5MP 一体化高清机芯——复杂场景监控设计利器.PDF

智能安防特刊 5MP 一体化高清机芯——复杂场景监控设计利器 [导读] 本文介绍一种5MP 一体化高清机芯的实现方法，采用FPGA 来实现自主开发的ISP 算 法，采用TMPM342 来实现马达驱动和自动聚焦、自动曝光等功能，开发出业界第一款5MP 实时一体化高清机芯。 前言 安防监控已经进入了网络高清时代，在这种趋势下，高清机芯的应用将会越来越多、应 用领域也会越来越广泛。高清机芯由于有较高的技术门槛，国内能开发的厂家不多，大多用 国外品牌。近几年，由于ISP （Image signal processing ）处理芯片的SOC 化，出现了较 多的摄像机套片，可以用来做摄像机和一体化机芯，但套片不够灵活，无法满足复杂场景的 监控要求。一体化机芯的发展是往高分辨率、网络化、高倍率的方向在发展，而SOC 无法 及时满足市场的变化。本文采用自主开发的ISP 和TMPM342 电机驱动MCU 集合芯片来实 现5MP 高清机芯的开发。 一体化机芯概述 一体化机芯是指镜头内置、具有变倍且可自动聚焦等功能的摄像机，是光、机、电一体 化的高精密设备，它广泛应用于球机、云台等产品中。一体化机芯的工作原理如下：图像光 线经过一体机镜头进入图像传感器（sensor ），图像传感器成像并输出图像信号进入图像信 号处理系统（ISP），图像信号处理单元对信号经过彩色插值、白平衡、图像增强等处理， 输出标准的图像信号格式。控制部分（MCU）根据ISP 的聚焦统计判断图像是否清晰进而 驱动电机带动镜头变倍聚焦达到输出清晰图像。一体化机芯的基本原理框图如图 1。 图1. 一体化机芯原理框图 一体化机芯系统设计 一体化机芯的硬件涉及一体机镜头Lens、图像传感器sensor 、图像信号处理系统ISP、 控制部分MCU 和驱动部分Driver 等5 个部分。镜头和图像传感器承担光线收集和成像功 智能安防特刊 能，ISP 负责图像信号的处理和加工使之输出高质量的图像，控制部分承担变倍和自动聚焦 等功能。 本项目是设计一款超低照度的 1/1.8”5MP一体化高清机芯。一体机镜头采用业界首款 1/1.8”靶面一体机镜头，具有超大的通光孔径。图像传感器采用业界领先的超低照度1/1.8” 靶面堆栈式CMOS 传感器 IMX178。图像信号处理单元采用自主设计的FPGA 来实现 ISP 功能，具有灵活高效可实现较复杂功能等特点。控制部分和驱动部分采用MCU 和马达驱动 MCD 集成一体的TMPM342 ，具有体积小、控制灵活等特点。 系统关键部分设计 一体化机芯是光、机、电一体化的高精密设备，其设计也是一个较为复杂的工程，涉及 到的技术有：自动聚焦技术、自动曝光技术、图像处理技术、光学工程技术、嵌入式技术、 视频编码技术、网络传输技术等相关技术。 ISP 部分和控制部分是系统设计的关键部分，ISP 关系着输出图像质量，控制部分关系 着变焦和聚焦性能，使画面快速清晰。 ISP 的设计与FPGA 实现 ISP （Image signal processing ）类似人眼的视觉系统（包括视网膜、大脑皮层视觉区 域等）对视网膜上的成像进行处理，产生人所感知的视觉效果。ISP 处理器对sensor 输出 的原始数据进行处理，得到与人眼视觉效果一致的图像。 ISP 处理流程大致为：光线经过镜头进入传感器形成图像原始数据（Bayer 数据），Bayer 数据进入 ISP 处理单元，通过黑电平校正将信号调整到合适的范围内方便后续处理，经过 电平校正后的Bayer 数据通过色彩插值转换为RGB 色块图像信号，RGB 图像信号经过白 平衡校正、色彩校正、Gamma 校正等一系列校正处理得到较为正常清晰的图像信号，RGB 信号转换为YUV 信号后，经过数字降噪、图像增强等一系列处理可得到较为理想的图像视 频。因此 ISP 模块包括黑点平校正、坏点校正、色彩插值、白平衡校正、色彩校正、Gamma 校正、RGB 到YUV 转换、数字降噪、图像增强处理、视频格式转换等模块。ISP 原理框图 如图2 。 智能安防特刊 图2. ISP 原理框图 5MP 实时数据流对处