基于OV7962的車載全景攝像頭設(shè)計(jì)

張寶龍，李丹，郭艷艷，郭海成

基于OV7962的車載全景攝像頭設(shè)計(jì)

張寶龍1*，李丹1，郭艷艷1，郭海成2

(1．天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300222; 2．香港科技大學(xué)顯示技術(shù)研究中心，香港九龍)

為了實(shí)現(xiàn)車載攝像頭的超廣角成像，解決倒車影像系統(tǒng)不能全面照顧周圍視角的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款超廣角車載攝像頭。對(duì)該攝像頭所采用的圖像傳感器、超廣角成像技術(shù)、硬件電路設(shè)計(jì)及接口EMC防護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。根據(jù)當(dāng)前車廠對(duì)攝像頭的要求選擇了基于美國(guó)Omnivision公司的CMOS圖像傳感器OV7962作為成像芯片。采用一種新的凝視型視場(chǎng)全景成像技術(shù)——魚眼透鏡成像，并通過(guò)匹配成像芯片的參數(shù)計(jì)算出鏡頭的焦距和分辨率。對(duì)攝像頭硬件電路的設(shè)計(jì)及接口電磁兼容性(EMC)防護(hù)進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:攝像頭可實(shí)現(xiàn)210°超廣角成像，接口EMC防護(hù)已通過(guò)ISO-7637-2脈沖5b標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。滿足了對(duì)倒車影像系統(tǒng)全面顧及周圍視角的要求，另外該車載全景攝像頭還具有成本低、性能穩(wěn)定、分辨率高、夜視效果好等優(yōu)勢(shì)。

魚眼透鏡成像;超廣角;CMOS圖像傳感器;電磁兼容性

1 引言

隨著人們對(duì)行車安全意識(shí)的不斷提高，車載輔助視覺(jué)系統(tǒng)在汽車電子領(lǐng)域得到快速發(fā)展，它能為駕乘人員提供車廂外環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為安全行駛提供保障，成了交通安全必不可少的設(shè)備之一［1-2］。攝像頭是車載輔助系統(tǒng)的主要部分，而普通攝像頭由于視角小、分辨率低已不能滿足全景泊車、夜視輔助、倒車影像等車載輔助視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)攝像頭的要求。為了避免行車過(guò)程中的視覺(jué)盲區(qū)，大視角成為當(dāng)今車載攝像頭面臨的首要問(wèn)題，為了獲得更廣的視角往往采用多鏡頭拼接或者采用旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但往往存在盲區(qū)和成本過(guò)高等缺點(diǎn)。其次，為了能夠采集到行車細(xì)節(jié)及路況，高分辨率、高清晰度也同樣需要考慮。因此設(shè)計(jì)了一款視角可達(dá)210°的超廣角攝像頭，可實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)實(shí)時(shí)拍攝。攝像頭圖像分辨率為640×480，可滿足車載攝像頭對(duì)成像細(xì)節(jié)的要求。相比普通的車載廣角攝像頭視角大多在120°，視角好價(jià)格昂貴的也只能達(dá)到180°左右的市場(chǎng)狀況而言，本文在考慮硬件成本的前提下所設(shè)計(jì)的210°超廣角攝像頭在業(yè)內(nèi)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。

下文將在成像芯片的選擇、魚眼鏡頭參數(shù)的計(jì)算、硬件電路設(shè)計(jì)以及接口處電磁兼容性防護(hù)等方面做詳細(xì)的闡述。

2 成像芯片的選擇

目前，車用視訊裝置已變得日益流行，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使汽車制造商要求較高的成像質(zhì)量的同時(shí)在不斷降低生產(chǎn)成本，成像芯片是硬件成本的主要部分，因此成像芯片的選型非常重要。考慮到汽車在白天和夜晚都需要行駛，所以攝像頭的夜間拍攝效果也是影響攝像頭性能指標(biāo)的重要因素，因此要求感光芯片要有很好的微光效能，使其在極低照度環(huán)境中無(wú)需任何補(bǔ)光設(shè)備也可呈現(xiàn)出清晰生動(dòng)的畫面。再者，為了保持車身整體的美觀性還要求攝像頭尺寸要盡量小，這就要求感光芯片的封裝盡可能小。

綜合以上特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用Omnivision公司的CMOS圖像傳感器——OV7962作為成像芯片。OV7962沿襲了CMOS圖像傳感器較高的集成度和較低的整體用料成本，其效能可超越同性能的CCD圖像傳感器［3-4］。它還能提供杰出的微光效能(＜0．01/lx)，即使在最具挑戰(zhàn)性的照明條件下，也可獲得具有良好分辨率的彩色圖像。芯片采用aCSP封裝形式，與同類競(jìng)爭(zhēng)的CMOS裝置相比體積可減小至50%，能夠很好地縮小印制電路板的尺寸。工作溫度范圍從－40～105℃，符合AEC-Q100第2級(jí)的要求。

3 成像鏡頭參數(shù)的計(jì)算

3．1魚眼鏡頭

魚眼鏡頭，是依據(jù)仿生學(xué)原理而設(shè)計(jì)的一種焦距很短但視角很大的超廣角鏡頭［5-6］。本設(shè)計(jì)選用的魚眼鏡頭采用非球面鏡片結(jié)構(gòu)由1片玻璃和3片塑膠鏡片組成，如圖1左圖所示。這種結(jié)構(gòu)減少了傳統(tǒng)球面鏡魚眼鏡頭需用的球面鏡面數(shù)量，在保證畸變量的同時(shí)還能保證較好的成像質(zhì)量。

圖1 魚眼鏡頭結(jié)構(gòu)及具體外形Fig．1 Fisheye lens structure and shape

在光學(xué)設(shè)計(jì)中鏡頭要把圖像信息成像到感光芯片上，所以鏡頭和感光芯片的匹配直接影響最終的成像質(zhì)量。因此需要根據(jù)所選圖像傳感器的參數(shù)來(lái)確定鏡頭的設(shè)計(jì)規(guī)格。

3．2鏡頭焦距確定

普通鏡頭遵循“相似成像”的物像相似原則，只需鏡頭成像公式就可以精確計(jì)算出鏡頭焦距，然而魚眼鏡頭由于其超大的視角已超過(guò)了一般應(yīng)用光學(xué)的討論范圍破壞了物空間和像空間的約定，因此傳統(tǒng)的高斯光學(xué)不在適用，這時(shí)需要通過(guò)壓縮變形的方法使其“非相似”成像，從光學(xué)角度上是通過(guò)對(duì)其引入一定量的桶形畸變實(shí)現(xiàn)的［5］。目前，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的魚眼鏡頭數(shù)學(xué)模型有4類公式如下:

其中:y’為理想像高，f為物方焦距，w為物方半視場(chǎng)角。綜合考慮圖像細(xì)節(jié)的顯示和有用信息的壓縮程度并結(jié)合4類公式的特點(diǎn)，本文采用體視成像模型，如公式(1)所示。把像高代入成像公式得到f為0．77 mm。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)允許存在一定程度的負(fù)畸變，鏡頭畸變值最大允許在－20%左右，據(jù)此計(jì)算鏡頭焦距應(yīng)該在0．97 mm左右。

3．3鏡頭分辨率

鏡頭的分辨率是指鏡頭所能分辨每毫米內(nèi)包含黑白相間的線對(duì)個(gè)數(shù)的能力。同一鏡頭分辨率越高，其識(shí)別線對(duì)密度的能力越強(qiáng)，從圖2可以看出，線對(duì)密度較低時(shí)黑白線之間過(guò)渡帶很小不會(huì)影響圖像質(zhì)量，而當(dāng)線對(duì)密度達(dá)到一定程度后黑白線之間的過(guò)渡帶會(huì)逐步增大甚至分辨不清，所以為了提升圖像細(xì)節(jié)解析就要盡可能的提升鏡頭的分辨率。

圖2 同一鏡頭拍攝不同的線對(duì)密度Fig．2Different line density was shot by same lens

然而鏡頭的分辨率是不能無(wú)限增大的，當(dāng)達(dá)到一定程度后，成像元件對(duì)鏡頭分辨率的敏感程度會(huì)迅速下降，因此在鏡頭參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需選擇鏡頭最大分辨率，其公式如下:

其中:fmax為最大分辨率，pixel為CMOS圖像傳感器的像素大小。感光芯片OV7962像素大小為6 μm×6 μm，根據(jù)公式(5)可得fmax為833 p/mm，然而一般鏡頭達(dá)到其最大分辨率的70%即可滿足成像條件，因此這里fmax取值為60 lp/mm。

根據(jù)上述計(jì)算得到了魚眼鏡頭的具體參數(shù)，如表1所示。從中可看出這款魚眼鏡頭還具有優(yōu)越的視場(chǎng)范圍，較小的光圈系數(shù)以及較寬的工作溫度范圍，能很好的適應(yīng)汽車環(huán)境，其物理形狀如圖1右圖所示。

表1 魚眼鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)Tab．1Design parameters of fish-eye lens

4 攝像頭硬件電路設(shè)計(jì)

4．1硬件電路

攝像頭硬件電路主要包括視頻處理模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊和調(diào)試模塊等部分，基本硬件框圖如圖3(a)所示。圖3(b)為OV7962外圍配置電路設(shè)計(jì)方案，OV7962輸出NTSC視頻制式時(shí)所需晶振頻率為24．545 454 MHz，原理圖頂部為上下拉電阻配置電路用于配置OV7962的工作模式，左側(cè)為一些參考電壓輸出，通過(guò)測(cè)試OV7962的四路參考電壓可得知圖像傳感器是否處在正常的工作狀態(tài)，此外，通過(guò)調(diào)節(jié)R24的阻值可改變輸出視頻信號(hào)的幅值，在畫面質(zhì)量上表現(xiàn)為圖像曝光程度的不同。

圖3 攝像頭基本框圖和OV7962配置電路Fig．3Basic block diagram and peripheral configuration circuit of OV7962

圖4 攝像頭硬件電路板和調(diào)試平臺(tái)Fig．4Hardware board and debugging platform of camera

攝像頭最終的硬件電路板如圖4左圖所示，調(diào)試模塊如圖4右圖所示。調(diào)試板接口與攝像頭接口相連，四芯線接口用于攝像頭穩(wěn)定性測(cè)試;六芯線接口用于圖像傳感器內(nèi)部寄存器的參數(shù)調(diào)節(jié)，中間兩根為IIC總線SDA和SCL。MC9S08QE8RM單片機(jī)通過(guò)IIC總線與OV7962通信，通過(guò)調(diào)節(jié)OV7962內(nèi)部寄存器的值來(lái)改變圖像傳感器的成像效果以滿足不同應(yīng)用環(huán)境下對(duì)圖像質(zhì)量的要求。OV7962輸出的CVBS視頻信號(hào)通過(guò)RCA接口輸出到顯示設(shè)備。紅外遙控是調(diào)試板的人機(jī)交互部分，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位、像素移動(dòng)、彩條顯示、數(shù)據(jù)讀取以及程序擦除和燒寫等功能。由于OV7962內(nèi)置了SPI接口，所以本設(shè)計(jì)選用SPI Flash——Pm25LD512作為OV7962的參數(shù)存儲(chǔ)器，將調(diào)試好的寄存器的值固化到Flash中，再由CMOS圖像傳感器提取。

4．2電源模塊

電源是一個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，特別是在對(duì)環(huán)境敏感的視頻處理電路中，低噪聲高純度的電源設(shè)計(jì)是硬件電路性能提升的關(guān)鍵部分。在12 V汽車電子系統(tǒng)中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端穩(wěn)壓二極管的鉗位電壓設(shè)定在50 V，依據(jù)ISO-7637-2脈沖5b測(cè)試波形，可確定整個(gè)電源系統(tǒng)的最大輸入電壓約為37 V。為了提高電源的穩(wěn)定性本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)電源結(jié)構(gòu)，一級(jí)電源轉(zhuǎn)換采用TI的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器［7-8］——LMR14203，LMR14203具4．5～42 V的輸入電壓范圍，最大耐壓值為42 V滿足車載要求。如圖5(a)所示為L(zhǎng)M14203原理圖設(shè)計(jì)方案，R23和R24兩個(gè)反饋電阻決定了輸出電壓，如公式(6)所示。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換原理圖及輸出波形Fig．5Specific schematic and output waveform

其中:Fsw=1．25 MHz是LMR14203的開(kāi)關(guān)頻率，Iripple為輸出的紋波電流，此紋波電流值應(yīng)設(shè)置為輸出電流的30%。經(jīng)計(jì)算最終選用TDK公司的貼片電感VLS252010ET-4R7，電感值為4．7 μH，額定電流為0．89 A，DCR為0．332 Ω。根據(jù)OV7962供電電壓要求，輸入電壓為三路3．3 V和一路1．5 V，為了避免干擾，二級(jí)電源選用3顆TLV70033和一顆TLV70015做成四路獨(dú)立電源為其供電。通過(guò)Tektronix示波器測(cè)得輸出電壓紋波在40 mV以內(nèi)，如圖5(b)所示。

4．3電磁兼容性設(shè)計(jì)(EMC)

全景攝像頭的電源和信號(hào)接口直接與汽車電子主控系統(tǒng)相連，車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)攝像頭電路產(chǎn)生一定的影響，所以EMC防護(hù)是電路設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題［9-11］。電磁兼容性設(shè)計(jì)主要考慮浪涌沖擊、靜電和EFT防護(hù)等。

電源入口EMC防護(hù)，對(duì)車載攝像頭成品針對(duì)ISO-7637-2脈沖5b標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電源正極瞬變脈沖傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試，由于初期接口電路設(shè)計(jì)只是加入共模電感以及濾波電容進(jìn)行處理，其初步測(cè)試結(jié)果如圖6(a)上圖所示，從中可看出電源端口的傳導(dǎo)干擾主要集中在30 MHz以上部分，不能滿足ISO-7637-2脈沖5b測(cè)試要求。針對(duì)此測(cè)試結(jié)果，對(duì)攝像頭電源入口電路進(jìn)行如圖6(b)上圖所示的改進(jìn)，將原有濾波電容替換為由C3、C4、L1組成的LC-π型濾波器來(lái)濾除電源信號(hào)中的交流諧波，平滑電源波形。在LC-π型濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到市面上電容值與電感值相比缺乏彈性，且對(duì)于體積的影響相對(duì)電感小，應(yīng)優(yōu)先考慮電容參數(shù)。單就噪聲抑制效果來(lái)講電容值越大越好，但由于電容受安規(guī)限制其值不能太大，所以選擇常用的10 μF。根據(jù)公式(8)可知，只要確定濾波器的截止頻率F0即可得出電感L的值。其中:FB=0．765 V，R23=40．2 kΩ，R24=10 kΩ，得出輸出電壓約為3．8 V。

輸出電感L的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括電感值、峰值電流和直流電阻(DCR)，在滿足電流驅(qū)動(dòng)能力的情況下盡量選擇直流電阻小的電感，電感值的計(jì)算公式如公式(7)所示:

眾所周知，實(shí)際的濾波器無(wú)法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的頻率衰減曲線，特別是當(dāng)輻射干擾頻率很高時(shí)曲線衰減與理想值差別較大，通常將濾波器的截止頻率設(shè)為30～50 kHz可有效濾除高頻干擾。假設(shè)截止頻率為30 kHz根據(jù)公式(8)計(jì)算得電感L值大約為10 μH，考慮到體積問(wèn)題本設(shè)計(jì)最終選用TDK的疊層片式鐵氧體電感——MLZ2012M100HT。改進(jìn)后的攝像頭測(cè)試結(jié)果如圖6(a)下圖所示，滿足ISO-7637-2脈沖5b標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 EMC測(cè)試報(bào)告及改進(jìn)電路Fig．6Test report of EMC and improved circuit

圖7 攝像頭拍攝的圖片F(xiàn)ig．7Pictures were shot by camera

另外對(duì)于視頻信號(hào)接口的EMC防護(hù)也是非常重要的，圖6(b)下圖展示了信號(hào)接口改進(jìn)方案。VCOP是OV7962輸出的視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)視頻放大器OPA360可有效的放大信號(hào)從而提高信號(hào)的抗干擾能力。W5為三端濾波器，可有效的濾除噪聲。在接口處之間加入TVS管R32，可抑制靜電、雷電和電快速適應(yīng)脈沖群等浪涌沖擊產(chǎn)生的瞬間大電流保護(hù)電子器件免受損害。全景攝像頭最終拍攝的室內(nèi)室外的場(chǎng)景如圖7所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的車載全景攝像頭實(shí)現(xiàn)了210°的超廣角成像，可在－40～105℃的環(huán)境下穩(wěn)定工作，而且具有良好的防水防震性能，可靠性符合國(guó)際汽車零部件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。攝像頭可應(yīng)用在全景泊車、倒車影像等需要大視角的場(chǎng)合。從最終成像結(jié)果可看出在充分考慮降低硬件成本的前提下所設(shè)計(jì)的車載全景攝像頭性能優(yōu)越、視角廣、穩(wěn)定性高。

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Panoramic camera design for automotive applications based on OV7962

ZHANG Bao-long1*，LI Dan1，GUO Yan-yan1，KWOK Hoi-sing2
(1．College of Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China; 2．Center for Display Research，Hong Kong University of Science and Technology，Hong Kong，China)

In order to realize ultra-wide-angle image for automotive camera，an ultra-wide-angle automotive camera is designed to solve comprehensive monitoring perspective issue in reversing image system．Its applied such as image sensor and ultra-wide-angle imaging technique，hardware circuit design and the EMC protection of interface are investigated．We opted for a Omnivision-based CMOS image sensors OV7962 according to the current auto companies’requirements．The lens adoptes the new staring panoramic imaging technology—fisheye lens imaging and calculating the focal length and resolution of the lens by matching the parameters of image chip．The hardware circuit design and EMC protection of the camera are tested and improved．Experimental results indicate that the camera can achieve 210°ultra-wide-angle image and the EMC protection of interface has passed the ISO-7637-2 pulse 5b testing standard．It can satisfy the comprehensive monitoring around per-spective requirements of reversing image system．In addition，this automotive panoramic camera also has the advantages of low cost，stable performance，high resolution，as well as super night vision．

fish-eye lens imaging;ultra-wide-angle;CMOS image sensors;electro magnetic compatibility

TP212．14

A

10．3788/YJYXS20153004．0634

張寶龍(1976－)，男，天津人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光電顯示方向的研究。E-mail:eezbl@tust．edu．cn

1007-2780(2015)04-0634-07

2014-10-13;

2014-11-17．

天津市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(No．13ZCZDGX03000)

*通信聯(lián)系人，E-mail:eezbl@tust．edu．cn