用DSP技術從模擬視頻信號中獲取數(shù)字圖像

引 言
    圖像處理系統(tǒng)中圖像源獲取手段有很多種，同樣圖像的傳感器也是多種多樣的?，F(xiàn)在比較流行的傳感器有CCD、CMOS、CIS等等。這些傳感器對于圖像數(shù)據(jù)輸出的格式各不相同，例如CCD輸出的是模擬信號，需要通過A／D的采樣才能得到圖像處理所需要的數(shù)字圖像信號；而CMOS傳感器則直接輸出數(shù)字信號。這樣必然會對圖像處理系統(tǒng)的通用性造成很大的影響。當圖像傳感器更改或者圖像的分辨率發(fā)生更改以后，都會導致圖像處理系統(tǒng)做出相應的修改，這樣在很大程度上限制了專用圖像處理板的應用范圍以及通用性。
    由于電視技術早已得到了廣泛的普及，為了保證電視的通用性，世界上早已對其可以使用的模擬視頻信號做出了統(tǒng)一的規(guī)定。在歐洲以及中國，模擬視頻信號主要采取的是PAL制式；而在北美以及日本，模擬視頻信號主要采取的是NTSC制式。正是由于模擬視頻信號制式的統(tǒng)一，所以導致很多技術成熟的圖像獲取設備，例如攝像機、照相機等都有模擬視頻信號的輸出接口。
    本設計方案旨在利用上述的有利條件，提出一套基于TMS320C6x11系列DSP的圖像獲取方案，利用模擬視頻信號的統(tǒng)一性，實現(xiàn)隨意更換帶有標準模擬視頻信號輸出接口的圖像設備而無需在圖像處理系統(tǒng)的硬件和軟件上作修改。同時，本方案還需提供一個相對通用的數(shù)字視頻接口，可以適應TMS320C6xll系列DSP的接口。本設計的主要技術要求有：
    ①支持標準的模擬視頻輸入接口，可以對標準的模擬視頻信號解碼得到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；
    ②在不降低圖像幅面的前提下，圖像采集速度快，滿足一定的實時性要求；
    ③占用CPU時間少，使得圖像采集過程在后臺自主完成；
    ④數(shù)字圖像接口通用性好，可以在TMS320C6u1l系列乎臺上通用互換。

1 總體方案設計
1.1 方案的選擇
    目前，解碼模擬視頻信號主要的方法有：采用A／D采樣模擬視頻信號和采用專用的模擬視頻信號解碼器。對于前一種方案需要的外部芯片較少，只需A／D轉換芯片即可；但是需要占用大量的CPU時間，在采集圖像的過程中CPU基本沒有額外的時間處理圖像。這個問題通常會導致圖像處理系統(tǒng)處理圖像的時間嚴重不足。后一種方案采用專門的模擬視頻信號解碼器，需要一些額外的接口芯片，但是可以節(jié)約大量的CPU時間，圖像采集過程可以全部在后臺完成，基本上不需要CPU的干預。這個優(yōu)點對于圖像處理系統(tǒng)，特別是算法比較復雜的處理系統(tǒng)（例如視頻監(jiān)控系統(tǒng)）有著非常大的吸引力，所以本方案決定采用后者。
    本方案中一個難點是：由模擬視頻信號解碼得出的數(shù)字視頻信號數(shù)據(jù)量非常大，而且由于是實時視頻信號，所以數(shù)據(jù)輸出速率也非常高；但是相反，DSP外部存儲器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個問題，本方案采取了兩種緩沖方式．首先是使用高速FIFO，對數(shù)據(jù)進行暫存以緩解速度上的差異，但是這樣的緩沖還不足以平衡兩者之間的速度差異。
    于是在本方案中提出了“隔行采樣”的思想。通常，隔行采樣會使得分辨率下降，例如每四行采樣一行數(shù)據(jù)，會使得圖像垂直方向上的行數(shù)下降到原來的1／4。這不是設計所希望的，所以為了保證圖像的分辨率，設計中在隔行采樣的同時，將一整幅圖像的行數(shù)據(jù)交錯分多次采樣，然后再重新組合成一幅完整的圖像。這樣既起到了緩沖速度差異的作用，又保證了圖像的分辨率。
    最后本方案確定的思路是，采用FIFO來暫存一行圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數(shù)據(jù)。當FIFO中寫入了有效圖像數(shù)據(jù)后，由CPLD向DSP發(fā)出中斷請求；同時，DSP接到中斷請求后，啟動DMA方式將一行圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。CPLD主要完成“隔行采樣”的實現(xiàn)、控制解碼器向FIFO中寫入數(shù)據(jù)以及DSF從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。

    另外，本方案目前主要是針對PAL制式模擬信號的。PAL制模擬信號傳輸?shù)膱D像幅面大小為720