CC BY
68Компоненты и технологии, № 1'2004
CameraChips -
полная видеосистема на одном кристалле
Компания OmniVision Technologies является мировым лидером в разработке КМОП-технологий видеоизображения. В 2001 году она была названа журналом Fortune самой быстроразвивающейся полупроводниковой компанией. Основное направление деятельности — создание простых и функционально завершенных изделий CameraChips™, состоящих из датчика изображения, схемы обработки видеосигнала и интерфейса на одном кристалле.
Николай Ракович
пм
олучение видеоизображения — неотъемлемая составляющая современных информационных технологий. Видеосистемы содержат ПЗС-матрицу (CCD array) и блок обработки аналогового видеосигнала (АЦП с различными дополнениями) — отработанные принципы построения и технологии. Реальной альтернативой ПЗС являются КМОП-датчики изображения, совмещающие на одном кристалле светочувствительную матрицу и полную обработку аналогового сигнала (включая АЦП), следствием чего является простота применения и низкая стоимость разработки и производства различных видеосистем.
Первоначально КМОП-датчики изображения разрабатывались для космических программ NASA, где велась борьба за каждый миллиметр, грамм и миллиампер. В конце 90-х годов эти датчики появились на рынке электронных компонентов: в 1999 году объем продаж КМОП-датчиков изображения составил 7,2% от всех датчиков изображения. В 2004 году, по прогнозам, объем продаж составит 50,8% от проданных датчиков изображения (прирост почти 60% по сравнению с 6,2% для ПЗС). Такой бурный рост обусловлен низкой стоимостью КМОП-датчиков изображения, простотой применения, малыми размерами, низким потреблением (КМОП есть КМОП), и высокими техническими характеристиками.
Из областей применения КМОП-датчиков изображения рассмотрим те, которые развиваются в странах СНГ:
• системы видеонаблюдения, системы безопасности;
• медицинские приборы;
• биометрические системы идентификации (по отпечаткам пальцев, по сетчатке глаз);
• считыватели штрих-кода;
• системы технического зрения;
• автомобили.
В автомобилях КМОП-датчики изображения применяются не только в панорамном зеркале, избавляя полностью от «мертвых» зон, но и в системе
контроля фар. На базе таких датчиков работают система предупреждения пересечения разделительной полосы, система ночного видения, управление подушками безопасности, визуальный контроль сидения ребенка и датчик дождя.
Характеристики и применение КМОП-датчиков изображения рассмотрим на примере приборов фирмы OmniVision. OmniVision (www.ovt.com) — один из двух лидеров данного сегмента рынка электронных компонентов, производящий 25% всей продукции (фирма Agilent — тоже 25%, 50% делят Conexant, Fujitsu, Eastman Kodak, STM, Sony и пр.), кроме того, компоненты этой фирмы имеются на рынке СНГ и стран Балтии (www.premier-electric.com).
CameraChips
КМОП-датчики изображения OmniVision выпускаются под торговой маркой CameraChips (см. таблицу). Варианты — практически на все случаи жизни.
OV7930 — цветная камера с полным видеосигналом NTSC на выходе, что позволяет подключать ее непосредственно к монитору VCR TV (питание +5 В). Диапазон применения — от систем видеоконференций, видеофонов до систем видеонаблюдения, безопасности, идентификации по отпечаткам пальцев, медицинского и стоматологического оборудования. И все это в 28-выводном корпусе CLCC-28 или PLCC-28.
Если вам необходим не только NTSC-видеосигнал, но и PAL, то для этого подойдет OV7910/OV7411 (цветная/черно-белая), которая работает с S-video. Основное назначение этих камер (по рекомендации OmniVision) — автомобили. Но они отлично подходят и для различных систем видеонаблюдения, видеоконференций и т. д.
Особенностью камер OV8610, OV9620/OV9121 (1,3 миллиона пикселей) является возможность изменять размер окна матрицы изображений, что увеличивает степень свободы разработчика при создании различных биометрических устройств, систем машинного зрения и пр.
Компоиеиты и технологии, № 1'2004
Таблица. Однокристальные КМОП-датчики изображения CameraChips™
Обозна- чение Вид изобра- Размер изобра- жения, Чувстви- тельность Сигнал/ шум Формат и стандарт Цифровой выход Анало- говый Примечание
жения пикселей (выход) 16 бит 8 бит 4 бит выход
OV5116 ч/б 352x488 320x240 1 люкс @ f1.4 > 45 дБ CCIR (50 Гц) EIA (60 Гц) + AGC, внешняя синхронизация кадров, встроенный видеомультиплексор
OV5017 ч/б 382x288 1 люкс @ f1.4 > 41 дБ + Интерфейс SRAM-типа. Совместим с USB через OV511
OV6620 Цвет. 352x488 3 люкс @ f1.4 > 48 дБ CCIR 601/656 YUV 422 RGB 422 + + + Шина управления !2С Совместим с USB через OV511
OV6120 ч/б 352x488 0,5 люкс @ f1.4 > 48 дБ CCIR 601/656 YUV 422 RGB 422 + + + Шина управления !2С Совместим с USB через OV511
OV7411 ч/б 508x492 628x582 0,2 люкс @ f1.4 > 48 дБ NTSC PAL + Высокочувсвительная версия OV7410. Шина управления ^
OV7910 Цвет. 508x492 628x582 3 люкс @ f1.4 > 48 дБ NTSC PAL + Шина управления ^
OV7410 ч/б 508x492 628x582 0,5 люкс @ f1.4 > 48 дБ NTSC PAL + Шина управления ^
OV7930 Цвет. 510x492 < 2,0 люкс > 46 дБ NTSC + Совместим с USB через OV511
OV7620 Цвет. 640x480 2,5 люкс @ f1.4 > 48 дБ CCIR 601/656 YUV 422 RGB 422 + + Шина управления ^ Совместим с USB через OV511
OV7120 ч/б 640x480 0,5 люкс @ f1.4 > 48 дБ CCIR 601/656 YUV 422 RGB 422 + + Шина управления !2С Совместим с USB через OV511
OV7635 Цвет. 640x480 5 люкс @ f1.2 > 48 дБ YUV 422 RGB 422 + Совместим с USB через OV511
OV7135 ч/б 640x480 0,8 люкс @ f1.2 > 48 дБ YUV 422 RGB 422 + Совместим с USB через OV511
OV7640 Цвет. 640x480 3,0 В/люкс-с 46 дБ YUV 422 RGB 422 + Совместим с USB через OV511
OV7141 ч/б 640x480 1,12 В/люкс-с 46 дБ YUV 422 RGB 422 + Совместим с USB через OV511
OV8610 Цвет. 800x600 3 люкс @ f1.2 > 48 дБ RGB 10 Совместим с USB через OV511
OV9620 Цвет. 1280x1024 1 В/люкс-с 54 дБ RGB 10 Совместим с USB через OV511
OV9121 ч/б 1280x1024 1 В/люкс-с 54 дБ RGB 10 Совместим с USB через OV511
OV2610 Цвет. 1600x1200 1 В/люкс-с 54 дБ RGB 10 Совместим с USB через OV511
На базе OV2610 с разрешением 1600x1200 пикселей (2 миллиона пикселей) делать обычную систему наблюдения, возможно, излишне, однако она отлично подходит для видеонакопителей и камкодеров покадровой съемки.
Полный перечень производимых датчиков изображения можно найти в таблице.
Структуру и основные принципы работы разберем на примере камер OV7640 (цветная) и OV7141 (черно-белая).
OV7640 и OV7141 CameraChips — КМОП-датчики изображения с напряжением питания 2,5 В, которые состоят из полнофункциональной VGA-камеры (с разрешением 640x480 пикселей) и процессора обработки видеосигнала (и все это — на одной подложке!). Эти камеры создают полноформатное, 8-разрядное изображение дискретным методом или по методу организации окна в различных форматах. Управление OV7640/OV7141 осуществляется через интерфейс SCCB (Serial Camera Control Bus — последовательная шина управления камерой).
Матрица изображения этого семейства работает со скоростью до 30 кадров в секунду, пользователь имеет возможность полностью управлять качеством изображения, формати-
рованием и передачей данных. Все необходимые функции обработки изображения: регулировка экспозиции, контрастность, баланс белого, цветонасыщение, регулировка цвето-
вого тона и т. д. программируются через интерфейс SCCB. Кроме того, в CameraChips используется технология OmniVision улучшения качества изображения за счет снижения или устранения «засоренности» изображения (размывание, ореол и пр.). В результате получается чистая и стабильная цветная или черно-белая картинка.
В состав OV7640/OV7141 входит (рис. 1):
• матрица изображения (светочувствительная матрица) (640x480 пикселей);
• тактовый генератор;
• блок аналоговой обработки сигнала;
• аналого-цифровые преобразователи;
• блок форматирования выходного сигнала;
• цифровой видеопорт;
• интерфейс SCCB.
Матрица изображения имеет 640 столбцов и 480 строк (307200 пикселей). Физически полная матрица содержит 652 столбца и 488 строк, из них шесть строк используются для калибровки уровня черного (оптический черный) цветовой интерполяции. Таким образом, максимальный размер окна матрицы составляет 652x482. Поперечное сечение матрицы изображения показано на рис. 2.
Тактовый генератор предназначен для:
• управления матрицей изображения и формирования кадра (выходы VGA и QVGA);
• генерации внутренних тактовых сигналов;
• синхронизации частоты кадров;
• управления автоматической экспозицией (АЕС);
• формирования внешних тактовых последовательностей (VSYNC, HREF и PCLK). Блок аналоговой обработки сигнала выполняет все функции по аналоговой обработке сигнала изображения:
• автоматическое управление усилением сигнала (AGC);
• автоматический баланс белого (AWB);
• цветонасыщение;
• регулировка цветового тона;
• контрастность;
• четкость;
• антиблюминг (устранение ореола);
• устранение размытости (отсутствие «тянучек»).
RESET -PWDN -
CLK-----
HREF •*-PCLK <
VSYNC M-SIOC — SIOD ■*
Analog Processing
- 14 r. MUX A/D
— В ■ -►
| Saturation | | Gain
1 Hue | | WB | — MUX A/D
| Brightness | | Gamma | ►
Output
Formatter
Data
Formatter
I Windowing I
Image Array (640x480)
Collumn Sense Amps
Control Registers (To all circuits)
Timing Generator
I
Digital Video Port
SCCB
Interface
VREF
1.0 Mf
\7
Рис. 1
Компоненты и технологии, № 1'2004
PWDN ^ Sensor Power Down ^
Рис. 4
RESET____________
1 ms ,
^ 4096 External Clock w
Рис. 3
После блока аналоговой обработки сигнал цветного изображения через мультиплексоры поступает на два 8-разрядных аналогоцифровых преобразователя, один из которых предназначен для канала Y/G, а второй — для CbCr/BR. Каждый из АЦП работает на частоте до 12 МГц и полностью синхронизирован с частотой формирования пиксела (отношение реальной частоты преобразования к частоте кадра). Помимо АЦ-преобразования в этом блоке выполняется цифровая калибровка уровня черного (BLC), дополнительная задержка для УФ-канала, управление дополнительным диапазоном АЦ-преобразования. Все это позволяет пользователю регулировать яркость изображения для каждого конкретного случая.
Блок форматирования выходного сигнала обрабатывает данные перед передачей изображения на выход.
Цифровой видеопорт — управляемые программным способом драйверы выходного сигнала.
С целью упрощения подключения CameraChip к компьютеру, OmniVision предлагает контроллер USB-порта OV519-T64 CameraMate. Использование этого контроллера совместно с цифровыми камерами CameraChips позволяет создать полную (поддержка аудиоканала) видеосистему с USB-выходом без применения трансивера USB или памяти.
При работе интерфейс CameraChip контроллера OV519 синхронизируется с видеоданными YCbCr 422 однокристальной камеры для реализации функций DCW (субдискретизация, ограничение и установка
размеров окна) с требуемым разрешением при помощи набора команд USB. Полученное видеоизображение сразу преобразуется (в блоке сжатия данных) в стандартный формат JPG с помощью Data Compression Engine, и передается затем на хост через интерфейс USB. Все это позволяет пользователю легко, быстро и без особых затрат создавать видеосистемы на базе персонального компьютера.
Последовательная трехпроводная шина управления (SCCB) была специально разработана для управления основными функциями семейства CameraChips. Для уменьшения числа выводов возможна работа в двухпроводном режиме (структура SCCB на примере соединения ведущего с одним ведомым приведена на рис. 3). Камера OmniVision CameraChips подключается к шине SCCB только как ведомое устройство.
К шине SCCB может подключаться одно ведущее устройство (например, OV519), которое управляет, по крайней мере, одним ведомым. Для снижения потребления питания ведущий может отключать питание всей SCCB системы с помощью сигнала управления режима пониженного энергопотребления.
Чтобы уменьшить число выводов при двухпроводном варианте SCCB один ведущий управляет одним ведомым (подключение CameraChip). При этом варианте SCCB используется один из двух способов управления: а) ведущее устройство должно поддерживать режим третьего состояния для линии данных; б) если ведущий шины не поддерживает третье состояние, то на линии данных должен быть высокий или низкий
уровень с подтверждением связи с ведомым CameraChip.
Ведущий шины формирует два управляющих сигнала SCCB_E и SIO_C, сигнал SIO_D — как ведущий, так и ведомый. При снятии сигнала SCCB_E ведущий должен заблокировать вход SIO_D, чтобы избежать неопределенного состояния шины при переходе в третье состояние. Ведущий шины игнорирует состояние на SIO_D и подтверждает последующие фазы сигнала при передаче безразличного разряда. Для индикации цикла пониженного потребления ведущее устройство формирует сигнал PWDN_.
Ведомый (ведомые) шины принимает сигналы SCCB_E и SIO_C. Для уменьшения тока утечки (при «плавающих» входах) входные усилители сигналов SCCB_E, SIO_C и SIO_D ведомого устройства имеют вывод управления режимом ожидания (STBY). В режиме ожидания на выходе этих усилителей устанавливается уровень логической «1», что позволяет избежать логических ошибок во время режима пониженного потребления. Сигнал PWDN управляет состоянием STBY линии SCCB_E.
Информация о КМОП-датчиках изображения будет неполной, если не упомянуть о средствах разработки. Наборы разработки Kit и комплект драйверов помогут оживить системы на основе однокристальных камер видеосигнала.
Более полная информация подпадает под действие NDA (соглашение о конфиденциальности). Подписание NDA с фирмой OmniVision или с их официальным представителем в странах СНГ и Балтии фирмой «Премьер-электрик» позволит вам получить подробные данные о всей продукции семейства CameraChips и CameraMate, наборах Kit и другую информацию.
Выводы
1. КМОП-датчики изображения позволяют создавать видеосистемы с малым потреблением, минимумом внешних элементов (в большинстве случаев нужна только простая оптика), высоким качеством изображения и низкой себестоимостью.
2. Простота подключения к персональному компьютеру через ШВ-порт значительно упрощает создание видеосистем любой сложности и для любых приложений. ЖЯ
