5MP一體化高清機芯的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：本文介紹一種5MP一體化高清機芯的實現(xiàn)方法，采用FPGA來實現(xiàn)自主開發(fā)的ISP算法，采用TMPM342來實現(xiàn)馬達驅(qū)動和自動聚焦、自動曝光等功能，開發(fā)出業(yè)界第一款5MP實時一體化高清機芯。
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?？刂撇糠?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。
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(dān)光線收集和成像功能，ISP負責(zé)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(dān)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。控制部分和驅(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。
