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。

　　前言

　　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。