5MP一體化高清機芯的設計與實現

摘要：本文介紹一種5MP一體化高清機芯的實現方法，采用FPGA來實現自主開發的ISP算法，采用TMPM342來實現馬達驅動和自動聚焦、自動曝光等功能，開發出業界第一款5MP實時一體化高清機芯。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/248887.htm

關鍵詞：高清機芯；自動聚焦；ISP；FPGA；TMPM342

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.6.002

安防監控已經進入了網絡高清時代，在這種趨勢下，高清機芯的應用將會越來越多、應用領域也會越來越廣泛。高清機芯由于有較高的技術門檻，國內能開發的廠家不多，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，無法滿足復雜場景的監控要求。一體化機芯的發展是往高分辨率、網絡化、高倍率的方向在發展，而SOC無法及時滿足市場的變化。本文采用自主開發的ISP和TMPM342電機驅動MCU集合芯片來實現5MP高清機芯的開發。

一體化機芯概述

一體化機芯是指鏡頭內置、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備，它廣泛應用于球機、云臺等產品中。一體化機芯的工作原理如下：圖像光線經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（ISP），圖像信號處理單元對信號經過彩色插值、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ISP的聚焦統計判斷圖像是否清晰進而驅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。

一體化機芯系統設計

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ISP、控制部分MCU和驅動部分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。圖像傳感器采用業界領先的超低照度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計的FPGA來實現ISP功能，具有靈活高效可實現較復雜功能等特點。控制部分和驅動部分采用MCU和馬達驅動MCD集成一體的TMPM342，具有體積小、控制靈活等特點。

系統關鍵部分設計

一體化機芯是光、機、電一體化的高精密設備，其設計也是一個較為復雜的工程，涉及到的技術有：自動聚焦技術、自動曝光技術、圖像處理技術、光學工程技術、嵌入式技術、視頻編碼技術、網絡傳輸技術等相關技術。

ISP部分和控制部分是系統設計的關鍵部分，ISP關系著輸出圖像質量，控制部分關系著變焦和聚焦性能，使畫面快速清晰。

ISP的設計與FPGA實現

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

ISP處理流程大致為：光線經過鏡頭進入傳感器形成圖像原始數據（Bayer數據），Bayer數據進入ISP處理單元，通過黑電平校正將信號調整到合適的范圍內方便后續處理，經過電平校正后的Bayer數據通過色彩插值轉換為RGB色塊圖像信號，RGB圖像信號經過白平衡校正、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信號轉換為YUV信號后，經過數字降噪、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YUV轉換、數字降噪、圖像增強處理、視頻格式轉換等模塊。ISP原理框圖如圖2。

5MP實時數據流對處理器處理帶寬和性能有較高的要求，因此ISP的實現采用Altera的Cyclone V系列FPGA來完成的。這種方式可以非常靈活的應對各種復雜場景，海康威視的ISP經過多年的市場檢驗，已經得到行業內外客戶高度的認可。FPGA除了實現了常規的ISP模塊，還實現了自動聚焦所需要的聚焦統計模塊，以及自動曝光的AE模塊。

馬達驅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、馬達驅動部分三者配合才能完成的。本項目的馬達驅動和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，內置ARM CortexM3，可以方便靈活的實現更多功能。TMPM342的MCD可以很方便的實現對步進電機、直流電機、電磁線圈的控制，結合MCU和AF、AE算法，可以很方便的實現自動聚焦、自動曝光控制。TMPM342中的PSC可編程伺服控制可以實現PID算法，利用這個可以實現防抖等功能。由此，可以說TMPM342是常適合用來開發一體化機芯的。本項目就是通過TMPM342來實現對鏡頭馬達、光圈的驅動，并實現自動聚焦、自動曝光控制等功能。TMPM342內部框圖及控制示意圖如圖3。

自動聚焦原理及實現

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移動的簡單過程，直到達到峰值為止，周圍相鄰狀態中沒有比峰值更高的值。

自動聚焦系統一般由兩部分組成，一部分是聚焦清晰度評價函數，這部分由FPGA來實現；另一部分是電機驅動及聚焦控制部分，這部分是由TMPM342來實現。自動聚焦實現框圖如圖4。

結束語

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

參考文獻：

[1] Toshiba Corporation .TMPM342 user manual.

[2] Sony Corporation. IMX178 technical manual.

[3] Altera Corporation .Cyclone V user guide.

[4]蔣婷、譚躍剛、劉泉. 基于SOBEL算子的圖像清晰度評價函數研究[J]. 計算機與數字工程，2008，36（8）：129

[5]張曉娟、張剛、張博. 一體化攝像機自動聚焦搜索算法的研究[J]. http：//www.paper.edu.cn