Chapitre 6 - Structure interne

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STRUCTURE INTERNE
Après avoir étudié la structure externe d’un appareil photo numérique, nous
allons maintenant nous pencher à l’intérieur de l’appareil pour analyser la conception électronique mise en oeuvre pour assurer le fonctionnement des différents
éléments.
Pour commencer, nous allons analyser l’architecture en termes de fonctions,
par le biais d’un schéma-bloc générique qui correspond aux caractéristiques d’un
appareil actuel, du type Kodak DC210 ou encore Casio QV-5000SX.
Un tel schéma nous est donné figure 40 ci-dessous. Le nombre impressionant
de fonctions necessaires à l’obtention d’un fichier-image est un des aspects caractéristiques des appareils numériques : le haut degré d’intégration des composants.
Le schéma contient autant de composants que la carte-mère d’un ordinateur
de bureau à base de micro-processeur I486 d’il y a seulement quelques années. Le
volume réduit a été obtenu par le regroupement en quelques circuits de plusieurs
fonctions.
Avant de passer à des solutions industrielles réelles équipant certains modèles
du commerce, passons en revue les différents blocs.
- Le bloc optique est composé de plusieurs lentilles formant l’objectif. Il est décomposé en deux sous-ensembles, les parties “ZOOM”
et “FOCUS” (ou mise au point). Sur les modèles haut de gamme
(Kodak DC210 par ex.), les deux fonctions sont disponibles. La
mise au point s’effectue en déplaçant la lentille frontale, et le
changement de focale (le zoom) en modifiant la position du groupe
intermédiaire. Si le déplacement du groupe de mise au point est
assurée par un moteur et commandé électroniquement, l’appareil est
dit “AutoFocus” (sigle AF), dans le cas contraire, on a affaire à un
modèle “FixFocus”.
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BLOC OPTIQUE
Capteur
d’image
HORLOGE
Synchro
Prétraitement
commande
diaphragme
et/ou
obturateur
Zoom
microProcesseur
CNA
RAM
ROM
DSP
M
mise au point
M
cellule de mesure
de la luminosité
de la scène
mémoire
FLASH
cellule de mesure
du flash
FLASH
ATA
cartes
d’extension
mémoire
FLASH
Contrôleur
LCD
Affichage
infos
LCD DTN
Réglages
opérateur
USART
CNA
Liaison
Série
Sortie
Vidéo
Gestion
energie
Fig. 20 - Schéma synoptique d’un appareil photo numérique -
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Ecran
LCD TFT
couleur
Le changement de focale peut être continu, d’une valeur “T” (télé) à
. “W” (wide), avec des valeurs intermédiaires, ou uniquement à deux
valeurs “T” ou “W”.
- L’obturateur peut être mécanique, comme sur le VIVICAM 3000, ou,
cas le plus fréquent, électronique. Dans ce dernier cas, c’est la vitesse
d’intégration des photosites du capteur qui module la quantité de
lumière.
- Le diaphragme, la plupart du temps offre deux ouvertures ou plus rare
ment une ouverture fixe. Sur certains modèles, il est combiné à l’obtura
teur mécanique.
- Le capteur d’image assure la transformation de la quantité de lumière
de la scène en grandeurs électriques quasi-continues. Il est piloté par
une horloge qui se charge de la lecture des photosites en combinant
différents signaux pour la conversion en lignes et en points, et produi
sant ainsi des temps d’intégration variables.
- Le circuit de pré-traitement conforme le signal en le filtrant et en élimi
nant les parasites et autres imperfections, ou en apportant une éven
tuelle correction de luminosité pour qu’il reste dans des valeurs accep
tables.
- Le convertisseur Analogique Numérique convertit le signal en prove
nance du capteur et le transforme en valeurs numériques binaires.
- Le DSP (Digital Signal Processor) est un circuit de calcul spécialisé
qui se charge de toutes les tâches de traitement de l’image numérisée
comme le changement d’espace colorimétrique, la correction GAMMA, la
compression des données, l’amélioration des contours, les effets spé
ciaux etc...
- La RAM (Random Access Memory ) est la mémoire volatile, celle qui
contient les données temporaires, les résultats intermédiaires des cal
culs, les données brutes de l’image etc...
- La ROM (Read Only Memory ) est la mémoire fixe, elle contient donc
des constantes numériques, des tables de valeurs et le programme de
commande de l’appareil.
- La mémoire FLASH est une mémoire programmable et effaçable électri
quement, elle n’est pas volatile et stocke les images sous leur forme dé
finitive dans le format de l’appareil (JPEG ou autre ).
- Le micro-Contrôleur, ou micro-processeur dans certains cas, est le ges
tionnaire du système. Contrairement au DSP, il n’exécute que des
taches “ménagères” comme le diagnostic de l’ensemble, l’initialisation, la
gestion des commandes et de l’indicateur d’état (afficheur LCD alpha-47-
numérique) il coordonne le transfert des informations entre les différents
composants . Il gère les fonctions photographiques comme la commande
des moteurs d’auto-Focus ou la mesure de luminosité.
- l’USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmetter
( Emetteur recepteur universel synchrone ou asynchrone ) convertit les
données binaires parallèles (les octets ) en données sérielles, les unes
après les autres, pour la communication par le port série de l’ordinateur
hôte, ou par le protocole IrDA ( transmission sans fil par faisceau infrarouge) comme sur le DC210.
- Le contrôleur LCD est un circuit complexe qui gère l’affichage des
images contenues dans la mémoire de l’appareil sur un écran LCD cou
leur ou qui affiche les commandes sous forme de petits menus dérou
lants, offrant différentes options de fonctionnement.
- L’écran LCD TFT graphique, affiche en couleur les images en mémoire
et joue le rôle de moniteur pour le choix des fonctions avancées ou l’effa
cement selectif des photos. Il peut aussi remplacer le viseur optique
pour la prise de vue.
- le CNA, Convertisseur Numérique Analogique, transforme les données
numériques du fichier-image en grandeurs continues qui après confor
mation seront envoyées sous forme de signal vidéo standard vers un té
léviseur.
- Le gestionnaire d’energie s’occupe de tous les problèmes (critiques en
photo numérique) liés à la consommation d’énergie électrique des diffé
rents composants, définit les priorités d’exploitation, décide de la mise
en veille des ensembles électroniques inutilisés et se charge de la
commutation sur la prise d’alimentation externe.
- L’afficheur LCD DTN , alphanumérique établit le dialogue avec l’opéra
teur en conbinaison avec les boutons de réglage et d’options et affiche
les informations d’état du système : état des piles, nombre de photos
prises,qualité et dimension des images etc...
- Le flash avec ses circuits haute tension est séparé de l’électronique sen
sible et peut être configuré en plusieurs modes : ON, OFF, automatique,
anti yeux rouges ...Sur le Kodak DC 200/210 il dispose de sa propre cel
lule de mesure qui lui permet de doser l’éclair pour assurer un éclairage
adapté à la situation, et par la même assurer une économie d’énergie.
- La cellule de mesure joue le rôle de posemètre pour évaluer la lumino
sité et modifier les paramètres de prise de vue (vitesse et obturation ).
Cette organisation générale reste toujours valable (aux options près) mais a
évolué au cours des dernières années. La plupart des fonctions ont été regroupées
dans des circuits intégrés logiques à très haut degré d’intégration (VLSI Very Large
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Scale Integration ) développés spécialement pour l’application.
Ces circuits spécifiques conçus dans le but d’intégrer des fonctions sur un espace réduit pour diminuer le volume et faciliter le développement tout en réduisant
les coûts divers (fabrication, maintenance et mise au point) peuvent contenir plus
de 10.000 fonctions logiques élémentaires.
Ces “grosses puces” portent le nom d’ ASIC ( Application Specific Integrated
Circuit) ou circuits intégrés pour application spécifique .
Le KODAK DC40 est le représentant (ancien) d’une structure complexe necessitant plusieurs circuits imprimés impliquant ainsi un volume assez important de
l’appareil et donc un poids non négligeable (plus de 500 g avec les piles). La technologie de l’époque ne permettait pas encore l’intégration massive comme par
exemple dans le MITSHUBISHI DJ-1000 avec un poids plume de seulement 80
grammes !
Les nouveaux photoscopes de dernière génération possèdent une structure
interne hyper-dense avec seulement quelques composants (très gros il est vrai !).
Le couple micro-processeur/DSP n’est pratiquement jamais utilisé, seul subsiste un micro-processeur avec des fonctions spécialisées et une architecture adaptée lui permettant de se distinguer aussi bien dans les tâches secondaires comme
la gestion des différentes fonctions que dans le traitement d’une image qui requière
une puissance de calcul sans commune mesure avec ce qu’est capable de fournir
un microprocesseur pourtant aussi puissant qu’un 486 DX.
Il n’est pas rare de voir plusieurs ASICs dans le même appareil (cas du KODAK DC210) en plus de composants spécialement développés pour la photographie numérique et assurant quasiment tout seul toute la partie du processus allant
de la capture par le capteur d’image jusqu’au stockage du fichier sous forme compressée et définitive dans la carte mémoire.
Avant de nous interesser à chaque composant spécifique, nous allons auparavant voir quelques architectures existantes et les solutions retenues par certains fabricants.
Le plus simple des appareils grand public doté des fonctionnalités minimum fût
certainement le KODAK DC20. La figure 21 ci-après dévoile sa structure .
Le capteur CCD de 1/3 “ dispose de 537 X 505 photosites fournissant une image de
510 X 492 pixels . Les couleurs sont obtenues par filtrage en couleurs complémentaires : Magenta, Cyan, Jaune et Vert (la reconstitution de l’image sera abordée plus
loin au chapitre des composants).
La conversion Analogique/Numérique des données est assurée par le microcontrôleur 8 bits FUJITSU MB89625R qui intègre un tel dispositif.
Le circuit ASIC développé spécialement par la firme CHINON (le Kodak DC20 est le
clone du modèle Chinon ES-1000), assume quant à lui les fonctions annexes comme
le pilotage des étages de transfert du capteur ou la synchronisation des signaux
d’horloge pour définir la vitesse d’intégration.
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Le contrôleur se charge encore de la restitution des couleurs, du transfert
de l’image finale en mémoire FLASH et du protocole de transmission série.
Tout ceci reste structurellement très simple. Un appareil de la génération
suivante, comme l’EPSON PC500 offre une plus grande richesse fonctionnelle
comme nous le prouve son schéma-bloc à la figure 22 ci-après
Cet appareil n’est d’ailleurs pas le seul à posséder cette structure, d’autres
constructeurs comme SANYO, AGFA ou OLYMPUS se fournissent chez le même
OEM et leurs modèles, bien que physiquement différents, travaillent avec les
mêmes protocoles de transmission, ont les mêmes formats de fichiers et possèdent
quasiment les mêmes composants.
La différence se fera au niveau du traitement des images, de la qualité des
optiques ou autres fonctions accessoires.
Le “firmware”, c’est-à-dire toutes les routines, les programmes, les algorithmes
de traitement du signal, les tableaux de valeurs et qui font partie intégrante du
matériel, proviennent entres autres de la jeune société SIERRA IMAGING (crée en
1994), spécialisée dans le développement d’applications “embarquées” dédiées à la
photo numérique.
Le contrôleur FUJITSU utilisé est déjà beaucoup plus puissant et offre parmi
ses différentes instructions générales, certaines fonctions spécialement destinées
au traitement hyper rapide d’une catégorie d’opérations mathématiques bien précises que ne possèdent pas des micro-processeurs classiques. Ces fonctions
spéciales telle la multiplication de matrices à 4 X 4 éléments sont implémentées (ou
incorporées , pour reprendre le terme anglo-saxon Embedded ) par la construction
spéciale de son unité centrale, plus proche des ordinateurs scalaires.
L’incorporation de fonctions spéciales autorise l’impasse d’un composant dédié
comme le DSP, et par conséquent l’économie d’un circuit.
La tendance actuelle est néanmoins à l’intégration encore plus poussée des
fonctions spécialisées orientées traitement d’image et gestion des périphériques
associés comme l’afficheur LCD, la transmission série ou encore la liaison vidéo.
La société LSI LOGIC, (déjà connue pour son partenariat avec SONY pour la
conception des circuits de la console PLAYSTATION) commercialise un tel circuit
particulièrement adapté à la réalisation d’un photoscope haut de gamme à prix
raisonnable.
Le circuit référencé DCAM-101,que nous étudierons en détail au chapitre des
composants, équipe déjà le modèle CASIO QV-5000SX.
-50-
CCD
SONY
ICX054AK
micro
contrôleur
FUJITSU
MB89625R
Sortie
série
RS 232
SRAM
128 Ko
ASIC
CHINON
EEPROM
8 Ko
FLASH
1 Mo
Fig. 21 - structure interne du KODAK DC20
CCD
CAN
Contrôleur
LCD
micro
contrôleur
FUJITSU
MB86933H
SRAM
ASIC
Sortie série
RS 232
ROM
FLASH
Fig. 22 - Structure interne du PC500 d’EPSON
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