5MP一体化高清机芯的设计与实现

　　摘要：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。

　　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。