5MP一體化高清機(jī)芯——復(fù)雜場(chǎng)景監(jiān)控設(shè)計(jì)利器

　　前言

　　安防監(jiān)控已經(jīng)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)高清時(shí)代，在這種趨勢(shì)下，高清機(jī)芯的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多、應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來(lái)越廣泛。高清機(jī)芯由于有較高的技術(shù)門檻，國(guó)內(nèi)能開(kāi)發(fā)的廠家不多，大多用國(guó)外品牌。近幾年，由于ISP（Image signal processing）處理芯片的SOC化，出現(xiàn)了較多的攝像機(jī)套片，可以用來(lái)做攝像機(jī)和一體化機(jī)芯，但套片不夠靈活，無(wú)法滿足復(fù)雜場(chǎng)景的監(jiān)控要求。一體化機(jī)芯的發(fā)展是往高分辨率、網(wǎng)絡(luò)化、高倍率的方向在發(fā)展，而SOC無(wú)法及時(shí)滿足市場(chǎng)的變化。本文采用自主開(kāi)發(fā)的ISP和TMPM342電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCU集合芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)5MP高清機(jī)芯的開(kāi)發(fā)。

　　一體化機(jī)芯概述

　　一體化機(jī)芯是指鏡頭內(nèi)置、具有變倍且可自動(dòng)聚焦等功能的攝像機(jī)，是光、機(jī)、電一體化的高精密設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于球機(jī)、云臺(tái)等產(chǎn)品中。一體化機(jī)芯的工作原理如下：圖像光線經(jīng)過(guò)一體機(jī)鏡頭進(jìn)入圖像傳感器（sensor），圖像傳感器成像并輸出圖像信號(hào)進(jìn)入圖像信號(hào)處理系統(tǒng)（ISP），圖像信號(hào)處理單元對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)彩色插值、白平衡、圖像增強(qiáng)等處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)的圖像信號(hào)格式?？刂撇糠郑∕CU）根據(jù)ISP的聚焦統(tǒng)計(jì)判斷圖像是否清晰進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鏡頭變倍聚焦達(dá)到輸出清晰圖像。一體化機(jī)芯的基本原理框圖如圖1。

　　圖1. 一體化機(jī)芯原理框圖

　　一體化機(jī)芯系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一體化機(jī)芯的硬件涉及一體機(jī)鏡頭Lens、圖像傳感器sensor、圖像信號(hào)處理系統(tǒng)ISP、控制部分MCU和驅(qū)動(dòng)部分Driver 等5個(gè)部分。鏡頭和圖像傳感器承擔(dān)光線收集和成像功能，ISP負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的處理和加工使之輸出高質(zhì)量的圖像，控制部分承擔(dān)變倍和自動(dòng)聚焦等功能。

　　本項(xiàng)目是設(shè)計(jì)一款超低照度的1/1.8”5MP一體化高清機(jī)芯。一體機(jī)鏡頭采用業(yè)界首款1/1.8”靶面一體機(jī)鏡頭，具有超大的通光孔徑。圖像傳感器采用業(yè)界領(lǐng)先的超低照度1/1.8”靶面堆棧式CMOS傳感器IMX178。圖像信號(hào)處理單元采用自主設(shè)計(jì)的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)ISP功能，具有靈活高效可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜功能等特點(diǎn)?？刂撇糠趾万?qū)動(dòng)部分采用MCU和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)MCD集成一體的TMPM342，具有體積小、控制靈活等特點(diǎn)。

　　系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

　　一體化機(jī)芯是光、機(jī)、電一體化的高精密設(shè)備，其設(shè)計(jì)也是一個(gè)較為復(fù)雜的工程，涉及到的技術(shù)有：自動(dòng)聚焦技術(shù)、自動(dòng)曝光技術(shù)、圖像處理技術(shù)、光學(xué)工程技術(shù)、嵌入式技術(shù)、視頻編碼技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。

　　ISP部分和控制部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，ISP關(guān)系著輸出圖像質(zhì)量，控制部分關(guān)系著變焦和聚焦性能，使畫面快速清晰。

　　ISP的設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)

　　ISP（Image signal processing）類似人眼的視覺(jué)系統(tǒng)（包括視網(wǎng)膜、大腦皮層視覺(jué)區(qū)域等）對(duì)視網(wǎng)膜上的成像進(jìn)行處理，產(chǎn)生人所感知的視覺(jué)效果。ISP處理器對(duì)sensor輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到與人眼視覺(jué)效果一致的圖像。

　　ISP處理流程大致為：光線經(jīng)過(guò)鏡頭進(jìn)入傳感器形成圖像原始數(shù)據(jù)（Bayer數(shù)據(jù)），Bayer數(shù)據(jù)進(jìn)入ISP處理單元，通過(guò)黑電平校正將信號(hào)調(diào)整到合適的范圍內(nèi)方便后續(xù)處理，經(jīng)過(guò)電平校正后的Bayer數(shù)據(jù)通過(guò)色彩插值轉(zhuǎn)換為RGB色塊圖像信號(hào)，RGB圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)白平衡校正、色彩校正、Gamma校正等一系列校正處理得到較為正常清晰的圖像信號(hào)，RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)后，經(jīng)過(guò)數(shù)字降噪、圖像增強(qiáng)等一系列處理可得到較為理想的圖像視頻。因此ISP模塊包括黑點(diǎn)平校正、壞點(diǎn)校正、色彩插值、白平衡校正、色彩校正、Gamma校正、RGB到Y(jié)UV轉(zhuǎn)換、數(shù)字降噪、圖像增強(qiáng)處理、視頻格式轉(zhuǎn)換等模塊。ISP原理框圖如圖2。

　　圖2. ISP原理框圖

　　5MP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流對(duì)處理器處理帶寬和性能有較高的要求，因此ISP的實(shí)現(xiàn)采用Altera的Cyclone V系列FPGA來(lái)完成的。這種方式可以非常靈活的應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜場(chǎng)景，?？低暤腎SP經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)檢驗(yàn)，已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)外客戶高度的認(rèn)可。FPGA除了實(shí)現(xiàn)了常規(guī)的ISP模塊，還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)聚焦所需要的聚焦統(tǒng)計(jì)模塊，以及自動(dòng)曝光的AE模塊。

　　-------
　　因何而“安”？！解讀聰明安防設(shè)計(jì)，探尋核心技術(shù)難點(diǎn)。