基于DSP的車輛視頻處理系統(tǒng)的研究與實現

引言

目前，交通監(jiān)控應用系統(tǒng)大多以緊急報警、車輛定位與語音通信為主，圖像方面的應用不多。本文正是基于這樣的考慮，設計了車輛圖像采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集車后方的圖像信息，實時地傳送給前方的顯示屏顯示，司機可通過顯示屏實時觀測后方路面及車輛狀況，倒車時可以及時發(fā)現后方障礙物及行人，安全避讓。

實時圖像采集處理系統(tǒng)的組成及工作原理

本系統(tǒng)由模擬攝像頭采集視頻數據，通過視頻解碼芯片將模擬視頻信號轉換為數字視頻信號。cpld作為采樣控制器，完成數字視頻數據的存儲和時序控制。本設計選用tms320c6416實現系統(tǒng)控制和數據處理，具體組成如圖1所示。

視頻采集模塊

圖像的輸入由模擬攝像頭完成（本系統(tǒng)選用黑白攝像頭）。攝像頭輸出為標準的復合視頻信號（cvbs）該信號必須經過視頻解碼和a/d變換后進入數字系統(tǒng)才有效。由于模擬視頻信號非常復雜，除了包含圖像信號之外，還包括行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號等。因而，對視頻信號進行a/d轉換的電路非常復雜。本設計選用ti公司的視頻解碼芯片tvp5146完成從模擬到數字視頻的轉換。tvp5146允許10路模擬視頻輸入，具有4路10bit 30mspsa/d轉換器；場同步信號vs，行同步信號hs，奇偶場信號fid，時鐘輸出信號dataclk等都由引腳直接引出，省去同步時鐘電路的設計。

基于dsp的圖像處理模塊

實時圖像處理系統(tǒng)設計的難點是如何在有限的時間內完成大量圖像數據的處理。只有圖像處理系統(tǒng)的處理速度達到每秒25幀以上時才能達到實時的效果，所以在系統(tǒng)設計中，處理器是關鍵，要求處理器運算速度快、實時處理能力強、并且還具有高速的存儲器及i/o存取能力。本設計選用tms3206416dsk作為視頻信號處理系統(tǒng)。tms3206416dsk是一個低成本的開發(fā)平臺，用戶可以根據功能需要擴展硬件設計，便于硬件開發(fā)，縮短設計時間。

cpld控制模塊

tms320c6416dsk板上含有一片cpld，它主要實現系統(tǒng)的邏輯控制和存儲器地址解碼功能。本設計仍需要一片cpld完成視頻存儲及顯示的時序控制，選用altera公司的epm7064atc100來完成上述功能，它的工作電壓是3.3v，具有64個邏輯單元，68個i/o可用引腳，引腳間4.5ns延時，其最高的時鐘頻率為222.2mhz，該器件基于eeprom結構，可以通過jtag接口現場編輯內部的結構邏輯，編程語言為vhdl。數字視頻信號輸出時序如圖2所示。

數字視頻信號按圖2所示時序輸出，以ntsc制為例，圖中y[9：0]為輸出的亮度視頻信號，dataclk為行鎖定系統(tǒng)的輸出時鐘，為像素時鐘頻率的兩倍，即27mhz，用來同步數據采集，hs為行同步信號，vs為場同步信號，vblk無場消隱信號，fid無奇偶場信號。hs的高電平表示一行有效采樣點720個，vs的高電平表示一場有效信號，對于ntsc制信號，單場為243行，奇偶場信號fid為"1"時，表示當前為奇數場，為"0"表示偶數場。

圖像存儲模塊

為了實現圖像的實時采集與處理，往往需要視頻的輸入轉換和圖像處理并行進行。傳統(tǒng)上實現數據采集與處理同步的方法有：使用fifo存儲器；使用雙口ram；使用雙/單口ram交替切換存儲數據?？紤]到圖像處理需要處理的數據量太大，而且fifo存儲器和雙口ram的價格因素，本設計使用高速雙/單口sram的價格因素，本設計使用高速雙/單口sram交替切換存儲數據的方法。一幀圖像容量為720×486＝349.92k像素，選用512k×8bit的高速sram。tvp5146是對亮度信號的采樣頻率是13.5mhz，2次寫入的數據間隔是74ns，可以選擇cypress公司的cy7c1049cv33（512k×8bit，12ns，3.3v）來完成數據儲存。
兩幀的切換由cpld設計的幀存控制器自動實現。當幀a存儲tvp5146輸出的數據時，dsp讀取并處理幀b的數據，完成處理后送往液晶顯示。在幀a存滿一幀數據，處理器也處理完幀b數據并完成一幀圖像顯示后，由cpld構造的乒乓開關轉換兩個接口，dsp開始從幀a里讀取數據進行處理，這樣，兩幀輪換進行，實現了采集與處理顯示的并行操作。

本設計采用場合并行法，將兩場的數據寫入一個幀存中。系統(tǒng)利用vs信號對此進行控制。當vs信號有效時，表明新的一場開始了，此時無效行計數器開始工作，控制不需要采集的圖像行，計數到閾值后，有效行計數器開始工作，控制所要采集的圖像行，并發(fā)生高位地址信號a[18..11]；同樣，當hs有效后，無效像素計數器開始計數每行中的無效像素，然后有效像素計數器開始計數需要采集的行有效像素；每次計滿720個像素后，等待下一次有效行型號的到來，同時將有效行計數器加1。由于系統(tǒng)選用的幀存容量較大，因此利用fid的反相信號作為幀存地址的a10，為每行圖像提供了1024個存儲空間（實際使用720個），可以簡化數據寫入與讀出的控制電路。隔行的視頻信號就會被逐行地存儲到幀存體中。

圖3所示為cpld編程構成幀存儲器和視頻采集控制器。視頻采集控制器根據tvp5146的同步信號dataclk、hs、vs在內部產生對幀存儲器的地址信號a[18：0]、寫信號wr以及幀切換信號rdy1、rdy2。幀存控制器根據切換信號dry1、rdy2進行接口轉換：當一幀圖像存入幀存儲器時，幀切換的兩個必要條件之一rdy1置為高電平，rdy2在dsp處理完一幀圖像并送出顯示后置為高電平，當兩者同時為真時，切換兩通道的連接，開始新一輪圖像處理過程，同時rdy1、rdy2復位，為下一次切換作準備。

tms320c6146dsk外擴sdram共4m×64bit的容量，為2片mt48lc2m32b2，用來作為dsp處理后送往液晶顯示前的視頻數據緩存。

圖像顯示模塊

本設計選用epson的e35g23圖形顯示模塊，320×240像素，帶有行列驅動電路以及背光電路，16級灰度顯示。系統(tǒng)采用cpld構成液晶顯示控制器，應用cpld產生幀同步信號及掃描時鐘信號。vfram為幀同步信號，標志著lcd屏新一幀的圖像開始，每一幀中包含240個vline信號。在幀標志信號vfram有效后產生行同步信號，讀數據緩存區(qū)，在像素時鐘vclk的控制下，將數據寫入lcd，每一行包含320個vclk信號，完成一幀數據的寫入。

結語

本文以高速dsptms320c6416為核心處理器，應用tvp5146完成模擬視頻信號的數字化轉換，cpld完成系統(tǒng)的時序控制，采用雙/單口sram交替儲存采集的視頻數據，dsp處理完數據后送往sdram緩存，最后將數據從緩存讀出并送往液晶屏顯示，實現視頻數據實時采集處理顯示。本系統(tǒng)是基于車輛視頻監(jiān)控而設計的，將對減少交通事故起到良好作用。