用DSP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(dǎo)致圖像處理系統(tǒng)做出相應(yīng)的修改，這樣在很大程度上限制了專用圖像處理板的應(yīng)用范圍以及通用性。
　　由于電視技術(shù)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(dǎo)致很多技術(shù)成熟的圖像獲取設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)TMS320C6xll系列DSP的接口。本設(shè)計的主要技術(shù)要求有：
　?、僦С謽藴实哪M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；
　?、壅加肅PU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(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)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(yù)。這個優(yōu)點對于圖像處理系統(tǒng)，特別是算法比較復(fù)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(shè)計所希望的，所以為了保證圖像的分辨率，設(shè)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720×576像素。下面的設(shè)計主要針對該格式的視頻信號展開。如果需要對NSTC等其他制式視頻信號解碼，只需要在軟件上作一些修改即可。
1.2 系統(tǒng)框圖
　　在本方案中，模擬視頻信號解碼器采用的是Philips公司的SAA7111A。對于PAL制式模擬視頻信號，l行圖像數(shù)據(jù)有720個像素；同時由于YUV分量采用了4：2：2抽樣，所以需要1440字節(jié)的存儲空間存儲1行數(shù)據(jù)。由于本方案中需要用到FIFO對1行數(shù)據(jù)暫存，所以FIFO的存儲深度必須大于1440字節(jié)，最后選定高速FIFO采用IDT公司的IDT72V23l，其具有2K×9位的存儲深度。同時還使用了Laittice公司的CPLD——LC4128V，作為中間邏輯接口控制“隔行采樣”的完成、解碼器對FIFO的寫操作以及DSP對FIFO的讀操作，系統(tǒng)框圖如圖l所示。

2 硬件方案設(shè)計
2．1 芯片介紹
　　本方案選用SAA7111A作為前端視頻解碼器。SAA71llA視頻解碼器是雙通道模擬預(yù)處理電路、自動鉗位和增益控制電路、時鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標準解碼器、亮度／對比度／飽和度控制電路、彩色空間矩陣的組合，是一款功能完善的視頻處理器。SAA711lA只需要單一的3．3V電源供電，與C6x11的I／O電壓一致。SAA7111A接收CVBS(復(fù)合視頻)或S-video模擬視頻輸入，可以將PAL、SECAM、NTSC模式的彩色視頻信號解碼為CCIR-60l／656兼容的彩色數(shù)字分量值，器件功能通過I2C接口控制。
　　SAA7111A的主要性能特點如下：
　　◆4路模擬輸入一一4路CVBS或2路Y／C或1路Y／C和2路CVBS；
　　◆主通道靜態(tài)增益可編程，自動增益控制選擇的CVBS或Y／C通道；
　　◆2個8位視頻CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
　　◆片上時鐘產(chǎn)生器，只需要24.576 MHz單一時鐘輸入；
　　◆自動探測50 Hz和60 Hz場頻，自動在PAL和NTSC標準間切換；
　　◆可以處理PALBGHI、PALN、PAL M、NTSC M、NTSC N、NTSC 4.43、NTSC-Japan和SECAM信號。從以上特點可以看出，SAA7111A功能強大，性能全面，可以滿足各種視頻轉(zhuǎn)換處理的需要，完全符合本系統(tǒng)的要求。SAA7111A已經(jīng)在各種視頻處理系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)性能已得到充分的證明。采用SAA7111A具有很高的性價比。
2.2 DSP與FOFO接口技術(shù)
　　TMS320C6xll的外部存儲器接口(EMIF)提供了功能十分強大的外部接口，可以實現(xiàn)與諸多種類的存儲器的無縫接口，如SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM等等。但是其對FIFO的接口并不能做到真正的無縫接口，需要增加一些外部邏輯來調(diào)整它們之間的時序。
　　本方案中采用的FIFO一一IDT72V23，是標準的同步FIFO，具有兩個獨立的讀寫時鐘——RCLK、WCLK；同時還具有讀寫控制信號WENl、WEN2、REN1和REN2。
　　對于本設(shè)計而言，要求DSP從FIFO中將數(shù)據(jù)讀出，故關(guān)鍵考慮DSP對IDT72V23l的讀時序。圖2是IDT72V31數(shù)據(jù)讀出的時序。
　　圖2中，tENS為REN1(REN2)的最短建立時間(SETUP)，tDS為數(shù)據(jù)的最短建立時間(SETUP)。由圖2可以看出IDT72V231與一般SRAM讀時序的一個很大區(qū)別是：當RCLK上升沿到來以后，需要有一個比較長的延時tA才會有有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上。此前一段時間內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的，并且該延時最長可達到12ns。

　　但是對于TMS320C6x11而言，數(shù)據(jù)的讀入是在ARE信號的上升沿完成的，故這里設(shè)計的主要問題是FIFO的RCLK時鐘怎樣提供。本設(shè)計中采用的解決辦法如下：
　　RCLK=!(ARE)
　　REN1REN2=CEx+AOE+Address
　　也就是說，RCLK是由DSP的ARE信號取反得到的，而REN1和REN2信號是由DSP的AOE信號經(jīng)過地址譯碼后提供。這樣設(shè)計的TMS320C6xll與FIFO接口為了配合FIFO讀出時序的要求，還必須要求DSP的讀時序(主要是Setup／Strobe／Hold三個時序段)滿足以下要求：
　　Setup≥(tENS+tSKEW)／tcyc
　　Strobe≥(tA+tDS)／tcyc
　　Strobe≥(tCLKH（min）/tcyc
　　Hold+Setup≥(tCLKL（min）/tcyc
　　Setup+Strobe+Setup≥(trc（min）/tcyc
　　從時序圖上的數(shù)據(jù)可以看出，tENS≥5ns，tA≤12 ns，tDS≥5 ns；同時，由于IDT72V23l的要求，RCLK高電平時間(tCLKH（min）大于等于8ns、RCLK低電平時間(tCLKL（min）大于等于8 ns以及讀寫周期(trc（min）必須大于等于20ns。加上一定的冗余，最后計算可以得到：
　　Setup≥20ns
　　Strobe≥30 ns
　　Hold≥l0ns
　　在本設(shè)計的TMS320C6211的系統(tǒng)板上，EMIF的外部時鐘頻率是100 MHz，所以tcyc=10ns。這樣可以得出DSP中CExCTL寄存器中Setup值設(shè)置為2，Strobe值設(shè)置為3，Hold值設(shè)置為1。
　　實際系統(tǒng)實現(xiàn)證明。通過這樣的硬件接口設(shè)計后，TMS320C621l可以很穩(wěn)定地從FIF0中讀出數(shù)據(jù)。
2.3 隔行采樣技術(shù)
　　由于DSP接口與FIFO的接口速度只能達到15MB／s的速度，同時當DSP把圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀出來以后還需要將數(shù)據(jù)存入其外部存儲器中，這樣DSP與FIFO的接口速度是完全不可能跟上解碼器SAA7111A的有效數(shù)據(jù)輸出速度(最低19.8 MB／s)的，所以DSP無法實時地從視頻流中抓出一幅完整的圖像。 因此，在DSP與SAA711lA的接口之間采用高速FIFO進行緩沖的同時，還采取了“隔行采樣”的方法來緩沖速度上的差異。通過計算得出DSP每隔4行有效視頻信號采1行視頻數(shù)據(jù)是合理的。(把DSP將獲取的數(shù)據(jù)存人其外部存儲器中所需要的時間考慮在內(nèi)。)
　　“隔行采樣”的結(jié)果會導(dǎo)致所獲取的圖像垂直分辨率下降(對于PAL制式視頻信號由原來的576行／幅下降到144行／幅)。為了保證圖像的分辨率，本設(shè)計中將每幅圖像分成連續(xù)的4次采樣．在連續(xù)的4次采樣中，分別抓取圖像中不同的144行數(shù)據(jù)，也就是說，現(xiàn)在DSP抓取1幅完整幅面(720×576)大小的圖像需要分4次獲取，然后對數(shù)據(jù)重排組合得到完整的圖像。PAL制信號是按照50Hz的場頻對圖像進行輸出的，即每秒種可以傳輸25幅圖像，現(xiàn)在由于“隔行采樣”的原因，DSP每秒鐘可以從PAL制信號中解碼出6.25幅完整幅面大小的圖像。這個速度完全可以滿足很多實時系統(tǒng)的要求，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
　　“隔行采樣”功能的具體實現(xiàn)是由CPLD配合SAA7111A輸出的同步信號(行同步、場同步信號)來完成的。由于IDT72V231(FIFO)的寫入控制是通過WEN信號完成的，因此CPLD可以通過控制WEN信號來實現(xiàn)圖像的隔四行一采樣。具體WEN信號的產(chǎn)生邏輯如圖3所示。

　　由圖3可以清晰地看出，通過這種采樣方式以后，每次輸出的圖像行是隔4行輸出l行，而連續(xù)4次獲取的圖像則是一整幅圖像576行圖像數(shù)據(jù)中互不相同的144行數(shù)據(jù)，這四部分圖像按照一定規(guī)律組合便可以得到一幅幅面為720×576像素的完整數(shù)宇圖像。
　　另外由圖3可以看出，SAA7111A每向FIFO中寫入一行圖像數(shù)據(jù)(需要53.3μs)，DSP則有相當于4行圖像數(shù)據(jù)輸出的時間(約256μs)來讀出這一行圖像數(shù)據(jù)。因此“隔行采樣”有效地緩沖了數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)讀入速度上的差距。

3 軟件方案設(shè)計
　　解碼器DSP方軟件的設(shè)計主要分成兩個部分：①將圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀出來存人到DSP的外部RAM中去；②對讀出的數(shù)據(jù)進行重排，組合成完整的圖像。下面分成兩部分來說明。
3．1 QDMA方式數(shù)據(jù)的讀入
　　由于DSP將數(shù)據(jù)從外部讀人到RAM中通常是圖像處理系統(tǒng)的一個圖像獲取過程，所以如果使CPU一直處于讀入數(shù)據(jù)的操作中，顯然是不合理的。
　　為了保證盡可能少地占用CPU時間，即在第n幅圖像讀入到RAM中的同時，DSP仍然可以有足夠的時間來處理第n-1幅圖像（對其做需要的處理，例如去噪、壓縮、識別等等）。本設(shè)計中采取了下面這種讀出方式：視頻解碼器通過一個中斷信號通知DSP目前已有數(shù)據(jù)寫入到FIFO中，然后DSP在中斷中采用DMA方式，將數(shù)據(jù)從FIFO中成塊地搬移到RAM中去。
　　這種操作的好處是顯而易見的：當DSP正在處理某一幀圖像時，如果有數(shù)據(jù)需要讀入，那么DSP將進入中斷，然后僅僅只需要開啟DMA讀出操作便可退出中斷服務(wù)于程序，繼續(xù)沒有處理完的工作；而DMA控制器則在后臺將一塊區(qū)域連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)讀入到RAM中。這樣圖像的獲取可以實規(guī)在后臺完成，圖像的處理和圖像的獲取很好地并行進行，大大提高了CPU的利用率。
　　具體在本方案中，由于使用的FIFO的深度是2 K×9位，所以采取的是DMA每次搬移一行圖像數(shù)據(jù)(也就是720×2=1440字節(jié))到RAM中去。同時，TMS320C6x11提供了十分強大的EDMA功能。為了加快DSP在中斷中開啟DMA讀出操作的速度，本設(shè)計采用了其QDMA的功能．這樣申請一次QDMA僅僅需要幾條指令即可。具體申請QDMA的操作代碼如下：
　　QSRC=SourceAddress，
　?。O(shè)置FIFO在系統(tǒng)中的地址
　　QCNT=0x000005A0；
　?。O(shè)置一次需要讀出的數(shù)據(jù)量
　?。?1440)
　　QDST=(int)DesAddress； ／／設(shè)置數(shù)據(jù)讀出的目的地址
　　QIDX=0x00000001； ／／設(shè)置QDMA傳送的間距
　　DesAddress=DesAddress+0x5A0；
　?。聰?shù)據(jù)讀出目的地址
　　QSOPT=0x30300000； ／／啟動QDMA通道傳輸
3.2 圖像數(shù)據(jù)的重排
　　由于本方案中采用了隔四行一采樣的方法來平衡速度上的差異，所以最后載人RAM中的數(shù)據(jù)需要重排。這個重排可以在讀入FIFO中的數(shù)據(jù)時就進行，也可以在所有數(shù)據(jù)全部讀人到RAM中后再進行重排；但是重排的方案和流程是一樣的。
　　如果是采用全部數(shù)據(jù)都讀完后再重排，由于隔四行采樣的原因，圖像數(shù)據(jù)是分四個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊存放的，并且每個數(shù)據(jù)塊中是按照奇偶場分布的。那么，以第一個數(shù)據(jù)塊為例，它的奇場部分存儲的實際上是圖像的第1，9，17，…，561，569行數(shù)據(jù)；而其偶場部分存儲的實際上是圖像的第2，10，18，…，562，570行數(shù)據(jù)。另外，三個數(shù)據(jù)塊里面存儲的圖像數(shù)據(jù)在整幅圖像中的行數(shù)分布依此類推。具體分布和重排過程如圖4所示。

　　通過圖4所示方式的重排處理以后，全部圖像數(shù)據(jù)分成了兩大塊：奇場區(qū)和偶場區(qū)。這時可以根據(jù)需要來處理這兩個區(qū)域。本設(shè)計中采用的是將奇偶場合并，同時將YUV分量分開到三個獨立的存儲區(qū)域中去，程序流程如圖5所示。

4 總結(jié)及展望
　　本文提出了一種基于TMS320C6xll接口的圖像獲取方案。它利用目前大多數(shù)成熟的圖像獲取設(shè)備都配備了通用的模擬視頻輸出接口這一特點，提出了一個從模擬編碼的視頻信號中抓出靜止的數(shù)字圖像的方案。由于其數(shù)字部分接口非常通用(8位)，使得可以很容易地在通用圖像處理系統(tǒng)中加入實時圖像獲取接口。通過具體實現(xiàn)證明此方案可行、穩(wěn)定、高效；可以實現(xiàn)每秒鐘6.25幅720×576幅面的彩色圖像的獲取，具有通用性好、性能穩(wěn)定、占用CPU時間少等特點。防碰撞模塊對SELECT命令的響應(yīng)是正確的。

結(jié) 語
　　A型卡RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能卡、票物、安檢、物流和防偽等領(lǐng)域。本文根據(jù)RFID防碰撞協(xié)議規(guī)定，在數(shù)字硬件上實現(xiàn)了A型卡的防碰撞模塊，用VHDL語言進行了仿真和綜合后，通過了Xilinx公司的XC4010XLFPGA驗證，電路規(guī)模5000門左右，達到預(yù)定指標要求。最后，采用O.35μm的工藝與電子防偽標簽的其他模塊一起進行了MPW流片，實際應(yīng)用測試證明，該模塊運行正確、穩(wěn)定。