自1997年數位相機大量出現以來，其產品不斷地提升功能，但價錢也不斷地下降，促使數位相機的市場銷售量每年以超過50%的比率在成長。從1997年的二百一十萬台成長到2001年的一千八百萬台。但是根據估計，數位相機的成長率自今年起，成長將會開始趨緩，因為這項產品即將進入成熟期。這也意味著功能完整而價格便宜的數位相機時代即將來臨。

數位相機因為使用的便利性，容易與電腦結合，儲存照片的張數也比傳統相機來得多，加上觀景預覽及照片回播的功能，這樣的便利性與實用性是傳統相機所無法提供的，也加速了數位相機的接受度，使得數位相機的銷售數量年年增加，而傳統相機的市場則是逐漸下降。不過數位相機仍有其畫質的限制，早期皆以三百萬畫素以下的產品為主，無法提供軟片等級的解析度，所以傳統相機仍有其立足之地。最近四百萬、五百萬、甚至六百萬畫素的相機推出，已使數位相機的畫質大幅提昇，傳統相機的地位也將受到動搖。

數位相機的功能，隨著市場的發展與SOC技術的精進而逐年得提升。現在的數位相機不但要畫素高，而且要拍得快，也要品質優良，所以影像處理技術就非常重要，而且處理器的速度及功能都要逐年增加，以符合市場的期望。另外，LCD液晶觀景顯示面板也是一項重要的配備，其中色彩豐富而造型多變的操作介面，也需要MCU的處理。另外數位相機很重要的功能就是要儲存照片，並可與電腦傳輸資料，所以各種快閃記憶體及記憶卡的介面，以及USB介面都是不可少的，這些也是數位相機MCU所要負責處理的介面。

數位相機專用MCU之技術特性

數位相機的架構大致可參考(圖一)的方塊圖來說明。首先是感測器輸入介面接收來自感測器元件的數位影像資料，然後利用外部的SDRAM作為各種中間資料的暫存區，等待MCU處理影像的曝光調整及色彩平衡的問題之後，才進入影像的壓縮及編碼。Flash快閃記憶體是數位相機的底片，色彩處理後且被壓縮的照片，就會存入快閃記憶體中。記憶體的大小會影響可儲存照片的數目。

《圖一　數位相機的基本架構》

在顯示方面，小尺寸的LCD螢幕，作為取景與監看等功能是非常重要的，除此之外，LCD顯示幕應該要能提供畫面簡潔、色彩豐富及使用方便的操作介面，這都要有MCU的支援。在傳輸介面方面，USB是目前最常用的介面，因為USB是個人電腦上最普遍的傳輸方式。至於其他如，RS232是早期使用的，IrDA是比較特殊的應用才有，而1394則是數位攝錄影機常用的介面。在其他介面方面，類比電視信號輸出，可以在電視上看到拍攝結果，這對一般沒有個人電腦的家庭而言，是一個很好的功能，但不是必須的。而在系統控制方面，閃光燈、光圈、快門等光學與機械的控制也要仰賴MCU的幫助，以下就針對MCU相關的技術特性加以介紹。

感測器介面技術

目前數位相機的感測元件，分為CCD及CMOS兩大類，其中以CCD的技術較為成熟，但因為製程與常用的CMOS不同，而且要外加類比數位轉換切(ADC)、時序產生器(Timing Generation)、以及驅動電路(Vertical Drive)，如(圖二)所示，所以控制較為複雜，成本因元件數目較多而增加。但是CCD因為技術較為成熟，雜訊較少，所以影像品質較高，畫素可達六百萬以上，是高階數位相機必選的感測器。

《圖二　CCD與CMOS感測器方塊圖》

在CMOS感測器方面，由與採用與一般數位邏輯相似的製程，所以成本較低，而且類比數位轉換器(ADC)是內建於感測元件之中，不需外加電路，所以控制比較簡單，對MCU來說，控制電路相對簡單許多，如圖二所示。但是CMOS感測元件的雜訊較高，而且技術上目前仍以百萬畫素以下為主，所以多半使用於低階的數位相機中。

不論是CCD或CMOS感測元件，到了百萬畫素之後皆有感測像素瑕疵的問題，這是因為半導體元件製程的因素所造成，使得有少數的感測像素不能正確感光，形成照片上的黑點或白點。這時，MCU就負責必須將這些雜點去除，以確保由感測元件輸入的影像資料皆為正確的。

影像色彩處理

數位相機的影像色彩處理是相片品質的關鍵，是數位相機最重要的一環。請參考(圖三)的處理流程。首先是色彩內插，由於目前絕大部分的影像感測元件皆是採用拜爾排列(Bayer Pattern)，也就是採RGRG紅綠紅綠，與GBGB綠藍綠藍，以隔行交錯的方式排列，所以每一個像素點只有一種顏色的資料，若想要得到其他顏色的資料，就必須靠色彩內插的方式得到，這項技術又叫做De-Mosaic，或影像的色彩內插，這個技術的好壞將會影響後續影像色彩處理之正確性。

《圖三　影像色彩處理流程》

影像色彩內插後，就是曝光與色彩的平衡控制，由於不同的感測元件，其感光特性不同，對於不同的光線強度及光源特性，其反應不同，所以必須對於不同的光線環境調整曝光量，以及色彩的平衡，才能得到正確的照片顏色及亮度。否則，照片不是曝光不足，就是過度曝光，要不就是色彩偏紅或偏藍。這是非常重要的影像色彩處理步驟。

接下來是色彩校正部分，為了使最終的影像色彩更為鮮豔飽和，所以要有色彩校正的步驟，一般也稱為Gamma Correction。它主要是調整色彩輸入與輸出的對應曲線，以達到提高對比度，增加彩度的效果。

影像壓縮處理

影像的壓縮處理也是數位相機的基本功能之一，因為未經過壓縮的影像所佔用的記憶空間太大了，以一個64Mb快閃記憶體為例，儲存兩百萬畫素的影像，只能放四張，所以影像壓縮就很重要。以最常用的JPEG為例，一般可以壓縮8至20倍，依影像品質要求而定，如此才可以提高照片的儲存數量到8至20倍。一般來說，影像壓縮都是在YCbCr座標系中處理，所以在壓縮之前，所有影像都要經過色彩座標轉換，如(圖四)所示。

《圖四　數位影像壓縮》

影像壓縮的技術有很多，但目前在數位相機中使用最廣的是以離散餘旋轉換(DCT)為基礎的JPEG，這是因為交換性的關係。目前幾乎所有的數位相機都支援JPEG，電腦上支援JPEG解壓縮的軟體也最多，因此採用JPEG的交換性與通用性最高。即使是要錄一段連續的動態畫面，也是用Motion JPEG來壓縮。因為它與單張靜態影像用的是同一方法，具有共通性。

除了JPEG之外，目前有一種新的影像壓縮方法是JPEG2000，它是以小波轉換(Wavelet Transform)為基礎，具有可依傳輸頻寬，彈性調整輸出資料速率及影像品質的能力，對於網際網路的應用相當不錯。但是其壓縮及解壓縮所需的運算量，最少是為JPEG的5倍及2倍，對於數位相機的應用來說，MCU的負擔很大。而且，在相同的低壓縮比應用時(10倍以下)，JPEG與JPEG2000的效果相當。所以，雖然有數位相機專用的MCU宣稱可以處理JPEG2000的壓縮或解碼，但實際應用者很少，其解碼器也尚不普及。

儲存記憶裝置

記憶體的使用對於MCU來說也是非常重要，一般來說，動態記憶體SDRAM是用來暫時儲存而已，快閃記憶體才是長期記錄用的。MCU會將各種處理的中間產物暫存於SDRAM中，例如將色彩還原後的影像轉換成YCbCr格式後存在SDRAM中，然後再壓縮成為JPEG檔，最後寫入快閃記憶體內。

《圖五　數位相機MCU與記憶體》

在快閃記憶體方面，早期是使用相機內建的快閃記憶體，在拍滿之後，由USB介面上傳至個人電腦之內，加以編輯和儲存。而目前主要的方式，則是使用各種小型快閃記憶卡，例如Compact Flash Card (CFC)、Multi-Media Card (MMC)、Smart Media Card (SMC)、Security Digital (SD) Card、以及Memory Stick (MS)等。因為這些記憶卡可以抽換，增加了可攜性及交換性，因此小型記憶卡已經是大部分數位相機的標準配備。

記憶卡的使用，會因為相機應用的不同，而選擇不同規格標準及容量。對於外型嬌小靈巧的相機，必須使用外型較小的記憶卡，如SD或MMC。外型較大的相機就可以選擇體型較大的CFC或SMC。一般來說，記憶卡的容量與相機的畫素會決定可以儲存的畫面張數，所以記憶卡的容量與張數成正比。不過大部分相機都會提供至少2到3種照片解析度的選擇，使用較小的解析度，也可以增加拍照張數，不過也增加了MCU控制的複雜度。

傳輸介面

數位相機雖然已成為消費產品，但它對個人電腦的依存度仍然很高，因為要靠個人電腦上的軟體來編輯、處理所拍攝的照片。所以USB介面是數位相機的標準配備。早期有人使用RS232是因為簡單方便，但是速度太慢。目前最通用的USB 1.1規格可達12Mbps，一般來說已經夠用。而且微軟的視窗軟體對USB的支援也最成熟。

IEEE 1394是一種高速的傳輸介面，一般常用於高級的手提攝錄影機上，但是在個人電腦上尚不普及，微軟的視窗軟體對其支援的也不完全，並不會成為標準配備。倒是USB 2.0規格在未來可能漸受重視，使得數位相機在個人電腦的周邊上，將繼續以USB為主。

顯示介面

目前的數位相機裡，使用小尺寸LCD螢幕作為取景預覽及照片回播是一項重要功能。因為在LCD面板上可以看到拍攝目標的情形，確定拍攝的內容，也可以檢視拍攝的結果。不滿意者，可以刪除重拍。這樣給拍照帶來許多方便性，也省去浪費底片的煩惱。但是小型LCD顯示器，有多家不同的供應商，其介面互不相通，因此如何交互支援便成為MCU相當大的困擾，必須增加額外的電路才能完成。一般來說，數位相機用的LCD螢幕大小，大都在1.4至1.6吋之間。

有了小尺寸LCD顯示之後，數位相機的操作介面就可以由單色簡化模式指示進入繪圖式的彩色介面。為了提供彩色的操作選單，數位相機的MCU必須提供字形與圖形重疊於影像照片之上的功能，這樣才能做出各種選單的內容，與動作選項。

另外對於沒有個人電腦的家庭來說，使用類比視訊信號輸出是一個不錯的功能，因為他可以提供一個電視上簡易瀏覽的功能。但是因為其解析度不夠高，大約只有35萬畫素的等級，所以無法欣賞到百萬畫素的解析度。因此並非必需的功能。

其他功能

數位相機除了影像的擷取、處理、壓縮、儲存、與傳輸之外，還是電子處理與光學鏡頭的組合。尤其是在高級的機種上，自動對焦、光學變焦、還有快門控制等，皆需要MCU的配合控制。另外閃光燈控制、自拍功能、長時間曝光等，也是要MCU的控制。但是這些功能不是單有硬體就好，更要有韌體(Firmware)的搭配才行。

另外，有一些非主流的數位相機，會加上數位錄音或MP3播放等功能，但一般只限於特殊機型，並不普遍，所以可以用附加元件的方式完成。有少數的MCU因為內建DSP的緣故，本身就有MP3或數位錄音的功能。

數位相機專用MCU的市場特性

數位相機的市場在經過前幾年的高度成長後，預計從今(2002)年以後成長將趨於和緩，進入成熟期。依消費性產品的特性，其最大特色就是價格會逐年下降，而功能會持續增加，然後犧牲不需要的功能，以達到低價的目標。最明顯的例子就是，過去35萬或80萬畫素的入門機種早已由百萬畫素機種取代，而現在兩百一十萬畫素的數位相機才是入門機種。至於未來三百萬畫素機種將會成為主流，因為其解析度已達一般相片沖印的水準。而百萬畫素的數位相機市場因為價格的因素，已漸漸轉入CMOS感測元件的領域。

價格下降

根據調查，數位相機的平均售價，每年都會下降，在去(2001)年及前(2000)年，因為處於高度成長期，所以下降幅度較大，分別為30%與18%。隨著數位相機漸漸進入成熟期，不但成長率會趨緩，價格下降的幅度也會減慢。預計今年的平均售價將比去年下降14%，請參閱(圖六)，然後下降比例也會逐年減少。

《圖六　數位相機平均價格下降比例》

數位相機價格下降的因應對策有：

1. 元件簡化：因為元件的整合度提升，所以元件數量就可以減少。而精簡的設計技術，也可以減少元件的數量，進而降低成本。

2. 元件降價：元件價格的下降，來自於相機產品本身的降價壓力。而元件的降價也導致價格的競爭，以及MCU利潤的萎縮。

3. 犧牲利潤：ODM設計與OEM代工廠商，為了接單，不惜犧牲利潤，削價競爭。

數位相機專用的MCU，在面對這些降價的壓力時，如何做好成本的控制，是能否獲利的重要考量。

功能提升

數位相機除了降價之外，提升功能與品質則是維持售價，提昇競爭力的主要方法。所謂功能的提昇，並不是完全採用全新的功能，而可以是由較高級的機種借用而來。例如原來低價的百萬畫素定焦數位相機，未來會提高到兩百萬畫素的定焦數位相機。而隨著四百萬及五百萬畫素高級機種的推出，三百萬畫素機種將成為主力機種，但必需具有自動對焦的功能。

但是當相機畫素解析度不斷地增加之後，MCU的處理負擔就加重許多，因為畫素的增加，會延長處理時間，為了不使數位相機的功能下降，所以就要提昇MCU的處理效能才行。要加快MCU的處理效能，可以從提高系統操作頻率或增加硬體著手，但是這也會使電力的需求增加，所以必須有省電設計，以降低系統對電源的需求。至於以增加硬體來提昇效能，則會增加MCU元件的成本，在加量(功能)不加價的前提之下，利潤將被擠壓。

數位相機由於是全數位化處理，有DSP功能，所以有許多其他的功能都要被整合到數位相機中，例如MP3播放、錄音功能、收音機、短暫錄影、PC相機、電視輸出等等，不一而足，而且還會再出現其他新的想法。但是這些新功能，並非傳統相機的特性，因此會不會被消費者接受，都要經過市場的試煉之後才知道。然而這些特殊功能，可能大部分都非必要，是屬於小眾市場，數位相機還是會回歸以相機功能為主的主流市場。

軟硬體的整合

數位相機雖屬於消費性產品，但是因為它是光學、機械結構、與電子控制的整合設計，所以其中各個環結的搭配，是相當複雜的。而數位相機的MCU，位居三者之中，不但要負責光學影像的調整處理，還要控制快門、對焦等機械動作，所以需要有完整而複雜的軟體來搭配，否則空有硬體是無法完成任務的。

另外，對於數位相機的操作介面，安排字幕圖案的重疊功能，以及相機功能之操作順序等，這些都要細密的軟體微調才能完成，而MCU在此扮演的角色，就是一個指揮中心的角色。而各種新的功能與需求不斷地加入，只會使數位相機MCU所需的功能更加強大，而控制軟體更加複雜。

數位相機專用MCU的未來趨勢

數位相機的未來趨勢，不外乎是功能提昇及價格下降，這是消費產品所需面對的現實。而數位相機MCU的未來趨勢，就是要支援這個現實。其中主要的趨勢如下：

隨插即用(Plug-&-Play)

目前數位相機依附個人電腦的特質仍然很強，這從每台數位相機都有USB即可看出。而隨著微軟視窗軟體的演進，對USB連接裝置的儲存媒體驅動程式也愈發完整。現在數位相機在插入USB連線之後，就會成為一個儲存裝置，如同一個抽取式PCMCIA記憶卡，視窗軟體可以直接存取數位相機內的照片檔案。

直接列印(Direct Print)

目前已有印表機可以直接列印小型記憶卡內的照片資料，但是數位相機仍無法直接經由印表機列印照片，必需經由個人電腦來達成。未來，如果數位相機MCU的效能提昇很多，可以執行印表機的驅動程式時，就有機會直接將照片由相機傳到印表機上列印。直接列印還需要USB-OTG的支援，因為這時數位相機是主動者。但是目前最大的問題是各家印表機的驅動程式不同，數位相機無法兼顧所有印表機，這將會是直接列印的主要瓶頸。

壓縮處理(Compression)

數位相機除了目前最常用的JPEG壓縮之外，為了配合愈來愈多的錄影功能要求，增加錄影時間，減少記憶空間，所以MPEG視訊壓縮的需求也逐漸增加。目前看來，因為壓縮資料大小的關係，以CIF或QCIF為主的MPEG-4壓縮是較受注意的壓縮方法。而在靜態影像壓縮方面，JPEG-2000是一個新的影像壓縮技術，主要適用於網際網路的傳送，其應用與單純拍照不同。但是如果是要與網際網路結合的數位相機，則JPEG-2000也許是一個重要的需求。

可程式性(Programmability)

由於數位相機的功能需求愈來愈複雜，包括前述的隨插即用、直接列印、與新的壓縮處理等，已經無法以硬體直接實現，必需依賴強大的軟體支援，所以具備高度的可程式性，以內建的CPU執行，才能達成這麼多樣性的需求。另外，為了簡化產品開發的複雜度與時程，採用即時作業系統(RTOS)應是可能的趨勢。這也意味著數位相機MCU將要支援RTOS，以便加速產品開發。

結論

數位相機專用MCU是數位相機的心臟，它必須處理感測元件提供的原始影像資料，經過曝光及色彩校正，得到正確色彩的影像，並將之壓縮處理，儲存於小型記憶卡中，或經由USB介面傳送到個人電腦上。這些工作，不但要有硬體支援，還要有軟體配合才行。

數位相機是光、機、電三個領域的高度整合，雖然MCU是數位相機的指揮中心，但是如果鏡頭的品質不好，或是機械結構的不良，都會導致拍攝影像的不良。因此，數位相機的成功，單靠MCU是不夠的，唯有與光學系統及機械系統合作，才能盡全功。

數位相機隨著價格的下降與功能的提昇，已經漸漸為廣大的消費者所接受，而數位相機專用MCU也會隨著市場的發展，增加功能、提高效能、增加程式能力、採用新的壓縮方法，降低成本等，這些都是未來發展的趨勢。(作者任職於凌陽科技)