数码相机技术现状及未来的发展
[发布时间]：2008年11月17日
[来源]：史小玲 陈路
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【导读】： 尽管数码相机问世已有很多年了，但直到最近技术进步才将其成本压缩到大多数消费者能够接受的程度，并开始带动这一市场的飞速发展。目前很多市场分析家都认为，未来几年数...
尽管数码相机问世已有很多年了，但直到最近技术进步才将其成本压缩到大多数消费者能够接受的程度，并开始带动这一市场的飞速发展。目前很多市场分析家都认为，未来几年数码相机市场将呈现爆炸性增长态势。他们预测，2007年数码相机市场需求量将超过7千万台，与此同时，传统胶片式相机的销售将不可避免地呈现下滑态势。台湾凌阳科技公司数码相机产品规划部李长龙博士也认为：“数码相机的发展正在进入其成熟期。”
2004年中国数码相机市场也开始呈现强劲的增长势头，并且市场主流需求开始集中到320万像素以上数码相机。如根据CCID的市场调查报告，2004年第二季度中国市场上300－400万像素级别的数码相机产品仍然占据市场主流位置，市场份额达到43.32%，但较2004年第一季度已经开始出现下滑，而400万像素以上产品的比重有所上升。预计2004年全年中国数码相机市场销量将达到264.7万台，销售额将达到49.52亿元，同比增长95.49%和69.0%。
数码相机市场巨大的增长潜力也正在吸引全球越来越多的消费电子制造商加入这一竞争行列，与此同时，用户对数码相机的消费需求也正变得越来越高。例如，尽管像素数越来越高，但消费者仍然希望显示拍摄图像的速度不低于以前，甚至更快；对图像处理的要求更高，如要求消红眼、减噪声、去马赛克、防抖动和最佳白平衡；希望不借助PC平台即能对图像进行音视频编辑处理、图片背注、图片上载、图片打印；希望能直接借助本地热点接入互联网，以实现即拍即送；等等。
“我们的研究表明，平均50%以上的数码相机用户希望直接在相机上编辑和管理数字图片，就像他们今天在家用PC上做的一样。”TI数码相机解决方案部门全球行销经理John Daniels表示。市场研究公司IDC数码摄像部资深研究员Chris Chute也指出：“嵌入在数码相机内的图片编辑功能是2004年下半年出现在数码相机市场上的最重要技术趋势，新涌现出的技术全都指向将PC上的图像校正和编辑功能移植到数码相机上。而像TI的可编程数字媒体处理器平台这样的技术可加快这一技术趋势，因为它们允许数码相机制造商在相机上集成上述一些图片编辑功能和其它一些特殊效果功能。”
除了上述功能方面的新需求，用户还普遍希望数码相机能更轻便小巧，以易于携带和操作(如现在非常受欢迎的卡片式外形设计)，同时还希望电池的工作时间更久，这就给数码相机的设计者提出了更高的技术挑战，即如何在保持功耗不变或更少的前提下，为数码相机增添更多的功能和提高反应速度。瑞萨科技公司图像处理定制LSI设计部门经理Yoshinobu Sato就深有同感，他说：“短期内数码相机设计所面临的最主要技术挑战将是，如何在低功耗与多功能之间做出最佳折衷；其次便是尽可能地满足客户对多功能的需求，并尽可能地提高信号处理速度以得到更高的图片质量；此外，还要支持更多类型的CCD/CMOS传感器和LCD显示屏。”
用户市场对更多功能和个性化产品永无休止的追求，以及用户需求市场的不可预测性，正继续推动着基于DSP的可编程数字媒体处理器平台成为主流的解决方案，因为与ASIC解决方案相比，可编程解决方案允许OEM制造商非常快速地增加新的功能。Sato也强调指出，面对这些挑战，最重要的是要努力加强与数码相机制造商合作，以明白用户市场的真正需求；另外，在架构方面，可考虑采用专用的硬件引擎与SIMD型可编程DSP。
在关键的摄像头部分，由于CCD的成像质量仍然远清晰于CMOS传感器，因此在可见的未来CMOS摄像头仍难以撼动CCD摄像头在中高端数码相机市场上的主导地位，但随着佳能和赛普拉斯开发出1,000万左右像素的CMOS传感器，假以时日CMOS摄像头肯定会在中高端数码相机市场占据一定的市场份额。在接口方面，由于未来的数码相机要求在不借助PC的情况下与数码打印机、数字TV和数字机顶盒连接并交换数据，因此新兴的USB-OTG接口标准将取代目前主流的USB1.1/2.0成为未来的标准接口。另外，在显示领域，2/2.5英寸TFT-LCD显示屏已毫无疑问成为目前的主流，未来随着OLED技术的成熟，OLED显示屏也将逐步取得一定的市场。
DSP+MCU仍将是主流图像处理引擎架构
目前数码相机图像处理引擎主要采用DSP+MCU双内核架构，MCU用于完成整个数码相机的控制功能，而DSP则用完成图像信号处理及一些附加功能的实现。图像处理引擎对最终数码相机输出的图片质量及其它各方面的性能表现起着至关重要的作用。由于未来数码相机系统所支持的像素数越来越高，以及类似MPEG-4视频编/解码、MP3播放、录音等多种功能将逐步融入数码相机，这必然给数码相机系统设计带来巨大的挑战。而且，数码相机达到一定级别的像素之后，就会更注重相片本身的图像品质，例如对图像的防噪处理、色彩的还原性、亮度，数码相机的曝光和对焦，这些都要求采用处理能力更强大的专用DSP(如TI的TMS320DSC/TMS320DM)，并需要采用更好的图像处理算法。
瑞萨目前为数码相机的图像处理应用提供标准的集成了DSP和MCU双内核的SoC平台。据Sato介绍，该平台支持多种CPU内核，并包含高性能管道化的DSP、多个内部总线及独特的MPEG4视频及音频引擎。而且，瑞萨还能将ASSP、存储器及其它器件封装进SiP，以实现小体积和低噪声。他说：“多年来，我们一直在满足日本数码相机制造商的各种需求，因此我们的方案可在很容易实现客户定制性能的同时，还提供很高的性能。”
凌阳科技的李长龙博士表示，下一代数码相机设计所面临的挑战将是如何以更低的功耗提供更高的图像处理速度，以支持更高的像素。信号处理管道方面更好的架构设计与可编程DSP相比能够提供更高的处理速度及更低的功耗。
此外，未来的数码相机控制任务也将越来越复杂，不仅要控制内部的信号捕获、图片显示、充电和音频输入，而且还要控制与外部打印机、PC、机顶盒、TV和本地热点的连接和数据交换。
凌阳科技目前可提供高度集成的数码相机主控制芯片，它包括CCD/CMOS传感器接口、色彩处理管道、硬件JPEG/MPEG-4引擎、DRAM接口、闪存卡接口、USB2.0接口、LCD显示接口以及镜头和快门控制用GPIO引脚。凌阳科技以硬件加速方法为主要方向，其芯片内没有可编程DSP，而是采用了可编程的RISC引擎来完成整个芯片的控制任务，这种基于硬件的方法具有更高性能和速度的优势，但灵活性要差一些。可编程DSP引擎的优势为其灵活性，但其计算方面的开销更多一些，而且性能也稍低。
李长龙表示，凌阳采用优化管道设计的硬件加速方法来获得信号处理及功耗方面优异的性能，同时给开发者留有足够的自由度，他们可以通过编程来定制自己的方案，不过，这种解决方案不如DSP方案那样完全可编程。
李长龙介绍说，凌阳科技的图像处理方案最高可支持1,600万像素的应用，虽然目前市场占有率还不是很高，但一直主宰着数码相机市场的日本厂商均已开始采用凌阳的方案。
他还提到，凌阳科技为客户提供数码相机控制器芯片，同时也提供项目技术支持，包括参考设计电路、参考软件及固件、调试工具及项目调试支持等。根据客户实际的研发能力，还会通过广泛的讨论和交流来为他们提供最适当的技术支持。
另外，ADI公司高速转换器部副总裁John Hussey认为，电池寿命、显示屏及打印机输出的图像质量等方面性能的改进以及简单易用性，将给信号处理和人机接口技术带来挑战。不断增加的功能性和更低电源电压的需求促使设计者将采用更先进的工艺，不过，这些又会带来更大的开发成本，并给传统的验证和产品测试手段带来挑战。另外，数码相机要避免被可拍照相机所取代，图像处理算法将变得越来越复杂，而且还将支持高性能运动图像压缩，以实现视频会议及聊天功能。
针对这些挑战，他认为，尽可能地基于模块化和平台的设计有肋于加速公司内部多款产品的设计，不过这会带来多个处理单元之间如何合理地进行处理能力的分配的问题。他表示，传统的研发主要采用逐步升级的方式，未来则有可能会转向分布式和更灵活的系统架构，这可促使子系统间采用集成和增强的通信手段。有些情况下甚至也许应重新考虑系统架构，以发挥可编程处理引擎和硬布线ASIC的优势。
日本数码相机厂商目前基本上均采用自行研发的图像处理方案，例如佳能采用的DiGiC是一种集成多种功能的专用处理器，它集成了CCD控制器、自动曝光/自动对焦/自动白平衡、信号处理、图形压缩、存储卡控制和液晶屏显示控制等六大功能。由于专门为数码相机设计，而且大量以往需要在芯片间传输的数据变成了单个芯片内部的数据流，DiGiC在最终图像效果、处理速度、耗电量等方面有很大的进步。
CCD/CMOS传感器各有千秋
目前，在一般消费级数码相机领域，300万像素以上相机基本上均采用CCD传感器，而300万像素以下则以CMOS传感器为主。CCD传感器技术主要由索尼、夏普、松下等几家日本数码相机厂商拥有，技术已经相当成熟。如今，面对消费级数码相机应用的CCD传感器正朝小尺寸化方向发展，以满足消费者对数码相机小型化的需求；而针对单反数码相机市场，各CCD供应商正已开发出2000万像素以上的超级蜂窝CCD器件。例如，日本富士胶卷今年初已上市配备2,068万有效像素“超级蜂窝CCD”的单反相机专用数码相机组件，摄影间隔约为1.5秒/张，最多可连拍7张，并具有大动态范围等特点。另外，为得到色彩丰富饱满的图片，在CCD传感器的色彩分辩率方面也有进展，Sony的四色滤光镜CCD相比传统三色(R/G/B)滤光镜增加了祖母绿色(Emerald)，可减少色彩还原错误，使拍摄的自然色彩更接近于人眼所看到的颜色，对蓝绿色和红色的还原显著增强。
相比CCD传感器，CMOS具有很多优势。CMOS传感器采用的是标准制造工艺，可利用现有的半导体制造设备，同时全球晶圆厂的CMOS生产线较多，大批量生产也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势是它具有高度系统集成的条件，理论上，所有数码相机的功能都可集成在同一个芯片上，降低数码相机的生产成本。CMOS传感器还具有低功耗特点，耗电量远远低于CCD传感器。据市场调研公司iSuppli公布的2004年二季度报告：在2003年到2008年间，CMOS图像传感器的市场规模预计将以40%以上的年增长率从2003年的7,800万片一路飚升。
CMOS传感器供应商主要为佳能、美光、Ominivision等公司，台湾也有几家厂商能提供300万像素以下CMOS传感器。另外，据Cypress的子公司FillFactory的营销总裁Lou Hermans透露，专长于CMOS传感器技术的FillFactory公司正在采用标准的0.13um CMOS技术生产用于高端及低端数码相机的CMOS传感器，与该公司所积累的设计经验相结合，将可以得到高性能低成本的CIS(Contact Image Sensor)器件，并且首先将用于单反数码相机。Hermans 说：“事实上，在降低SLR机身成本上CMOS传感器已扮演了重要的角色。由于SLR相机中允许采用高像素但尺寸较大的传感器， CMOS传感器便可以成功地与CCD相匹敌，从而发挥出CMOS传感器所具有的传统优势：低功耗、单电源电压及先进工艺所带来的高成品率及具有竞争力的价格。”目前CMOS传感器已经在高端单反相机中得到越来越多的应用，像素数已达到了800万至1,600万像素。
不过，虽然CMOS具有上述种种优势，但CMOS传感器却因感光度及信噪比不足等致命弱点，导致其图像质量一直无法与CCD传感器相媲美，而且生产成品率也是个问题。Cypress的Hermans表示，未来CMOS传感器将朝更优化的CMOS技术发展，以获得增强的性能和高成品率。
USB OTG将成下一代标准接口
数码相机目前大多数都采用了USB外围接口，以与PC进行图片/数据传输。其自然发展趋势是增加USB宿主及OTG功能，通过在数码相机中增加USB宿主功能，它允许在USB硬盘与其它存储卡之间通过读卡器进行数据交换。通过采用具备OTG端口连接器的DRD(dual role device)，允许数码相机既可以充当宿主角色也可以充当外设，与其它存储器件连接进行数据交换时充当宿主角色，而与PC连接时则是外设；当与其它具备OTG功能的DSC或产品(手机、PDA等)连接时则采用OTG DRD模式。在考虑了电池电量的前提下，提供全速宿主控制及高速外围控制的USB OTG芯片将可以最好地满足以上应用。
USB接口已经在数码相机中得到实现，要实现宿主及OTG DRD功能还需要针对宿主控制增加额外的软件驱动程序，以及收发器驱动程序，以使DSC能进行宿主与外设两种操作模式。TransDimension公司营销副总裁Mike Holt介绍说，一种解决方案是在DSC中增加一个宿主控制器，TransDimension的TD1120是一款OTG单芯片，它集成了全速宿主和高速外设控制器以及软件驱动程序。
此外，PAN、无线接口将得到广泛的应用，而且随着高清晰电视的逐步普及，将面临增加类似DVI/HDMI等接口的压力；通过PAN无线接口相机连接可至其它家用装置，或是实现数字相片的“热点(hot spots)”的全新服务概念，让消费者能到公共资讯站冲印或传送相片。
多种闪存卡并存，微型硬盘逐步得到应用
作为数码相机的一个附件，闪存卡对数码相机某些功能的发挥起着重要的作用，例如高像素相机必然需要大容量的闪存卡，高速连拍功能也需要大容量高速闪存卡的支持才能得以实现。目前数码相机所支持的存储卡包括CF、SmartMedia、SD、MMC、记忆棒以及xD卡。其中，由于CF卡具有良好的兼容性、扩展性与开放性，在专业数码相机与高端非专业数码相机上的应用已经占据了主流，另外应用的普及也带来了价格的降低，使CF卡成为目前市场上各种闪存器件中同等容量价格最低的产品；而拥有市场份额最多的是SD卡，它引入了数据保密机制，有利于保护数据安全和知识产权。xD卡是目前外型最为纤巧的一种闪存卡，东芝公司专门设计用于替代SM卡。
面对市场中诸多不同标准的闪存卡，消费者往往不知所从，如果所选择的数码相机使用的存储卡无以为继，所带来的烦恼可想而知。为了给系统制造商提供最大的灵活性及解决终端用户面对多种接口却无法采用同一插槽的问题，TI在其第三代CardBus控制器PCI7621上实现了对所有类型闪存卡的支持。
另外，除了闪存卡之外，未来数码相机必将配备更高容量的存储器——微硬盘。微型硬盘相比闪存卡具有大容量的优势，不过它仍有许多先天不足，在功耗、抗震性及数据安全性方面仍远不及闪存卡。
显示屏仍以TFT-LCD为主，OLED发展前景广阔
从数码相机销售者的角度来看，很多消费者在购买数码相机时，通常会以相机上面板影像的好坏来判断数码相机的等级，因此，在DSC产品应用上，面板的品质大幅左右了消费者的购买决定，扮演着重要的角色。另外，更大尺寸、更高分辨率的显示屏幕不仅仅在回放照片时派上用场，在取景和拍摄时判断对焦状况也非常重要。
目前市场上的数码相机主要采用TFT LCD显示屏，因为LCD具有辐射低、节省空间等诸多优点，再加上TFT LCD技术日渐成熟，消费者已完全接受TFT LCD。TFT LCD现在已是许多小型消费电子产品显示器的主流选择。
尽管LCD的优点相当多，但相对地，LCD反应速度较慢、视角范围小、色彩对比低等不足，还是让一些专业领域的使用者无法接受LCD。为了突破困境，更新一代的显示器技术转向材料领域寻找解决办法，目前最受瞩目的为OLED有机发光技术。在小尺寸屏幕显示技术上，OLED被视为LCD的后继者。
OLED的特性是自己发光，不像TFT LCD需要背光，因此更节省功耗而且几乎没有视角问题，相比TFT LCD亮度也比较高；其次是反应快、重量轻、厚度薄、构造简单、成本低等，被视为最有前途的一种显示技术。OLED的特色还在于其核心可以做得很薄，厚度为目前液晶的1/3，加上OLED为全固态组件，抗震性好，能适应恶劣环境。OLED的原件主要是依靠电压来调整，反应速度要比液晶元件依靠电场反应来得快。
Sumida公司现场工程经理(FEM)Osbert Kwan表示，数码相机系统中最耗电的部份包括TFT-LCD背光灯、光学变焦驱动马达及闪光灯(图2)，将来若采用OLED替代TFT-LCD，不仅可以大幅降低显示屏的功耗，而且还可以减少显示屏所产生热量对电感等元件的不良影响。
OLED与LCD相比具有很多优势，不过它仍有几个缺点，包括使用寿命仍不及LCD，另一个问题则是OLED色彩不均。
台湾友达光电(AUO)具有非晶硅(a-Si)TFT、低温多晶硅(LTPS)TFT及OLED三种显示技术，在全球数码相机显示面板市场占据将近25%的份额，在中小尺寸显示屏领域占有相当重要的地位。
该公司视讯显示器事业部协理连水池介绍说，其OLED实验产品，红、蓝、绿三原色的寿命已可超过一万小时，目前技术已成熟到可商品化的程度，尚待解决的主要课题则是量产良率的提升，及降低生产成本。由于OLED具有前述的优势，在相同尺寸及分辨率情况下，OLED面板将可被设计在高价格的相机中，以彰显OLED面板高品质的显像效果。友达将在今年内小量试产数码相机应用的AMOLED面板。
据友达光电介绍，目前LTPS面板已被日系大厂大量采用于数码相机的设计中。在相同尺寸下，LTPS因分辨率较高，影像品质比a-Si来的好，容易受消费者的喜好。相较于a-Si的制造工艺而言，LTPS的生产成本较高，生产良率较不易控制，如何降低LTPS生产成本会是今后努力的方向。从2004年8、9、10，三个月份友达光电的数码相机面板出货量中，LTPS面板已超过30%。
连水池表示，在愈来愈高的CCD传感器像素下，面板的像素已不足以显示数码相机所拍照的结果，所以提高面板的分辨率、亮度、色彩饱和度、增加视角范围，以及加大面板的尺寸(2.5英寸~3.5英寸)是数码相机显示器技术发展的方向。
目前数码相机显示面板制造商主要包括台湾的AUO，日本的Casio、ST-LCD、Sanyo-Epson(2004年10月1日正式成立合资公司)以及Sharp。其中AUO为DSC主要面板供应商之一，其品质、技术与量产能力都已可与日系厂商相抗衡。国内暂时还未有厂商生产数码相机用LCD面板，信利半导体公司的吴伟斌表示：“信利目前只有手机用LCD面板，至于数码相机用LCD面板，最早也要明年才能介入此一领域。”
低端数码相机面临可拍照手机挑战
目前，200万像素以下低端数码相机市场几乎已被可拍照手机吞食，最近有日本手机厂商推出320万像素的可拍照手机，并有手机厂商认为，在手机中实现更高的400万像素拍照功能已不成问题。各手机厂商及半导体供应商均将可拍照手机作为一个新的利润增长点，并纷纷加大了此一领域的投资及产品开发力度。ADI公司高速转换器部副总裁John Hussey表示：“可拍照手机为大家带来了一个激动人心的机会。”他认为，可拍照手机分辩率将会超过300万像素，部份产品将具备小型变焦及快门技术，以获得优于现有产品的图像质量。尽管如此，可拍照手机要真正撼动具备300万-400万像素及3倍光学变焦功能和闪光灯功能的数码相机的主流地位，不是短时间内就能实现的，手机厂商还需要必须解决很多问题，包括300万像素以上可拍照手机必须利用机械快门消除照片边缘的“浸润(smear)”现象，以及光学变焦和闪光灯的实现、各元件的小型化设计和耐冲击性的提高也是必须解决的问题。
三星半导体部门技术市场部负责手机CMOS传感器业务的何超认为：“手机这种产品对尺寸的要求(尤其亚洲人的手型较小)使得在手机中嵌入更高像素摄像头变得很不现实，200万像素目前可以做到，但要做到更高像素则必然带来外型尺寸、周边电路及内存不足等问题。”他还认为，人们将更愿意使用专门的数码相机拍照，可拍照手机拍摄的照片质量仍无法与数码相机相比。况且，数码相机厂商也并没有完全放弃低端市场，他们正通过在款式/风格、性能以及增强的连接功能等方面的差异化设计，来坚守住正被可拍照手机逐步侵食的低端数码相机市场。例如，许多厂商已专为女性用户设计了像素较低，但外型及颜色看起来均很可爱的低端数码相机，有的甚至还镶嵌了小镜子。数码相机厂商还推出了运动型的及专为儿童设计的低端数码相机。
展望未来
展望数码相机的未来，瑞萨的Sato认为：“下一代数码相机的主要趋势为——更高像素(1,000万像素以上)、支持MPEG-4编解码的动态拍摄及音频捕获功能、低端产品的图像防抖动功能、高端产品嵌入内置微硬盘以支持更高速的连续拍照功能及存储视频信息的需要。”
不过，凌阳科技公司负责数码相机产品规划的李长龙博士认为：“视频功能对于纯数码相机来说不是一项必备的功能，但对那些希望将多种功能集于一种设备的人们来说，视频及音频功能或许是必备的功能。如果需要视频功能的话，MPEG-4将是基本要求，但我不认为所有数码相机都需要支持MPEG-4视频编解码功能。”
ADI公司高速转换器部副总裁John Hussey则认为，小型硬盘和更大容量固态存储器在数码相机中的出现可能会促使一些公司开发一些类似PDA的功能。
瑞萨的Sato还认为：“未来将存在两种使用数码相机的方式，一种仅当作纯数码相机使用，人们只是用它来拍摄及打印照片；而另一种则是分析、利用相机中的照片及照片信息，如照片中人物的姓名、拍摄时间、地点、事件的背景等等，并通过全新的数字媒介将它们传出相机。我们期待并准备着第二种使用方式所带来的各种新的需求的出现。”
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