基于BF533圖像采集及傳輸方案設計

保嘉成,瑚　琦,高鵬飛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海　200093)

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基于BF533圖像采集及傳輸方案設計

保嘉成,瑚琦,高鵬飛

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

為了在系統前端對模擬攝像頭采集到的圖像進行處理,并將處理后的圖像在本地以及異地同時顯示,提出了一種集圖像采集、處理、本地顯示、無線傳輸于一體的方案。本方案利用解碼芯片對模擬攝像頭采集到的圖像進行解碼,并將解碼后的圖像送DSP(digital signal processing)處理,經DSP處理的圖像通過LCD(liquid crystal displayer)屏在本地顯示。同時,利用硬件編碼芯片對處理后的圖像進行編碼,通過無線傳輸模塊將編碼后的圖像發送出去。測試證明,本方案可以實現圖像的前端采集、處理、本地以及異地顯示。

DSP芯片; 解碼芯片; 編碼芯片; 圖像處理

引　言

隨著信息技術的高速發展,圖像采集、處理技術在交通、安防、工業控制等方面變得越來越重要。然而應用環境的復雜化,使得早期的由攝像頭采集數據并交由PC進行圖像處理的方式已經無法滿足需求。嵌入式技術的高速發展使得圖像處理方案多元化,DSP芯片由于其強大的浮點運算能力繼而擔任了嵌入式圖像處理的主流載體。在某些危險環境中,由于人們無法對環境進行直接觀察,且傳統的電腦在這些場合中也受到諸多限制,所以對于基于嵌入式平臺的圖像前端采集處理方案的需求變得更加迫切[1]。為此,本文提出了一種針對模擬攝像頭且集圖像采集、處理、傳輸于一體的方案。

1　方案設計

1.1總體結構設計

為了進行圖像處理,必須擁有足夠的存儲空間來存放圖像,由此本文采用BF533作為DSP處理芯片。BF533擁有EBIU(external bus interface unit,外部總線接口)接口,通過該接口可進行外部存儲(同步、異步存儲)擴展[2-3]。本設計采用了256 MB SDRAM作為圖像臨時存儲空間,并使用16 MB Flash作為系統程序存放空間,使用SPI Flash方式啟動。

由于BF533時鐘資源有限,而圖像傳輸時同步信號較多,所以在設計時要盡量減少時鐘資源的利用。采用ITU-R BT.656(國際電信聯盟定義的數字圖像傳輸協議)格式傳輸圖像可以不用外部行場同步信號,在節省系統資源的同時又避免了高頻時鐘信號之間的干擾,降低了印刷電路板(PCB)布線的難度。

本文采用的BF533,其外部IO(input/output)管腳資源較少,所以必須對其進行擴展。通常是采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)進行外部IO擴展,但考慮到編程的復雜性、資源的有效利用率以及硬件電路所需元件數,本設計利用串行總線(I2C)轉通用輸入輸出(GPIO)口的方式擴展IO口。

由于ADV7180解碼芯片、CH7024編碼芯片、LCD屏三者與DSP進行數據交互時,都是通過PPI(point to point interface)接口,但是BF533的PPI接口資源較少,有且僅有一個,所以為了實現模擬攝像頭的前端解碼、圖像的本地處理及顯示、圖像的本地編碼遠程傳輸功能,必須要對PPI口進行充分的利用。本設計通過采用鎖存緩沖芯片配合擴展IO口對PPI進行復用,設計的系統結構如圖1所示,數據控制模塊如圖2所示。

圖1　系統結構

圖2　數據控制模塊

1.2ADV7180解碼芯片

表1　寄存器配置

ADV7180作為一款常用的解碼芯片,被廣泛地用于視頻采集中[4-7],它能夠自動識別輸入的基帶信號制式(PAL、NTSC、SECAM),并將其轉換為ITU-R BT.656標準或YCbCr4∶2∶2格式的視頻數據流。ADV7180內部擁有3個86MHz 10位模數轉換器,可以接收CVBS(復合視頻廣播信號)、YCbCr(色差分量接口信號)、YC(分量視頻信號)等格式的視頻輸入,通過I2C總線對其內部寄存器配置輸出視頻數據流。本文ADV7180被配置為PAL輸入,ITU-R BT.656輸出,寄存器配置如表1所示。

1.3CH7024編碼芯片

CH7024作為一款編碼芯片支持8～24位的RGBYUV4∶2∶2輸入,可輸出CVBS或YC分量視頻信號[8-9]。雖然可以接收ITU-R BT.656輸入,但僅限于標準的ITU-R BT.656,其對輸入圖像分辨率及掃描方式有嚴格要求,具體要求如表2所示。

表2　輸入分辨率表

注: i為隔行掃描標志。

CH7024的優勢在于,常規模式輸入時,其輸入圖像的分辨率在一定范圍內任意,通過寄存器配置可對圖像的尺寸進行調整以達到正常的輸出。本文CH7024被配置為輸入格式ITU656,輸入圖像分辨率720×576逐行輸入,輸出CVBS信號,工作于Slave模式。為此在設計硬件時需要注意以下幾點:

(1) 將37管腳P-OUT管腳不接,XCLK接外部像素時鐘信號,在CH7024工作時,由PF2管腳控制使能12.5 MHz有源晶振作為像素時鐘信號。

(2) 外部晶振頻率最好大于像素時鐘信號。

(3) HS、VS時鐘信號由BF533的TIMER1、TIMER2提供。

(4) 由于只用16位輸入,為防止干擾,將D0～D2、D8～D9、D16～D18這8個輸入管腳接地。

1.4YCbCr數據到RGB格式的轉換

由于從ADV7180得到的圖像數據是YCbCr4∶2∶2格式,而CH7024的輸入數據為RGB565格式,所以必須對圖像數據格式進行轉換。首先需要將數據轉換成YUV4∶4∶4格式,然后將其轉換成RGB格式,其轉換公式如下:

(1)

式中:R為紅色分量;G為綠色分量;B為藍色分量;Y為亮度成分;Cb為藍色濃度偏移分量;Cr為紅色濃度偏移分量。

圖3　程序流程圖

2　程序設計

在視頻采集前先初始化SDRAM,然后利用模擬I2C對ADV7180進行初始化,成功后進行PCA9557初始化,打開ADV7180連接的緩沖器,配置PPI和DMA為接收ITU-R BT.656數據,打開PPI中斷進行圖像采集。采集完一幀后進入中斷,然后關閉PPI中斷,打開MDMA中斷,配置MDMA開始內存搬運,完成后進入MDMA中斷開始圖像處理。處理完后利用I2C進行CH7024配置,設置PCA9557打開LCD及CH7024的緩沖器,打開PPI中斷,配置PPI與DMA為輸出模式,設置PCA9557,打開有源晶振使能作為CH7024的像素時鐘信號,開始傳輸,傳輸結束后進行圖像采集。如此循環,直至采集圖像或者輸出圖像出現錯誤,則程序終止。程序框圖見圖3。

3　測試過程與分析

根據方案設計制作出相應的電路板并進行測試。測試過程分四步:

(1) 對BF533最小電路的調試,通過JTAG對時鐘進行初始化。由于采用的外部時鐘源晶振為25 MHz,在程序中執行語句Set_PLL(16,4),從而實現16倍的倍頻和4分頻,在CLKOUT管腳測量的時鐘頻率應該為100 MHz。

(2) 對ADV7180模塊進行測試。利用BF533對其初始化,在VDSP軟件中的Image viewer窗口中可查看采集到的圖像。

(3) 對CH7024模塊進行調試。CH7024輸出為基帶信號,通過BF533對其初始化后,讀出一幅圖像,利用模擬屏接收CH7024輸出的圖像并查看是否正確。

(4) 對LCD模塊進行調試。通過BF533讀出一副圖像并進行觀察,當所有測試都正常后,進行模塊組合,并燒入程序進行測試。測試結果見圖4。

圖4　測試結果

4　結　論

通過測試可知,該方案可以在IO口、PPI接口以及時鐘資源較少的BF533上實現針對模擬攝像頭的前端解碼、圖像處理、本地顯示以及編碼,并通過無線模塊進行遠距離圖像傳輸。采集的圖像可在BF533內進行處理,利用LCD屏進行本地顯示,同時通過編碼芯片轉換為基帶信號,該信號能通過2.4 GHz的無線模塊實現圖像的遠距離傳輸。當圖像處理不是非常復雜時,該方案實時性較好,且可以適應不同環境,尤其是在某些特殊環境中,其靈活性較傳統電腦具有更大的優勢。

[1]李琳.如何利用攝像頭進行視頻采集[J].決策與信息,2014(7):132.

[2]萬琴,莫曉齊,李亞.基于BF533的視覺監控系統設計與實現[J].湖南工程學院學報,2013,23(4):1-4.

[3]李利軍,張佩,張曉曦.基于ADSP-BF533的家庭安全系統設計[J].電子科技,2010,23(3):101-103.

[4]林海峰.基于FPGA的ITU656信號源的研究與實現[D].北京:北京工業大學,2008.

[5]嚴衛健.模擬電視信號數字解碼及視頻處理研究與設計[D].成都:電子科技大學,2006.

[6]吳君欽,宋健,劉昊.基于S3C6410和ADV7180的嵌入式視頻采集系統設計與實現[J].計算機工程與科學,2012,34(12):115-119.

[7]廖諍,張攀,顏悅.ADV7180在圖像采集嵌入式系統中的應用[J].電視技術,2012,36(S2):231-233.

[8]薛敏彪,吳廣偉,王健,等.嵌入式機載視頻輸出接口設計[J].現代電子技術,2011,34(2):9-11.

[9]諸曉鋒,吳開華.工件表面質量檢測中高速圖像采集技術研究[J].光學儀器,2015,37(4):299-302.

(編輯:劉鐵英)

Desigsn of the image acquisition and transmission program based on BF533

BAO Jiacheng,HU Qi,GAO Pengfei

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

To process with the image acquired by the analogy camera, and display the image which is processed in both local and remote places, this paper gives a solution which contains image acquisition, processing, displaying. This design uses TV decoder to decode the image acquired by analogy camera, and uses DSP to process the image. The processed image would be displayed in both local and remote places. At last, the result of the test shows that this design can realize those requirements.

DSP chip; decoding chip; encoding chip; image processing

2015-09-07

保嘉成(1991—),男,碩士研究生,主要從事嵌入式方面的研究。E-mail:784070265@qq.com

瑚琦(1972—),男,副教授,主要從事嵌入式方面的研究。E-mail:harehuqi@163.com

1005-5630( 2016) 03-0205-04

TP29文獻s標志碼： A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.003