自1997年数位相机大量出现以来，其产品不断地提升功能，但价钱也不断地下降，促使数位相机的市场销售量每年以超过50%的比率在成长。从1997年的二百一十万台成长到2001年的一千八百万台。但是根据估计，数位相机的成长率自今年起，成长将会开始趋缓，因为这项产品即将进入成熟期。这也意味着功能完整而价格便宜的数位相机时代即将来临。

数位相机因为使用的便利性，容易与电脑结合，储存照片的张数也比传统相机来得多，加上观景预览及照片回播的功能，这样的便利性与实用性是传统相机所无法提供的，也加速了数位相机的接受度，使得数位相机的销售数量年年增加，而传统相机的市场则是逐渐下降。不过数位相机仍有其画质的限制，早期皆以三百万画素以下的产品为主，无法提供软片等级的解析度，所以传统相机仍有其立足之地。最近四百万、五百万、甚至六百万画素的相机推出，已使数位相机的画质大幅提升，传统相机的地位也将受到动摇。

数位相机的功能，随着市场的发展与SOC技术的精进而逐年得提升。现在的数位相机不但要画素高，而且要拍得快，也要品质优良，所以影像处理技术就非常重要，而且处理器的速度及功能都要逐年增加，以符合市场的期望。另外，LCD液晶观景显示面板也是一项重要的配备，其中色彩丰富而造型多变的操作介面，也需要MCU的处理。另外数位相机很重要的功能就是要储存照片，并可与电脑传输资料，所以各种快闪记忆体及记忆卡的介面，以及USB介面都是不可少的，这些也是数位相机MCU所要负责处理的介面。

数位相机专用MCU之技术特性

数位相机的架构大致可参考(图一)的方块图来说明。首先是感测器输入介面接收来自感测器元件的数位影像资料，然后利用外部的SDRAM作为各种中间资料的暂存区，等待MCU处理影像的曝光调整及色彩平衡的问题之后，才进入影像的压缩及编码。 Flash快闪记忆体是数位相机的底片，色彩处理后且被压缩的照片，就会存入快闪记忆体中。记忆体的大小会影响可储存照片的数目。

《图一 数字相机的基本架构》

在显示方面，小尺寸的LCD萤幕，作为取景与监看等功能是非常重要的，除此之外，LCD显示幕应该要能提供画面简洁、色彩丰富及使用方便的操作介面，这都要有MCU的支援。在传输介面方面，USB是目前最常用的介面，因为USB是个人电脑上最普遍的传输方式。至于其他如，RS232是早期使用的，IrDA是比较特殊的应用才有，而1394则是数位摄录影机常用的介面。在其他介面方面，类比电视信号输出，可以在电视上看到拍摄结果，这对一般没有个人电脑的家庭而言，是一个很好的功能，但不是必须的。而在系统控制方面，闪光灯、光圈、快门等光学与机械的控制也要仰赖MCU的帮助，以下就针对MCU相关的技术特性加以介绍。

感测器介面技术

目前数位相机的感测元件，分为CCD及CMOS两大类，其中以CCD的技术较为成熟，但因为制程与常用的CMOS不同，而且要外加类比数位转换切(ADC)、时序产生器(Timing Generation )、以及驱动电路(Vertical Drive)，如(图二)所示，所以控制较为复杂，成本因元件数目较多而增加。但是CCD因为技术较为成熟，杂讯较少，所以影像品质较高，画素可达六百万以上，是高阶数位相机必选的感测器。

《图二 CCD与CMOS传感器方块图》

在CMOS感测器方面，由与采用与一般数位逻辑相似的制程，所以成本较低，而且类比数位转换器(ADC)是内建于感测元件之中，不需外加电路，所以控制比较简单，对MCU来说，控制电路相对简单许多，如图二所示。但是CMOS感测元件的杂讯较高，而且技术上目前仍以百万画素以下为主，所以多半使用于低阶的数位相机中。

不论是CCD或CMOS感测元件，到了百万画素之后皆有感测像素瑕疵的问题，这是因为半导体元件制程的因素所造成，使得有少数的感测像素不能正确感光，形成照片上的黑点或白点。这时，MCU就负责必须将这些杂点去除，以确保由感测元件输入的影像资料皆为正确的。

影像色彩处理

数位相机的影像色彩处理是相片品质的关键，是数位相机最重要的一环。请参考(图三)的处理流程。首先是色彩内插，由于目前绝大部分的影像感测元件皆是采用拜尔排列(Bayer Pattern)，也就是采RGRG红绿红绿，与GBGB绿蓝绿蓝，以隔行交错的方式排列，所以每一个像素点只有一种颜色的资料，若想要得到其他颜色的资料，就必须靠色彩内插的方式得到，这项技术又叫做De-Mosaic，或影像的色彩内插，这个技术的好坏将会影响后续影像色彩处理之正确性。

《图三 影像色彩处理流程》

影像色彩内插后，就是曝光与色彩的平衡控制，由于不同的感测元件，其感光特性不同，对于不同的光线强度及光源特性，其反应不同，所以必须对于不同的光线环境调整曝光量，以及色彩的平衡，才能得到正确的照片颜色及亮度。否则，照片不是曝光不足，就是过度曝光，要不就是色彩偏红或偏蓝。这是非常重要的影像色彩处理步骤。

接下来是色彩校正部分，为了使最终的影像色彩更为鲜艳饱和，所以要有色彩校正的步骤，一般也称为Gamma Correction。它主要是调整色彩输入与输出的对应曲线，以达到提高对比度，增加彩度的效果。

影像压缩处理

影像的压缩处理也是数位相机的基本功能之一，因为未经过压缩的影像所占用的记忆空间太大了，以一个64Mb快闪记忆体为例，储存两百万画素的影像，只能放四张，所以影像压缩就很重要。以最常用的JPEG为例，一般可以压缩8至20倍，依影像品质要求而定，如此才可以提高照片的储存数量到8至20倍。一般来说，影像压缩都是在YCbCr座标系中处理，所以在压缩之前，所有影像都要经过色彩座标转换，如(图四)所示。

《图四 数字影像压缩》

影像压缩的技术有很多，但目前在数位相机中使用最广的是以离散余旋转换(DCT)为基础的JPEG，这是因为交换性的关系。目前几乎所有的数位相机都支援JPEG，电脑​​上支援JPEG解压缩的软体也最多，因此采用JPEG的交换性与通用性最高。即使是要录一段连续的动态画面，也是用Motion JPEG来压缩。因为它与单张静态影像用的是同一方法，具有共通性。

除了JPEG之外，目前有一种新的影像压缩方法是JPEG2000，它是以小波转换(Wavelet Transform)为基础，具有可依传输频宽，弹性调整输出资料速率及影像品质的能力，对于网际网路的应用相当不错。但是其压缩及解压缩所需的运算量，最少是为JPEG的5倍及2倍，对于数位相机的应用来说，MCU的负担很大。而且，在相同的低压缩比应用时(10倍以下)，JPEG与JPEG2000的效果相当。所以，虽然有数位相机专用的MCU宣称可以处理JPEG2000的压缩或解码，但实际应用者很少，其解码器也尚不普及。

储存记忆装置

记忆体的使用对于MCU来说也是非常重要，一般来说，动态记忆体SDRAM是用来暂时储存而已，快闪记忆体才是长期记录用的。 MCU会将各种处理的中间产物暂存于SDRAM中，例如将色彩还原后的影像转换成YCbCr格式后存在SDRAM中，然后再压缩成为JPEG档，最后写入快闪记忆体内。

《图五 数字相机MCU与内存》

在快闪记忆体方面，早期是使用相机内建的快闪记忆体，在拍满之后，由USB介面上传至个人电脑之内，加以编辑和储存。而目前主要的方式，则是使用各种小型快闪记忆卡，例如Compact Flash Card (CFC)、Multi-Media Card (MMC)、Smart Media Card (SMC)、Security Digital (SD) Card、以及Memory Stick ( MS)等。因为这些记忆卡可以抽换，增加了可携性及交换性，因此小型记忆卡已经是大部分数位相机的标准配备。

记忆卡的使用，会因为相机应用的不同，而选择不同规格标准及容量。对于外型娇小灵巧的相机，必须使用外型较小的记忆卡，如SD或MMC。外型较大的相机就可以选择体型较大的CFC或SMC。一般来说，记忆卡的容量与相机的画素会决定可以储存的画面张数，所以记忆卡的容量与张数成正比。不过大部分相机都会提供至少2到3种照片解析度的选择，使用较小的解析度，也可以增加拍照张数，不过也增加了MCU控制的复杂度。

传输介面

数位相机虽然已成为消费产品，但它对个人电脑的依存度仍然很高，因为要靠个人电脑上的软体来编辑、处理所拍摄的照片。所以USB介面是数位相机的标准配备。早期有人使用RS232是因为简单方便，但是速度太慢。目前最通用的USB 1.1规格可达12Mbps，一般来说已经够用。而且微软的视窗软体对USB的支援也最成熟。

IEEE 1394是一种高速的传输介面，一般常用于高级的手提摄录影机上，但是在个人电脑上尚不普及，微软的视窗软体对其支援的也不完全，并不会成为标准配备。倒是USB 2.0规格在未来可能渐受重视，使得数位相机在个人电脑的周边上，将继续以USB为主。

显示介面

目前的数位相机里，使用小尺寸LCD萤幕作为取景预览及照片回播是一项重要功能。因为在LCD面板上可以看到拍摄目标的情形，确定拍摄的内容，也可以检视拍摄的结果。不满意者，可以删除重拍。这样给拍照带来许多方便性，也省去浪费底片的烦恼。但是小型LCD显示器，有多家不同的供应商，其介面互不相通，因此如何交互支援便成为MCU相当大的困扰，必须增加额外的电路才能完成。一般来说，数位相机用的LCD萤幕大小，大都在1.4至1.6吋之间。

有了小尺寸LCD显示之后，数位相机的操作介面就可以由单色简化模式指示进入绘图式的彩色介面。为了提供彩色的操作选单，数位相机的MCU必须提供字形与图形重叠于影像照片之上的功能，这样才能做出各种选单的内容，与动作选项。

另外对于没有个人电脑的家庭来说，使用类比视讯信号输出是一个不错的功能，因为他可以提供一个电视上简易浏览的功能。但是因为其解析度不够高，大约只有35万画素的等级，所以无法欣赏到百万画素的解析度。因此并非必需的功能。

其他功能

数位相机除了影像的撷取、处理、压缩、储存、与传输之外，还是电子处理与光学镜头的组合。尤其是在高级的机种上，自动对焦、光学变焦、还有快门控制等，皆需要MCU的配合控制。另外闪光灯控制、自拍功能、长时间曝光等，也是要MCU的控制。但是这些功能不是单有硬体就好，更要有韧体(Firmware)的搭配才行。

另外，有一些非主流的数位相机，会加上数位录音或MP3播放等功能，但一般只限于特殊机型，并不普遍，所以可以用附加元件的方式完成。有少数的MCU因为内建DSP的缘故，本身就有MP3或数位录音的功能。

数位相机专用MCU的市场特性

数位相机的市场在经过前几年的高度成长后，预计从今(2002)年以后成长将趋于和缓，进入成熟期。依消费性产品的特性，其最大特色就是价格会逐年下降，而功能会持续增加，然后牺牲不需要的功能，以达到低价的目标。最明显的例子就是，过去35万或80万画素的入门机种早已由百万画素机种取代，而现在两百一十万画素的数位相机才是入门机种。至于未来三百万画素机种将会成为主流，因为其解析度已达一般相片冲印的水准。而百万画素的数位相机市场因为价格的因素，已渐渐转入CMOS感测元件的领域。

价格下降

根据调查，数位相机的平均售价，每年都会下降，在去(2001)年及前(2000)年，因为处于高度成长期，所以下降幅度较大，分别为30%与18%。随着数位相机渐渐进入成熟期，不但成长率会趋缓，价格下降的幅度也会减慢。预计今年的平均售价将比去年下降14%，请参阅(图六)，然后下降比例也会逐年减少。

《图六 数字相机平均价格下降比例》

数位相机价格下降的因应对策有：

1. 元件简化：因为元件的整合度提升，所以元件数量就可以减少。而精简的设计技术，也可以减少元件的数量，进而降低成本。

2. 元件降价：元件价格的下降，来自于相机产品本身的降价压力。而元件的降价也导致价格的竞争，以及MCU利润的萎缩。

3. 牺牲利润：ODM设计与OEM代工厂商，为了接单，不惜牺牲利润，削价竞争。

数位相机专用的MCU，在面对这些降价的压力时，如何做好成本的控制，是能否获利的重要考量。

功能提升

数位相机除了降价之外，提升功能与品质则是维持售价，提升竞争力的主要方法。所谓功能的提升，并不是完全采用全新的功能，而可以是由较高级的机种借用而来。例如原来低价的百万画素定焦数位相机，未来会提高到两百万画素的定焦数位相机。而随着四百万及五百万画素高级机种的推出，三百万画素机种将成为主力机种，但必需具有自动对焦的功能。

但是当相机画素解析度不断地增加之后，MCU的处理负担就加重许多，因为画素的增加，会延长处理时间，为了不使数位相机的功能下降，所以就要提升MCU的处理效能才行。要加快MCU的处理效能，可以从提高系统操作频率或增加硬体着手，但是​​这也会使电力的需求增加，所以必须有省电设计，以降低系统对电源的需求。至于以增加硬体来提升效能，则会增加MCU元件的成本，在加量(功能)不加价的前提之下，利润将被挤压。

数位相机由于是全数位化处理，有DSP功能，所以有许多其他的功能都要被整合到数位相机中，例如MP3播放、录音功能、收音机、短暂录影、PC相机、电视输出等等，不一而足，而且还会再出现其他新的想法。但是这些新功能，并非传统相机的特性，因此会不会被消费者接受，都要经过市场的试炼之后才知道。然而这些特殊功能，可能大部分都非必要，是属于小众市场，数位相机还是会回归以相机功能为主的主流市场。

软硬体的整合

数位相机虽属于消费性产品，但是因为它是光学、机械结构、与电子控制的整合设计，所以其中各个环结的搭配，是相当复杂的。而数位相机的MCU，位居三者之中，不但要负责光学影像的调整处理，还要控制快门、对焦等机械动作，所以需要有完整而复杂的软体来搭配，否则空有硬体是无法完成任务的。

另外，对于数位相机的操作介面，安排字幕图案的重叠功能，以及相机功能之操作顺序等，这些都要细密的软体微调才能完成，而MCU在此扮演的角色，就是一个指挥中心的角色。而各种新的功能与需求不断地加入，只会使数位相机MCU所需的功能更加强大，而控制软体更加复杂。

数位相机专用MCU的未来趋势

数位相机的未来趋势，不外乎是功能提升及价格下降，这是消费产品所需面对的现实。而数位相机MCU的未来趋势，就是要支援这个现实。其中主要的趋势如下：

随插即用(Plug-&-Play)

目前数位相机依附个人电脑的特质仍然很强，这从每台数位相机都有USB即可看出。而随着微软视窗软体的演进，对USB连接装置的储存媒体驱动程式也愈发完整。现在数位相机在插入USB连线之后，就会成为一个储存装置，如同一个抽取式PCMCIA记忆卡，视窗软体可以直接存取数位相机内的照片档案。

直接列印(Direct Print)

目前已有印表机可以直接列印小型记忆卡内的照片资料，但是数位相机仍无法直接经由印表机列印照片，必需经由个人电脑来达成。未来，如果数位相机MCU的效能提升很多，可以执行印表机的驱动程式时，就有机会直接将照片由相机传到印表机上列印。直接列印还需要USB-OTG的支援，因为这时数位相机是主动者。但是目前最大的问题是各家印表机的驱动程式不同，数位相机无法兼顾所有印表机，这将会是直接列印的主要瓶颈。

压缩处理(Compression)

数位相机除了目前最常用的JPEG压缩之外，为了配合愈来愈多的录影功能要求，增加录影时间，减少记忆空间，所以MPEG视讯压缩的需求也逐渐增加。目前看来，因为压缩资料大小的关系，以CIF或QCIF为主的MPEG-4压缩是较受注意的压缩方法。而在静态影像压缩方面，JPEG-2000是一个新的影像压缩技术，主要适用于网际网路的传送，其应用与单纯拍照不同。但是如果是要与网际网路结合的数位相机，则JPEG-2000也许是一个重要的需求。

可程式性(Programmability)

由于数位相机的功能需求愈来愈复杂，包括前述的随插即用、直接列印、与新的压缩处理等，已经无法以硬体直接实现，必需依赖强大的软体支援，所以具备高度的可程式性，以内建的CPU执行，才能达成这么多样性的需求。另外，为了简化产品开发的复杂度与时程，采用即时作业系统(RTOS)应是可能的趋势。这也意味着数位相机MCU将要支援RTOS，以便加速产品开发。

结论

数位相机专用MCU是数位相机的心脏，它必须处理感测元件提供的原始影像资料，经过曝光及色彩校正，得到正确色彩的影像，并将之压缩处理，储存于小型记忆卡中，或经由USB介面传送到个人电脑上。这些工作，不但要有硬体支援，还要有软体配合才行。

数位相机是光、机、电三个领域的高度整合，虽然MCU是数位相机的指挥中心，但是如果镜头的品质不好，或是机械结构的不良，都会导致拍摄影像的不良。因此，数位相机的成功，单靠MCU是不够的，唯有与光学系统及机械系统合作，才能尽全功。

数位相机随着价格的下降与功能的提升，已经渐渐为广大的消费者所接受，而数位相机专用MCU也会随着市场的发展，增加功能、提高效能、增加程式能力、采用新的压缩方法，降低成本等，这些都是未来发展的趋势。 (作者任职于凌阳科技)