本文首先分析AVT技術在同軸高清數(shù)字化的技術特色，然后結合實際應用介紹相關的系統(tǒng)方案及實現(xiàn)，最后展望其對提高車載視覺應用安全性前景。
車載視頻監(jiān)控已經(jīng)成為數(shù)字視頻監(jiān)控技術所覆蓋到的重要應用領域，出于對汽車及駕駛安全性等多方面考量，所涉及視頻和視覺系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，其中對于視頻傳輸就有了更加嚴格的要求。視頻傳輸數(shù)字化成為發(fā)展的必然趨勢，先進視頻傳輸（Advanced Video Transfer，簡稱AVT）作為一種數(shù)字同軸高清視頻傳輸技術，以其優(yōu)越的圖像性能和突出的系統(tǒng)特性，全面支持車載高清視頻設備的視覺無損和實時傳輸，有益于從視頻記錄擴展到ADAS相關的視頻應用。本文首先分析AVT技術在同軸高清數(shù)字化的技術特色，然后結合實際應用介紹相關的系統(tǒng)方案及實現(xiàn)，最后展望其對提高車載視覺應用安全性前景。
汽車視覺的理想照進現(xiàn)實
在視頻監(jiān)控開始普及之后，交通就成為該行業(yè)拓展應用的一個重要領域。除了在道路上實施視頻監(jiān)控，在車輛內(nèi)部也在逐步加裝車載視頻設備，以便及時采集視頻信息并進行后續(xù)處理，這就開啟了車載監(jiān)控的時代。早期車載視頻系統(tǒng)主要為視頻紀錄儀，其目的就是將車輛行駛過程中周邊的視頻圖像記錄下來，往往只在車內(nèi)前部安裝攝像頭，將采集到的視頻進行數(shù)字壓縮并存儲，對分辨率和延遲并沒有太高要求。為擴展視頻監(jiān)控范圍，又在后部加裝攝像頭，增加記錄通道。多路視頻可以分別處理，或者傳輸?shù)角岸颂幚砥鬟M行合成，對信號傳輸?shù)氖侄魏唾|(zhì)量也沒有特別要求。
隨著智能視頻處理技術的出現(xiàn)，裝在車內(nèi)的攝像頭采集的視頻可以進行實時分析處理，從而及時對行車中可能出現(xiàn)的狀況提供預警或警示，這時的車載設備就具有一定的視覺功能，由此可以達到輔助駕駛作用。車載視頻系統(tǒng)按應用可以分為兩類，一類是360°全景視頻行車系統(tǒng)，也稱作環(huán)視系統(tǒng)；另一類為汽車后視監(jiān)控系統(tǒng)。下面介紹其所涉及的系統(tǒng)組成和視頻傳輸方式。
如圖1所示為360°全景行車系統(tǒng)組成，在汽車的前后左右，各有一個攝像機和一個主機組合而成，四個攝像機都采用魚眼鏡頭采集廣角畫面，并送入主機中對圖像進行拼接、修剪等處理，生成一個360°全景的畫面，再輸出到LCD顯示器。目前市場上主流的360°全景產(chǎn)品主要以標清的方案居多，主要原因首先在于其像素低時，對全景主機方案的主處理器能力要求不高。隨著越來越多的主機芯片提供廠商的介入，處理器性能越來越強大，從雙核到四核，甚至到八核。
所以，處理器能力的問題基本已經(jīng)得到解決，其性能足夠強大以支撐高清視頻的負荷。其次就是車載屏曾經(jīng)的1280*600分辨率不高，隨著720P高清分辨率車級顯示屏的普及，對車載高清監(jiān)控的需求也就變得更加急迫，每個攝像機都需要通過線纜穩(wěn)定可靠地傳輸高清視頻信號到主機，所以提供高容量和高可靠性的數(shù)字高清視頻傳輸手段勢在必行。
圖1.360°全景行車系統(tǒng)組成
汽車后視監(jiān)控系統(tǒng)是在行車記錄儀之上產(chǎn)品形態(tài)的一個大的轉(zhuǎn)折，從之前的以一種產(chǎn)品規(guī)格滿足所有用戶變成以不同規(guī)格、不同配置來滿足更多用戶的需求的產(chǎn)品細分市場。在360°全景行車系統(tǒng)普及之前，對汽車后視監(jiān)控系統(tǒng)的需求非常高，據(jù)悉市場容量月出貨量達百萬套以上。因為該方案價格低廉，且安裝方案簡單，只需要在車尾牌照燈處安裝一個小型攝像頭，汽車開始倒車時屏幕自動切換到倒車攝像頭的影像，以達到輔助車主倒車之功能。同樣，隨著高清屏的普及，越來越多的車主對高清攝像頭的需求也就越來越迫切，所以關注于汽車后視應用，數(shù)字高清同樣面臨著很大的機遇。
隨著產(chǎn)品的逐漸起量，有更多的主控芯片提供廠商參與競爭，例如，全志主推T3系列和V系列芯片；聯(lián)發(fā)科推出智能后視視頻芯片；美賽達是應用聯(lián)芯1860芯片最具代表的方案商；瑞芯微與英特爾聯(lián)手推出的代號為Sofia3G-R也將實現(xiàn)量產(chǎn)；也有玩家搭載高通平臺等方案。
視頻傳輸在車內(nèi)的創(chuàng)新手段
數(shù)字高清視頻傳輸技術對于提高車載視頻設備的性能和品質(zhì)具有非同尋常的意義，不僅用于提升車載視頻源的圖像質(zhì)量與清晰度，而且在于提供視覺無損和實時的視頻傳輸手段。在車載市場上既有前裝設備和后裝設備的需求，都期待著在高清視頻傳輸中采用更有效和更可靠的創(chuàng)新手段。
縱觀汽車內(nèi)部的連線非常復雜，并且對可靠性的要求非常高，而留給視頻連接的選擇性并不多。普通的AV音視頻線纜顯然是不適合在車內(nèi)采用，那么就需要考慮選擇同軸線纜或以太網(wǎng)線。對于高清視頻傳輸，同軸高清傳輸體制目前較為流行，其中模擬同軸高清傳輸體制主要應用于高清視頻監(jiān)控相機，如AHD、HD-TVI和HD-CVI，而數(shù)字同軸高清體制就非AVT莫屬啦。
HD-TVI、HD-CVI、AHD是一種基于同軸電纜的高清視頻傳輸規(guī)范，屬于模擬高清解決方案，采用通過幀內(nèi)加頻的模式來實現(xiàn)，只是各自增加頻率的大小不一樣而已，而實現(xiàn)手段與方式基本一樣。這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點是方案成本低廉，相對標清效果其圖像畫質(zhì)能提升到100萬200萬像素，也就是所謂的模擬高清，然而，因為終歸是通過幀內(nèi)加頻的方式來提升圖像的像素點，導致其幀內(nèi)頻率增加，所造成的圖像亮色干擾也就難以避免。雖然，通過ISP處理能夠彌補部分人眼察覺的缺陷，使得這類方案在工業(yè)監(jiān)控市場有所普及，但是，對于車載市場而言，視頻除了滿足人眼的觀賞以外，主控芯片平臺還需要采集視頻來做智能分析處理，達到機器視覺的效果，如自動泊車技術及更多輔助駕駛，及未來無人駕駛技術都需要對視頻的精準采集，要確保這些視頻精準收發(fā)，就必須實現(xiàn)完全的數(shù)字化傳輸。如果在傳輸?shù)倪^程中仍然沿用模擬信號方式，在車內(nèi)復雜的應用環(huán)境中就很容易導致視頻的損耗甚至丟失，從而導致這些主控芯片對高清視頻的識別能力大大降低，而這點確為車載視頻系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和安全性所不能接受。
AVT技術作為全新的數(shù)字同軸傳輸技術，結合全數(shù)字架構和數(shù)字信號傳輸?shù)奶攸c，為克服由于數(shù)字信號在傳輸線纜上的衰減所帶來的傳輸距離上限制，采用新一代數(shù)字視頻壓縮算法，比標準的VC-2 LD壓縮算法更為有效，且視頻延遲小到一幀圖像周期以內(nèi)，不到3毫秒。因此AVT真正做到視覺無損，人眼完全察覺不到高清視頻信號的損失和延時，可視為實時效果。
AVT所使用視覺無損壓縮技術與原始圖像比差別小于-40dB，圖像質(zhì)量媲美數(shù)字無壓縮傳輸，且圖像質(zhì)量不隨距離、線材、溫度等變化。而相比之下，模擬同軸高清在傳輸之前需要使用DAC變?yōu)槟M信號，在接收端還需要使用ADC變回數(shù)字信號，兩次變換不可避免地造成視頻損耗而使圖像質(zhì)量變差。另外，模擬視頻信號在傳輸過程中會造成非線性衰減，導致更多的圖像質(zhì)量損失。模擬同軸高清存在的另一個嚴重問題，就是其接收端恢復出來的采樣時鐘有很大抖動，將會導致在接收端ADC采樣位置不準，由此而使模擬同軸高清傳輸后的圖像質(zhì)量欠佳，且不同機器之間的圖像質(zhì)量也不盡相同，離散很大而帶來一致性不好的問題，且隨溫度變化。因而不適于車載視頻這種對圖像質(zhì)量要求高，且溫度范圍變化大的應用場景。
AVT還具有創(chuàng)新的速率自適應傳輸技術，可根據(jù)傳輸?shù)木嚯x和信號的衰減，進行數(shù)字壓縮比例的自適應調(diào)整，以達到最佳的視頻圖像效果。因而高清視頻傳輸不再受外部環(huán)境影響，而且也利于未來產(chǎn)品的升級換代。此外，AVT還可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)的傳輸，在控制接口上支持UART， IR， I2C （主/ 從） 雙向透傳和SPI正向透傳；在音頻接口上，AVT支持SPDIF， I2S 8/16/24/32/44.1/48/96Kbps抽樣率的雙向傳輸；在線材使用上，AVT支持Cat 5以太網(wǎng)線傳輸。實際上，只要使用其中以對雙絞線即可傳輸一路高清視頻。若用以太網(wǎng)線，一根就可以傳四路高清視頻，所以非常適合于車載視頻設備車內(nèi)布線，方便車載系統(tǒng)多功能的需要以及ADAS系統(tǒng)的開發(fā)。
結合360°全景行車系統(tǒng)的應用，如圖2所示AVT在全景泊車系統(tǒng)框圖。
基于AVT技術，所設計芯片NS2520為發(fā)送器（Tx），而NS2521芯片為接收器（Rx），可以支持雙路。 NS2520對攝像機ISP輸出的并行信號進行串行編碼，視頻輸入接口兼容10/20bit位寬，且具BT656/1120、CEA-861、CPI、DVP等多種視頻格式，最大支持1080P@30fps，同時支持SPDIF/I2S音頻嵌入。一片NS2521可以與兩片NS2520配和使用，全面支持上述格式。
圖2.AVT在全景泊車系統(tǒng)框圖
輔助駕駛的前途無限光明
隨著汽車產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistant System，簡稱ADAS）將大行于市之際，各種ADAS相關的視頻系統(tǒng)將不斷涌現(xiàn)，除了介紹過的全景泊車和后視監(jiān)控系統(tǒng)，還將有自適應巡航控制系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、前方碰撞預警、車道偏離預警、剎車輔助系統(tǒng)、后方監(jiān)視系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、駕駛員防疲勞監(jiān)視系統(tǒng)以及交通信號識別等系統(tǒng)。這些都需要你高清實時視頻作為保障，用于提升車載視頻源視頻圖像質(zhì)量與清晰度，而實時大容量可靠視頻傳輸對ADAS應用至關重要。傳統(tǒng)視頻高速傳輸采用模擬同軸線纜，但由于車內(nèi)存在各種電磁輻射，容易造成多種干擾。對于分辨率為1080P的高清視頻帶寬將高達三兆，在車輛內(nèi)部線路復雜條件下，必須具有高可靠性要求。數(shù)字化和網(wǎng)絡化可以將視頻壓縮并通過以太網(wǎng)線傳輸，但不可避免地帶來網(wǎng)絡延時。AVT作為先進視頻傳輸技術，采用數(shù)字同軸高清傳輸方式，卻能夠借助通用以太網(wǎng)絡的線材，有效地傳輸視覺無損且延遲極低的高清視頻信號，因此，AVT數(shù)字高清傳輸解決方案應用將有助于車載視覺市場的推進。
如圖4所示為AVT高清攝像機在ADAS系統(tǒng)中的應用，其中采用AVT芯片就實現(xiàn)新型的AVT高清攝像機，其中CMOS傳感器與ISP處理單元構成的高清視頻采集部分與AVT發(fā)送芯片NS2520高度耦合，完成視頻無縫連接，直接輸出數(shù)字高清視頻信號，經(jīng)過以太網(wǎng)線進行傳輸。在主機上可以通過NS2521接收在車內(nèi)的傳輸信號，并還原為視覺無損且具有極低延時的數(shù)字高清視頻信號，然后再由主處理器進行實時處理。處理的結果一方面輸出的屏幕顯示，同時也輸出到ADAS的控制單元，對汽車行駛中的遇到的情況進行調(diào)整。需要說明的是，兩個AVT攝像機可以共用一個NS2521接收單元。若需要連接更多AVT攝像機時，就需要在主機的設計中預先增加更多的NS2521芯片。
圖3.AVT高清攝像機在ADAS系統(tǒng)中的應用
近年來以智能后視鏡和智能行車記錄儀為主導的車載視頻市場呈現(xiàn)出井噴態(tài)勢，出貨量開始數(shù)以千萬計。車載視頻產(chǎn)品的融合已經(jīng)出現(xiàn)，結合車輛導航、車載多媒體、車載娛樂的多種設備正在經(jīng)歷從標清到高清、從模擬式到數(shù)字化、從單一功能到智能化多功能轉(zhuǎn)化的進程，其中數(shù)字高清視頻傳輸技術將發(fā)揮極其重要的作用。
今年是中國智能駕駛輔助系統(tǒng)市場的元年。 ADAS將主要用于監(jiān)視、預警、剎車以及導向等任務，其需求將以預見在未來十年保持高速增長，是保護駕駛員，有效減少事故的安全措施，既有法規(guī)方面的要求又有消費者的關注。從國際來看，歐盟和美國都強制性要求所有的機動車在2020年前配備自主緊急剎車系統(tǒng)和前方碰撞預警系統(tǒng)。一項最新國際調(diào)查機構的報告顯示，汽車購買者對于那些提供了輔助駐車系統(tǒng)或后方盲點監(jiān)視之類的功能，舒適性和經(jīng)濟性并重的ADAS系統(tǒng)越來越感興趣。
由于處理器和傳感器預計將占據(jù)銷售額的大部分，因此半導體公司考慮通過提供有特色的產(chǎn)品在這些領域參與競爭，隨著視頻視覺處理器的改進，配合完整的系統(tǒng)解決方案，不僅在后裝市場，也將在前裝市場上占有一席之地，因此AVT系列芯片都經(jīng)過嚴密的設計和嚴格的生產(chǎn)制造工藝和測試，能夠勝任車規(guī)的要求。AVT支持4K&TImes;2K的芯片將在下半年推出，屆時將全面支持超高清的ADAS需求。
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