0 引言
視頻采集系統(tǒng)是數(shù)字圖像獲取的最基本手段，是進(jìn)行數(shù)字圖像處理、多媒體和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那疤幔蔀楦鞣N圖像處理算法提供待處理的原始數(shù)字圖像和算法驗(yàn)證平臺(tái)，隨著人們對(duì)視頻圖像需求的激增和各種圖像和視頻新的壓縮標(biāo)準(zhǔn)相繼提出，如H.263、H.264、MPEG2、MPEG4和JPEG2000等，對(duì)高性能視頻采集系統(tǒng)的研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)。
按系統(tǒng)的處理器不同嵌入式視頻采集系統(tǒng)大致可分為三類:(1)基于專用視頻圖像芯片的視頻采集系統(tǒng)；(2)基于PC的視頻采集系統(tǒng)；(3)基于DSP的視頻采集系統(tǒng)。
基于專用視頻圖像芯片的視頻采集系統(tǒng)其核心處理單元為專用圖像芯片，該圖像芯片決定系統(tǒng)的功能，其應(yīng)用主要針對(duì)某一類產(chǎn)品（如數(shù)碼攝像機(jī)），所以具有一定的局限性。而基于PC機(jī)的視頻采集系統(tǒng)最為普遍的就是基于視頻采集卡獲取數(shù)字化視頻信息，通過(guò)運(yùn)行相應(yīng)的PC程序?qū)崿F(xiàn)視頻的采集、顯示與存儲(chǔ)，但是目前基于PC的算法程序通常處理時(shí)間較長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像處理應(yīng)用。
相比基于專用視頻圖像芯片和基于PC的視頻采集系統(tǒng)而言，嵌入式視頻采集系統(tǒng)可完成視頻的實(shí)時(shí)采集、傳輸以及各種視頻壓縮算法和圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以編制不同的圖像處理程序，所以具有更大的靈活性，并且設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)一般采用基于DSP的視頻采集系統(tǒng),即“CCD+視頻信號(hào)處理芯片+CPLD/FPGA/EPLD +DSP”的模式實(shí)現(xiàn)。其中，視頻信號(hào)處理芯片進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，CPLD或EPLD或FPGA用于視頻采樣控制，DSP對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。嵌入式視頻圖像采集系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)3個(gè)部分。
1 嵌入式視頻采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 視頻采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成
基于DSP的視頻采集系統(tǒng)要求對(duì)視頻信號(hào)具備采集、實(shí)時(shí)顯示，對(duì)圖像的處理和分析功能。因此，一個(gè)視頻采集系統(tǒng)通?？捎扇缦挛宀糠謽?gòu)成:視頻圖像的采集、視頻圖像的顯示輸出、各種同步邏輯控制、視頻圖像的分析和處理、視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。因此，對(duì)于視頻采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成可用圖1所示框圖描述。

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1.2基于DSP的視頻采集系統(tǒng)
圖2給出了基于TMS320DM642[1]與TVP5150[2]構(gòu)成的視頻采集系統(tǒng)[3]，TMS320DM642可以直接和視頻編解碼器接口，該系統(tǒng)可同時(shí)完成四路視頻圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸以及各種視頻壓縮算法和圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以編制不同的圖像處理程序。TMS320DM642有自己的圖像處理庫(kù)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各類圖像處理算法。因此，該系統(tǒng)具有更大的靈活性與通用性。
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1.2.1 TMS320DM642簡(jiǎn)介
TMS320DM642是TI推出的一款面向數(shù)字多媒體應(yīng)用的DSP，它在TI的C64x DSP內(nèi)核基礎(chǔ)上進(jìn)一步集成了完備的視頻/音頻輸入/輸出接口、以太網(wǎng)接口、PCI-66總線等片上外設(shè)，不僅能使用戶很方便地對(duì)音頻/視頻等各種復(fù)雜的運(yùn)算進(jìn)行高速處理，還能為方便、無(wú)縫地接口視頻/音頻編解碼器件和以太網(wǎng)/PCI總線等數(shù)據(jù)傳輸接口。因此，它非常適用于VoIP、數(shù)字視頻服務(wù)器、多通道數(shù)字視頻錄像機(jī)(DVB)、多通道數(shù)字視頻監(jiān)控等應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
DM642的程序/數(shù)據(jù)空間以字節(jié)為單位進(jìn)行統(tǒng)一編址，整個(gè)尋址空間為4GB。其片上存儲(chǔ)器、片上外設(shè)、及外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)均映射到此4GB的空間中。DM642通過(guò)外部存貯器接口(EMIF)訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器(Flash、SDRAM、UART、ATA)，如圖2所示，DM642共有三個(gè)視頻口，分別為VP0、VP1和VP2。VP0與VP1則與McBSP、McASP復(fù)用引腳的，其功能選擇由DM642上的外設(shè)配置寄存器(PERCFG)進(jìn)行配置的。DM642支持多種外部接口：PCI接口、HPI接口和以太網(wǎng)MAC接口，這些接口信號(hào)復(fù)用相同的引腳，它們的功能選擇和配置是在上電復(fù)位時(shí)通過(guò)檢測(cè)DM642上的特殊引腳(PCI_EN、MAC_EN、HD5、PCI_EEAI)的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
1.2.2 視頻A/D采樣電路－TVP5150
在圖2系統(tǒng)中，TVP5150是由TI公司推出的一款高性能視頻解碼器，可將NTSC、PAL視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)(YUV4:2:2)，支持兩個(gè)復(fù)合視頻或一個(gè)S端子輸入。輸出格式為ITU-R BT.656，并支持Macrovision™復(fù)制保護(hù)以及高級(jí)的VBI功能。不僅如此，TVP5150還具備了封裝小(32腳的TQFP)、功耗小的特點(diǎn)(<150mW)。因此，它非常適用于便攜、批量大、高質(zhì)量和高性能的視頻產(chǎn)品。TVP5150可接受2路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)輸入和1路超級(jí)視頻信號(hào)(S-Video即Super-Video，Y/C)輸入。該芯片包含一個(gè)擴(kuò)展端口（X-端口）用于數(shù)字視頻（雙向半雙工），它可直接連接倒MPEG或視頻電話進(jìn)行編解碼。TVP5150的圖像端口（I-端口）支持8位或16位的輸出數(shù)據(jù)并帶輔助參考數(shù)據(jù)可直接與VGA控制器接口。TVP5150提供I2C總線接口，其最高傳輸速率為400kbits/s，通過(guò)它可以完成芯片的初始化以及設(shè)置修改等操作。TVP5150作為I2C總線的從設(shè)備，最多可配置為2個(gè)不同的從設(shè)備地址，一條I2C總線只能同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)TVP5150配置口，所以DM642可以連接4個(gè)TVP5150，進(jìn)行4路視頻輸入。
1.2.3 視頻D/A電路－SAA7121
圖2系統(tǒng)中視頻D/A由視頻編碼器SAA7121[4]完成。SAA7121支持PAL與NTSC格式的視頻編碼，其輸入支持BT.656格式的數(shù)字視頻。SAA7121有1路復(fù)合視頻(CVBS)輸出和1路超級(jí)視頻(S-Video，Y/C)輸出，其系統(tǒng)像素時(shí)鐘頻率為13.5MHz，它可以直接接收MPEG解碼數(shù)據(jù)和采用4:2:2格式每行720有效像素的CCIR兼容YUV數(shù)據(jù)，其內(nèi)部包含同步/時(shí)鐘產(chǎn)生器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器兩部分電路。SAA7121同樣需要通過(guò)I2C總線進(jìn)行初始化和設(shè)置修改等操作。
從圖2中可看出，VP0既要做視頻輸入口，也要支持視頻輸出口，即VP0可以工作在Capture與Display兩種作模式。但這兩種工作模式不能同時(shí)使用作模式不能同時(shí)使用。當(dāng)VP0作為8-位的BT.656視頻采集口時(shí)，僅需視頻數(shù)據(jù)流串行時(shí)鐘和采集使能控制信號(hào)，串行數(shù)據(jù)流串行時(shí)鐘由TVP5150的SCLK，采集使能控制信號(hào)則由TVP5150的INTREQ/GPCL/VBLK引腳配置為通用輸出引腳來(lái)控制，此時(shí)SAA7121H不起作用。當(dāng)VP0作為8-位的BT.656顯示口時(shí)，SAA7121需要HSYNC(行同步信號(hào))、VSYNC(場(chǎng)同步信號(hào))、LLC(27MHz的行鎖存號(hào))控制。
1.2.4 系統(tǒng)原理
圖2系統(tǒng)其主要功能是完成視頻圖像的采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸。系統(tǒng)的視頻輸入可以是NTSC、PAL和SECAM制式的任何一種，或者采用S端子輸入。TVP5150完成視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，為后續(xù)處理提供數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)它還分離出行、場(chǎng)同步信號(hào)并輸出系統(tǒng)時(shí)鐘供視頻D/A芯片和FIFO使用。TVP5150的輸出格式包括4:2:2、4:1:1、4:2:0和4:1:0等四種YUV格式輸出，數(shù)據(jù)輸出格式是通過(guò)I2C總線編程來(lái)選擇的，TVP5150的內(nèi)部寄存器初始化也通過(guò)I2C串行接口來(lái)完成。對(duì)于不同的輸入制式、不同的采集要求和不同的處理要求，其幀緩存要求是不相同的，如對(duì)于PAL-D制ITU-R BT.601視頻輸入，采樣后按4:2:2格式輸出，一幀數(shù)據(jù)為720×576×2＝0.83Mbyte，若緩存三幀圖像，則需要3Mbyte空間的采集幀緩存，若按4:1:1格式輸出，則只需2Mbyte的幀緩存。系統(tǒng)可選擇8M×32-bit的SDRAM在系統(tǒng)中即作為采集幀緩存和處理后的數(shù)據(jù)幀緩存，也可作下載程序的存儲(chǔ)器使用。系統(tǒng)提供串行接口，可與外部設(shè)備進(jìn)行通信和傳輸圖像數(shù)據(jù)。其中Xilinx Xc2s300 FPGA[5]實(shí)現(xiàn)以下四點(diǎn)功能：
(1) 完成系統(tǒng)中視頻采集和輸出部分的同步信號(hào)和消隱信號(hào)的控制，其中主要包括TVP5150和SAA7121的行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、消隱信號(hào)；
(2) 將部分邏輯單元設(shè)計(jì)為FIFO作數(shù)據(jù)緩存，完成外接FIFO的同步讀寫控制，承擔(dān)TVP5150與DSP的數(shù)據(jù)傳送工作；
(3) 作PCI總線控制器，完成TMS320DM642與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信工作以及從計(jì)算機(jī)加載各種圖像處理算法；
(4) 對(duì)TVP5150輸出的數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，其中主要包括圖像數(shù)據(jù)的色度空間轉(zhuǎn)換如YUV到RGB的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換如將4:2:2轉(zhuǎn)換為4:2:0；
(5) 作數(shù)據(jù)總線接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)傳輸?shù)裙δ堋?br />TMS320DM642在系統(tǒng)中是各類算法實(shí)現(xiàn)的核心器件，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以編制不同的算法處理程序，使得該系統(tǒng)具有了很強(qiáng)的靈活性與通用性。值得強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是為了便于操作系統(tǒng)中的其它外設(shè)，在該系統(tǒng)中，TMS320DM642的外部存儲(chǔ)器接口控制寄存器必須配置為優(yōu)先使用外部存儲(chǔ)器模式。[!--empirenews.page--]
2 嵌入式視頻圖像采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)由圖3所示的4部分來(lái)組成。

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圖3中的底層是硬件系統(tǒng)，核心是嵌入式處理器（嵌入芯片），通常這樣構(gòu)成的系統(tǒng)又被稱為是SOC(System on Chip)系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)的上面是BSP(板級(jí)支持包)，包括各種必要的對(duì)底層硬件系統(tǒng)的屏蔽，引導(dǎo)上層操作系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)上的正確運(yùn)行。操作系統(tǒng)正確運(yùn)行之后還需要開發(fā)各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，目的是給用戶的應(yīng)用程序開發(fā)提供對(duì)底層設(shè)備的屏蔽，提供一個(gè)統(tǒng)一的用戶開發(fā)接口(API)。
BSP是指系統(tǒng)內(nèi)核在特定的硬件系統(tǒng)上面運(yùn)行所需要的初始化代碼和各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。它主要包括：系統(tǒng)初始化，初始化CPU寄存器和測(cè)試CPU的型號(hào)版本等，它和Bootloader中的初始化部分共同完成所有的系統(tǒng)準(zhǔn)備工作，使得系統(tǒng)處于預(yù)期的穩(wěn)定工作狀態(tài)；內(nèi)存管理，在沒(méi)有MMU(內(nèi)存管理單元)的系統(tǒng)里面主要是數(shù)據(jù)cache和程序cache的管理，在具有MMU單元的系統(tǒng)中還要包括MMU的各種表的管理，它主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的映射；中斷控制器管理，對(duì)于一個(gè)RTOS來(lái)說(shuō)，中斷是不可缺少的部分。
嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，由于Linux[6]具有源碼開放、開發(fā)工具豐富、技術(shù)支持廣泛等特點(diǎn)，視頻圖像采集系統(tǒng)選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)(Embedded Linux Operation System)。Linux中的中斷管理包括中斷號(hào)的申請(qǐng)和釋放、中斷屏蔽和中斷服務(wù)、中斷向量分配等，時(shí)鐘和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
驅(qū)動(dòng)程序是利用操作系統(tǒng)提供的接口，完成對(duì)底層硬件的操作。驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，是在操作系統(tǒng)提供的接口基礎(chǔ)上編寫對(duì)底層硬件的操作和控制程序，然后加入到操作系統(tǒng)的內(nèi)核。用戶對(duì)某一個(gè)設(shè)備的訪問(wèn)，首先是將用戶的各種操作傳遞給操作系統(tǒng)，然后由操作系統(tǒng)調(diào)用設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，完成對(duì)硬件的各種數(shù)據(jù)傳輸，所以驅(qū)動(dòng)程序必須要告訴操作系統(tǒng)該硬件的各種操作程序的入口地址。特別對(duì)于Linux下的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，經(jīng)過(guò)調(diào)試通過(guò)的驅(qū)動(dòng)程序可以編譯為一個(gè)模塊動(dòng)態(tài)地裝載入操作系統(tǒng)內(nèi)核或者從操作系統(tǒng)內(nèi)核中刪除,因此驅(qū)動(dòng)程序在Linux中是可以作為內(nèi)核的一部分來(lái)編寫。
對(duì)于用戶程序開發(fā)，與通用PC上面開發(fā)應(yīng)用程序類似。但是在嵌入式應(yīng)用中，應(yīng)用程序一般是作為文件系統(tǒng)的一部分加入到操作系統(tǒng)的內(nèi)核，然后重新編譯內(nèi)核，最后生成一個(gè)可以執(zhí)行的二進(jìn)制壓縮映像文件加載到系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。加載的加入了用戶應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)一般還必須固化，燒到系統(tǒng)的Flash中。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)操作系統(tǒng)的INIT函數(shù)轉(zhuǎn)到用戶程序執(zhí)行。
3 結(jié)  論
基于DSP的視頻采集系統(tǒng)，由于可以靈活的修改其圖像處理算法，它的應(yīng)用主要面向用戶的特定需求和對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的場(chǎng)合。隨著技術(shù)的發(fā)展和日益增強(qiáng)的需要，圖像的實(shí)時(shí)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將是不可避免的，同時(shí)嵌入式系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)且更加強(qiáng)調(diào)體積、功耗、成本、便攜化應(yīng)用等綜合因素的精簡(jiǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將二者結(jié)合在一起而構(gòu)成的完整傳輸系統(tǒng)將具有不可比擬的優(yōu)越性。因此完全有理由相信在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建視頻圖像采集、處理及傳輸系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景。