基于定點(diǎn)DSP的CMOS數(shù)字視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

    關(guān)鍵詞：定點(diǎn)DSP CMOS圖像傳感器 JPEG圖像壓縮 編碼

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(hào)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(wàn)像素。好的CMOS圖像傳感器甚至能達(dá)300萬(wàn)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(duì)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(shí)別和主控機(jī)之間通過(guò)USB或RS485接口進(jìn)行圖像或識(shí)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(chǎng)同步信號(hào)以及控制寄存器的控制時(shí)序，同時(shí)，它還完成對(duì)OV6630輸出的數(shù)字圖像信號(hào)預(yù)處理的工作，包括對(duì)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(duì)SDRAM和外接Flash存儲(chǔ)卡的訪問(wèn)以及SDRAM的刷新等操作也通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。

TMS320C5402負(fù)責(zé)對(duì)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(shí)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(guò)顏色校正后的R、G、B數(shù)字信號(hào)，通過(guò)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

（1）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(hào)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(hào)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(hào)被采樣兩次：一次是有效信號(hào)；一次為本底信號(hào)。兩次信號(hào)的差值作為該像素的實(shí)際輸出信號(hào)。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(jiàn)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(duì)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(méi)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(hào)由像素本身輸出的某一種顏色信號(hào)和相鄰像素輸出的其它顏色信號(hào)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(duì)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(chǎng)同步輸出信號(hào)線；RGB[7..0]為8位圖像數(shù)據(jù)輸出信號(hào)線。通過(guò)Altera公司的EPM10K30A對(duì)OV6630進(jìn)行I2C控制，包括對(duì)比度、亮度、飽和度、白平衡及自動(dòng)曝光、同步信號(hào)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352×16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(guò)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(duì)352×288的圖像傳感器，每行共有352像素，因此，每行需要352×16位容量的RAM進(jìn)行存儲(chǔ)。兩組RAM通過(guò)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(qǐng)信號(hào)。

    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(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。SDRAM采用Hynix公司的4M×16位的HY57V641620，工作頻率可以達(dá)到100MHz以上。對(duì)SDRAM的控制主要包括以下幾個(gè)方面。

①時(shí)序與命令的控制。主要負(fù)責(zé)模式選擇、頁(yè)面切換、讀寫方式和自動(dòng)刷新起動(dòng)等控制。

②數(shù)據(jù)讀寫。SDRAM與傳統(tǒng)EDO方式的DRAM相比，由于它通過(guò)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。

③DMA控制。TMS320C5402對(duì)SDRAM的訪問(wèn)可以通過(guò)DMA方式進(jìn)行。它在啟動(dòng)DMA之前，通過(guò)控制寄存器使SDRAM工作于頁(yè)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(zhǎng)編碼）技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的。在DCT變換時(shí)，以8×8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(lái)說(shuō)，就是將每個(gè)像素的原始內(nèi)容f(x,y)分別減去128，通過(guò)上述公式得到一個(gè)經(jīng)過(guò)能量?jī)?yōu)化的8×8DCT系數(shù)矩陣。然后，通過(guò)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(duì)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(duì)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8×8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(guò)利用DSP的快速運(yùn)算特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行目標(biāo)的有效識(shí)別。識(shí)別結(jié)果能夠及時(shí)上傳給上位機(jī)，以達(dá)到對(duì)目標(biāo)的有效監(jiān)控。