Поскольку сейчас цифровые камеры большей частью рассматривают как периферийное устройство ПК, наибольший спрос на них ожидается в Японии и США, где парк ПК велик. Росту продаж в немалой степени способствует стремительная экспансия сети Internet с ее насыщенными графической информацией Web-узлами (изучение рынка экспертами Hewlett-Packard показало, что 80% покупателей цифровых камер — пользователи сети), расширение возможностей мультимедийных ПК в сочетании с падением цен на камеры (в среднем на 30% ежегодно). Большой интерес к цифровой фотографии проявляет и промышленность. Самые активные ее сторонники — производители летательных аппаратов. Им нужны сотни таких камер для выявления невидимых механических напряжений фюзеляжа самолета. Одна камера с литиевой батареей обеспечивает дистанционное обслуживание самолета в течение 10 лет. Цифровые камеры весьма перспективны для ведения полицейских рабочих архивов. Они открывают широкие возможности перед фотожурналистами. Не случайно технология цифровой фотографии получила золотую медаль на Зимних Олимпийских играх в Нагано. Вооружившись цифровыми камерами, дорожными компьютерами и цифровыми сотовыми телефонами со скоростью передачи 9600 бит/с, фотографы, всегда испытывающие острый дефицит времени, смогли оперативно пересылать свои снимки в средства массовой информации. Однокристальные средства технического зрения и камеры для систем безопасности совсем скоро будут установлены повсюду. Повысился спрос и со стороны деловых кругов, нуждающихся в получении изображений, которые можно вводить в базы данных компьютеров, Web-страницы, использовать на презентациях.
Но, конечно, самые большие продажи нужно ожидать на рынке бытовой техники, особенно когда цена на высококачественные аппараты снизится с 700–1000 до 500 долл. Как полагают, процесс снижения цен начнется уже к концу этого года. Но объемы продаж цифровых камер домашнего и делового назначения сравняются, видимо, лишь через несколько лет. Еще больший срок потребуется для того, чтобы продажи стали сопоставимыми с продажами традиционных пленочных фотокамер (50 млн. ежегодно).
Существует два сценария развития цифровой фотографии. Согласно одному, цифровая фотография — не что иное, как компьютерная технология, и камеры — всего лишь дополнительное периферийное устройство. Эти простые аппараты, без ЖКИ-видеоискателя, с разрешением 640х480 или 768х540 пиксел, легко присоединяются к ПК с помощью универсальной последовательной шины (Universal Serial Bus — UBS) или шины периферийных элементов (PCI). По сути, они похожи на CD-ROM. Все основные средства обработки изображения встроены в ПК. В группу приверженцев этого направления входят 30 компаний, в том числе Kodak, Hewlett-Packard и Microsoft, а возглавляет ее Intel, которая проводит стратегию создания “визуально считывающего ПК”. Отдают ему предпочтение и эксперты крупной аналитической фирмы Dataquest, указывая на то, что при подключении к ПК смягчается проблема относительно низкого разрешения цифровых камер, которые, очевидно, еще какое-то время будут уступать по этому показателю традиционным фотоаппаратам.
Краткосрочная программа Intel предусматривает создание стандартных блоков, содержащих ИС и программные средства, для изготовителей средств цифровой фотографии. В конце прошлого года фирма выпустила КМОП-схему формирователя сигнала изображения с разрешением 768х576 пиксел, вошедшую в комплект устройств для “компьютерной” (ПК) камеры модели 971. Комплект также содержит процессор сигнала изображения, схему памяти, микропроцессор (вариант семейства 16-разрядных микроконтроллеров 80196), миниатюрную плату флэш-памяти емкостью 2 Мбайт, выполняющую функцию фотопленки, а также утилиту приема и сжатия изображения. Камеры на основе такого комплекта просты в обращении, их можно отнести к классу “наведи-и-снимай”. Стоить они будут около 300 долл. В начале этого года Intel получила поддержку одного из крупнейших производителей фотоаппаратов — фирмы Polaroid, которая во второй половине года планировала выпустить камеру на базе комплекта 971. Южнокорейские фирмы Lighton и Samsung также собирались начать производство камер на основе этого комплекта во второй половине года. О намерении применить комплект сообщили фирмы Aztech Systems и Lite-On.
Но захочет ли покупатель приобрести цифровую камеру, которую для получения качественного изображения необходимо подключать к ПК, тогда как традиционные аппараты почти сразу выдают фотоснимок? К тому же, приобретая “компьютерную” камеру, покупатель должен уметь работать с компьютером. И даже при выполнении этих условий сохраняются обоснованные сомнения в том, что изображение по качеству будет сопоставимо с обычной фотокарточкой. Все это укрепляет позиции другой группы, один из наиболее ярких представителей которой — поставщик аппаратных и программных средств фирма FlashPoint Technology, отпочковавшаяся в 1996 году от Apple Computer. Ее специалисты считают, что цифровые камеры будущего — это сложные автономные устройства с ЖКИ-видеоискателями, ИК-дистанционными средствами подключения к принтеру, компьютеру и одной камеры к другой. Такие камеры перспективны для применения в многофункциональных телефонных аппаратах (например, сотовый телефон с пользовательским видеоинтерфейсом) или для получения снимков “одним щелчком” без компьютера. По оценкам In-Stat, в 2001 году будет отгружено 25 млн. автономных цифровых камер.
FlashPoint предложила базовую конструкцию цифровой камеры, в которой использована разработанная ею операционная среда Digita и элементы аппаратных и программных средств партнеров — Motorola, Wind River Systems и SanDisk. Цель разработки — создать основу стандартной автономной цифровой камеры, которую не обязательно присоединять к ПК для обработки изображения. Digita — операционная среда, в которую входят операционная система реального времени VxWorks фирмы Wind River Systems и модули, созданные специалистами FlashPoint Technology. Платформа Digita содержит средства сопряжения с меню и пиктограммами, значительно облегчающие работу с камерой, и имеет набор свойств, позволяющих без ПК корректировать изображение, добавлять речевые и текстовые комментарии и распечатывать изображение, хранимое в памяти камеры. Несмотря на то, что часть средств позаимствована у вычислительной техники, по утверждению разработчиков, платформа Digita — первая ОС для цифровых камер, которая может применяться как в простейших и недорогих камерах VGA-стандарта, так и в профессиональных устройствах с высоким разрешением и качеством изображения. Правда, некоторые японские аналитики высказывают сомнение насчет того, что такая ОС будет принята фирмами—поставщиками бытовой техники, поскольку многие из них разработали свои специализированные программные средства для выпускаемых камер. Но Flashpoint убеждена, что для успешного проникновения цифровых камер на рынок бытовой электроники нужна именно такая универсальная платформа. Разработчики фирмы также считают, что платформа Digita позволит производителям выпускать специализированные устройства, например одни камеры — для агентов по недвижимости, другие — для страховых агентов или представителей правоохранительных органов, чьи профессиональные требования к этой аппаратуре существенно различаются.
Базовая система компании Flashpoint выполнена на базе ОС Digita, 50-МГц RISC-микропроцессора MPC 823 фирмы Motorola и платы флэш-памяти CompactFlash-стандарта емкостью 2 Мбайт фирмы SunDisk. В системе применяется ДОЗУ с расширенным выводом данных (EDO) емкостью 16 Мбайт, поддерживающее шину UBS, а также интерфейсы Apple GeoPort, RS-232 и IrDA версия 2.0. Выходные видео- и аудиосигналы совместимы со стандартами NTSC/PAL. Лицензии на ОС Digita уже приобрели такие производители цифровых камер, как Eastman Kodak, Minolta Camera и Sharp. Правда, ни одна из них пока не объявила о планах выпуска камер с этой ОС.
Продвижению на рынок разнообразных цифровых камер с необычными характеристиками и дизайном, а также работающих с ними сканеров и принтеров препятствует столь же большое разнообразие форматов файлов и накопителей, что затрудняет обмен файлами и их распечатку. Японские поставщики цифровых камер пытаются решить проблему совместимости файлов продвижением двух форматов — EXIF и CIFF. Первый поддерживают такие гиганты фотоиндустрии, как Fuji Film и Eastman Kodak. К ним присоединилась и Flashpoint. Версию 2.0 этого стандарта, уже принятую в 1997 году Японской ассоциацией развития электронной промышленности (JEIDA), в мае этого года должна была рассмотреть Международная ассоциация по стандартизации (ISO). Второй формат, предложенный фирмой Canon, поддерживают Minolta, Nikon, Olympus и еще 16 производителей “бытовых” камер. В обоих форматах для сжатия данных используется метод, предложенный Объединенной группой экспертов в области фотографии (JPEG), но по способу хранения информации они отличаются. Ставка в этой войне файловых форматов — возможность свободного обмена снимками между компьютерами, принтерами и самими камерами. Формат CIFF определяет размещение и хранение файлов в съемных платах памяти, что позволит свободно обмениваться последними наподобие кассет с 35—мм пленкой. Его сторонники надеются, что он станет промышленным стандартом “де-факто”. Следует отметить, что поставщики цифровых камер с платами CompactFlash-стандарта (кроме Kodak) в основном предпочитают CIFF-формат, а поставщики плат стандарта SmartMedia – EXIF-стандарт.
Современные цифровые камеры, представленные на рынке бытовых изделий, можно разделить на три класса: с низким, VGA-разрешением (640х480 пиксел), средним (1024х768 и 1152х1024) и высоким (1280х960) разрешением. Благодаря низкой стоимости (200–300 долл.) камеры первого типа привлекательны для многих покупателей. Цена камер среднего класса — 500–700 долл., высшего — 800–1000 долл. Как видим, на рынке качество камеры (и, следовательно, получаемого снимка) оценивают по числу пикселов. Но специалисты Sony считают, что в большей степени этот показатель зависит от метода прогрессивного сканирования и используемых фильтров основных (красного, синего, зеленого) цветов. По мнению экспертов Hewlett-Packard, важное значение имеет также размер датчика изображения (чем больше схема преобразования, тем больше на нее падает света и тем лучше качество изображения).
Однако от чего бы ни зависело качество изображения, для успеха на рынке цифровые камеры по разрешению должны быть сопоставимы с современными фотоаппаратами. Поэтому главная задача производителей — повысить разрешение. И здесь борьба развернулась между сторонниками ПЗС- и КМОП-схем формирователей сигнала изображения. Большинство появившихся в последние два года на рынке цифровых камер изготовителей полупроводниковых компонентов единодушны в том, что наиболее перспективная технология — КМОП-схемы благодаря простоте их объединения с ИС, меньшей по сравнению с ПЗС потребляемой мощности и большему сроку службы батарей, а также возможности работы от одного источника питания (в устройствах на базе ПЗС-устройств иногда необходимы несколько источников) и более низкой стоимости (28–30 долл. за цифровую однокристальную схему входного блока с КМОП-датчиком). Но несмотря на то, что о планах создания КМОП-преобразователей заявили многие крупнейшие фирмы (Toshiba, Texas Instruments, Sarnoff, Polaroid, Omnivision, Rockwell International, Lucent Technologies, Atmel, Matsushuta, Motorola, Eastman Kodak, Intel и др.), выпускают цифровые камеры с ними пока только три компании — Toshiba, Rockwell и Intel. Формирователи сигнала изображения современных цифровых камер по-прежнему выполнены на ПЗС. Как нетрудно догадаться, в первую очередь это объясняется их более высоким разрешением и лучшим качеством изображения. Кроме того, КМОП-схемы уступают ПЗС по таким характеристикам, как насыщенность цвета и зашумленность изображения (отношение сигнал/шум мало). К тому же сам факт интенсивных разработок в области КМОП-схем стимулирует процесс совершенствования и снижения стоимости ПЗС-устройств. Сегодня ПЗС-формирователи сигнала изображения, обеспечивающие VGA-разрешение, при закупке крупных партий стоят 25 долл. за схему (год назад — 45 долл.). На рынок выпущены камеры на базе ПЗС с разрешением в 1 Мпиксел по цене менее 1000 долл. Заметим, что камеры с разрешением 2 Мпиксела уже могут заменить обычные 35-мм фотоаппараты. В июне, на выставке PC Expo в Нью-Йорк-Сити, Toshiba планировала показать камеру модели PDR-M1 с ПЗС-преобразователем диаметром 12,7 мм с разрешением 1,5 млн. пиксел. Цена камеры – 399 долларов.
Активное совершенствование КМОП-схем позволяет уверенно говорить о том, что уже через два-три года они составят серьезную конкуренцию ПЗС-приборам. В конце 1997 года на ежегодной выставке бытовой электроники в Лас-Вегасе Rockwell Semiconductor Systems продемонстрировала КМОП-схему так называемой матрицы датчиков элементов изображения с разрешением от 352х288 до 920х720 пиксел. В семейство вошли схемы с трех-четырехтранзисторными усилителями выходного сигнала датчиков (активные преобразователи) и без них (пассивные преобразователи). Поверх каждого светочувствительного элемента (пиксела) нанесена фокусирующая свет стеклянная бусинка диаметром 0,5–0,8 мкм — микролинза. Для этого потребовалась дополнительная технологическая операция, но благодаря ей отношение сигнал/шум устройства удалось увеличить до 46 дБ (максимальное значение этого параметра для ПЗС-схем — 60 дБ). Различие между активными и пассивными преобразователями по отношению сигнал/шум составляет 4 дБ в пользу первых. Потребляемая КМОП-схемами мощность равна 100 мВт, они работают от источника питания на напряжение 3,3 В. Недостаток схемы — увеличение площади кристалла и, следовательно, издержек производства, поскольку размер элемента изображения при использовании трехтранзисторного усилителя, изготовленного по 0,5-мкм технологии, составляет 7х7 мкм. И даже при уменьшении топологических норм до 0,35–0,25 мкм ширина элемента изображения будет не меньше 5,5 мкм. КМОП-схема формирователя сигнала изображения с разрешением 1024х1024 пиксела по своим размерам лишь немного уступит схеме Pentium II (7,443 млн. транзисторов при 0,5-мкм размерах элементов). Но эквивалентная по характеристикам схема на базе ПЗС-формирователя и устройства обработки сигнала будет еще больше.
Весной этого года Rockwell Semiconductor планировала выпустить пять схем серии Rp0352 по цене от 18 до 63 долл. Кроме того, она поставляет схему обработки сигнала серии Ri0352. Цифровой механизм на базе двух схем нового семейства выполняет функции формирования изображения, корректировки цвета и управления работой камеры. Чтобы обеспечить передачу данных по USB-шине со скоростью 30 кадров/с, предусмотрено устройство сжатия данных.
Помимо приборов формирования сигнала изображения в различных цифровых камерах используют те же компоненты, что и в другой бытовой аппаратуре. Каждая цифровая камера, отгруженная в 1997 году, имела микропроцессор, ДОЗУ, ЦАП и флэш-память емкостью 2–4 Мбайт (встроенную, съемную или ту и другую). Чтобы понять требования, предъявляемые к цифровым камерам с разрешением от 640х480 до 1024х1024 пиксела стоимостью менее 1 тыс. долл., полезно проследить за ходом обработки сигнала изображения (рис.). И, как ни удивительно, начать придется с объективов. Если бы в бытовых аппаратах применялись высококачественные объективы фирм Lietz и Nikon, никаких проблем с ними бы не возникало. Но в большинстве сравнительно дешевых цифровых фотоаппаратов используют даже не стеклянные, а многоэлементные пластмассовые объективы, зачастую с фиксированным фокусным расстоянием, которым присущи астигматизм, хроматическая аберрация, искривление поля обзора. К тому же из-за малого размера преобразователей апертура может вызывать дифракцию, ухудшающую разрешение объектива. Некоторые из этих проблем имеют решения, другие снимаются лишь путем установки высококачественных объективов. Возможно и применение специальных программ обработки изображения, но за счет дополнительных аппаратных средств и/или увеличения длительности обработки сигнала.
Для получения цветного изображения каждый светочувствительный диод приемной матрицы снабжен чередующимися зеленым, красным и синим светофильтрами. В современных камерах применяют два типа ПЗС-формирователей изображения — с встроенной схемой управления переносом заряда и без нее. В первом случае длительность экспозиции можно регулировать без затвора, во втором затвор необходим. Но при наличии встроенной схемы перемещения заряда для формирования каждого элемента изображения требуются два ПЗС: один непосредственно присоединен к фотодиоду, второй нужен для загрузки пакета зарядов с последующей передачей для дальнейшей обработки. С выхода преобразователя сигнал поступает на вход АЦП. Скорость дискретизации должна соответствовать скорости переноса пакетов заряда, равной обычно 14 МГц. Следовательно, АЦП должен выполнять 20.106 выборок/с. Важное значение имеет и его разрешение, которое должно быть равно 10–12 бит. Чем выше разрешение, тем, конечно, дороже камера. В аналоговый блок камеры входят также схемы сглаживания потока заряда.
Сейчас активно ведется разработка однокристальных входных аналоговых схем формирования изображения. Одна из последних – маломощная схема формирования сигнала изображения с ПЗС-датчиком фирмы Analog Devices. В схему типа AD9802 входят коррелированный двойной дискретизатор, усилитель с программируемым усилением и 10-разрядный АЦП с быстродействием 18.106 выборок/с. Рабочее напряжение — 3 В, потребляемая мощность — 185 мВт. Схема составит серьезную конкуренцию приборам фирм Exar (XRD4460 c 10-разрядным 20-МГц АЦП, напряжением 3 В и потребляемой мощностью 150 мВт) и Crystal Semiconductor (на выходе схемы предусмотрена корректировка цвета).
С выхода АЦП сигнал поступает в блоки обработки (кадровый буфер), т.е. в “цифровое поле”. И здесь проблемы обостряются. В первую очередь нужно установить экспозицию и фокусное расстояние. Фирма Kodak, например, предлагает простейший путь — производить по одному включению для нахождения сцены и определения ее освещенности. Но сейчас предпочтение отдают более сложным системам, которые определяют правильную экспозицию на основе данных пробного экспонирования. Такие системы могут принимать и сложные решения, например установить, что из себя представляет объект съемки — темный или случайно “подсвеченный” светлокожий человек. С помощью известных методов цифровое устройство находит “предмет интереса” на снимке и устанавливает правильное фокусное расстояние. Эта информация используется и для определения экспозиции. При этом вся операция пробного экспонирования и обработки данных должна занимать не более нескольких десятков миллисекунд.
Следующая проблема — устранение “мозаичности” цветного изображения. Она сводится к интерполяции значения зеленого пиксела на основе его значения для соседнего красного или синего элемента изображения. На этом этапе для получения высокого разрешения важное значение имеют алгоритмы устранения мозаичности, разработке которых сейчас уделяют большое внимание. Эта операция в наибольшей степени определят нагрузку цифрового блока системы, хотя и на следующих этапах объем обработки данных велик: внесение гамма-поправки для согласования линейной функции переноса заряда с логарифмической чувствительностью человеческого глаза, исправление погрешностей оптической системы, преобразователей, светофильтров, АЦП и т.п. Основная цель этих операций – установить как можно более точное соответствие оригиналу элементов изображения, заносимых в буфер. На эту операцию уходит 35–50% всего времени обработки. Здесь-то и приходится расплачиваться за дешевую оптику, светофильтры низкого качества или АЦП с низким разрешением. Производители микропроцессорных ядер уверяют, что для управления этими операциями 32-разрядные устройства — самые перспективные. Как утверждают специалисты фирмы Siemens, применение в камере с разрешением несколько мегапикселов такого процессора (например, TriCore) в сочетании со специализированными программными средствами обеспечит скорость предварительной обработки изображения и сжатия сигнала 4 кадра/с, что, в свою очередь, существенно снизит стоимость электронного блока аппарата. Однако разработчики фирмы Sierra Imaging считают, что для высокой скорости обработки при сохранении высокого качества изображения необходим сопроцессор. Интерес к рынку компонентов цифровых камер проявляют и производители ЦОС-устройств. По мнению Texas Instruments, методы, используемые в цифровых камерах, очень похожи на цифровую обработку сигнала. Поэтому фирма считает, что ее новая схема ЦОС-процессора 32С2700 с успехом заменит встроенные микропроцессоры типа TriCore или специализированные ИС.
На последнем этапе для хранения данных в флэш-памяти их необходимо сжать (обычно в соответствии с JPEG-стандартом). Как правило, приемлемым считается коэффициент сжатия 10:1 или 20:1. Стремление улучшить разрешение преобразователей изображения и более строгие требования к качеству ведут к значительному (до нескольких мегабит) увеличению размеров файла каждого снимка. Сейчас емкость большей части плат флэш-памяти составляет 100 Мбайт, что позволяет хранить 60–70 файлов. Появились и платы емкостью 160 Мбайт. Они хранят то же число файлов, полученных при съемке камерой с разрешением ПЗС-преобразователя 2.106 пиксела, т.е. с лучшим качеством снимков. Для ввода в память файла объемом 843 Кбайт электронная система популярной цифровой фотокамеры DC120 фирмы Kodak затрачивает семь секунд. Но в современных камерах это время, как правило, равно 10 секунд, несколько варьируясь в зависимости от используемых схем обработки и числа каналов обращения к памяти.
Проблемы достижения высокого качества изображения и сокращения периода между двумя нажатиями кнопки производители решают различными способами. Так, фирма Sierra Imaging благодаря совершенствованию алгоритмов обработки сигнала изображения, на которые она получила несколько патентов, и разработке комплекта схем цифровой камеры Raptor сумела довести время приема, обработки и записи данных изображения с VGA-разрешением до одной секунды. Комплект предыдущего поколения выполнял эти функции за восемь секунд. В комплект Raptor входят 60-Мгц RISC-процессор, специализированная схема цифровой обработки сигнала изображения и восьмиразрядный микроконтроллер фирмы Fujitsu Microelectronics. Больших успехов добилась фирма Lexas Media, отделившаяся от Cirrus Logic. По утверждению разработчиков, ее контроллер флэш-памяти обеспечивает запись данных в память на плате CompactFlash со скоростью 1,6 Мбайт/с (против современного уровня — 500 Кбайт/с), что позволит включить в число функций камеры операции обработки текстовой, графической и звуковой информации. И это только начало, поскольку при разработке контроллера была поставлена задача поддержки скорости записи 3 Мбайт/с в схемы флэш-памяти NAND-типа следующего поколения. Работы по созданию таких схем сейчас ведут крупнейшие поставщики флэш-памяти, многие из которых – партнеры или инвесторы Lexas Media.
Цена ПЗС-преобразователя сегодня составляет 12–70 долл., цена электронных устройств обработки сигнала — 7–9 долл. Поэтому однокристальная система на базе КМОП-датчиков ценой в 28–30 долл. может стать серьезным конкурентом на рынке компонентов для цифровых камер. Правда, по мнению специалистов отделения видеосистем и формирования изображения фирмы Exar, интеграция светочувствительных элементов со схемами обработки сигнала на одном кристалле может привести к неэффективному увеличению его площади. При этом выход годных схем будет низким, а стоимость возрастет. К тому же объединение аналоговых и логических функций на одном кристалле увеличивает уровень шумов и искажение изображения. Поэтому сейчас работы, в основном, направлены на создание комплектов схем с раздельными блоками обработки аналогового и цифрового сигналов. К созданию однокристальной схемы цифровой камеры близко подошла фирма LSI Logic. Ее схема DCAM-101, разработанная при участии специалистов Minolta, выполняет большую часть функций и операций управления цифровой камеры. Схема выполнена на базе 32-разрядного процессорного ядра CW4003 c архитектурой, позаимствованной у микропроцессора RS3000 фирмы MIPS. В отличие от последнего ядро содержит умножитель —арифметическое устройство, работающее в конвейерном режиме независимо от процессорного ядра, а также интерфейс сопроцессора. В схему также входят интерфейс шины, кэш команд емкостью 2 Кбайт, кэш данных емкостью 1 Кбайт, 2-Кбайт двухпортовое СОЗУ и устройство ускорения обработки элементов изображения. Схема работает с системой команд Mips-II, ее рабочая частота — 54 МГц.
Итак, перспективы рынка цифровых камер заставляют объединять усилия поставщиков специализированных схем, производителей центральных процессорных устройств, ЦОС-схем и разработчиков библиотек специализированных схем. Как говорят участники этого необычного процесса, пока нет ответа на все вопросы. Есть лишь концепция, искусство, собственные интересы и, конечно, пристрастность. Все это прекрасно для технического поиска.
Electronic News, 1998, Feb. 16, June 15, 22, 29
http://pubs.cmpnet.com/ebn/newgrouth/1106newgrow4.html
http://www.edtn.com/news/april15/041598tnews2.html
http://www.edtn.com/news/april17/041798tnews4.html
Byte, March 1998