Jacinto 7 攝像頭捕捉和成像子系統

1 引言

攝像頭是工業和汽車市場中基于視覺系統的關鍵元件。在機器視覺、機器人技術、視頻監控、高級駕駛輔助系統(ADAS) 等工業和汽車應用中，攝像頭的數量、幀速率和分辨率一直都在顯著增加。對于此類應用中使用的應用處理器來說，捕捉和處理包括原始輸入在內的這些攝像頭輸入至關重要。基于 Jacinto 7 的高性能異構應用處理器，包括 TDA4VM 和 DRA829 [1] 和 [2]，能夠提供捕捉和處理多個攝像頭輸入的功能，以便優化性能、功耗和內存吞吐量。

1.1 Jacinto 7 成像子系統概述

Jacinto 7 攝像頭捕捉系統是德州儀器 (TI) 的第 7 代成像子系統 (ISP)，它是在 20 多年來將多個 SoC 系列部署到上百萬產品的創新實踐摸索中構建的。一些差異化特性包括：

? 與所有圖像傳感器格式兼容

? 低功耗、更高的性能、全圖像流水線以及經過優化的內存吞吐量

– 鏡頭陰影校正、噪聲濾波器、WDR、去馬賽克、色彩空間轉換、圖像金字塔

? 兩個用于高分辨率多攝像頭捕捉的高速接口

– 每個接口多達 16 個虛擬通道。多達 32 個攝像頭捕捉。

? 同時進行人類 + 機器視覺輸出

– 人類視覺 ISP 特性：

? 140dB WDR

? 局部自適應色調映射

? 雙噪聲濾波器

? 8b 輸出

– 機器視覺 ISP 特性：

? 高級 CFA 插值支持所有 2x2 CFA 格式

2 攝像頭捕捉子系統

TDA4VM/DRA829 攝像頭捕捉子系統包括 2 個 MIPI CSI-2 接口和視頻處理前端 (VPFE)，如圖 2-1 所示。

圖 2-1. TDA4VM/DRA829 攝像頭捕捉子系統

2.1 MIPI-CSI2

TDA4VM/DRA829 MIPI-CSI2 接口支持以下特性：

? 2 個 4 通道 MIPI D-PHY（2.5Gbps/通道）

? 支持 8 個帶解串器集線器的傳感器

? 2 個攝像頭適應層 (CAL)

– MIPI CSI2 的協議棧

– 支持所有 MIPI 支持的格式

? RAW/DPCM/YUV

? RAW 8、10、12、14、16 位

– 經過壓縮擴展或線性

? 從 SDRAM 并行讀取像素流

– I/F 端口流量的實時優先級

2.2 視頻處理前端

視頻處理前端 (VPFE) 是一個輸入接口模塊，用于從圖像傳感器等外部成像外設接收原始圖像/視頻數據或 YUV 數
字視頻數據。VPFE 支持以下特性：

? 支持傳統的拜耳陣列和 Foveon 傳感器格式。

– 為外部時序發生器生成 HD/VD 時序信號和字段 ID，也可以同步到外部時序發生器

– 支持逐行掃描（非隔行掃描）和隔行掃描傳感器

– 支持高達 110MHz 的傳感器時鐘。

– 支持 REC656/CCIR-656 標準（YCbCr 422 格式，8 位或 16 位）。

– 支持帶有離散 HSYNC 和 VSYNC 信號的 8 位或 16 位 YCbCr 422 格式。

– 支持多達 16 位的輸入。

3 視覺預處理加速器

視覺預處理加速器 (VPAC) 子系統是一組常見的視覺基元功能，用于執行像素數據處理任務，例如：色彩處理和增強、噪聲濾波、寬動態范圍 (WDR) 處理、鏡頭失真校正、用于去扭曲的像素重映射、動態縮放生成和動態金字塔生成。VPAC 從主 SoC 處理器（ARM、DSP 等）卸載這些常見任務，以便這些 CPU 可用于差異化的高級算法。VPAC 用于通過在時分復用模式下工作來支持多個攝像頭。VPAC 可用作視覺處理流水線的前端，供 SoC 內的其他視覺加速器或處理器內核進行進一步的處理。

圖 3-1 展示了 VPAC 簡要方框圖。

圖 3-1. VPAC 方框圖

VPAC 由以下主要部分組成：

? 視頻成像子系統 (VISS)

? 鏡頭失真校正 (LDC)

? 雙線性噪聲濾波器 (BNF)

? 多標量 (MSC)

3.1 視頻成像子系統 (VISS)

VISS 對原始數據進行圖像處理，然后輸出 RGB 和/或 YUV 圖像。視頻成像子系統 (VISS) 包括以下組成部分：

? 原始前端 (Raw FE)，用于實現：

– 寬動態范圍 (WDR) 合并

– 缺陷像素校正 (DPC)

– 鏡頭陰影校正 (LSC)

– 分解

– 3A 統計

– 白平衡

? 噪聲濾波器 (NSF)

– 拜耳域空間噪聲濾波器

? 用于自適應局部色調映射的全局和局部亮度對比度增強 (GLBCE)

? Flex 顏色處理 (FCP)，它支持

– 去馬賽克、色彩校正、色彩空間轉換和伽馬轉換

VISS 流水線能夠以每周期 1 個像素的速度來處理數據。在 TDA4VM 上，VISS 系統的時鐘頻率可以達到720Mhz，從而實現 72000 萬像素/秒的處理能力。

3.2 鏡頭失真校正 (LDC)

LDC 模塊通過應用透視變換/單應矩陣，將像素從失真的輸入空間重新映射到未失真的輸出空間。LDC 支持以下特性：

? 鏡頭失真校正、立體整流、通用像素重映射

– 可提高圖像質量的多區域模式

– 高級校正模式 - 基于查找表的反映射方法

– 使用雙三次插值的亞像素精度

– DDR 黑白優化的架構

? 支持的格式：

– YUV 420 (NV12/NV21)

– 高達 12 位/元件

? 插值類型：

– 雙三次（2 個周期/像素）

– 雙線性（1 個周期/像素）

3.3 多標量 (MSC)

MSC 可使用多種縮放比例，從給定輸入生成多達 10 個經過縮放的輸出。MSC 支持以下特性：

? 多縮放能力：來自 1 個或 2 個輸入平面的 10 個同時縮放的輸出

? 每個縮放引擎都可以配置為執行金字塔或倍頻程間的縮放生成

? 支持 1 至 0.25 倍之間的縮放比例

? 每個倍頻程之間有 7 個縮放比例 → 1.09 倍

? 單個周期/像素性能

3.4 雙邊噪聲濾波 (BNF)

BNF 采用了雙邊濾波，以去除噪聲，它支持以下功能：

? 雙邊和通用濾波

? 濾波器尺寸高達 5x5

? 真正的 2D 雙邊濾波

? 可編程靜態權重的濾波器尺寸高達 5x5

? 1 個周期/像素性能

? 支持的格式：

– YUV 42，12 位

– 可以使用 LDC/定標器支持 8 位格式

– 基于線路的輸入和輸出

3.5 攝像頭傳感器的軟件可用性

有關可用的攝像頭傳感器驅動程序，請參閱 Jacinto 7 Processor SDK 成像發行說明

4 用例示例

下面顯示了一些常見的攝像頭用例示例，假設原始攝像頭輸入為每像素 12 位。

4.1 使用 MIPI 聚合器的 4 攝像頭用例

圖 4-1 展示了一個簡要方框圖，其中 4 個 200 萬像素 @30fps 攝像頭輸入通過使用 MIPI CSI-2 聚合器和數據流直接連接至 TDA4VM。

圖 4-1. 使用 MIPI CSI-2 聚合器和數據流的 4 攝像頭用例

表 4-1 總結了此用例的總利用率。

表 4-1. 此用例的總利用率

4.2 通用 8 攝像頭用例

圖 4-2 展示了通過 FPDLink 串行器和解串器遠程連接的 8 個 200 萬像素 @30fps 攝像頭輸入的簡要方框圖及數據流。

圖 4-2. 8 個 200 萬像素攝像頭方框圖及數據流

有關基于 FDPLink 的多攝像頭設置，請參閱 [5]。

表 4-2 總結了此用例的總利用率。

表 4-2. 此用例的總利用率

4.3 ADAS 用例

圖 4-3 展示了常見 ADAS 用例的簡要方框圖，其中

? 1 個 800 萬像素 @30fps 攝像頭用于前置攝像頭

? 1 個 100 萬像素攝像頭用于 DMS，以及

? 4 個 200 萬像素 @30fps 攝像頭用于 3D SRV。

這些攝像頭通過 FPDLink 串行器和解串器遠程連接。

圖 4-3. ADAS 用例和數據流示例

有關基于 FDPLink 的多攝像頭設置，請參閱 [5]。

表 4-3 顯示了此用例的總利用率。

表 4-3. 此用例的總利用率

5 參考文獻

1. TDA4VM 產品頁面

2. DRA829V 產品頁面

3. 德州儀器 (TI)：DRA829/TDA4VM/AM752x

技術參考手冊

4. 適用于 TDA4VM/DRA829 Jacinto 處理器的軟件開發套件

5. TDA4VM/DRA829 評估模塊