5MP一體化高清機芯—復(fù)雜場景監(jiān)控設(shè)計利器

前言

安防監(jiān)控已經(jīng)進入了網(wǎng)絡(luò)高清時代，在這種趨勢下，高清機芯的應(yīng)用將會越來越多、應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣泛。高清機芯由于有較高的技術(shù)門檻，國內(nèi)能開發(fā)的廠家不多，大多用國外品牌。近幾年，由于ISP(Image signal processing)處理芯片的SOC化，出現(xiàn)了較多的攝像機套片，可以用來做攝像機和一體化機芯，但套片不夠靈活，無法滿足復(fù)雜場景的監(jiān)控要求。一體化機芯的發(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無法及時滿足市場的變化。本文采用自主開發(fā)的ISP和TMPM342電機驅(qū)動MCU集合芯片來實現(xiàn)5MP高清機芯的開發(fā)。

一體化機芯概述

一體化機芯是指鏡頭內(nèi)置、具有變倍且可自動聚焦等功能的攝像機，是光、機、電一體化的高精密設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于球機、云臺等產(chǎn)品中。一體化機芯的工作原理如下：圖像光線經(jīng)過一體機鏡頭進入圖像傳感器(sensor)，圖像傳感器成像并輸出圖像信號進入圖像信號處理系統(tǒng)(ISP)，圖像信號處理單元對信號經(jīng)過彩色插值、白平衡、圖像增強等處理，輸出標準的圖像信號格式。控制部分(MCU)根據(jù)ISP的聚焦統(tǒng)計判斷圖像是否清晰進而驅(qū)動電機帶動鏡頭變倍聚焦達到輸出清晰圖像。一體化機芯的基本原理框圖如圖1.

圖1. 一體化機芯原理框圖

一體化機芯系統(tǒng)設(shè)計

一體化機芯的硬件涉及一體機鏡頭Lens、圖像傳感器sensor、圖像信號處理系統(tǒng)ISP、控制部分MCU和驅(qū)動部分Driver 等5個部分。鏡頭和圖像傳感器承擔光線收集和成像功能，ISP負責圖像信號的處理和加工使之輸出高質(zhì)量的圖像，控制部分承擔變倍和自動聚焦等功能。

本項目是設(shè)計一款超低照度的1/1.8“5MP一體化高清機芯。一體機鏡頭采用業(yè)界首款1/1.8”靶面一體機鏡頭，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.圖像信號處理單元采用自主設(shè)計的FPGA來實現(xiàn)ISP功能，具有靈活高效可實現(xiàn)較復(fù)雜功能等特點?？刂撇糠趾万?qū)動部分采用MCU和馬達驅(qū)動MCD集成一體的TMPM342，具有體積小、控制靈活等特點。

系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計

一體化機芯是光、機、電一體化的高精密設(shè)備，其設(shè)計也是一個較為復(fù)雜的工程，涉及到的技術(shù)有：自動聚焦技術(shù)、自動曝光技術(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)計與FPGA實現(xiàn)

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

ISP處理流程大致為：光線經(jīng)過鏡頭進入傳感器形成圖像原始數(shù)據(jù)(Bayer數(shù)據(jù))，Bayer數(shù)據(jù)進入ISP處理單元，通過黑電平校正將信號調(diào)整到合適的范圍內(nèi)方便后續(xù)處理，經(jīng)過電平校正后的Bayer數(shù)據(jù)通過色彩插值轉(zhuǎn)換為RGB色塊圖像信號，RGB圖像信號經(jīng)過白平衡校正、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，RGB信號轉(zhuǎn)換為YUV信號后，經(jīng)過數(shù)字降噪、圖像增強等一系列處理可得到較為理想的圖像視頻。因此ISP模塊包括黑點平校正、壞點校正、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實時數(shù)據(jù)流對處理器處理帶寬和性能有較高的要求，因此ISP的實現(xiàn)采用Altera的Cyclone V系列FPGA來完成的。這種方式可以非常靈活的應(yīng)對各種復(fù)雜場景，海康威視的ISP經(jīng)過多年的市場檢驗，已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)外客戶高度的認可。FPGA除了實現(xiàn)了常規(guī)的ISP模塊，還實現(xiàn)了自動聚焦所需要的聚焦統(tǒng)計模塊，以及自動曝光的AE模塊。

馬達驅(qū)動和自動聚焦控制部分

一體化機芯具有變焦和自動聚焦功能，這部分需要MCU、一體機鏡頭、馬達驅(qū)動部分三者配合才能完成的。本項目的馬達驅(qū)動和MCU采用而者合一的TMPM342芯片。TMPM342是東芝公司一款MCU、MCD(Motor Control Driver)、PSC(Programmable Servo Controller)集成在一起的單芯片SOC，可以方便的控制電機、光圈，內(nèi)置ARM CortexM3，可以方便靈活的實現(xiàn)更多功能。TMPM342的MCD可以很方便的實現(xiàn)對步進電機、直流電機、電磁線圈的控制，結(jié)合MCU和AF、AE算法，可以很方便的實現(xiàn)自動聚焦、自動曝光控制。TMPM342中的PSC可編程伺服控制可以實現(xiàn)PID算法，利用這個可以實現(xiàn)防抖等功能。由此，可以說TMPM342是常適合用來開發(fā)一體化機芯的。本項目就是通過TMPM342來實現(xiàn)對鏡頭馬達、光圈的驅(qū)動，并實現(xiàn)自動聚焦、自動曝光控制等功能。TMPM342內(nèi)部框圖及控制示意圖如圖3。

圖3. TMPM342FY內(nèi)部框圖及控制示意圖

自動聚焦原理及實現(xiàn)

自動聚焦是一體化機芯中最重要的功能。自己聚焦原理很簡單，一般流程如下：先判斷圖像是否清晰，如果清晰就結(jié)束一輪聚焦過程，如果不清晰就開始搜索周圍是否有清晰點，直到搜索到清晰點結(jié)束一輪聚焦過程。自動聚焦一般采用爬山法，爬山法是向值增加的方向持續(xù)移動的簡單過程，直到達到峰值為止，周圍相鄰狀態(tài)中沒有比峰值更高的值。

自動聚焦系統(tǒng)一般由兩部分組成，一部分是聚焦清晰度評價函數(shù)，這部分由FPGA來實現(xiàn);另一部分是電機驅(qū)動及聚焦控制部分，這部分是由TMPM342來實現(xiàn)。自動聚焦實現(xiàn)框圖如圖4。

圖4.自動聚焦實現(xiàn)框圖

結(jié)束語

本文介紹了一種5MP實時一體化高清機芯的實現(xiàn)方式，采用業(yè)界最新的5MP sensor和最新的5MP一體機鏡頭，由FPGA來實現(xiàn)自主設(shè)計的ISP，通過TMPM342來實現(xiàn)聚焦和變焦電機的驅(qū)動，并同時實現(xiàn)自動聚焦和自動曝光和其他機芯功能。這是一種簡單靈活、性價比較高的實現(xiàn)方式。