摘 要： 設計了一種基于TMS320DM6437的數字視頻采集系統，以適應現代采集系統高性能、快速性以及數字化的需要。該設計方法分為CCD傳感器、達芬奇系列DSP上集成的視頻處理子系統組件（VPSS）和顯示器3部分，不需要外接編解碼芯片，直接連接數字攝像頭（CCD）。實驗結果表明，該視頻采集系統采集的圖像色彩均勻，畫面清晰，采集速度快，具有良好的擴展性。
關鍵詞： 數字攝像機；VPSS；VPFE；VPBE；TMS320DM6437
視頻技術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、分辨率低等原因導致視頻質量低。針對這個問題，提出了用CCD傳感器獲取外部的圖像，因為CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器，可以獲取高質量的圖像產品。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、金融、工廠、校園等領域發揮更好的作用。
1 系統組成及其原理
系統由CCD傳感器模塊、處理器和顯示器模塊組成，系統的整體框圖如圖1所示。TMS320DM6437處理器是TI公司專為低成本、高性能視頻應用開發的32位定點DSP達芬奇技術處理器。該器件采用TI第2代超長指令字（VLIW）結構的TMS320C64X+DSP內核，主頻可達700 MHz，支持8個8位或4個16位并行MAC（Multiply-Accumulates）運算，峰值處理能力高達5 600 MIPS。針對視頻應用，TMS320DM6437還提供了強大的視頻處理子系統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。
CCD傳感器實時采集視頻圖像并將之轉換成模擬視頻信號，通過視頻電纜把模擬視頻信號送給TVP5146視頻A/D轉換芯片轉成數字視頻信號，通過TMS320DM6437的硬件連線傳送輸入VPFE，應用程序接收到一幅完整的視頻幀后，將它傳送給VPBE，VPBE將此數字視頻信號編碼輸出，通過TMS320DM6437系統的視頻輸出接口電路將此視頻信號轉換成模擬信號輸出，通過視頻電纜，信號最終傳送顯示器進行顯示。
2 視頻處理子系統硬件結構
VPFE用于輸入數字視頻數據，為多種標準的數字視頻輸入提供接口，并為輸入的數字視頻數據作必要的預處理；VPBE用于輸出視頻數據，以驅動顯示器顯示視頻圖像。VPFE和VPBE統稱為視頻處理子系統，結構如圖2所示。
2.1 VPFE
VPFE提供了一個豐富和強大的視頻輸入接口，系統包括CCD控制（CCDC）、預覽器、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/視頻數據或從視頻解碼器設備接收各種格式的YUV數據，為圖像傳感器和數字視頻提供了一個接口。CCD控制器的輸出需要另外處理，這種處理在預覽器或圖像處理的軟件算法中實現，才能把原始圖像轉化成最終處理的圖像。同時，原始數據輸入到CCD控制器，可以用于計算各種統計數據（H3A和直方圖）以控制圖像/視頻的調節參數。
2.1.2 預覽器
預覽器是一個圖像處理模塊，用來配置各種傳感器類型、圖像質量和視頻幀速率。預覽器把從傳感器（CMOS或CCD）傳送來的未經處理的圖像/視頻轉換為YCbCr4：2：2數據。預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字液晶顯示器。
2.1.3 縮放器
縮放器用來實現圖像和視頻的縮放，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計信息，提供給H3A模塊實現各種3A算法，以平滑最終的輸出圖像/視頻。
2.2 VPBE
VPBE用于實現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據和位圖數據混合集成給視頻解碼器以YCbCr格式輸出到VENC中，視頻和顯示數據從外部存儲器讀入，一般為DDR2。OSD通過控制器和參數寄存器編程實現其功能。
2.2.2 VENC模塊
VENC包含數字LCD（DLCD）和模擬（DAC等）接口。視頻編碼器產生模擬的視頻輸出。DLCD控制器產生數字的RGB/YCbCr數據輸出和時鐘信號。
3 視頻處理子系統程序設計
如圖3所示，一個CCD傳感器與TVP5146解碼器連接在一起，把模擬復合信號變成數字YUV4:2:2數據。該數據通過8位數據總線被送到TMS320DM6437處理器。在解碼器與TMS320DM6437之間有一個I2C總線，使TMS320DM6437充當主配置TVP5416。
使用VPFE驅動程序配置TVP5146解碼器和捕獲視頻輸入數據且在顯示器上顯示出捕獲數據。CCD傳感器輸出的數據是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。可以通過以下步驟配置VPFE驅動來獲取并顯示數據：
（1）通過調用FVID_create（）和傳遞參數ccdcParams（）來創建ccdcHandle作為CCDC的通道。在傳遞函數ccdcParams（），數據流（dateflow）被設置為PSP_VPFE_CCDC_ YCBCR_8，ffMode設置為PSP_VPSS_FRAME_MODE，高度和寬度設置為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ccdcParams（）中，有3個函數與TVP5146解碼器有關，分別為：
①PSP_VPFE_TVP5146_Open（）被調用：當CCDC通道被創建并初始化I2C總線；
②PSP_VPFE_TVP5146_Close（）被調用：當CCDC通道被刪除并重新初始化I2C總線；
③PSP_VPFE_TVP5146_Control（）被調用：當一個特定的控制命令來配置TVP5416。
（2）通過調用FVID_control（）和傳遞參數TVP5146Params（）來配置TVP5146。在自動模式下，TVP5146譯碼器配置為捕獲復合信號，因為在默認情況下大多數TVP5146的配置參數設置為最佳的典型用法。
（3）通過調用FVID_alloc（）為CCDC模塊分配一些幀緩沖。隊列緩沖區到驅動程序通過調用FVID_queue（）。
（4）在VPBE中，創建vid0Handle作為VIDWIN0通道。通過調用FVID_creat（）和傳遞參數vid0Params（）來配置VIDWIN0顯示YUV4:2:2捕獲的數據格式和NTSC D1分辨率。
（5）通過調用FVID_alloc（）為VIDWIN0模塊分配一些幀緩沖。隊列緩沖區到驅動程序通過調用FVID_queue（）。
（6）在VPBE中創建vencHandle作為VENC通道，通過調用FVID_creat（）和傳遞參數vencParams（）來配置VENC模塊顯示復合信號。
（7）按指定的次數開始循環，獲取并顯示輸入的視頻信號：
①調用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CCDC模塊已經捕獲了一個新的幀后，函數返回；
②調用FVID_exchange（）傳輸已捕獲數據的幀緩沖到VIDWIN0和接收一個新的幀緩沖被顯示之后，函數返回；
（8）一旦程序退出循環，釋放所有通道和幀緩沖區：
①調用FVID_free（）釋放VIDWIN0幀緩沖，調用FVID_delete（）釋放VIDWIN0通道；
②調用FVID_free（）釋放CCDC幀緩沖，調用FVID_delete（）釋放CCDC通道；
③調用FVID_delete（）釋放VENC通道。
4 結果測試
使用復合電纜把顯示器、CCD傳感器與TMS320DM6437相連，啟動板上電源，啟動CCS，打開項目文件（.jpt）；通過點擊CCS菜單File→Load Program，加載文件；點擊CCS菜單Debug→Reset CPU，然后點擊CCS菜單Debug→Restart，最后選擇F5鍵運行程序，捕獲的視頻在顯示器上顯示出來，如圖4所示。
在視頻采集系統中將攝像頭的分辨率設置為720×480，圖像傳感器輸出的原始圖像信號送入視頻解碼器TVP5146進行視頻解碼，然后輸出進入TMS320DM6437處理器組成的DSP系統，在DSP系統中主要進行必要的圖像預處理以獲得良好的圖像質量。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展性。當需要對視頻進行處理（如灰度變換、黑白圖像變換等）時，進一步為圖像的提取和識別作好準備，只需要添加相應的程序即可，無需改變硬件，降低了開發成本。
參考文獻
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