基于定點(diǎn)DSP的CMOS數(shù)字視頻監(jiān)控終端

　　引言

　　CMOS圖像傳感器CCD相比，由于能將時(shí)序處理電路和圖像信號的前端放大與數(shù)字化部分集成于一個(gè)芯片內(nèi)，因此，它的發(fā)展一直受到業(yè)界的高度重視?，F(xiàn)在，隨著技術(shù)與工藝的發(fā)展，CMOS圖像傳感器不僅在噪聲上得到了有效改善，而且分辨率也已得到了明顯提高。一般的彩色CMOS圖像傳感器都能達(dá)到100萬像素。好的CMOS圖像傳感器甚至能達(dá)300萬像素以上。因此，CMOS圖像傳感器將以其低廉的價(jià)格、實(shí)用的圖像質(zhì)量、高集成度和相對較少的功耗，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　TI公司的TMS320C54X系列DSP是一款性能價(jià)格比很高的16位定點(diǎn)DSP。以TMS320C5402為例，它的運(yùn)行速度可以達(dá)到100MIPS，而且內(nèi)部集成有高速16K;16位的讀寫可同時(shí)操作的快速RAM和主速I/O接口。因此，采用TMS320C54X可以實(shí)現(xiàn)圖像的壓縮、存儲(chǔ)、運(yùn)行圖像的識別和主控機(jī)之間通過USB或RS485接口進(jìn)行圖像或識別信息的上載等功能。

　　圖1 數(shù)字視頻監(jiān)控終端原理圖

　　1 設(shè)計(jì)方案

　　1.1 設(shè)計(jì)原理

　　圖1是采用TMS320C5402定點(diǎn)DSP和OV6630圖像傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控終端的原理圖。

　　圖1中，采用FPGA產(chǎn)生圖像傳感器所需的點(diǎn)頻、行場同步信號以及控制寄存器的控制時(shí)序，同時(shí)，它還完成對OV6630輸出的數(shù)字圖像信號預(yù)處理的工作，包括對接收的R、G、B三種基色的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組合和適當(dāng)?shù)谋壤儞Q等，以使DSP能進(jìn)行更加有序的快速處理。另外，DSP對SDRAM和外接Flash存儲(chǔ)卡的訪問以及SDRAM的刷新等操作也通過FPGA實(shí)現(xiàn)。

　　TMS320C5402負(fù)責(zé)對預(yù)處理后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色校正、JPEG壓縮、存儲(chǔ)、圖像識別，并提供通用的USB或RS485接口，以實(shí)現(xiàn)圖像及資料的上傳。經(jīng)過顏色校正后的R、G、B數(shù)字信號，通過LCD驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)在LCD顯示屏上的顯示。

　　1.2 CMOS圖像傳感器的特性

　?。?）功能框圖 在一個(gè)芯片CMOS圖像傳送器內(nèi)，一般都包含圖2所示的功能。其中，寄存器接口采用I2C總線或三線制方式；同步信號可以從外部加入或者由時(shí)序發(fā)生器自己產(chǎn)生，為與外部視頻信號同步提供了方便；雙倍采樣電路在CMOS圖像傳感器中是必要的。它的作用是使每個(gè)像素的信號被采樣兩次：一次是有效信號；一次為本底信號。兩次信號的差值作為該像素的實(shí)際輸出信號。這種采樣方式可以有效地降低噪聲干擾。A/D采樣分辨率一般為8～12位。

　　圖2 CMOS圖像傳感器功能框圖 （2）圖像格式 最常見的CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)輸出格式是Bayer原始數(shù)據(jù)輸出格式。其一般格式為： 奇數(shù)掃描行 GRGR… 偶數(shù)掃描行 BGBG… 根據(jù)人眼對彩色的響應(yīng)帶寬不高的大面積著色特點(diǎn)，每個(gè)像素沒有必要同時(shí)輸出三種顏色。因此，數(shù)據(jù)采樣時(shí)，奇數(shù)掃描行的第1、2、3、4……像素分別采樣和輸出G、R、G、R……數(shù)據(jù)；偶數(shù)掃描行的第1、2、3、4……像素分別采樣和輸出B、G、B、G……數(shù)據(jù)。在實(shí)際處理時(shí)，每個(gè)像素的R、G、B信號由像素本身輸出的某一種顏色信號和相鄰像素輸出的其它顏色信號構(gòu)成。這種采樣方式在基本不降低圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以將采樣頻率降低60%以上。 由于CMOS光傳感單元對三種顏色的響應(yīng)靈敏度是完全不同的，而且是非線性的，與亮度、增益及本身的材料相關(guān)。因此，圖像傳感器的原始數(shù)據(jù)要進(jìn)行顏色校正與補(bǔ)償。不同廠家的產(chǎn)品補(bǔ)償曲線不同，因此要設(shè)計(jì)不同的補(bǔ)償算法。 OV6630不僅輸出R、G、B的原始數(shù)據(jù)格式，而且在芯片內(nèi)已經(jīng)集成了顏色補(bǔ)償算法，可以輸出符合CCIR601標(biāo)準(zhǔn)的YUV和YcrCb的視頻輸出格式。

　　1.3 圖像傳感器的接口設(shè)計(jì)

　　圖像傳感器OV6630與邏輯控制芯片直接相連，圖3是接口設(shè)計(jì)原理圖。其中SCL、SDA為I2C控制線；PCLK、HSYNC、VSYNC分別為點(diǎn)頻和行場同步輸出信號線；RGB[7..0]為8位圖像數(shù)據(jù)輸出信號線。通過Altera公司的EPM10K30A對OV6630進(jìn)行I2C控制，包括對比度、亮度、飽和度、白平衡及自動(dòng)曝光、同步信號位置及極性輸出、幀速率和數(shù)據(jù)輸出格式控制等。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，在EPM10K30A內(nèi)分配2組RAM緩沖區(qū)，其大小均為352%26;#215;16位，1組RAM中存儲(chǔ)1行的圖像數(shù)據(jù)。由OV6630輸入的Bayer原始數(shù)據(jù)輸出格式，經(jīng)過預(yù)處理后，每個(gè)像素點(diǎn)均輸出R、G、B數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式采用5、6、5分配原理，即紅色和藍(lán)色為5位數(shù)據(jù)寬度，綠色6位數(shù)據(jù)寬度。因此，每個(gè)像素輸出16位數(shù)據(jù)。對352%26;#215;288的圖像傳感器，每行共有352像素，因此，每行需要352%26;#215;16位容量的RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。兩組RAM通過奇偶行計(jì)數(shù)器進(jìn)行切換。當(dāng)一行存儲(chǔ)完畢時(shí)，立即向DSP產(chǎn)生一個(gè)讀取該行數(shù)據(jù)的中斷申請信號。

　　1.4 DSP與SDRAM的接口設(shè)計(jì)

　　采用SDRAM可以存儲(chǔ)大量的圖像資料。它的控制通過FPGA實(shí)現(xiàn)。SDRAM采用Hynix公司的4M%26;#215;16位的HY57V641620，工作頻率可以達(dá)到100MHz以上。對SDRAM的控制主要包括以下幾個(gè)方面。

　?、贂r(shí)序與命令的控制。主要負(fù)責(zé)模式選擇、頁面切換、讀寫方式和自動(dòng)刷新起動(dòng)等控制。

　?、跀?shù)據(jù)讀寫。SDRAM與傳統(tǒng)EDO方式的DRAM相比，由于它通過一個(gè)高速同步時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào)，因此其讀寫速度很快。在猝發(fā)讀寫模式下，其讀寫時(shí)間可達(dá)20ns。

　?、跠MA控制。TMS320C5402對SDRAM的訪問可以通過DMA方式進(jìn)行。它在啟動(dòng)DMA之前，通過控制寄存器使SDRAM工作于頁面猝發(fā)模式。 2 JPEQ算法實(shí)現(xiàn) JPEG壓縮是利用DCT和VLC（可變長編碼）技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的。在DCT變換時(shí)，以8像素為基本計(jì)算單元，在DCT變換為 其中，當(dāng)i、j=0時(shí)，C（i）、 ；其它情況下，C（i）、C（j）=1。i、j表示像素位置。 具體來說，就是將每個(gè)像素的原始內(nèi)容f(x,y)分別減去128，通過上述公式得到一個(gè)經(jīng)過能量優(yōu)化的8DCT系數(shù)矩陣。然后，通過一個(gè)亮度量化矩陣和一個(gè)色度量化矩陣去一一除以對應(yīng)的DCT系數(shù)矩陣，即進(jìn)行DCT系數(shù)量化，并利用Z形掃描得到一個(gè)維量化系數(shù)序列。最后，利用標(biāo)準(zhǔn)的VLC編碼表，對該序列中的非零數(shù)據(jù)進(jìn)行霍夫曼編碼得到最終的JPEG壓縮數(shù)據(jù)。

　　由于是以8作為一個(gè)基本處理單元，因此，可以利用TMS20C5402內(nèi)部的快速RAM作為緩沖區(qū)。實(shí)際表明，只需要占用DSP內(nèi)部的5K字節(jié)緩沖區(qū)即可完成JPEG壓縮編碼工作。當(dāng)DSP工作于100MHz主頻時(shí)，壓縮一幅視頻圖像可以在1.5s內(nèi)完成。

　　結(jié)論

　　利用16位定點(diǎn)DSP和CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)字視頻監(jiān)控終端，可以實(shí)現(xiàn)視頻壓縮圖像的存儲(chǔ)與傳輸；通過利用DSP的快速運(yùn)算特性，可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行目標(biāo)的有效識別。識別結(jié)果能夠及時(shí)上傳給上位機(jī)，以達(dá)到對目標(biāo)的有效監(jiān)控。