車載低端圖像數(shù)據(jù)采集壓縮存儲(chǔ)及傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

概述

在某些需要無人控制自動(dòng)監(jiān)視的場(chǎng)合，采用常規(guī)的圖像監(jiān)視系統(tǒng)具有一些不可避免的弊端，例如：設(shè)備體積于龐大、采購費(fèi)用高、需要足夠的電源供應(yīng)、無法重復(fù)錄制等等。尤其在不需要連續(xù)圖像采集的場(chǎng)合，常常無法采用常規(guī)的圖像監(jiān)視系統(tǒng)。根據(jù)長途汽車對(duì)上車人員進(jìn)行記錄的應(yīng)用要求，開發(fā)了一套基于EZ-USB的低端圖像數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及傳輸系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7620作為采集芯片，Zoran公司的ZR36060作為數(shù)據(jù)壓縮芯片，Cypress的帶USB接口的單片機(jī)AN2131QC作為總控制芯片和USB數(shù)據(jù)傳輸芯片。由于長途汽車的乘客上下車是非連續(xù)的過程，對(duì)圖像數(shù)據(jù)的保存要求就相對(duì)較低，因而采用Hynix的NAND閃存芯片HY27UA082G1M對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。這樣不但減小功耗，還可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)存儲(chǔ)，系統(tǒng)還包括用于圖像數(shù)據(jù)緩存的FIFO。

該圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有集成度高、傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)常規(guī)圖像監(jiān)視系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可望在低端的視頻圖像領(lǐng)域(如便攜式圖像系統(tǒng))填補(bǔ)空白。

CMOS彩色圖像傳感器OV7620將CMOS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數(shù)混合輸出等功能，能夠消除噪聲、燈光閃爍等光電干擾，輸出清晰、穩(wěn)定的彩色圖像。OV7620的功能特點(diǎn)包括：?jiǎn)涡酒?/3寸鏡頭，最大664×492像素分辨；I2C控制，標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口；開窗功能，局部圖像輸出；輸出RGB/RawRGB/YCbCr視頻信號(hào)；自動(dòng)曝光控制/自動(dòng)白平衡/自動(dòng)增益控制/自動(dòng)亮度控制；圖像質(zhì)量控制，包括顏色飽和度、銳度、伽馬校正等。

如圖1是OV7620的內(nèi)部框圖，視頻圖像采集以后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和控制處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)輸出，視頻的控制時(shí)序由時(shí)序產(chǎn)生電路來生成，對(duì)外輸出的數(shù)字信號(hào)為圖像數(shù)據(jù)Y[7:0]和UV[7:0]。定時(shí)信號(hào)包括圖像時(shí)鐘PCLK、奇偶場(chǎng)信號(hào)FODD、行同步CHSYN、有效像素HREF、場(chǎng)同步VSYNC。由于它采用I2C的標(biāo)準(zhǔn)SCCB控制，可以采用單片機(jī)模擬SCCB總線，對(duì)圖像幀頻、曝光時(shí)間、增益控制、伽馬校正等進(jìn)行控制，還可以預(yù)設(shè)圖像的分辨率、采集區(qū)域等。

JPEG編解碼芯片ZR36060是專為視頻采集與編輯應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮，其內(nèi)部框圖如圖2所示。在進(jìn)行壓縮時(shí)，ZR36060接受YUV4:2:2數(shù)字視頻信號(hào)，將其編碼為JPEG碼流輸出；在解壓縮時(shí)，ZR36060接受JPEG碼流，將其解碼為YUV4:2:2數(shù)字視頻信號(hào)輸出。　

ZR36060具有以下特點(diǎn)：視頻壓縮和擴(kuò)展功能，對(duì)像素塊和CCIR視頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)25～30幀/秒的壓縮；靈活的數(shù)據(jù)接口，支持三種YUV視頻接口模式，即8位主模式、16位從模式和8位從模式；提供同步主模式和同步從模式兩種視頻同步方式，前者是芯片內(nèi)部產(chǎn)生所有的定時(shí)信號(hào)，后者則是芯片自己同步于一個(gè)外部的視頻源；3種不同的比特率控制模式用于靜止和運(yùn)動(dòng)視頻的壓縮；可以和多種常用視頻解碼器實(shí)現(xiàn)無縫連接。

由于視頻圖像文件的數(shù)據(jù)量非常大，一副沒有經(jīng)過壓縮的8級(jí)灰度黑白視頻圖像的大小為664×492＝327KB。如果不對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，其占用Flash存儲(chǔ)器的空間將非常大。因而利用ZR36060的特點(diǎn)以及可以很方便地進(jìn)行設(shè)置的特點(diǎn)，在本視頻采集設(shè)備上采用了該芯片。

AN2131QC是Cypress公司開發(fā)的USB1.1協(xié)議的單片機(jī)，可以非常方便地開發(fā)USB外設(shè)。AN2131QC具有51單片機(jī)的所有特點(diǎn)，而且速度更快，可以使用51單片機(jī)的通用指令集。采用EZ－USB芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)無需考慮端點(diǎn)數(shù)量、緩沖區(qū)尺寸和傳輸速度的限制。每個(gè)芯片內(nèi)嵌一個(gè)EZ—USB核，能處理絕大多數(shù)USB事務(wù)，大大簡(jiǎn)化了程序代碼，加速了開發(fā)進(jìn)程。

如圖3所示，整個(gè)圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)由采集、壓縮、存儲(chǔ)、傳輸幾個(gè)部分組成。OV7620的設(shè)定是通過基于圖像的數(shù)碼相機(jī)串行總線SCCB，在AN2131單片機(jī)中不能直接產(chǎn)生控制信號(hào)，所以必須利用AN2131QC的兩個(gè)引腳進(jìn)行模擬，圖4所示是其讀寫傳輸?shù)臅r(shí)序。為了節(jié)省空間，將OV7620的輸出方式設(shè)定為16位視頻總線，但只取其中[Y7：0]的灰度圖像數(shù)據(jù)、采集視頻的同步和圖像時(shí)鐘送往ZR36060。

圖像壓縮ZR36060使用視頻同步從、8位代碼主和8位視頻總線模式，即由單片機(jī)通過8位數(shù)據(jù)總線[DATA7:0]對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行工作方式設(shè)定(初始化)，視頻時(shí)鐘和同步由OV7620產(chǎn)生，ZR36060采樣同步信號(hào)與之同步，接受[Y7：0]的視頻灰度信號(hào)進(jìn)行壓縮，壓縮后的JPEG圖像由[CODE7:0]輸出直接送入FIFO中緩存。

NAND式FLASH有可能存在壞塊，這就要考慮物理地址和虛擬地址的對(duì)應(yīng)問題，所以建立了一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并存在FLASH的頭幾個(gè)塊中，該表不斷更新，隨壞塊的增加而變化，同時(shí)還記錄了數(shù)據(jù)的保存位置。這樣在初始化時(shí)，可以直接讀取圖像數(shù)據(jù)分配情況。為了記錄FIFO的數(shù)據(jù)，采用類DMA的存儲(chǔ)方法。單片機(jī)先從[D7：0]口輸入命令和計(jì)算的地址的串行信號(hào)，然后發(fā)出命令使能FIFO的RE輸出并計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一頁的數(shù)量512個(gè)字時(shí)，重新上述輸入過程。

對(duì)采集和壓縮芯片初始化以后，就進(jìn)入對(duì)圖像數(shù)據(jù)壓縮的控制階段，并確保圖像數(shù)據(jù)保存在完好的FLASH數(shù)據(jù)塊中，延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，將FLASH的圖像數(shù)據(jù)最舊的那個(gè)塊擦除，以確保下次保存時(shí)使用。圖像采集部分程序框圖如圖5所示。

系統(tǒng)功能介紹

將本系統(tǒng)安裝在長途客車的上客處，當(dāng)有人員經(jīng)過時(shí)，圖像和采集過程啟動(dòng)，并延時(shí)3s后停止采集，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)壓縮后送入FLASH中保存。經(jīng)過設(shè)定，圖像的分辨率為640×480，刷新率為15幀/秒，壓縮后每幀圖像為15KB左右的MJPG的圖像數(shù)據(jù)。每次采集的圖像為15K×3×15＝675KB，這樣兩塊256M×8Bit的FLASH可以記錄700～800人次的圖像數(shù)據(jù)，可以滿足本車載圖像采集系統(tǒng)的需要。