劉德勇，宋 弘，孔志強(qiáng)

（四川理工學(xué)院 自動化與電子工程學(xué)院，四川 自貢643000）

視頻技術(shù)在日常生活中的地位顯得越來越重要。視頻圖像不清晰、噪聲污染、分辨率低等原因?qū)е乱曨l質(zhì)量低。針對這個問題，提出了用CCD傳感器獲取外部的圖像，因?yàn)镃CD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，可以獲取高質(zhì)量的圖像產(chǎn)品。選用TMS320DM6437作為處理器，它是一款高性能的多媒體處理器，有利于在交通、生活小區(qū)、金融、工廠、校園等領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用。

1 系統(tǒng)組成及其原理

系統(tǒng)由CCD傳感器模塊、處理器和顯示器模塊組成，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。TMS320DM6437處理器是TI公司專為低成本、高性能視頻應(yīng)用開發(fā)的32位定點(diǎn)DSP達(dá)芬奇技術(shù)處理器。該器件采用TI第2代超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的TMS320C64X+DSP內(nèi)核，主頻可達(dá)700 MHz，支持8個8位或4個16位并行MAC（Multiply-Accumulates）運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)5 600 MIPS。針對視頻應(yīng)用，TMS320DM6437還提供了強(qiáng)大的視頻處理子系統(tǒng)VPSS（Video Processing Sub Systern），其包括一個視頻處理前端VPFE（Video Processing Front End）和一個視頻處理后端VPBE（Video Processing Back End），在控制方面提高了其配置和使用的簡易性。這一子系統(tǒng)提供的各種接口為視頻的采集和顯示處理提供了極大的便利。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

CCD傳感器實(shí)時采集視頻圖像并將之轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，通過視頻電纜把模擬視頻信號送給TVP5146視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)成數(shù)字視頻信號，通過TMS320DM6437的硬件連線傳送輸入VPFE，應(yīng)用程序接收到一幅完整的視頻幀后，將它傳送給VPBE，VPBE將此數(shù)字視頻信號編碼輸出，通過TMS320DM6437系統(tǒng)的視頻輸出接口電路將此視頻信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，通過視頻電纜，信號最終傳送顯示器進(jìn)行顯示。

2 視頻處理子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

VPFE用于輸入數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，為多種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻輸入提供接口，并為輸入的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)作必要的預(yù)處理；VPBE用于輸出視頻數(shù)據(jù)，以驅(qū)動顯示器顯示視頻圖像。VPFE和VPBE統(tǒng)稱為視頻處理子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視頻處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 VPFE

VPFE提供了一個豐富和強(qiáng)大的視頻輸入接口，系統(tǒng)包括CCD控制（CCDC）、預(yù)覽器、縮放器、H3A和直方圖模塊。

2.1.1 CCD控制器

CCDC接收從傳感器傳送來的原始圖像/視頻數(shù)據(jù)或從視頻解碼器設(shè)備接收各種格式的YUV數(shù)據(jù)，為圖像傳感器和數(shù)字視頻提供了一個接口。CCD控制器的輸出需要另外處理，這種處理在預(yù)覽器或圖像處理的軟件算法中實(shí)現(xiàn)，才能把原始圖像轉(zhuǎn)化成最終處理的圖像。同時，原始數(shù)據(jù)輸入到CCD控制器，可以用于計(jì)算各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（H3A和直方圖）以控制圖像/視頻的調(diào)節(jié)參數(shù)。

2.1.2 預(yù)覽器

預(yù)覽器是一個圖像處理模塊，用來配置各種傳感器類型、圖像質(zhì)量和視頻幀速率。預(yù)覽器把從傳感器（CMOS或CCD）傳送來的未經(jīng)處理的圖像/視頻轉(zhuǎn)換為YCbCr4：2：2數(shù)據(jù)。預(yù)覽器的輸出用于視頻壓縮和外部顯示，如一個NTSC/PAL模擬編碼器或者一個數(shù)字液晶顯示器。

2.1.3 縮放器

縮放器用來實(shí)現(xiàn)圖像和視頻的縮放，縮放范圍為1/4～4倍，它可以接收來自預(yù)覽器和DDR2的圖像/視頻。

2.1.4 H3A

H3A為自動對焦（Auto Focus）、自動白平衡（Auto WhiteBlance）和自動曝光（Auto Exposure）的控制環(huán)路。它包含兩個主要模塊：自動對焦（AF）引擎裝置和自動曝光（AE）與自動白平衡（AWB）引擎裝置。

2.1.5 直方圖

直方圖模塊處理彩色像素獲取統(tǒng)計(jì)信息，提供給H3A模塊實(shí)現(xiàn)各種3A算法，以平滑最終的輸出圖像/視頻。

2.2 VPBE

VPBE用于實(shí)現(xiàn)視頻圖像的輸出顯示，它包括OSD模塊、VENC模塊。

2.2.1 OSD模塊

OSD的主要功能就是把視頻數(shù)據(jù)和位圖數(shù)據(jù)混合集成給視頻解碼器以YCbCr格式輸出到VENC中，視頻和顯示數(shù)據(jù)從外部存儲器讀入，一般為DDR2。OSD通過控制器和參數(shù)寄存器編程實(shí)現(xiàn)其功能。

2.2.2 VENC模塊

VENC包含數(shù)字LCD（DLCD）和模擬（DAC等）接口。視頻編碼器產(chǎn)生模擬的視頻輸出。DLCD控制器產(chǎn)生數(shù)字的RGB/YCbCr數(shù)據(jù)輸出和時鐘信號。

3 視頻處理子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，一個CCD傳感器與TVP5146解碼器連接在一起，把模擬復(fù)合信號變成數(shù)字YUV4∶2∶2數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線被送到TMS320DM6437處理器。在解碼器與TMS320DM6437之間有一個I2C總線，使TMS320DM6437充當(dāng)主配置TVP5416。

圖3 捕獲YUV422數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

使用VPFE驅(qū)動程序配置TVP5146解碼器和捕獲視頻輸入數(shù)據(jù)且在顯示器上顯示出捕獲數(shù)據(jù)。CCD傳感器輸出的數(shù)據(jù)是NTSC D1分辨率，而在VPFE，CCD控制器模塊已足夠靈活來獲取任何不大于D1的幀?？梢酝ㄟ^以下步驟配置VPFE驅(qū)動來獲取并顯示數(shù)據(jù)：

（1）通過調(diào)用FVID_create（）和傳遞參數(shù)ccdcParams（）來創(chuàng)建ccdcHandle作為CCDC的通道。在傳遞函數(shù)ccdcParams（），數(shù)據(jù)流（dateflow）被設(shè)置為PSP_VPFE_CCDC_YCBCR_8，ffMode設(shè)置為PSP_VPSS_FRAME_MODE，高度和寬度設(shè)置為480和720，這樣CCDC模塊就能配置來捕獲交錯NTSC D1幀。在傳遞函數(shù)ccdcParams（）中，有3個函數(shù)與TVP5146解碼器有關(guān)，分別為：

①PSP_VPFE_TVP5146_Open（）被調(diào)用：當(dāng)CCDC通道被創(chuàng)建并初始化I2C總線；

②PSP_VPFE_TVP5146_Close（）被調(diào)用：當(dāng)CCDC通道被刪除并重新初始化I2C總線；

③PSP_VPFE_TVP5146_Control（）被調(diào)用：當(dāng)一個特定的控制命令來配置TVP5416。

（2）通過調(diào)用FVID_control（）和傳遞參數(shù)TVP5146Params（）來配置TVP5146。在自動模式下，TVP5146譯碼器配置為捕獲復(fù)合信號，因?yàn)樵谀J(rèn)情況下大多數(shù)TVP5146的配置參數(shù)設(shè)置為最佳的典型用法。

（3）通過調(diào)用FVID_alloc（）為CCDC模塊分配一些幀緩沖。隊(duì)列緩沖區(qū)到驅(qū)動程序通過調(diào)用FVID_queue（）。

（4）在VPBE中，創(chuàng)建vid0Handle作為VIDWIN0通道。通過調(diào)用FVID_creat（）和傳遞參數(shù)vid0Params（）來配置VIDWIN0顯示YUV4∶2∶2捕獲的數(shù)據(jù)格式和NTSC D1分辨率。

（5）通過調(diào)用FVID_alloc（）為VIDWIN0模塊分配一些幀緩沖。隊(duì)列緩沖區(qū)到驅(qū)動程序通過調(diào)用FVID_queue（）。

（6）在VPBE中創(chuàng)建vencHandle作為VENC通道，通過調(diào)用FVID_creat（）和傳遞參數(shù)vencParams（）來配置VENC模塊顯示復(fù)合信號。

（7）按指定的次數(shù)開始循環(huán)，獲取并顯示輸入的視頻信號：

①調(diào)用FVID_exchange（）得到一個捕獲視頻幀并傳遞一個空的幀緩沖到CCDC通道。當(dāng)CCDC模塊已經(jīng)捕獲了一個新的幀后，函數(shù)返回；

②調(diào)用FVID_exchange（）傳輸已捕獲數(shù)據(jù)的幀緩沖到VIDWIN0和接收一個新的幀緩沖被顯示之后，函數(shù)返回；

（8）一旦程序退出循環(huán)，釋放所有通道和幀緩沖區(qū)：

①調(diào)用FVID_free（）釋放VIDWIN0幀緩沖，調(diào)用FVID_delete（）釋放VIDWIN0通道；

②調(diào)用FVID_free（）釋放CCDC幀緩沖，調(diào)用FVID_delete（）釋放CCDC通道；

③調(diào)用FVID_delete（）釋放VENC通道。

4 結(jié)果測試

圖4 采集到的視頻圖像

使用復(fù)合電纜把顯示器、CCD傳感器與TMS320DM6437相連，啟動板上電源，啟動CCS，打開項(xiàng)目文件（.jpt）；通過點(diǎn)擊CCS菜單File→Load Program，加載文件；點(diǎn)擊CCS菜 單Debug→Reset CPU，然后點(diǎn)擊CCS菜單Debug→Restart，最后選擇F5鍵運(yùn)行程序，捕獲的視頻在顯示器上顯示出來，如圖4所示。

在視頻采集系統(tǒng)中將攝像頭的分辨率設(shè)置為720×480，圖像傳感器輸出的原始圖像信號送入視頻解碼器TVP5146進(jìn)行視頻解碼，然后輸出進(jìn)入TMS320DM6437處理器組成的DSP系統(tǒng)，在DSP系統(tǒng)中主要進(jìn)行必要的圖像預(yù)處理以獲得良好的圖像質(zhì)量。采集到的視頻圖像色彩均衡、畫面清晰，圖像采集速度快且具有良好的擴(kuò)展性。當(dāng)需要對視頻進(jìn)行處理（如灰度變換、黑白圖像變換等）時，進(jìn)一步為圖像的提取和識別作好準(zhǔn)備，只需要添加相應(yīng)的程序即可，無需改變硬件，降低了開發(fā)成本。

[1]Texas Instruments Incorporated.SPRU977D.TMS320DM643x DMP Video Processing Front End（VPFE）User′s Guide[S].2010.

[2]Texas Instruments Incorporated.SPRU952A.TMS320DM643x DMP Video Processing Back End（VPBE）User′s Guide[S].2007.

[3]Texas Instruments Incorporated.SPRU983A.TMS320DM643x DMP Peripherals Overview Refe-rence Guide[S].2007.

[4]BAYER B E.Color imaging array：US.3971065[P].1976：56-60.

[5]米本和也.CCD/COMS圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[6]張德剛，陳文藝，陳瑞.基于DM6437的數(shù)字?jǐn)z影機(jī)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：130.