1394汽車攝像頭設(shè)計(jì)方案

汽車攝像頭系統(tǒng)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，從單一后備攝像頭和簡單傳感器檢測物體，發(fā)展到了諸如碰撞避免和信號(hào)識(shí)別等智能駕駛輔助系統(tǒng)。這些系統(tǒng)要求高帶寬、低延時(shí)、多攝像頭同步工作和可擴(kuò)展的特性，而且必須滿足眾多通用的汽車要求，如低成本、少維護(hù)、減小重量，且能以用靈活線束實(shí)現(xiàn)。

典型的系統(tǒng)

典型的駕駛輔助系統(tǒng)包含一個(gè)攝像頭控制器，用于連接多個(gè)圖像傳感器（攝像頭）?？刂破髋c攝像頭通信以提供配置信息，攝像頭與控制器通信以提供狀態(tài)和圖像流數(shù)據(jù)。控制器接收每個(gè)攝像頭發(fā)送的圖像流數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后確定諸如與目標(biāo)物體的距離、相對(duì)速度和車道信息等參數(shù)。實(shí)時(shí)計(jì)算多個(gè)相關(guān)流對(duì)網(wǎng)絡(luò)有特殊要求，需要通過設(shè)計(jì)1394汽車攝像頭系統(tǒng)來滿足。

高帶寬

有多種因素推動(dòng)了對(duì)高帶寬的需求：例如未壓縮或稍作壓縮的視頻、視頻分辯率、色彩深度和幀速率等因素。在駕駛輔助應(yīng)用中，視頻一般是未壓縮或稍有壓縮的數(shù)據(jù)，這主要有兩方面的原因：從圖像傳感器幀捕獲到幀處理開始的延時(shí)必須很小，并且可預(yù)測；只能容忍非常少(如果有的話)的圖像壓縮。

根據(jù)系統(tǒng)的不同，視頻分辯率范圍可以從640×480至2048×1536，色彩深度可以從8位至24位，幀速率從15fps至60fps。1394汽車攝像頭系統(tǒng)基于IEEE-1394-2008標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)支持98.304Mbps至3.932Gbps(S3200)，其中983.04Mbps(S800)芯片是目前大批量出貨的產(chǎn)品。獲得更高的速度也不難，因?yàn)榛?B10B的技術(shù)如今很常見，S1600和S3200設(shè)備也已有成功演示。

在S800數(shù)據(jù)速率下，6臺(tái)未壓縮640×480@30fps、8位單色攝像頭加上1臺(tái)未壓縮640×480@30fps、16位彩色攝像頭用于司機(jī)觀察是可行的，剩余還有近200Mbps帶寬用于反向通道或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

在S3200數(shù)據(jù)速率下，可以有4臺(tái)未壓縮2048×1536@30fps、8位單色攝像頭用于專用攝像頭網(wǎng)絡(luò)，余下125Mbps帶寬留給反向通道或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

低延時(shí)

足夠的帶寬可以帶來更低的延時(shí)。然而，足夠的帶寬并不會(huì)總是能保證低延時(shí)。1394標(biāo)準(zhǔn)具有足夠的帶寬發(fā)送來自多部攝像頭的未壓縮視頻，可顯著減小延時(shí)。另外，1394的同步功能能使每部攝像頭的圖像數(shù)據(jù)到達(dá)攝像頭控制器的時(shí)間可被預(yù)測，并能保證最大延時(shí)為250μs。

如果需要少量壓縮，就必須滿足駕駛輔助系統(tǒng)的延時(shí)要求。安全至關(guān)重要的應(yīng)用只能容忍從傳感器幀捕獲到幀處理開始（從編碼到解碼）間存在很短的延時(shí)。對(duì)于安全至關(guān)重要的應(yīng)用來說，這是最嚴(yán)格的參數(shù)，可以容忍的最大延時(shí)為5ms。最大延時(shí)為250μs的1394汽車攝像頭系統(tǒng)加上富士通的SmartCodec可以提供4倍壓縮和5ms的編碼至解碼延時(shí)。

這意味著在S3200速率時(shí)，1394可以支持兩臺(tái)最大分辯率、幀速率和色彩深度的攝像頭（2048×1526@60fps和24位色彩），并具有足夠的帶寬支持6部有壓縮的1024×768@30fps和16位色彩攝像頭，同時(shí)所有攝像頭的最大延時(shí)保證在5ms以內(nèi)。

多部攝像頭同步工作

從攝像頭發(fā)出的圖像以每秒8000次的實(shí)時(shí)速度形成數(shù)據(jù)流。在每個(gè)125μs間隔之前，一個(gè)40ns分辯率的時(shí)間戳數(shù)據(jù)包被廣播到所有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的再同步。這個(gè)時(shí)間戳是硬件產(chǎn)生的，不受非1394系統(tǒng)加載的影響，因此能實(shí)現(xiàn)高精度的三角計(jì)算。40ns分辯率的時(shí)間戳加上VersaPHY遠(yuǎn)端傳感器配置可支持高精度“預(yù)見型”攝像頭觸發(fā)器，用于實(shí)現(xiàn)像素和線的精確同步，并且延時(shí)遠(yuǎn)小于通常要求的10μs。

可擴(kuò)展性

可擴(kuò)展性對(duì)不同的工程師有不同的含義。1394汽車攝像頭系統(tǒng)覆蓋了從數(shù)據(jù)速率到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到電纜到協(xié)議到系統(tǒng)的所有對(duì)象。1394規(guī)范幾乎在每個(gè)方向都能擴(kuò)展：

數(shù)據(jù)速率：98.304Mbps(S100)至3.932Gbps(S3200)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：支持點(diǎn)到點(diǎn)，菊花鏈，樹狀和環(huán)狀（環(huán)形）拓?fù)?

線纜：1394的媒介層支持銅纜、塑料光纖、鎧裝塑料光纖和玻璃光纖。

協(xié)議：IEEE-1394是一種功能強(qiáng)大的傳輸協(xié)議，支持本地?cái)z像頭、音視頻設(shè)備、大容量存儲(chǔ)器和VersaPHY配置以及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。IEEE-1394同時(shí)支持存儲(chǔ)器映射（對(duì)大容量存儲(chǔ)器來說非常有效）和通道架構(gòu)（對(duì)音/視頻數(shù)據(jù)流來說非常有效）。

系統(tǒng)：1394汽車攝像頭系統(tǒng)的成本從簡單的點(diǎn)到點(diǎn)攝像頭和顯示器到復(fù)雜的用相同硬件實(shí)現(xiàn)的多攝像頭駕駛輔助系統(tǒng)變化很大。

1394汽車攝像機(jī)系統(tǒng)。

靈活的線束

IEEE-1394是一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、菊花鏈、樹和環(huán)形拓?fù)洹Ａ硗猓?394汽車攝像頭系統(tǒng)支持多種媒介類型，如屏蔽雙絞線、屏蔽四絞線、同軸線纜和塑料光纖。1394汽車攝像頭系統(tǒng)的工作距離至少8米，并支持5個(gè)內(nèi)聯(lián)連接。所有這些靈活性給攝像頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了功能強(qiáng)大的工具，可形成最強(qiáng)功能、重量輕和極具成本效益的駕駛輔助網(wǎng)絡(luò)線束方案。

無需要軟件

汽車實(shí)現(xiàn)變化很大，從簡單攝像頭到通過連接著攝像頭控制器的多臺(tái)攝像頭的顯示應(yīng)用，并且這些控制器上運(yùn)行著復(fù)雜的碰撞檢測算法。1394汽車攝像頭系統(tǒng)使用1394同步數(shù)據(jù)流功能，支持在網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)簡單的點(diǎn)到點(diǎn)模擬類連接。這種簡單性基于1394的同步數(shù)據(jù)流架構(gòu)，可以百分之百用硬件實(shí)現(xiàn)。這意味著來自傳感器的視頻放到總線上以及從總線上接收、顯示或處理都不需要1394軟件的參與。這樣就極大地簡化了攝像頭設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些攝像頭無需軟件或處理器就能使用。

另外，在1394中新增VersaPHY后允許攝像頭在內(nèi)部沒有軟件、控制器中只有少量簡單軟件的情況下受控。對(duì)于像單個(gè)攝像頭到顯示器這樣的應(yīng)用，在攝像頭或顯示器中要求絕對(duì)沒有軟件。

降低成本

成本非常關(guān)鍵——1394汽車攝像頭系統(tǒng)在成本方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。S800 1394芯片已經(jīng)非常普及，并且可以使用在許多其它大批量應(yīng)用中使用的主流Serdes技術(shù)擴(kuò)展到S3200，從而允許1394 汽車攝像頭系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，以簡單和極具成本效益的方式提供更大的帶寬。

如上所述，未壓縮視頻的最差延時(shí)是250μs，這意味著攝像機(jī)只需緩沖最大250μs的數(shù)據(jù)。有限的緩存要求減少了芯片門數(shù)量，使得單芯片1394解決方案和雙芯片、傳感器和1394、攝像頭實(shí)現(xiàn)具有無與倫比的成本效益。

雖然其它技術(shù)經(jīng)常要求獨(dú)立的觸發(fā)或時(shí)鐘信號(hào)來觸發(fā)和/或同步網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，但1394數(shù)據(jù)流設(shè)備的同步是架構(gòu)的基礎(chǔ)，是用硬件實(shí)現(xiàn)的，因此1394 汽車攝像頭系統(tǒng)無需額外成本就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

因?yàn)?394汽車攝像頭系統(tǒng)有多種擴(kuò)展方式，汽車制造商可以為大多數(shù)型號(hào)選擇1394，從而提高產(chǎn)量、降低成本。從點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)涞酱笮蛿z像頭網(wǎng)絡(luò)，1394都能輕松應(yīng)對(duì)。

線束策略在降低實(shí)現(xiàn)成本過程中也很重要，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種媒介類型和拓?fù)浒才诺淖畲蠡С?。這種靈活性允許汽車制造商選擇能夠滿足系統(tǒng)級(jí)成本目標(biāo)的媒介，并在性能、可擴(kuò)展性和重量等各個(gè)方面取得平衡。

因?yàn)橐曨l流是1394的基本特性，這樣做的成本是最小的。從降低的硅片成本到非常低的管理開銷，1394成本可媲美點(diǎn)到點(diǎn)解決方案，卻能提供網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全部優(yōu)點(diǎn)。

小結(jié)：1394汽車攝像頭系統(tǒng)可以提供汽車應(yīng)用需要的所有特性和功能，同時(shí)保持極具競爭力的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

作者：Richard Mourn

作者簡介：Aztek公司的Richard Mourn是1394行業(yè)協(xié)會(huì)副主席，也是火線原始開發(fā)人員之一。