Thiết kế máy ảnh kỹ thuật số TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về máy ảnh kỹ thuật số đơn giản 2. Quan điểm của nhà thiết kế 3. Yêu cầu và thông số kỹ thuật 4.
Thiết kế và triển khai Giới thiệu • Hệ thống nhúng của máy ảnh kỹ thuật số Bộ xử lý đa năng Bộ xử lý đặc thù Tùy chỉnh hoặc chuẩn Bộ nhớ Giao tiếp • Thiết kế một máy ảnh kỹ thuật số Bộ xử lý đa năng vs bộ xử lý đơn chức năng Phân tách chức năng giữa các loại bộ xử lý khác nhau 2 Máy ảnh kỹ thuật số đơn giản YÊU CẦU CHUNG • Chụp ảnh • Lưu trễ ảnh dưới dạng số Không sử dụng film Lưu nhiều ảnh trên máy ảnh o Số lượng phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ và số bit sử dụng cho mỗi ảnh • TẢI ẢNH LÊN HỆ THỐNG MÁY TÍNH (PC) CHỈ KHẢ THI GẦN ĐÂY • Hệ thống trên một chip (SOC): nhiều bộ xử lý và bộ nhớ trên một IC • Bộ nhớ flash dung lượng cao • Mô tả đơn giản: Máy ảnh kỹ thuật số thực có nhiều tính hơn Ảnh có thể có kích thước khác nhau, xóa ảnh, kéo dãn số học, phóng to/thu nhỏ, vv. 3 Máy ảnh kỹ thuật số đơn giản Chip máy ảnh kỹ thuật số CCD Bộ tiền xử lý CCD Bộ đồng xử lý pixel D2A A2D Thấu kính Bộ giải mã JPEG Vi điều khiển Số nhân/ tích lũy Bộ điều khiển DMA Hiển thị ctrl Bộ điều khiển bộ nhớ UART Màn hình LCD Giao diện xe bus ISA • Đơn chức năng – luôn là máy ảnh kỹ thuật số • Bị ràng buộc chặt chẽ -- Chi phí thấp, công suất thấp, nhỏ, nhanh • Phản ứng nhanh theo thời gian thực – Chỉ trong phạm vi nhỏ 4 Thách thức thiết kế Tối ưu hóa số liệu thiết kế • Mục tiêu thiết kế rõ ràng Xây dựng 1 triển khai với chức năng mong muốn • Thách thức thiết kế chính Tối ưu hóa đồng thời nhiều chỉ số thiết kế • Chỉ số thiết kế Tính năng có thể đo lường được khi triển khai hệ thống Tối ưu hóa chỉ số thiết kế là thách thức chính 5 Thách thức thiết kế Số liệu thiết kế chung • Chi phí đơn vị: Chi phí để sản xuất mỗi bản sao của hệ thống, không bao gồm chi phí NRE • Chi phí NRE (Chi phí kỹ thuật không định kỳ): Chi phí thiết kế chỉ một lần • Kích thước: không gian vật lý cần thiết cho hệ thống • Hiệu suất: thời gian thực thi hoặc thông lượng của hệ thống • Công suất: lượng điêu tiêu thụ của hệ thống • Tính linh hoạt: khả năng thay đổi chức năng của hệ thống mà không gây chi phí NRE nặng nề 6 Thách thức thiết kế Số liệu thiết kế chung • Thời gian tới nguyên mẫu: thời gian cần thiết để xây dựng phiên bản hoạt động của hệ thống • Thời gian đưa ra thị trường: thời gian cần thiết để phát triển hệ thống đến mức có thể phát hành và bán cho khách hàng • Khả năng bảo trì: khả năng sửa đổi hệ thống sau khi phát hành lần đầu • Chính xác, an toàn, và nhiều hơn thế nữa 7 Số liệu thiết kế Cải thiện một chỉ số có thể làm xấu hơn các chỉ số khác Quyền lực • Cần có chuyên môn về cả phần cứng và phần mềm để Hiệu suất Kích cỡ tối ưu hóa các chỉ số thiết kế Không chỉ là 1 chuyên gia phần cứng hoặc phần mềm nhưu thường thấy Chi phí NRE 1 nhà thiết kế phải thoải mái với các công nghệ khác nhau để có thể lựa chip máy ảnh kỹ thuật số CCD chọn công nghệ tốt nhất cho 1 ứng bộ tiền xử lý CCD bộ đồng xử lý pixel D2A A2D dụng cụ thể và các rang buộc liên quan Thấu kính giải mã JPEG vi điều khiển Số nhân/Tích lũy bộ điều khiển DMA Hiển thị ctrl Phần cứng bộ điều khiển bộ nhớ Giao diện xe buýt ISA UART màn hình LCD Phần mềm 8 Thời gian đưa ra thị trường 1 số liệu thiết kế đòi hỏi khắt khe • Thời gian cần thiết để phát triển sản phẩm đến mức có thể bán cho khách hàng • Cửa sổ thị trường Revenues ($) Khoảng thời gian mà các sản phẩm sẽ có doanh thu cao nhất • Thời gian đưa ra thị trường Time (months) trung bình hạn chế là khoảng 8 tháng • Sự chậm trễ có thể tốn kém 9 Tổn thất do gia nhập thị trường chậm trễ • Mô hình doanh thu đơn giản hóa Tuổi thọ sản phẩm = 2W, Đỉnh tại W Peak revenue Thời gian gia nhập thị trường xác Peak revenue from định 1 tam giác, đại diện cho thâm Revenues ($) delayed entry nhập thị trường On-time Market rise Market fall Diện tích tam giác bằng doanh thu Delayed • Lỗ Sự khác biệt giữa khu vực tam giác đúng giờ và trì hoãn D W 2W On-time Delayed Time entry entry 10 Tổn thất do gia nhập thị trường chậm trễ • Diện tích = 1/2 * đế * cao Doanh thu cao nhất Đúng giờ = 1/2 * 2W * W Doanh thu cao Trì hoãn = 1/2 * (W-D+W)*(W-D) Revenues ($) Kịp thời nhất từ mục nhập bị trì hoãn • Tỉ lệ thất thoát doanh thu Thị trường tăng Thị trường giảm = (D(3W-D)/2W2)*100% Trì hoãn • Ví dụ – Thời gian tồn tại 2W=52 wks, độ trễ D D=4 wks W 2W Delayed Time – (4*(3*26 –4)/2*26^2) = 22% On-time entry entry – Thời gian tồn tại 2W=52 wks, độ trễ D=10 wks – (10*(3*26 –10)/2*26^2) = 50% – Sự chậm trễ rất tốn kém! 11 NRE và số liệu chi phí đơn vị Chi phí: Chi phí đơn vị: Chi phí bằng tiền để sản xuất mỗi bản sao của hệ thống, không bao gồm chi phí NRE Chi phí NRE (Chi phí kỹ thuật không định kỳ): Chi phí thiết kế hệ thống một lần duy nhất Tổng chi phí = Chi phí NRE + Chi phí đơn vị * số đơn vị Chi phí mỗi sản phẩm= tổng chi phí / số đơn vị = (Chi phí NRE / số đơn vị) + Chi phí đơn vị Chi phí mỗi sản phẩm= Tổng chi phí /Số đơn vị = (Chi phí NRE/Số đơn vị) + Chi phí đơn vị Ví dụ: – NRE=$2000, đơn giá 1 sản phẩm=$100 – Với 10 sản phẩm – Tổng chi phí = $2000 + 10*$100 = $3000 – Chi phí trên mỗi sản phẩm = $2000/10 + $100 = $300 12 Phân bổ chi phí NRE trên các đơn vị sản phẩm dẫn đến 1 khoản phụ phí $200 trên mỗi đơn vị NRE và số liệu chi phí đơn vị • So sánh các công nghệ theo chi phí—tốt nhất phụ thuộc vào số lượng Công nghệ A: NRE=$2,000, đơn vị=$100 Công nghệ B: NRE=$30,000, đơn vị=$30 Công nghệ C: NRE=$100,000, đơn vị=$2 $200,000 $200 A A B B $160,000 $160 C C total c ost(x1000) per p roduc t c ost $120,000 $120 $80,000 $80 $40,000 $40 $0 $0 0 800 1600 2400 0 800 1600 2400 Số đơn vị (khối lượng) Số đơn vị (khối lượng) Nhưng, cũng phải xem xét thời gian đưa ra thị trường 13 Hiệu suất: Một thước đo thiết kế • Đo lường thông dụng của hệ thống, nhưng thường bị lạm dụng Tần số xung, số lệnh trên giây - không phải là các đo lường tốt Ví dụ về máy ảnh kỹ thuật số - người dùng quan tâm đến tốc độ xử lý ảnh nhanh như thế nào, không phải tần số xung hay số lệnh trên giây • Độ trễ (thời gian phản hồi) Thời gian giữa bắt đầu và kết thúc nhiệm vụ Ví dụ, Camera A và B xử lý hình ảnh trong 0,25 giây • Thực hiện tác vụ trên giây Tác vụ trên giây, ví dụ Camera A xử lý 4 ảnh mỗi giây Thực hiện tác vụ trên giây có thể nhanh hơn thời gian trễ vì sự đồng thời, ví dụ Camera B có thể xử lý 8 ảnh mỗi giây (bằng cách chụp ảnh mới trong khi ảnh trước đó đang được lưu trữ). • Tốc độ tăng nhanh của B so với A = hiệu suất của B / hiệu suất của A Tốc độ tăng thực hiện tác vụ trên giây = 8/4 = 2 14 Quan điểm của nhà thiết kế máy ảnh kỹ thuật số Hai nhiệm vụ chính • Xử lý hình ảnh và lưu trữ trong bộ nhớ Khi nhấn màn trập : o Hình ảnh được chụp o Được chuyển đổi sang dạng kỹ thuật số bằng thiết bị ghép diện tich(CCD) o Được nén và lưu trữ trong bộ nhớ trong • Tải ảnh lên PC Máy ảnh kỹ thuật số được gắn vào PC Phần mềm đặc biệt ra lệnh cho máy ảnh truyền hình ảnh lưu trữ nối tiếp 15 Thiết bị ghép điện tích(CCD) • Cảm biến đặc biệt chụp hình Khi tiếp xúc với ánh • Thiết bị thể rắn silicon nhạy sáng bao sáng, mỗi tế bào sẽ gồm nhiều tế bào được tích điện. Sau đó, Màn trập điện cơ được kích điện tích này có thể Lens area hoạt để phơi sáng các tế được chuyển đổi thành bào trong một thời gian giá trị n bit trong đó 0 Covered columns ngắn.
Electro- biểu thị không có phơi mechanical shutter sáng trong khi 2n -1 Mạch điện tử, khi được biểu thị mức độ phơi lệnh, sẽ phóng điện các ô, Pixel rows sáng rất mạnh của ô đó Electronic kích hoạt màn trập cơ với ánh sáng circuitry điện, sau đó đọc giá trị điện tích n-bit của mỗi ô. Một số cột được bao Các giá trị này có thể phủ bởi một dải sơn được bấm giờ ra khỏi màu đen. Cường độ ánh CCD bằng logic mở rộng sáng của các pixel này Pixel columns thông qua giao diện bus được sử dụng để điều song song. chỉnh độ lệch bằng 0 cho tất cả các ô.