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1394摄像头:高带宽、低延时和可扩展性的简单设计

上网日期: 2010年06月09日 ?? 作者: Thomas Kugelstadt ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:摄像头? 摄像机? 传感器?

汽车摄像头系统已经取得了很大的进步,从单一后备摄像头和简单传感器检测物体,发展到了诸如碰撞避免和信号识别等智能驾驶辅助系统。这些系统要求高带宽、低延时、多摄像头同步工作和可扩展的特性,而且必须满足众多通用的汽车要求,如低成本、少维护、减小重量,且能以用灵活线束实现。

这些系统要求是相互关连的。例如,市场上有许多高带宽解决方案,但没有哪种能够同时满足低延时、多部摄像头同步工作,且同时低成本的要求。

典型的系统

典型的驾驶辅助系统包含一个摄像头控制器,用于连接多个图像传感器(摄像头)。控制器与摄像头通信以提供配置信息,摄像头与控制器通信以提供状态和图像流数据。控制器接收每个摄像头发送的图像流数据,经过处理后确定诸如与目标物体的距离、相对速度和车道信息等参数。实时计算多个相关流对网络有特殊要求,需要通过设计1394汽车摄像头系统来满足。

高带宽

有多种因素推动了对高带宽的需求:例如未压缩或稍作压缩的视频、视频分辩率、色彩深度和帧速率等因素。在驾驶辅助应用中,视频一般是未压缩或稍有压缩的数据,这主要有两方面的原因:从图像传感器帧捕获到帧处理开始的延时必须很小,并且可预测;只能容忍非常少(如果有的话)的图像压缩。

根据系统的不同,视频分辩率范围可以从640×480至2048×1536,色彩深度可以从8位至24位,帧速率从15fps至60fps。1394汽车摄像头系统基于IEEE-1394-2008标准,这个标准支持98.304Mbps至3.932Gbps(S3200),其中983.04Mbps(S800)芯片是目前大批量出货的产品。获得更高的速度也不难,因为基于8B10B的技术如今很常见,S1600和S3200设备也已有成功演示。

在S800数据速率下,6台未压缩640×480@30fps、8位单色摄像头加上1台未压缩640×480@30fps、16位彩色摄像头用于司机观察是可行的,剩余还有近200Mbps带宽用于反向通道或其它网络设备。

在S3200数据速率下,可以有4台未压缩2048×1536@30fps、8位单色摄像头用于专用摄像头网络,余下125Mbps带宽留给反向通道或其它网络设备。

低延时

足够的带宽可以带来更低的延时。然而,足够的带宽并不会总是能保证低延时。1394标准具有足够的带宽发送来自多部摄像头的未压缩视频,可显著减小延时。另外,1394的同步功能能使每部摄像头的图像数据到达摄像头控制器的时间可被预测,并能保证最大延时为250μs。

如果需要少量压缩,就必须满足驾驶辅助系统的延时要求。安全至关重要的应用只能容忍从传感器帧捕获到帧处理开始(从编码到解码)间存在很短的延时。对于安全至关重要的应用来说,这是最严格的参数,可以容忍的最大延时为5ms。最大延时为250μs的1394汽车摄像头系统加上富士通的SmartCodec可以提供4倍压缩和5ms的编码至解码延时。

这意味着在S3200速率时,1394可以支持两台最大分辩率、帧速率和色彩深度的摄像头(2048×1526@60fps和24位色彩),并具有足够的带宽支持6部有压缩的1024×768@30fps和16位色彩摄像头,同时所有摄像头的最大延时保证在5ms以内。

多部摄像头同步工作

从摄像头发出的图像以每秒8000次的实时速度形成数据流。在每个125μs间隔之前,一个40ns分辩率的时间戳数据包被广播到所有设备,实现所有设备的再同步。这个时间戳是硬件产生的,不受非1394系统加载的影响,因此能实现高精度的三角计算。40ns分辩率的时间戳加上VersaPHY远端传感器配置可支持高精度“预见型”摄像头触发器,用于实现像素和线的精确同步,并且延时远小于通常要求的10μs。

可扩展性

可扩展性对不同的工程师有不同的含义。1394汽车摄像头系统覆盖了从数据速率到拓扑结构到电缆到协议到系统的所有对象。1394规范几乎在每个方向都能扩展:

数据速率:98.304Mbps(S100)至3.932Gbps(S3200)

拓扑结构:支持点到点,菊花链,树状和环状(环形)拓扑

线缆:1394的媒介层支持铜缆、塑料光纤、铠装塑料光纤和玻璃光纤。

协议:IEEE-1394是一种功能强大的传输协议,支持本地摄像头、音视频设备、大容量存储器和VersaPHY配置以及互联网协议。IEEE-1394同时支持存储器映射(对大容量存储器来说非常有效)和通道架构(对音/视频数据流来说非常有效)。

系统:1394汽车摄像头系统的成本从简单的点到点摄像头和显示器到复杂的用相同硬件实现的多摄像头驾驶辅助系统变化很大。

1394汽车摄像机系统。



灵活的线束

IEEE-1394是一种对等网络,支持点到点、菊花链、树和环形拓扑。另外,1394汽车摄像头系统支持多种媒介类型,如屏蔽双绞线、屏蔽四绞线、同轴线缆和塑料光纤。1394汽车摄像头系统的工作距离至少8米,并支持5个内联连接。所有这些灵活性给摄像头系统设计者提供了功能强大的工具,可形成最强功能、重量轻和极具成本效益的驾驶辅助网络线束方案。

无需要软件

汽车实现变化很大,从简单摄像头到通过连接着摄像头控制器的多台摄像头的显示应用,并且这些控制器上运行着复杂的碰撞检测算法。1394汽车摄像头系统使用1394同步数据流功能,支持在网络总线架构上实现简单的点到点模拟类连接。这种简单性基于1394的同步数据流架构,可以百分之百用硬件实现。这意味着来自传感器的视频放到总线上以及从总线上接收、显示或处理都不需要1394软件的参与。这样就极大地简化了摄像头设计,因为这些摄像头无需软件或处理器就能使用。

另外,在1394中新增VersaPHY后允许摄像头在内部没有软件、控制器中只有少量简单软件的情况下受控。对于像单个摄像头到显示器这样的应用,在摄像头或显示器中要求绝对没有软件。

降低成本

成本非常关键——1394汽车摄像头系统在成本方面具有很大的优势。S800 1394芯片已经非常普及,并且可以使用在许多其它大批量应用中使用的主流Serdes技术扩展到S3200,从而允许1394 汽车摄像头系统进一步扩展,以简单和极具成本效益的方式提供更大的带宽。

如上所述,未压缩视频的最差延时是250μs,这意味着摄像机只需缓冲最大250μs的数据。有限的缓存要求减少了芯片门数量,使得单芯片1394解决方案和双芯片、传感器和1394、摄像头实现具有无与伦比的成本效益。

虽然其它技术经常要求独立的触发或时钟信号来触发和/或同步网络上的设备,但1394数据流设备的同步是架构的基础,是用硬件实现的,因此1394 汽车摄像头系统无需额外成本就能实现这个功能。

因为1394汽车摄像头系统有多种扩展方式,汽车制造商可以为大多数型号选择1394,从而提高产量、降低成本。从点到点拓扑到大型摄像头网络,1394都能轻松应对。

线束策略在降低实现成本过程中也很重要,实现了对多种媒介类型和拓扑安排的最大化支持。这种灵活性允许汽车制造商选择能够满足系统级成本目标的媒介,并在性能、可扩展性和重量等各个方面取得平衡。

因为视频流是1394的基本特性,这样做的成本是最小的。从降低的硅片成本到非常低的管理开销,1394成本可媲美点到点解决方案,却能提供网络技术的全部优点。

小结:1394汽车摄像头系统可以提供汽车应用需要的所有特性和功能,同时保持极具竞争力的价格优势。

作者:Richard Mourn

作者简介:Aztek公司的Richard Mourn是1394行业协会副主席,也是火线原始开发人员之一。







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