基于ＤＭ６４２的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：如何高速、有效、實(shí)時采集視頻是圖像通信與圖像處理的基本研究問題之一。由于視頻信號數(shù)據(jù)量大，視頻處理算法復(fù)雜，所以基于通用DSP芯片的采集系統(tǒng)難以滿足要求。設(shè)計一套基于TI公司DM642（數(shù)字媒體處理器）為核心的視頻采集處理系統(tǒng)，其中利用Philips公司的SAA711X/21系列芯片完成視頻采集功能，利用DM642完成視頻的實(shí)時處理。經(jīng)測試系統(tǒng)能夠很好地完成視頻的采集和實(shí)時處理。最后給出一個基于該系統(tǒng)的圖像處理實(shí)例。

關(guān)鍵詞：視頻采集；數(shù)字信號；DM642；圖像處理

Design and Application of Image Processing System Based on DM642

HANG Haitao，CAI Wenhuan，DONG Youer

(College of Physics and Electronics，Shanxi University，Taiyuan，030006，China

Abstract：How to acquire the video in an effective and speedily way is key challenging of image communication and processing.Because there are abundance of dates in the video signal，arithmetic of video processing is complex，the system based on universal DSP chip can not fulfill demand.The paper designs a system based on the DM642(digital media processor of TI Company，it adopts series of SAA711X/2X chips of Philips Company to complete the function of video acquisition and adopts DM642 to fulfill video realtime processing.The system is able to fulfill video acquisitionand realtiem processing by test.There is a instance of image process at the end of the paper.

eywords：video acquisition;digital signal;DM642;image processing

目前，視頻技術(shù)在各項工作和生活領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如監(jiān)控系統(tǒng)、視頻電話、數(shù)字電視等。通常由CCD采集系統(tǒng)得到的視頻信號均為模擬信號，對其直接傳輸、存儲和處理比較困難。因此，必須將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，以便對其進(jìn)行壓縮編碼、降噪、增強(qiáng)等處理，才能在實(shí)際應(yīng)用中對視頻信號進(jìn)行高效可靠地傳輸和存儲。而數(shù)字視頻信號的處理對實(shí)時性要求較高，原有的DSP芯片難以滿足要求^［1］。TI公司專為多媒體應(yīng)用而設(shè)計的芯片TMS320 DM642(簡稱DM642是專用的數(shù)字處理芯片，其豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺，它的完全可編程性，又使其能兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號處理標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成通用的軟件平臺，在此平臺上可開發(fā)出各種圖像系統(tǒng)。現(xiàn)以DM642為基礎(chǔ)設(shè)計一套完整的數(shù)字圖像實(shí)時采集和處理系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于圖像識別，網(wǎng)路視頻傳輸和實(shí)時監(jiān)控等各類圖像信息處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，首先將CCD采集的視頻信號進(jìn)行帶限濾波，然后進(jìn)行A/D（Analog to Digital）變換，即抽樣、量化、編碼將模擬信號變換成數(shù)字比特流。DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP芯片對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行某種形式的處理，如數(shù)字濾波、壓縮編碼、降噪等。根據(jù)不同的應(yīng)用，處理后的數(shù)據(jù)可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸或存儲。同時數(shù)字信號再經(jīng)D/A（Digital to Analog）變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形，輸出至顯示設(shè)備。A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換均是由獨(dú)立芯片在DM642的控制下完成。DM642 配置3個視頻端口VP［2:0］， 可以和視頻輸入 /出數(shù)據(jù)流進(jìn)行無縫連接。每個視頻端口可配置為上(B、下(A2個通道， 但2個通道必須同時為視頻輸入口或輸出口。每個視頻口有下列信號：

(1 20位數(shù)據(jù):VPxD［19:0］，作為數(shù)字視頻流數(shù)據(jù)總線;8位視頻口時，則使用 VPxD［9:2］和VPxD［19:12］。

(2 2個時鐘信號:VPxCL［1:0］。當(dāng)配置為單通道視頻輸入口時， VPxCL0 為輸入時鐘，VPxCL無用;當(dāng)配置為雙通道視頻輸入口時，VPxCL0 為 A 通道輸入時鐘， VPxCL1為B通道輸入時鐘;當(dāng)配置為視頻輸出口時，VPxCL0為輸入時鐘， VPxCL1為輸出時鐘。

(3 3個控制信號:VPxCTL［2:0］，可配置為行同步、幀同步、場標(biāo)志、視頻采集使能信號。

本系統(tǒng)用VPxCL0/1分別作為A通道輸入及B通道輸出的時鐘，為轉(zhuǎn)換芯片提供穩(wěn)定的外部時鐘，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。由控制信號VPxCTL0/1控制輸入輸出的幀同步。

1.2 芯片介紹

數(shù)字多媒體處理器DM642是TI公司C6000系列的一款新型高性能DSP，基于C64x內(nèi)核，擴(kuò)展的高級甚長指令字(VelociTI體系結(jié)構(gòu)，具有64個32位通用寄存器，8個獨(dú)立計算功能單元(2個乘法器，6個算術(shù)邏輯單元可以并行運(yùn)行，因此多條指令可同時執(zhí)行。可工作在600 MHz時鐘速率，在此工作頻率下，所有功能單元能穩(wěn)定可靠的工作，外部總線時鐘為100 MHz。每個指令周期可并行運(yùn)行8條32位指令，因此可達(dá)到4 800 MI/S的峰值計算速度。DM642 采用兩級緩存結(jié)構(gòu)，L1P，L1D，L2。DM642 具有64個獨(dú)立通道的EDMA(擴(kuò)展的直接存儲器訪問控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2與其他外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。容量較大的兩級緩存和 EDMA 通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運(yùn)行性能。它帶有3個可配置的視頻端口，提供與視頻輸入、視頻輸出以及碼流輸入的無縫接口。這些視頻端口支持許多格式的視頻輸入 / 輸出，包括 BT.656，HDTV Y/C，RGB 以及 MPEG-2碼流的輸入。DM642 的其他外設(shè)包括:10 Mb/s/100 Mb/s 的以太網(wǎng)口(EMAC、多通道音頻串口(McASP、外部存儲器接口(EMIF、主機(jī)接口(HPI、多通道緩沖串口(McBSP以及PCI接口等^［2，3］。

SAA711X系列是 Philips 公司的高集成度視頻A/D芯片， 其功能是將輸入的一路復(fù)合視頻信號采樣做A/D變換， 通過8位數(shù)據(jù)總線輸出變換結(jié)果， 同時輸出相應(yīng)的各種同步。它支持多種視頻信號的輸入及數(shù)據(jù)輸出格式， 可通過其I2C 接口對芯片內(nèi)部電路進(jìn)行控制。對SAA711X 的控制主要包括: 對輸入模擬信號的預(yù)處理、色度和亮度的控制、 輸出數(shù)據(jù)格式及輸出圖像同步信號的選擇控制等。SAA711X支持雙通道視頻輸入，含有反混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、自動增益控制和時鐘產(chǎn)生，能夠?qū)Ω鞣N視頻標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解碼如(PAL BGHI， PAL M， PAL N， combination PAL N， NTSC M， NTSC-Japan， NTSC N and SECAM，同時，還具備亮度，對比度，飽和度控制。支持4路模擬視頻輸入，其內(nèi)部有模擬源選擇器，可以自動探測50 Hz，60 Hz場頻信號^［4］。

飛利浦公司的SAA711X的主要作用是把輸入的模擬視頻信號解碼成標(biāo)準(zhǔn)的“VPO”數(shù)字信號， 相當(dāng)于一種“A/D”器件。而 SAA7121 則相反， 主要作用是把輸入的視頻圖像數(shù)字信號解碼成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號， 相當(dāng)于一種“D/A”器件。SAA7121 芯片是真正的多標(biāo)準(zhǔn)編碼器，能將 MPEG 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 PAL 或 NTSC 制式的復(fù)合視頻（CVBS）和 S-視頻（Y/C）模擬信號，并為最新的數(shù)字視頻媒體（衛(wèi)星廣播和數(shù)字視盤 DVD）與傳統(tǒng)模擬電視機(jī)和錄像機(jī)提供交互界面。其次，SAA7121 是以 CCIR 的標(biāo)準(zhǔn)像素頻率 13.5MHz 接受 CCIR656 格式的視頻數(shù)據(jù)，可與所有的主要 MPEG 視頻編碼器芯片兼容^［5］。

[BT3-*3]1.3 接口設(shè)計

復(fù)合模擬視頻輸入通過SAA711X編碼之后將數(shù)字視頻信號送給DM642進(jìn)行圖像處理，處理之后再將數(shù)字視頻信號送給SAA7121進(jìn)行解碼輸出。如圖2所示。

從攝像頭輸入的模擬電視信號在 SAA711X內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、YUV 分離電路之后， 在 YUV到 YCrCb 的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成 BT.656 視頻數(shù)據(jù)流， 輸入到壓縮核心單元 DM642 中。DM642 的視頻端口 VP0 與之相連接，由于只有1路視頻輸入， VP1 和 VP2 端口未用， VP0 通道配置為 8 位 BT.656 視頻輸入口。DM642 還需要提供視頻采樣時鐘和采樣使能信號。SAA711X內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過 I2C 總線進(jìn)行。711X兼容全球各種視頻標(biāo)準(zhǔn)，在我國應(yīng)用時必須根據(jù)我國的視頻標(biāo)準(zhǔn)來配置內(nèi)部的寄存器，即初始化，否則711X就不能按要求輸出，可以說對711X進(jìn)行研發(fā)的主要工作就是如何初始化。對711X初始化需要通過I2C總線進(jìn)行，對711X中的寄存器的詳細(xì)信息請參考711X的數(shù)據(jù)手冊。其中默認(rèn)值為芯片復(fù)位后的寄存器默認(rèn)值，設(shè)置值為可以適用于我國PAL制式的設(shè)置參數(shù)。如圖3所示。

DM642的VP0端口向SAA7121的MP口輸出BT.656格式的數(shù)字視頻信號，經(jīng)過SAA7121芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊分離出Y信號和Cb，Cr信號；然后再送到片內(nèi)相應(yīng)的數(shù)／模轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號變換為模擬視頻信號；最后由CVBS(復(fù)合視頻信號或Y，C(S為端子信號引腳輸出。SAA7121的時鐘信號LLC為27 MHz，由DM642的VP0CL1提供。DM642通過I2C接口對SAA7121芯片內(nèi)部的48個寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對該芯片的控制。如圖4所示。

2 集成開發(fā)環(huán)境CCS

采用由TI公司推出的用于開發(fā)DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio。它采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試以及實(shí)時跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開發(fā)與設(shè)計，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)環(huán)境之一。CCS有2種工作模式，即軟件仿真器和硬件在線編程。軟件仿真器工作模式可以脫離DSP芯片，在PC上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。硬件在線編程可以實(shí)時運(yùn)行在DSP芯片上，與硬件開發(fā)板相結(jié)合進(jìn)行在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序^［6］。

利用CCS集成開發(fā)軟件，用戶可以在一個開發(fā)環(huán)境下完成工程項目創(chuàng)建、程序編輯、編譯、鏈接和調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作環(huán)節(jié)。使用CCS開發(fā)應(yīng)用程序的步驟為：

（1） 打開或創(chuàng)建一個工程項目文件（project），包括源程序（C或匯編）、目標(biāo)文件、庫文件、鏈接命令文件和包含文件。

（2） 編輯各類文件。可以使用CCS提供的集成編輯環(huán)境，對頭文件（*.h文件）、鏈接命令文件（*.cmd文件）和源程序（*.c，*.asm）進(jìn)行編輯。

（3） 對工程項目進(jìn)行編譯。如出現(xiàn)語法錯誤，將在構(gòu)建（Build）窗口中顯示錯誤信息。用戶可以根據(jù)顯示的信息定位錯誤位置，更改錯誤。

（4） 對結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和算法評估。用戶可以利用CCS提供的探測點(diǎn)、圖形顯示、性能評價等工具，對運(yùn)行結(jié)果、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估算法性能^［7］。

主程序流程如圖5所示：

3 系統(tǒng)應(yīng)用

經(jīng)測試本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可應(yīng)用于各種圖像處理場合，如網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸、監(jiān)控系統(tǒng)、圖像存儲、圖像處理。其中圖像處理包括濾波、邊緣檢測、圖像二值化、圖像增強(qiáng)等，是人臉識別、指紋識別、圖像匹配等現(xiàn)代圖像技術(shù)的基礎(chǔ)。以邊緣提取為例說明本系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

邊緣提取是利用物體和背景在某種圖像特征上的差異來實(shí)現(xiàn)，這些差異包括灰度、顏色或者紋理特征。邊緣提取實(shí)際上就是提取圖像特征發(fā)生變化的位置。

邊緣檢測的研究，是從一些以經(jīng)驗的方法開始的。例如，對圖像的局部區(qū)域進(jìn)行梯度估計，用圖像的局部區(qū)域與特定方向的邊緣模版求互相關(guān)。這些方法簡單明了。其中梯度估計算子按使用頻度從大到小依次為：Sobel算子，Robert算子，梯度算子。其中Sobel算子的應(yīng)用最為廣泛。SOBEL算法就是通過2個3×3的模板，對選定二維圖像中同樣大小窗口進(jìn)行卷積，得到圖像的梯度，通過梯度值的大小與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果得到的結(jié)果大于閾值，就是邊緣部分，把3×3圖像窗口中央的像素灰度值用255來代替。否則，就不是邊緣部分，并對圖像窗口中央的像素用0代替。通常選定，x和y兩個方向的算子來提取水平邊緣和垂直邊緣，Gx用來提取水平方向的邊緣，Gy用來提取垂直方向的邊緣，通過計算出垂直和水平方向的梯度并對它們平方和開方，就得到一個梯度值。下面是所用的掩膜（算子）：