導(dǎo)讀

車載多相機采集系統(tǒng)是智能駕駛技術(shù)實際應(yīng)用中的“眼睛”，友思特車載圖像采集和回放系統(tǒng)切實提升了系統(tǒng)的實時同步采集與回放能力，為ADAS等應(yīng)用的決策系統(tǒng)提供了可靠的核心數(shù)據(jù)。

視頻流同步采集與智駕技術(shù)發(fā)展

在現(xiàn)代汽車行業(yè)中，智能駕駛技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，引領(lǐng)著交通領(lǐng)域的革新。這一技術(shù)的崛起，不僅改變了傳統(tǒng)駕駛方式，更在安全性、舒適性和效率方面帶來了前所未有的提升。作為智能駕駛技術(shù)的核心組成部分，車載多相機系統(tǒng)發(fā)揮著舉足輕重的作用。它們通過高精度、高速度的圖像捕捉與處理，為車輛提供了全方位、無死角的視覺感知能力，從而極大地增強了駕駛過程中的環(huán)境感知和決策準(zhǔn)確性。

隨著科技的不斷進(jìn)步，車載多相機系統(tǒng)也在不斷升級和完善，以適應(yīng)更為復(fù)雜多變的駕駛場景。為了實現(xiàn)高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛的精準(zhǔn)功能，車載多相機系統(tǒng)必須確保視頻流的同步采集。車輛上傳感器和相機數(shù)量的不斷增多的現(xiàn)狀，對視頻流的實時處理和數(shù)據(jù)融合技術(shù)也提出了更為嚴(yán)苛的要求。這種技術(shù)的創(chuàng)新，不僅關(guān)乎車輛的安全性能，更在自動駕駛的精確感知與決策中發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，探索先進(jìn)的同步采集方案，以實現(xiàn)車載多相機系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效處理，已成為推動智能駕駛技術(shù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

圖1. 車載多相機數(shù)采系統(tǒng)（圖片來源：Solectrix官網(wǎng) https://solectrix.de/en/）

為了適配智能駕駛技術(shù)的數(shù)采要求，市場上各色的采集板卡、采集系統(tǒng)和方案層出不窮。首先為了同時采集多路實時視頻數(shù)據(jù)，采集板卡/系統(tǒng)對通道數(shù)量進(jìn)行了拓展，從傳統(tǒng)的一兩路視頻數(shù)據(jù)，拓展至4/6/8/16路視頻數(shù)據(jù)；在異步的場合，基于先前收集的真實環(huán)境數(shù)據(jù)或仿真的自動駕駛數(shù)據(jù)，板卡/系統(tǒng)需要回放帶有時間戳的視頻數(shù)據(jù)，用于諸如硬件在環(huán)（HiL）測試的場合，同時也對通道數(shù)量進(jìn)行了拓展；在同步的場合，采集數(shù)據(jù)的同時，需要旁通數(shù)據(jù)，將同樣的數(shù)據(jù)鏡像同時分路，用于諸如存儲、處理、顯示等目的，也同樣對通道數(shù)量進(jìn)行了拓展，進(jìn)一步滿足多樣化的需求。下圖為友思特車載采集卡視頻數(shù)據(jù)采集回放經(jīng)典配置：

a.采集模式：同時最多8個視頻流 b. 回放模式：同時最多4個視頻流 c.TAP模式：同時最多4個視頻流輸入和輸出

多路數(shù)據(jù)滿足多相機實時采集的同時，對硬件性能如帶寬、實時性和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議也提出了高要求。在硬件性能上，息息相關(guān)的是最終產(chǎn)品的價格，影響的是產(chǎn)品應(yīng)用過程中的性能上限；而數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，則是關(guān)乎數(shù)據(jù)傳輸實時性、準(zhǔn)確率、實際傳輸速率的核心技術(shù)點。友思特 proFRAME 車載采集和回放板卡，應(yīng)用了SerDes技術(shù)，為車載多相機的實時采集和記錄回放提供了一種可行可靠的技術(shù)路線。

SerDes原理結(jié)構(gòu)

SerDes核心包括串行器（Serializer）和解串器（Deserializer），是一種用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">接口技術(shù)。它通過將并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率，并在接收端再將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)流。核心工作原理包括兩部分：

串行化：SerDes的發(fā)送端（串行器）從本地系統(tǒng)接收并行數(shù)據(jù)作為輸入，通過FIFO傳遞給內(nèi)部的編碼器、擾碼器，然后將其轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)并將其作為單個數(shù)據(jù)流，經(jīng)由均衡器均衡后通過同軸或雙絞線電纜等串行傳輸通道進(jìn)行傳輸。這種方式能顯著提高數(shù)據(jù)傳輸效率。串行化數(shù)據(jù)時，串行器使用參考時鐘的輸入作為編碼過程的一部分，從而最大限度地減少并行傳輸中發(fā)現(xiàn)的時序問題類型。

反串行化：SerDes的接收端（解串器）接收串行數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)由均衡器均衡，通過CDR（時鐘恢復(fù)）恢復(fù)時鐘信號，并將其轉(zhuǎn)換恢復(fù)為對齊的并行數(shù)據(jù)流輸出，以便進(jìn)一步處理。

圖3. SerDes原理（圖片來源：維基百科https://en.wikipedia.org/wiki/SerDes）

SerDes技術(shù)在現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它通過將高帶寬的并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為串行信號，實現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更長的傳輸距離。此技術(shù)有效減少了電路板上的布線復(fù)雜性，從而降低了系統(tǒng)成本和功耗，并提升了系統(tǒng)的可靠性。SerDes還支持長距離傳輸，增強了信號的抗干擾能力，使得數(shù)據(jù)完整性得以保持。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸路徑和提高速率，SerDes技術(shù)顯著提升了系統(tǒng)性能，廣泛應(yīng)用于通信、計算機和存儲領(lǐng)域，為高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸提供了重要保障。

友思特車載圖像采集和回放系統(tǒng)

為了獲取汽車的 360° 全景環(huán)視圖像，需要在汽車的前后左右各設(shè)置一個或多個相機。以分辨率為3840*2160、幀率為60、輸出圖像數(shù)據(jù)格式為 RAW10 為例，單路視頻數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求 ≥5 Giga bit/s。

傳輸鏈路①：相機實時獲取的視頻流數(shù)據(jù)→車載 ADAS/AD ECU：

前端 GMSL/FPD-Link 相機的 CMOS 圖像傳感器捕獲光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，生成原始圖像數(shù)據(jù)。在相機內(nèi)部經(jīng)過處理（如去噪、增益、色彩校正等）后通過相機的串行芯片進(jìn)行串行化，轉(zhuǎn)為 CSI-2 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，通過同軸線纜（Coax）傳輸?shù)?proFRAME 板卡，經(jīng)過相機適配器的解串芯片進(jìn)行解碼，將串行數(shù)據(jù)流恢復(fù)成并行的 CSI-2 圖像數(shù)據(jù)格式，傳送至板卡的 FPGA 模塊進(jìn)行處理。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由板卡的 FPGA 模塊，同步分出兩路數(shù)據(jù)，一路數(shù)據(jù)傳輸至 ADAS 數(shù)采設(shè)備存儲記錄，另一路數(shù)據(jù)重新經(jīng)過相機適配器的串行化芯片進(jìn)行串行輸出，通過同軸線纜傳輸?shù)角岸说?ECU 設(shè)備進(jìn)行解串，恢復(fù)成并行圖像數(shù)據(jù)，用于可視化或其他調(diào)試處理目的。

圖4. 多相機數(shù)采系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路

傳輸鏈路②：車載 ADAS/AD ECU 的相機控制信號→相機：

ECU 的相機控制信號指令（如I2C和GPIO），通過同軸線纜傳輸，經(jīng)由 proFRAME 板卡，多路同時旁通至相機端。I2C 用于設(shè)備間的通信，包括配置相機的工作參數(shù)（如曝光、增益調(diào)整等），GPIO 用于控制相機的行為（如相機的啟停、觸發(fā)拍攝等）。板卡也支持通過同軸線纜給相機供電（PoC）。

友思特 proFRAME 板卡的多路圖像數(shù)據(jù)實時采集和回放功能通過其 TAP 模式實現(xiàn)。TAP（Test Access Point）是一種能夠從傳輸網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)中分離出數(shù)據(jù)流并用于其他目的的工具，能夠在不干擾主數(shù)據(jù)流的情況下，提供對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和分析的接口。通過 proFRAME 的 TAP 模式，板卡可以旁通（bypass）多種類型的數(shù)據(jù)，包括攜帶高精度時間戳的視頻流、相機控制信號指令、外部觸發(fā)信號和 PoC 供電等。

圖5.proFRAME旁通ECU的PoC

友思特 proFRAME 板卡提供了3種給相機供電（8V-24V）的方式：

直接主機給板卡供電，板卡通過穩(wěn)壓器將電壓經(jīng)由Coax傳輸至前端相機；

外部電源連接板卡的相機適配器，經(jīng)由相機適配器的Coax傳輸至前端相機；

基于板卡的TAP模式，將ECU提供的PoC旁通至所連接的前端相機。

圖6. proFRAME旁通ECU的觸發(fā)信號

車載場合對于多傳感器數(shù)據(jù)融合以及時間同步的要求非常高，例如要將2D圖像和激光雷達(dá)的點云圖像進(jìn)行融合、實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的顏色渲染；或者基于2D圖像識別結(jié)果的box框?qū)c云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，從而獲取目標(biāo)的三維位姿 cube。友思特 proFRAME 板卡提供了4種向相機發(fā)送同步觸發(fā)信號實現(xiàn)相機同步的方式：

板卡內(nèi)部的FPGA生成時鐘信號傳輸至相機；

外部觸發(fā)源通過板卡的外部觸發(fā)信號口傳輸至FPGA再轉(zhuǎn)送至相機；

多proFRAME板卡通過Daisy鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同步；

ECU發(fā)送觸發(fā)信號，經(jīng)由板卡的TAP模式，旁通至相機。

圖7. 友思特proFRAME圖像采集和回放板卡

友思特 proFRAME 板卡采用模塊化設(shè)計的方式，通過切換不同的相機適配器模塊，適配包括 GMSL 1/2/3、FPD - Link III/IV、GVIF3、CSI-2 多種傳輸協(xié)議的接口相機/視頻流。板卡支持同軸線纜供電和邊帶通信（I2C和GPIO），可同時進(jìn)行多路視頻數(shù)據(jù)的采集和回放（多至8路），且采集數(shù)據(jù)攜帶納秒級別的高精度時間戳，并能夠以時間戳信息精準(zhǔn)同步回放視頻流，通過TAP模式旁路各種數(shù)據(jù)，在ADAS、EoL測試和 AD的硬件在環(huán)測試領(lǐng)域都大有建樹。

總結(jié)

車載多相機實時同步采集系統(tǒng)在新能源汽車及智能駕駛領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色。系統(tǒng)通過高精度、高速度的圖像數(shù)據(jù)采集，為車輛的環(huán)境感知、行駛狀態(tài)監(jiān)測以及駕駛輔助提供了強有力的技術(shù)支持。

隨著自動駕駛技術(shù)的不斷深入發(fā)展，車載相機系統(tǒng)的要求也日益嚴(yán)苛，不僅需要具備高分辨率、廣視角的成像能力，還必須在各種復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。面對未來智能駕駛的多元化需求，車載多相機實時同步采集系統(tǒng)將持續(xù)融合新興技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、計算機視覺等AI技術(shù)，以提升系統(tǒng)的智能化水平。同時，不斷優(yōu)化相機之間的同步性能和圖像處理算法，確保在多變的行車環(huán)境中能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地捕捉關(guān)鍵信息，為車輛的決策系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

從長遠(yuǎn)來看，智能駕駛技術(shù)將是未來交通出行的重要發(fā)展方向。車載多相機實時同步采集系統(tǒng)作為智能駕駛的“眼睛”，其技術(shù)創(chuàng)新和性能提升將直接推動智能駕駛的發(fā)展，助力實現(xiàn)更安全、更高效的綠色出行。同時，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的優(yōu)化，這一系統(tǒng)有望在未來實現(xiàn)更廣泛的商業(yè)應(yīng)用，為智能交通和綠色出行貢獻(xiàn)重要力量。

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審核編輯 黃宇