行硬件整合，主 要利用c o m s 的图像传感器作为数码相机的核心部件，c m o s 具有成本低，功 耗低的特点。这可以作为国内厂商提高其产品成本的切入点。由于c m o s 的功 耗低，相关的电源电路就可以简化，使数码相机的成本大大降低。 2 江苏大学工程硕士学位论文 譬圜 圈曰茸 回回 1 3 2 产品软件技术 嘲数码相机的基本硬件组成 由于采用了c o m s 传感器，由于c c d 图像传感器具有灵敏度高、噪声小， 如果采用c m o s 围像传感器必须在图像质量上的提高所以，本产品在图像 处理上的关键软件技术设计，可以使数码相机的附加值大大提高。 图1 - 2 给出了数码相机完整的成像过程。 暇孵 一； 2 8 预处理阶段 i i i ! d ：i i i i ， i 虱 = 7 x _ 一一 1 一婴望登一j 匡竺自豳 l 型l 叫l 鼍忉 邶 l 竿j 妊n 江苏大学工程硕士学位论文 数码相机拍摄出实际照片之前，d s p 不断读图像传感器，分析其输出，以确 定出决定最终照片质量的三个参数，即白平衡、对焦和曝光。 白平衡：把各种不同光源色温下的被摄景物的颜色，拍摄还原成标准色温下 的颜色。调整白平衡，是保证准确还原被摄物真实颜色的需要。 对焦：对焦的目的是使被摄景物在感光芯片平面上结成清晰的影像，保证所 摄画面上主体影像的清晰。 曝光：在拍摄过程中使数码相机中的感光芯片得到合适的曝光。 本论文软件研究的是数码相机的自动曝光和白平衡问题。对焦的准确与否， 决定了所拍摄照片的清晰度；曝光的正确与否，决定了照片的色还原与层次。其 他的辅助自动化功能再多，没有a f 和a e 的良好性能是没有用的 2 1 。因此研究 数码相机的自动对焦、自动曝光技术对于拍摄出清晰的、层次分明的照片有着很 重要的意义。 1 2 2 1 自动曝光概况 数码相机所采用的曝光方式既可以采用测光手动曝光也可以采用自动曝光。 测光手动曝光就是由拍摄者自己选择光圈系数、快门速度，使用数码相机的 测光系统判断曝光是否合适的曝光方式。 自动曝光则是由数码相机根据自身测光系统的测光结果，自动选定光圈系 数、快门速度( 或者人为选择一项，相机自动选择另一项) 来获得准确曝光的曝光 方式。自动曝光可以分为光圈先决式自动曝光、快门先决式自动曝光、程序式自 动曝光等形式【。 光圈先决式自动曝光就是人为选定光圈系数，相机自动选择快门速度。 快门先决式自动曝光则是人为选定快门速度，相机自动选择光圈系数。 程序式自动曝光是指光圈系数和快门速度均由相机内置的程序自动调节。它 的优点是不需要拍摄者设定光圈系数和快门速度。 传统的自动曝光控制方法中，有的采用特定的微处理器硬件电路控制曝光 吐有的采用图像的整体亮度来控制曝光，但是如果拍摄主体与拍摄背景之问的 亮度差太大，会使得拍摄主体出现曝光不足或者曝光过度的现象【8 】；有的采用参 照亮度值，将图像分块，每一块子图像的亮度被用于设置参照亮度值，该参照亮 度值可以通过调整光圈大小获得【9 】，当然同样也可以通过设置快门速度获得该参 4 江苏大学工程硕士学位论文 照亮度值【1 0 1 ；还有的则通过研究不同光照条件下的亮度与曝光值之间的关系来 进行曝光控制【1 1 1 【1 2 】【1 3 1 。 1 2 2 2 自动白平衡 不同的光源发出光的色调是不同的。不同光的色调是用色温来描述的，单位 是开尔文( k ) ，它是这样定义的：在常温下把一块理想的纯黑色金属物质加热，随着 温度不断上升物体会呈现出不同的颜色，人们把呈现不同颜色下的温度叫色温 以此标准来定义可见光的色调。万里无云的蓝天的色温约为1 0 0 0 0k ，阴天约为 7 0 0 0 9 0 0 0k ，晴天同光直射下的色温约为5 6 0 0 k 日出或日落时的色温约为2 0 0 0 k 。 在各种不同的光线状况下，目标物的色彩会产生变化。在这方面，人们对白 色物体的变化最为敏感：在室内钨丝灯光下，白色物体看起来会带有橘黄色色调， 在这样的光照条件下拍摄出来的景物就会偏黄；但如果是在蔚蓝天空下，则会带 有蓝色色调。在这样的光照条件下拍摄出来的景物会偏蓝。为了尽可能减少外来 光线对目标颜色造成的影响，在不同的色温条件下都能还原出被摄目标本来的色 彩，这就需要对数码相机进行色彩校正，以达到正确的色彩平衡。白色物体因反 射了全部的可见光谱，所以数码相机把它作为调定的标准，在进行手动白平衡调 整时，白平衡机构会试图把一定范围内除了纯白色以外的其它色调调制成纯白 色，如果这个部分是黄色，它会加强蓝色来减少画面中的黄色色彩，以求得更为 自然的色彩。数码相机只要在拍摄白色物体时正确还原物体的白色，就可以在同 样的照明条件下正确还原物体的其他色彩。因此称为白平衡调整。 它分为自动和手动调整，手动更准确一些且调整范围更大。考虑到目前使用 数码相机的用户定位和方便用户角度，本数码相机产品主要是使用自动白平衡。 1 3 3 产品的生产工程技术 由于数码相机属于个人消费类的产品，消费类产品的设计一般都是以市场为 导向，一个全新的产品既要引导消费，也必须具有相应的消费群体，否则终将被 市场淘汰。而产品是否能够引导消费，是否能占据一定得消费群体与产品的外形、 功能、性能密切相关，因此，新产品的开发必须以市场为导向进行约束设计。 江苏大学工程硕士学位论丈 1 2 3 1 外形个性化设计 这一点我们暂且称为形，应该说它是产品与人交流中最直接的因素之一了， 在外形上我们有可能根据不同市场群、不同的地域环境、不同的气候条件、不同 的民俗习惯等差异性，做出相应调节。 1 2 3 2 模块化设计 为节约成本，并方便生产，我们可以在设计时把设计元素做模块化处理，做 到一件多用，各件互用。这样做也会有效控制成本，增强产品的连续性和保持产 品风格的相对稳定性。 1 2 3 3 产品品质的控制 质量是永恒的主题，产品质量是企业百谈不厌的话题。产品质量源于设计、 制造、管理的质量，贯穿于产品形成的全过程，因此它是企业永远不懈追求的目 标。精心设计、精心制造、精心管理被有识企业家视为提高产品质量的有效手段。 由于数码相机大量采用了新技术、新工艺、新器材，故在投产之前必须经过 专题研究、设计、制造，试验、验证、定型等艰苦细致的工作，高质量的设计是 企业最根本的责任，如果产品设计得不好，无论员工怎么努力，无论提供什么先 进的手段，都不能生产出高质量的产品。因此必须把质量管理工作的重点放在设 计控制上，把质量管理方面7 0 的工作量放在设计控制上 在生产过程设计上保证可靠性设计，是保证产品质量的重要环节。可靠性差， 不仅妨害产品功能的正常发挥，给生产和经济发展带来损失，而且还会严重影响 使用效果，造成严重的质量事故，甚至危害人员安全。随着数码相机的复杂化、 精密化和自动化程度的不断提高，对数码相机的生产可靠性要求也愈来愈高。因 此，在设计过程中，开展可靠性设计、试验、管理等活动，努力提高产品的可靠 性水平和实现可靠性增长。 本文从数码相机的可靠性生产的基础上，进行生产和车间方面的设计要求。 我们进行的数码相机的设计研发，工程设计。一方面可以促使我们在相关技 术上迎头赶上国外先进水平，至少缩小与国外先进国家的差距，另一方面为我国 数码相机的大规模研制生产提供技术保证。 6 江苏大学工程硕士学位论文 1 4 论文主要内容 本文就是从数码相机的国产化工程角度出发，整合数码相机硬件，使数码相 机的成本大大降低。采用创新的数码相机软件，使数码相机在成本大大降低的基 础上，图像质量没有降低。采用先进的设计理念和质量管理理念，在此基础上写 的生产工艺，使数码相机生产效率、生产品质和生产直通率大大提高。 本文主要内容及成果： 1 将所研究的硬件系统，在镇江江奎集团所生产的数码相机d s c 5 0 0 0 和国 外数码相机比较，在品质没有大的差距的基础上，成本降低2 0 。 2 将所研究的纯软件自动白平衡、自动曝光算法在镇江江奎集团所生产的 数码相机d s c 5 0 0 0 中进行了试验，并得到了满意的结果。 3 将所研究的生产工艺，使线体的生产效率大大提高。 通过几年的研发、改进，和生产工程改进，我们的数码相机已经趋于成熟， 并产生出了多款数码相机。通过该产品的开发，大大降低了数码相机开发设汁和 生产的技术门槛，极大方便了数码相机产业的发展。 7 江苏大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第2 章数码相机硬件整合设计技术 数码相机是一种将光学、机械学和电子学集于一体的现代高新技术产品，集 成了图像信息的处理，存储和传输等各种设备。 2 2 数码相机关键圭件电路的组成 数码相机关键主件主要由相关电子元器件、光学部件、图象传感器、存储器、 数模转换器件以及数字信号处理器d s p 等构成，其结构组成如图2 1 所示。 e = ：= o b 帅m 舯匹敝 长= ：= = = c j 毗b u s 图2 - 1 数码相机主件电路构成 9 江苏大学工程硕士学位论文 甘 甘 oo o d c d c 锂电池充电管理 臼 厂 i 锂电i l 池 i 1 _ j 图2 - 2 数码相机供电电路构成 以下简单介绍其主要组成部分的功能。 ( 1 ) 感光元件 目前，数码相机中的感光元器件主要分为c m o s 和c c d 两种。其中c c d 是c h a g r ec o u l e dd e v i c e 的简称，即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它 是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜 头照射到c c d 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光 照强度。当你按动快门，c c d 将各个元件感应到的信息传送到模数转换器上， 模拟电信号经过模数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后 存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信 号和视频信号的方式输出。目前，日本的主要数码相机厂商都采用该感光元器件 来生产数码相机，然而其存在着集成度低、耗电量大，成本高、制造工艺复杂等 诸多缺点。因此，国内的数码相机产业刚刚起步时不宣大量采用该感光元器件来 生产数码相机。而c m o s 感光器件则在以上方面相对c c d 来说有着较大优势， 因此，在本项目中我们采用了c m o s 来进行主件研发。 c m o s 即互补性金属氧化物半导体，其和c c d 一样都可用来感受光线变化 的半导体，相对c c d 最主要的优势就是非常省电，当然其集成度高、成本低、 制造工艺简单也是其优于c c d 的主要特点。为此，在关键主件开发中我们选用 了c m o s 感光元器件。然而，c m o s 的缺点在于处理快速变化的影像时，由于 电流变化过于频繁会产生过热。另外暗电流也是影响画质的因素之一，对暗电流 抑制的好坏直接影响到图像杂点的产生。因此如何消除暗电流的影响是研制开发 关键主件的个重要课题。 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 ( 2 ) d s p _ 数字信号处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s e r ) 耳1 数字信号处理器，是数码相机关键主件的核 心元器件，其主要软件功能都在d s p 中实现，例如自动曝光、自动白平衡、闪 光灯控制等。在数码相机关键主件中采用了基于r i s p 核的d s p ，大大提高了相 关算法的实现速度，和成像品质。 ( 3 ) 存储器 在数码相机关键主件中，存储器分为内置存储器s d r a m 和外置存储器件， 例如f l a s h 存储器、c f 卡、s d 卡等。对内置存储器s d r a m ，目前可实现1 6 m 到2 5 6 m 不等的容量，对外置的存储器件可以支持f l a s h 存储器、c f 卡和s d 卡， 为用户提供较灵活的选择。 ( 4 ) t f t - l c d l c d 是数码相机优于传统相机显著的外观特点，通过在数码相机中引入 l c d 可以实现所见即所拍的功能，极大的方便了用户的使用。目前，常见的l c d 类型可分为模拟接口( 即通过复合视频信号) 和数字接口两种，而在数码相机中 所使用的大部分为数字接口。在数码相机关键主件中，既提供了复合视频信号的 接口方式，用户通过它可以方便地实现与电视的接口，也可以实现与模拟l c d 的接口，同时，还引入了数字视频接口方式，以实现与数字接口的l c d 的集成。 ( 5 ) 音频编码器 在数码相机关键主件中引入的音频编码器是实现录音和放音的关键模组，以 支持数码相机的音频功能。在设计开发该关键主件时，考虑到品质和成本因素， 我们选用了t i 的3 2 0 a c i s 音频处理芯片，在保证品质的前提下，大大降低了设 计成本。 ( 6 ) 闪光灯 闪光灯的英文学名为f l a s hl i g h t 。闪光灯也是加强曝光量的方式之一，尤其 在昏暗的地方，打闪光灯有助于让景物更明亮。使用闪光灯也会出现弊端，例如 在拍人物时，闪光灯的光线可能会在眼睛的瞳孔发生残留的现象，进而发生f 红 眼j 的情形，因此许多相机商都将“消除红眼 这项功能加入设计，在闪光灯开 启前先打出微弱光让瞳孔适应，然后再执行真正的闪光，避免红眼发生。中低档 数码相机一般都具备三种闪光灯模式，即自动闪光、消除红眼与关闭闪光灯。 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 电源管理技术 随着新产品对数码相机尺寸、形状的要求越来越小巧，便于携带，增大了数 码相机电池电源管理电路的设计难度，使其面临巨大挑战。在新一代数码相机 设计中，要求这部分电路能够在越来越狭小的空间内获得越来越高的效率。同样， 由于在数码相机关键主件中我们选用了c m o s 图象传感器件，因此，对电源的 要求更加严格，要求电源管理模块在能够提供充足的电力的同时，也要保证各路 电源的质量以及电源的利用效率，以便保证电力的持久性、可靠性，同时也能获 取较好的图象品质。 另外，根据数码相机产品的实际使用需求( 具有摄录功能) ，其供电方式应 提供多样化的选择，如d c 供电，普通电池供电，u s b 供电，可充电的锂电池供 电等，而且在提高性能的同时尽最大可能降低成本。 针对上述需求，由于各路的需求电流较大，因此我们着重提供大电流驱动， 同时内置锂电池充电电路。在供电方式上采用了d c 优先的d c 和锂电池供电两 路选择机制，较好地满足了能的数码相机对电源管理的需求。其电路设计如下图 所示。 图2 - 3 带锂电池充电电路的多通道电源管理方案 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 1d c d c 电源供电的设计 2 311 原理和组成 d c ( d i r e c tc u r r e n t ) ，表示的是直流电源，诸如干电池或车载电池之类。家庭 用的1 0 0 v 电源是交流电源( a c ) 。若通过一个转换器能将一个直流电压( 3 o v ) 转换 成其他的直流电压( 1 5 v 或5 0 v ) ，我们称这个转换器为d c d c 转换器，或称之为 开关电源或开关调整器。d c d c 转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三 极管，电容器构成。在讨论d c d c 转换器的性能时，如果单单针对控制芯片，是 不能判断其优劣的。其外围电路的元器件特性，和基板的布线方式等，能改变电 源电路的性能，因此，应进行综合判断。 图2 4d c 原理图 2 3 1 2d c i ) c 的调制方式 a 、p f m ( 脉冲频率调制方式) 开关脉冲宽度一定，通过改变脉冲输出的时间，使输出电压达到稳定。 b 、p w m ( 脉冲宽度调制) 开关脉冲的频率一定，通过改变脉冲输出宽度，使输出电压达到稳定。 采用p f m 和p w m 这两种不同调制方式的d c d c 转换器的性能不同点如表1 1 。 表2 1 项目p f mp w m 电路规模( i c 内部)简单复杂 消耗电流较少较多 纹波电压较大 较小 瞬态响应较差( 反应较慢)较好( 反应较快) 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 1 3p w m 的频率，p f m 的占空比的选择方法。 p w m 调制方式 表2 2 在选用较高频率的情况下在选用较低频率的情况下 ( 如：5 0 0 k h z ) ( 如：1 0 0 k h z ) l 小负载时，效率很低。 小负载时，效率较高。 2 输出电压的纹波较小 输出电压的纹波较大 因此，在小负载或待机时间较长的情况下，选用1 0 0 k h z 的频率，转换电路 的效率较高，但若考虑输出电压的纹波问题，若选用5 0 0 k h z 的频率，纹波电压 会较小。 p f m 调制方式 表2 3 占空比较大的情况占空比较小的情况 ( 如：d u t y = 7 5 )( 如：d u t y = 5 8 ) l 小负载时，效率较低 小负载时，效率较高。 2 可输出较大的电流。 输出的电流较小。 因此，选用7 5 的占空比，可得到较大的输出电流。若在负载不是很大的情 况下，选用5 8 的占空比，效率会较高。 2 3 1 4 掌握i ) c d c 转换器输出电压可变方法 d c d c 转换器应用回路的输出电压要求在外部控制可调，这种情况一般都是 用c p u 芯片控制的数字电路所需要。下面就用本数码相机1 8 v 采用的c p u 控制 d a 转换器电路来分析整个电路的原理、d a 转换器采用电压输出类型。d c d c 转换器选用f b 类型( 可以通过外接电阻来调整输出电压大小) ， 降压、升压芯片 的f b 端子电压l v 或者0 9 v 都可应用。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 u l p a n 3 6 6 x 图2 5d c 原理图 v o u t = 0 8 v ( i + r 5 p r 6 p ) 如上图v o u t 需要1 8 v ，及1 8 = 0 8 ( i + r 5 p r 6 p ) ，r 5 p r 6 p = i 2 5 ，可根据常用电阻，换 算，r 5 p = 3 3 k ，r 6 p = 2 7 k 2 3 2 锂电池充放电的设计 2 3 2 1 锂电池的放电特性 锂电池的寿命是指电池经过n 次1 c 充、1 c 放电后，容量下降到7 0 以 下时，此时的n 就是寿命。一块合格的锂电池正常使用的充放电次数有4 0 0 6 0 0 次。( c 是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1 0 0 0 m a h 的容 量，1 c 就是充电电流1 0 0 0 m a ，o 0 1 c 就是1 0 m a ) 。图2 - 6 为充电特性，图2 7 为相应的放电特性，图2 8 为充电管理电路。 4 4 3 毋 多3 c h a r g e ：c c i c v ，4 。2 v ，1 0 0 cm a 1 c ) x 2 5 h r s ，2 5 。c 7 t f c a p a c i t y 、| v o l t a g e ，7 r i ， 。 、。i c u r r e n t 图2 - 6 充电特性 1 0 o b 8 宅 k 0 68 o 4 0 2 江苏大学工程硕士学位论文 4 4 4 2 ，、4 0 己3 8 o 西3 6 母 13 4 o 3 2 3 0 2 8 c h a r g e ：c c c v t4 2 v ，0 5 c ( 5 0 0r n a ) d i s c h ar g e ：c o n s t a n tc u r r e n to 2 c ( 2 0 0 m a ) t o3 0 v j 蒌毫警毒= 皇，- 一 6 0 4 “1 4 旷f4 0 。c t l0 4 。f2 字c ，7 7 0 f = ：三 、= = _ ：= 芝 ， l - ，一 = ，0 f 一丐= 批= 、= 、l ，、 、 砌，则该像素点为白噪声点，记住该像素点的坐标值。 2 ) 在d 6 5 标准光源下对纯白物体进行拍照并获取图像，然后对每个像素点 的亮度值进行判断，如果l i l f o l d 2 ，则该像素点为黑噪声点，记住该像素点的坐 标值。 3 ) 对所检测到的白噪声点和黑噪声点进行相临性判断和合并，并将最终判 断结果根据像素点的个数分别存入二元组b 1 和b 2 中，其中像素点个数为l 的 存入b 1 ( 序号，像素坐标) ，像素点个数大于1 的存入b 2 ( 噪声点中心像素坐 标，噪声点像素个数) 中。 4 ) 对于存放在b l 中的噪声点可以通过软件插值法进行补偿，因此可以不 做考虑，只需要将检测结果写入数码相机关键主件中便可，而b 2 中的噪声点个 数直接影响图像质量，因此在检测中必须限制其数量和噪声点的大小。 5 2 2 噪声点的补偿方法 下： 对于包含一个像素的噪声点，我们采用了邻域插值法进行补偿，具体方法如 单点噪声( 只包含一个像素的噪声点) i + 1 j i 心1 ；+ l 图5 - 1 噪声点 f 户邻域图 对于噪声点 f ，户的颜色值用其周围象素进行插值补偿。 5 3 像面均匀度检测方法 由于镜头质量、图像传感器质量以及镜头和图像传感器的装配等因素的影 响，会造成最终的图象像面出现不均匀现象，如某个角严重偏暗，四周偏暗等。 因此在相机的生产过程中必须对由于上述原因造成的图像不良现象进行控制。我 们引入了像面均匀度指标h 作为控制标准来进行控制。像面均匀度的检测方法 可描述如下： 1 ) 在标准光源d 6 5 下对一白色物体进行拍照并获取图像，然后对所获取的 图像均匀划分为6 4 x 6 4 个子块，对每个子块计算其亮度值y 。 2 ) 根据各子块的亮度y 计算图像的均匀度h 。 3 ) 如果h h f o t d 贝j j 判定图像均匀度合格，否则为不合格品。 5 4 色偏检测方法 5 4 1 基于m a c b e t h 图的色偏检测方法 对于数码相机关键主件的色偏检测，考虑到检测的准确性、稳定性和可操作 性，我们将检测过程分为两个方面。一个用于生产流水线的检测，另一个是用于 成品抽检的检测方法。生产流水线对检测方法的要求除了准确性外，还特别强调 检测方法的检测效率和稳定性、可操作性，否则会严重干扰线体的流水速度。而 成品抽检则更强调检测效果，魄民真实使用海形的接i 匠皇墓铲为此，铢对生产流水 线的要求，我们提出了采用标准光源d 6 5 下拍照2 4 色m a c b e t h 图的方法进行检 4 5 江苏尢学工程硕士学位论文 测，而针对成品抽检则引入了基于图像分析的实景图像检测方法。 基于m a c b e t h 图的色偏检测方法主要分为两个检测步骤：图像的拍摄与获取 和图像的检测。 ( i ) 图像的拍照与获取 在标准d 6 5 光源箱里固定的位置放置一个2 4 色m a c b e t h 图色板，以固定的 位嚣拍照，获取图像。如图5 - 2 所示。 幽5 - 2m a c b e t h 图照片 ( 2 ) 图像的分析与检测 a ) 选取2 4 色m a c b e t h 图中的红、绿、蓝、灰阶2 和灰阶5 作为检测对象。 程序根据色彩的相似程度自动计算出上述五个检测对象的区域。 b ) 分别计算上述五个区域内的平均r g b 值，然后将其转换为l a b 值。 c ) 分别计算上述五个区域的实测l a b 值与m a c b e t h 图标准的l a b 值之间的色 差。 d ) 如果每个区域都满足d i d 州，则不存在色偏，否则存在色偏。 5 4 2 实景图象的色偏检测方法 依据第3 章介绍的色偏检测方法，图像色偏的具体判断过程可描述如下： ( 1 ) 对被检测图像进行预处理，将图像分成m x n 子块，并分别计算每个 子块r 、g 和g 平均值r 、g 和b 。根据胄、g 和b 计算各色块的l a b 值。 ( 2 ) 计算值大于删的所有子块的d 值。同时依据各子块的中心点的 r g b 值计算所有子块的口值，最后计算色偏因子k 。如果取= 岛删则认为不存 江苏大学工程硕士学位论文 在色偏，否则再对被测图像进行下面的处理。 ( 3 ) 对三值大于三删的各子块之间进行色度差计算，并以色度差西为特征 对各子块进行聚类。 ( 4 ) 根据各子块的聚类情况对各子块进行处理，剔除那些在整幅图像中所 占比例大于矽的聚类。 ( 5 ) 计算剩余子块的d 值，同时依据剩余子块的中心点的r g b 值计算的盯 值，最后计算色偏因子k 。如果d = k f o l d 2 则认为不存在色偏，否则判定为存在 色偏，并且k 越大，则色偏越严重。 在实际工程应用中上述的阀值三俐，g f o l d 2 和琢删可以根据实际需要作相 应调整。 5 5 清晰度检测方法 图像清晰度的检测方法既是衡量一幅数字图像质量好坏的重要环节，也是实 现数字成像系统自动对焦的基础。在数码相机关键主件的生产中，我们引入了基 于a c m 的清晰度检测方法。 从大量的实验结果我们知道，a c m 和h p a c m 分别具有较好的全局性和局 部性，因此，我们综合了a c m 和h p a c m 的优势得到了如下清晰度评价函数。 s h a r p = a c m + h p a c m 不难得出，该函数既有全局性的优势，同时对焦平面附近图像又具有足够的量化 精度。另外，由于a c m 和h p a c m 的计算在很大程度上存在相似部分，因此s h a r p 的计算时间将小于计算a c m 和计算h p a c m 所花费的时间之和，因此其计算效 率较好。 为了提高清晰度检测的速度，在对图像进行清晰度检测时往往只选取整个图 像的一部分来检测便可以，通常称之为焦点窗口。目前常见的焦点窗口选择方法 包括中心区域法和五区域法等。在捕捉像面中主体目标物体方面五区域法具有明 显优越性，可较为全面地反映整幅图像的清晰度。然而由于其采用了五区域加权 平均法来评价图像的清晰度，因此在被检图像选取五个区域以及这五个区域的权 重系数如何确定将是实现五区域法的关键所在。根据摄影艺术和美学理论中的 1 3 原则，焦点区域的划分如图5 3 所示，其中点o 为图像中心点，而点a 、b 、 4 7 江苏走学工程硕士学位论文 c 和d 到最近图像边界的距离为图像高或宽的1 门。不妨将以该五点为中心所选 取的焦点窗口分别标识为i f ：、降l 、阡0 和，并采用了神经网络法来学习 得到各窗口的加权系数。 。 团 8 圈5 - 3 根据l 凸原则选取对焦窗口 根据设计需要，我们在具体在生产过程中使用的标靶图如5 4 所示： 5 6 实验结果与分析 图5 _ 4对焦标靶图 在我们的方法的基础上，我们分别对大量不同清晰度的图象应用该方法进行 检验，实验表明具有较好的评价特性。图5 - 4 为两幅不同清晰度的图象咀及检测 结果。 江苏太学工程硕士学位论文 ( 曲s h a r p = - 3 2 5 3 2 0 ) s h a r p = - 1 1 0 6 9 图5 4 检测结果 同时，上述实验表明，该方法具有较好的计算效率和量化特性，能够较为准 确地将不同清晰度的图像检测出来，为数码相机关键主件的质量控制提供了技术 保证。 江苏大学工程硕士学位论文 5 7 小结 本章从影响数字图像品质的噪声点、均匀性、色偏和清晰度四个方面入手， 提出了相应的检测方法，并在此基础上实现了一套数码相机关键主件成像品质质 量检测与控制软件，为数码相机关键主件的生产质量控制提供了有力的技术保 障。 江苏大学工程硕士学位论文 6 1 引言 第6 章数码相机应用软件的设计开发 数码相机作为电子消费类产品正越来越多的走进人们的生活数码相机与传 统相机相比就在于其顺应了数字化的潮流拍出的照片视频音频信息可以方便的 通过电脑实现显示存储传输打印编辑因而数码相机都会附带软件来更好的实现 这些功能。 本设计采用的是p h o t om a n a g e r 的应用软件，p h o t om a n a g e r 是一个对数字图 像进行科学管理与优化处理个人相片管理系统。它可以把从数码相机中获取的数 字图像进行分类管理、编辑、艺术处理、相片打印、相册播放。 6 2p h o t om a n a g e r 的数据库 p h o t om a n a g e r 的数据库结构如下： 像片素材库图像打包库 h e a d e r 标志位 公司名 公司名 图像数量 相册主题 封面图像文件名 素材类型( 像框、信笺、 封面图像封面图像地址 贺卡、日历等) 封面图像大小 底面图像文件名 库名( 空时表示新建库)底面图像底面图像地址 底面图像大小 每页排列方式 素材个数 播放间隔 说明信息 江苏大学工程硕士学位论文 背景音文件名 记录背景音 背景音文件地址 背景音文件大小 素材名称图像名称 素材图像格式类型图像图像文件地址 小图标信息图像文件大小 图像信息在库中位置 配音文件名 图像信息长度 配音 配音文件地址 其它信息粘贴范围配音文件大小 媒体类型 文本粘贴范围图像主题 拍摄地点 显示控件编号 拍摄时间 目录说明信息长度 6 3p h o t om a n a g e r 的体系结构 p h o t om a n a g e r 的系统采用了层次化的体系结构，如图6 - 1 所示。 图6 1 体系结构 5 2 江苏大学工程硕士学位论文 其中公用数据类包括： 最大像素 颜色淡出类型 透明类型 打印风格 图像对象被选类型 文字垂直对齐类型 文字外观效果 实数 颜色类型 颜色指针类型 百分比类型 媒体类型 公用库函数包括： 确认框 判断一点是否在一矩形区域内 对实数取整 计算两颜色的相似度 信息提示框 获取一幅图像指定区域的子图像 在指定区域绘制图像 得到图像的比例显示区域 按t i l e 方式在制定区域绘制图像 在指定区域以最佳大小安比例绘制图像 按透明系数融合两幅图像 根据文件类型获取媒体类型 删除某个文件夹中的所有文件 h s v 到r g b 颜色空间转换 计算两点之间的距离 江苏大学工程硕士擘位论文 r g b 到h s v 颜色空间转换 按比例绘制图像 旋转融合图像 在驱动软件层，我们提供了t w a i n 和m a s ss t o r a g ed r i v e r 两种接l q 标准 使用户可以通过t w a i n 或优盘形式将数码相机中的照片下载到电脑中。 6 4 软件功能 整个功能分为五个主要组成部分，即：相册管理、图像色彩调整、图像编辑 相片打印。图6 _ 2 是p h o t om a n a g e r 的主界面。 。羔型o 麓 一。i 。冀 一l “- 一。一t 二_ 簟瞳孽嘲黟蠢“ 图6 2p h o t om a n a g e r 主界面 ( 1 ) 相册管理模块 创建像册：可创建无限数量的像册，便于管理，每个像册可容纳最多1 0 0 张 图像。 打开像册：打开像册，显示其中的各种数字像片、短影片和音频信息。 删除像册：删除指定的像册。 像册属性：设置像册的标题，背景音乐、像册说明。 删除图像删除被选像册中的指定图像。 导入图像：可以从文件夹、扫描仪、数码相机等一次批量导入图像 江苏大学工程硕士学位论文 图像属性：可以查看照片的日期、标题、大小、格式并可以添加说明。 图像预览：提供缩略图方式、列表方式、预览图像 全屏浏览：可以一张张地全屏浏览图像 自动手动播放：可以让像册自动或手动翻阅 播放控制