随着车载、机器人、工业视觉、医疗设备等系统不断采用多摄像头方案前端图像传感器数量越来越多。不同摄像头可能承担前视、后视、左视、右视或者不同区域和不同类型图像的采集任务。多路摄像头同时工作时系统通常会遇到主控 MIPI CSI 接口数量有限、多路图像需要同步、输入数据速率不一致、主控处理压力较大以及研发现场难以定位异常等问题。明德扬围绕多路 MIPI 视频接入与主控互联提供基于 FPGA 的多路视频聚合方案。通过 FPGA 对多路摄像头数据进行接收、解析、同步、缓存和整理再将处理后的数据通过 MIPI 接口输出至主控芯片或后端处理平台。一.方案概览这套方案可以概括为把多路 MIPI 摄像头接入 FPGA由 FPGA 完成接收、解析、同步、缓存、聚合和输出再将整理后的统一视频流交给主控芯片。MIPI 多路视频聚合架构图除视频数据通路外系统还包括配置控制和调试监控通道。主控可以通过 FPGA 对摄像头进行配置、触发和工作模式控制FPGA 也可以通过串口等调试接口输出通道状态、同步状态和错误信息。二.系统架构与核心节点1 多路 SENSOR 输入系统前端可以接入多路 MIPI 摄像头或图像传感器。每一路 SENSOR 都可以对应一套独立的 MIPI CSI 接收逻辑。在实际项目中不同摄像头可能承担不同任务例如前视、后视、左视、右视等不同位置的图像采集也可能用于多方向环境感知、多摄像头同步采集或不同功能区域的数据采集。根据项目结构不同摄像头还可以划分为不同的输入组。FPGA 可以根据客户的系统架构对不同输入组进行独立处理或统一聚合。2 MIPI CSI 接收每一路 SENSOR 对应一路 MIPI CSI 接收逻辑。接收模块主要负责完成 MIPI 数据接收、Lane 对齐、数据包解析和图像数据恢复并对输入视频流状态进行监控。对于多路摄像头系统来说接收端不仅要关注是否有数据还要关注每一路数据是否稳定、格式是否正确、通道是否正常工作。FPGA 可以在前端对各路 MIPI 数据进行独立接收和管理为后续同步、聚合和输出提供统一的数据基础。3 同步聚合完成多路 MIPI 数据接收后FPGA 进入同步和聚合处理环节。同步聚合模块可以根据项目要求完成多路摄像头数据同步、多路图像的帧级配合、多画面排列、多画面组合、图像拼接、多路视频统一输出以及多组摄像头分别独立聚合。不同项目对聚合的理解可能不同。有些项目只需要把多路输入整理成一路或少数几路稳定的视频流有些项目需要将多个画面按照固定布局排列还有一些项目需要完成多画面拼接或组合输出。因此聚合方式需要结合客户的摄像头数量、图像格式、分辨率、帧率、主控接口和后端处理方式进行设计。4 缓存与数据整理多路摄像头同时接入时各路数据可能存在输入节奏不同、数据突发或主控读取速度不一致等情况。FPGA 可以通过内部缓存或外部存储资源对数据进行阶段性缓存和整理使输入端和输出端之间形成更稳定的数据衔接。缓解多路输入同时到达带来的数据压力解决输入与输出之间的速率差异为同步和聚合提供稳定的数据基础减少因数据节奏不匹配造成的丢帧或异常让主控芯片接收更加规整的视频数据流5 MIPI CSI 发送经过 FPGA 接收、同步、缓存和聚合后处理完成的视频数据会通过 MIPI CSI 发送模块输出至主控芯片。主控芯片接收到的是经过 FPGA 整理后的统一视频流可以继续完成图像显示、视频存储、AI 识别、视频编码和后续图像算法处理。通过 FPGA 先完成前端数据整理可以减少主控芯片直接面对多路原始 MIPI 数据的压力。对于主控 MIPI 接口数量有限的项目FPGA 还可以将多路输入整理后通过一路或少数几路输出提升主控接口的利用效率。6 主控控制与 DEBUG 监控FPGA 不仅负责接收和输出图像也可以配合主控完成摄像头配置、触发和工作模式控制。主控可以向 FPGA 下发相关配置和控制命令FPGA 再根据系统要求完成相应的控制转发。摄像头工作配置和触发控制工作模式、输入组和聚合方式配置输出方式和状态读取在研发和现场使用过程中多路视频系统可能出现丢帧、不同步、单路异常或接口不稳定等问题。FPGA 内部的 DEBUG 信息监控模块可以对通道状态、同步状态、丢帧状态、错误计数和当前工作模式进行监测并通过串口等方式输出调试信息。三.方案主要解决的问题客户痛点FPGA 方案处理方式带来的价值摄像头数量多主控 CSI 接口不足FPGA 接收多路输入再按主控能力聚合输出扩展前端接入能力减少主控接口压力多路图像存在不同步问题在 FPGA 内完成同步和统一调度为拼接、组合和后续算法提供稳定输入输入数据速率和读取节奏不一致通过缓存和数据整理完成速率匹配降低数据突发和链路不稳定风险研发或现场难以定位异常输出通道、同步、丢帧和错误状态缩短问题定位时间现有主控与摄像头接口不匹配通过 FPGA 做前端接口和数据流适配减少更换主控平台的复杂度四.典型应用场景1 多摄像头接入与主控接口扩展当系统需要同时接入多路 MIPI 摄像头而主控芯片可用的 MIPI CSI 接口数量有限时可以通过 FPGA 扩展前端接入能力。FPGA 负责接收多路摄像头数据再根据主控的接口能力进行聚合和输出。2 多画面拼接与组合输出在车载、机器人、工业设备和医疗设备中系统可能需要将多个摄像头画面组合成一个统一的视频流或者按照固定布局进行排列。FPGA 可以在前端完成多路画面的同步、排列、拼接或组合主控只需要接收处理后的结果。3 多组视频独立聚合当系统中存在两组或多组摄像头时可以在 FPGA 内部分别进行同步和聚合再通过不同的 CSI 输出通道发送给主控。这种方式可以保留不同业务组之间的独立性同时减少主控端的处理复杂度。4 研发调试与现场状态监控多路视频系统出现问题时单纯观察最终画面往往难以判断具体原因。通过 FPGA 的 DEBUG 信息监控模块可以输出通道状态、同步状态和错误信息帮助研发和现场人员快速定位问题。5 现有主控平台的接口扩展如果客户已经有主控芯片或后端平台但主控接口数量不足或者现有接口与摄像头配置不匹配可以通过 FPGA 方案进行前端适配减少客户更换主控平台的成本和复杂度。五.产品与交付方式交付方式内容说明适用情况硬件板卡提供多路 MIPI 视频接入、聚合和验证所需的 FPGA 平台需要快速进行接口验证或方案评估FPGA固件提供 MIPI 多路合一或客户指定输入、同步、聚合和输出逻辑已有硬件平台需要完成 FPGA 功能开发板卡加固件结合硬件板卡和 FPGA 固件交付完整的视频聚合验证平台需要软硬件一体化验证定制开发根据摄像头数量、Lane、速率、同步方式、输出路数和主控要求进行设计标准板卡或固件无法直接满足项目需求表格中列出的相关硬件平台包括高云GW5A-LV25MG121NES莱迪思LIFCL-40-9MG121CLIFCL-17-9MG121C, 赛灵思XCZU4EG-2SFVC784I等。具体板卡需要结合摄像头路数、每路 Lane 数、速率、输出路数和主控接口进一步选择。固件交付形式包括 MIPI 多路合一固件和 Multi-MIPI_Merge_Solution也可以根据客户接口、性能、结构和软件流程进行定制开发。六.项目前期需要确认的参数在评估多路 MIPI 视频聚合项目时建议先确认以下信息确认项需要了解的内容摄像头数量需要接入几路 SENSOR是否需要分组处理MIPI参数每路 Lane 数、每 Lane 速率、输入格式图像参数分辨率、帧率、RAW/RGB/YUV 等数据格式同步需求是否需要多路同步、触发或帧级配合聚合方式简单聚合、多画面排列、拼接或多组独立输出主控平台主控型号、可接收的 MIPI 路数及后端处理方式输出要求需要几路 CSI 输出是否需要特定输出格式存储与调试是否需要 DDR、缓存、串口 DEBUG、错误统计和状态回传交付方式现成板卡、FPGA 固件、板卡加固件或定制开发七.结语多路 MIPI 视频系统的核心难点不只是把摄像头接入 FPGA而是要在多路数据同时进入后稳定完成接收、对齐、同步、缓存、聚合和输出。明德扬深耕 FPGA 多路 MIPI 视频开发多年项目落地经验丰富可提供硬件板卡、FPGA 固件、定制开发一体化视频聚合方案满足多摄像头接入、接口扩展、多画面拼接、视频同步调试等各类项目需求。