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(tǒng)（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?？刂撇糠郑∕CU）根據(jù)ISP的聚焦統(tǒng)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。
圖1. 一體化機芯原理框圖
一體化機芯系統(tǒng)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(tǒng)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(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(xiàn)ISP功能，具有靈活高效可實現(xiàn)較復雜功能等特點?？刂撇糠趾万寗硬糠植捎肕CU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(tǒng)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(wǎng)絡傳輸技術等相關技術。
ISP部分和控制部分是系統(tǒng)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(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。
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(shù)據(jù)（Bayer數(shù)據(jù)），Bayer數(shù)據(jù)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(xù)處理，經過電平校正后的Bayer數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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。
