基于DM6446的變焦成像系統設計

閔志盛

（重慶大學 光電工程學院，重慶 400030）

隨著數碼相機技術的快速發展，數字成像系統已經廣泛應用于工業檢測、公共安全以及生活的各個方面[1-3]。數字成像系統利用圖像傳感器獲取圖像信息，經過處理之后形成數字圖像和視頻。數字成像系統通常可分為定焦成像系統和變焦成像系統，變焦成像系統使用變焦距鏡頭，從而通過對鏡頭的控制實現對不同物距下的景物成像[4]。

1 系統設計

變焦成像系統由鏡頭部分、圖像采集部分、微處理器以及存儲顯示部分組成，整個系統的結構原理框圖如圖1所示。景物通過鏡頭成像在CMOS圖像傳感器上，像素單元的電荷信號經處理并A/D轉換后成為數字信號。本系統采用DaVinci系列DM6446微處理器，CMOS獲取的圖像信號通過視頻輸入接口進入視頻處理前端，在DM6446處理后由視頻處理后端將圖像顯示在TFT-LCD上。系統的鏡頭部分采用變焦距光學鏡頭，通過對鏡頭中電機的控制改變其組合焦距。

2 系統硬件設計

2.1 圖像采集部分

圖1 系統結構原理框圖Fig.1 Structure principle diagram of the system

成像系統的圖像采集由圖像傳感器實現，而圖像傳感器分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。本系統的圖像采集部分采用OmniVision公司的彩色CMOS傳感器OV7620，該芯片高度集成了全部攝像功能，感光陣列大小為664×492，其內部結構如圖2所示。

OV7620能夠在分辨率664×492下以60幀/s的速度捕捉圖像，它集成了幀（行）控制電路、視頻時序產生電路、模擬信號處理電路、A/D轉換電路、數字信號輸出電路及IIC編程接口。其中感光陣列得到原始的彩色圖像信號；模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、白電平調整等信號的處理工作；輸出電路根據需要輸出多種標準的視頻信號；視頻時序產生電路用于產生行/場同步、混合視頻同步等同步信號以及像素時鐘信號。

圖2 OV7620的結構框圖Fig.2 Structure diagram of OV7620

本系統利用OV7620主模式，該模式下芯片提供HSYNC、VSYNC輸出，同時設置數據輸出格式為RGB原始數據。當OV7620采集啟動之后，場同步信號VSYNC上升沿的到來表示一場的開始，當水平同步信號HREF處于有效狀態時，圖像數據在像素時鐘PCLK的上升沿不斷地送到輸出端口上。

2.2 變焦距鏡頭

變焦距鏡頭是指焦距在一定范圍內連續改變而像面保持不變的光學系統，它是變焦成像系統中不可或缺的一部分[5-6]。本系統采用的變焦距鏡頭能夠實現3倍光學變焦，其內部的鏡頭單元可分為變焦鏡頭和對焦鏡頭，如圖3所示。除此以外，鏡頭中還包含微型馬達電機、光電傳感器、凸輪機構、齒輪傳動機構等組成單元。微型馬達與齒輪、凸輪機構控制鏡頭單元在中心軸線上運動，其中控制變焦鏡頭的叫做變焦電機，控制對焦鏡頭的叫做對焦電機。變焦電機和對焦電機在鏡頭中的位置狀態通過光電傳感器獲得，從而使得處理器能對鏡頭單元進行位置控制。本系統利用MSP430單片實現對鏡頭的電機控制、傳感器信號讀取。

圖3 變焦鏡頭的鏡頭單元Fig.3 Lens unit of zoom lenses

2.3 DM6446微處理器

本系統采用DM6446微處理器，其內部集成TMS320C64+DSP核和ARM926EJ-S核，同時它還包含一個視頻處理子系統[7]。DM6446的視頻處理子系統分為視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端 （VPBE），VPFE完成視頻/圖像信號的采集，VPBE負責視頻/圖像信號的顯示，結構原理框圖如圖4所示。

VPFE由CCD控制器（CCDC）、預覽引擎、圖像大小調整器、硬件3A（H3A）統計發生器以及柱狀圖模塊組成。所有這些模塊組成了一個強大而靈活的前端接口。VPBE由屏幕顯示（OSD）模塊、視頻編碼器（VENC）和數字 LCD控制器（DLCD）組成。本系統中CMOS輸入圖像數據格式為Raw格式，顯示輸出數據為RGB格式。

圖4 視頻處理子系統結構原理框圖Fig.4 Structure diagram of the video processing subsystem

2.4TFT-LCD模塊

本系統采用SHARP公司的LQ057Q3DC02液晶顯示模塊實時顯示圖像，它包含一個彩色TFT-LCD面板、驅動電路、控制單元、電源以及一個背光板單元。LQ057Q3DC02顯示的圖像大小為320×240，數據信號的寬度為18 bit。VPBE為TFT-LCD模塊提供時鐘信號、行/場同步信號、RGB圖像信號及其他控制信號。

2.5 電平轉換模塊

由于DM6446處理器的接口電平為1.8 V，而A/D轉換后的圖像信號電平和TFT-LCD接口電平都為3.3 V，因此需要對信號輸入接口和輸出接口進行電平轉換。電平轉換通常采用專門的電平轉換芯片，但本系統中1.8 V與3.3 V之間的電平轉換利用CPLD來實現。由于CPLD的可編程陣列邏輯為B1和B2兩部分，因此對這兩個部分分別供1.8 V和3.3 V，這樣就實現了B1和B2兩部分的I/O輸入/輸出電平為1.8 V和3.3 V。通過對CPLD的編程，就能夠實現本系統中1.8 V與3.3 V之間的電平轉換。

3 系統軟件設計

3.1 CMOS圖像傳感器配置

利用SCCB總線接口可以對CMOS圖像傳感器提供的內部寄存器進行參數配置，從而實現對OV7620工作方式的有效控制。本系統利用MSP430單片機完成OV7620的配置工作，采用單片機的普通I/O口模擬串行總線來實現工作參數的配置。

在MSP430單片機P1口的兩個端口設置為輸出，其中一個用于模擬串行時鐘SIO-1，另一個用于模擬串行數據SIO-1。在編程實現時，通過延時操作改變SIO-1端口輸出電平模擬串行時鐘，同時在SIO-1為高電平時，將配置數據寫到SIO-1端口上。這樣通過先寫寄存器地址再寫寄存器數據，就能夠實現對OV7620的參數配置。

3.2 圖像采集與顯示

VPFE接收像素時鐘信號，同時根據圖像傳感器的工作時序配置HD_VD_WID寄存器，從而接收行/場同步信號HD和VD。CCDC模塊完成圖像采集工作，它提供了一個連接圖像傳感器和數字視頻源的接口，數據通過CCDC送入后續處理模塊或者異步外部存儲器接口進行存儲。為了使CCDC能夠進行圖像采集，在SYN_MODE寄存器中將數據接口配置成隔行掃描的8 bit寬度的RAW格式數據。本系統中將CCDC采集到的圖像數據直接放入DDR中存儲，因此將SYN_MODE.WEN設置為1，同時在SDR_ADDR中設置圖像數據的存儲地址。

VPBE中OSD模塊將視頻數據和顯示/位圖數據整合后，以YCbCr形式提供給VENC，它提供兩個視頻窗口和兩個OSD窗口用以顯示圖像。本系統將OSD的視頻窗口0作為圖像實時顯示窗口，VIDWIN0ADR寄存器配置成圖像數據的存放地址，使得OSD從DDR中獲取圖像數據。DLCD控制器為TFT-LCD提供工作時序，通過VMOD寄存器將數字視頻輸出格式配置成逐行掃描的并行RGB模式，從而滿足TFTLCD的數據接口要求。

3.3 鏡頭控制

本系統在圖像傳感器上采用變焦距光學鏡頭，當變焦鏡頭從廣角端向遠角端移動時，變焦鏡頭的組合焦距發生改變，為了在圖像傳感器上成清晰的像，需要移動對焦鏡頭到對焦位置。本系統中鏡頭的控制包括變焦鏡頭的控制和對焦鏡頭的控制，其中變焦鏡頭通過按鍵的方式實現鏡頭的伸縮，對焦鏡頭則通過圖像的清晰與否來進行精確控制。鏡頭控制流程圖如圖5所示。

圖5 鏡頭控制流程圖Fig.5 Flow chart of lens control

4 結 論

利用DM6446處理器進行變焦成像系統設計，給出了系統的硬件和軟件設計。該系統由變焦距鏡頭、CMOS圖像傳感器電路、DM6446處理器以及TFT-LCD組成。同時，系統在圖像傳感器上采用變焦距光學鏡頭進行成像，通過對鏡頭的控制能夠實現對不同物距下景物的清晰成像。本系統可應用于視頻監控、數碼成像等領域，具有廣泛的應用性。

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