基于DSP的图像采集及处理系统的设计与实现
基于DSP的图像采集及处理系统的设计与实现
摘 要： 介绍了一种利用CCD摄像头、SAA7111视频解码芯片、高速可读写存储器SRAM,基于DSP与CPLD的图像采集与处理系统。系统完成了图像的快速采集、存储及数据处理。文章详细论述了系统的总体结构、部分硬件设计，简要叙述了相应图像算法的实现方法。给出了系统实例和实验结果。 关键词： DSP；图像采集；图像处理；边缘提取
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图像采集处理系统大都基于摄像机、图像采集卡和计算机，图像理解和处理算法全部以软件方式实现。这是因为实时数字图像处理信息量和计算量大，而大多数采集卡基于成本考虑没有处理器和大容量的存储器，绝大部分任务必须依靠计算机来完成。但是，这种计算机参与的系统在工业或军事等复杂环境下应用极为不便。基于这种要求，许多专用图像处理系统应运而生[1]。 随着数字图像处理系统在当今工业及医疗领域的应用日益广泛，对图像处理系统的实时性和准确性也提出了更高的要求。而一个完整的视频图像处理系统不但要具备图像信号的采集功能，还要求能对图像进行实时显示，且要求完成图像信号的分析及处理算法。通常这些算法的运算量大，同时又要满足实时显示要求。DSP芯片以其适应于高速数字信号处理的内部结构，在图像处理领域得到不可替代的地位。1 系统的结构框图 本系统采用CCD摄像头、视频解码芯片SAA7111、CPLD、高速可读写存储器SRAM、AL250、缓冲器SN74LVC16245及数字信号处理器DSP等核心部件。由于采集的是一幅静态图像，所以选择了TI公司C54X系列的TMS320VC5416作为系统的核心处理器。系统框图。
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系统采用主从结构，其中单片机是主机，主要负责系统工作的协调及利用I2C对SAA7111及AL250初始化。DSP作为从机，主要完成图像的算法处理。这样，在充分发挥单片机在任务调度方面优势的同时，也发挥了DSP在数字信号处理方面的优势，可以专注地完成图像处理，使系统的效率达到最优。CPLD是用来最终完成图像采集的器件，实质上起到了总线控制器的作用，通过编写的VHDL程序实现系统要求。 图像采集是通过CCD图像传感器采集一帧PAL制的视频图像，利用视频解码芯片SAA7111将它转化为数字视频数据，通过CPLD将图像数据存储到SRAM中，DSP通过CPLD将数据从SRAM中读到内部数据存储器中，然后对其进行算法上的处理，再把经过处理后的数据又存储到SRAM中去。通过AL250将YUV格式的数字视频图像数据转换成RGB格式的数字视频数据，在CRT显示器上显示。2 系统硬件 DSP主要应用在图像算法的实现上。系统选用TI公司C54系列的TMS320VC5416芯
片。它的程序ROM为16 K字，RAM为128 K字，1个并行口，3个多通道缓冲串口，设备电压3.3 V，核心电压1.6 V，指令周期为6.25ns[2]。2.1 系统前端图像采集 图像获取模块处于系统最前端，其性能的优劣将直接影响整个系统视频图像信号的质量。因为本文还要对采集的图像做后期处理，对图像的成像质量要求比较高，所以采集设备选用CCD摄像头。 由于CCD的视频输入信号是PAL制模拟信号，所以需要视频解码芯片将模拟信号转换成数字视频信号数据，通过解码芯片对其进行解码,变成可编程的数字信号。 SAA7111是Philips半导体公司生产的一种视频输入处理器,在视频采集系统中,通常需要这类的视频解码器作为视频前端。将PAL制式的模拟视频信号转换为YUV格式的数字图像信号输出。它采用CMOS工艺，其功耗小、电压低、体积小、温度适应范围广，具有以下特点： (1)四路模拟输入信号通道，如(4*CVBS，2*Y/C)或者(2*CVBS，1*Y/C)； (2)所有不同的制式标准只需同一频率的晶振(24.576 MHz)； (3)自动进行50/60 Hz场频的检测，自动进行标准PAL制式和NTSC制式之间的转换； (4)具有实时状态信息输出； (5)数据输出格式多样，具体格式如下：4:1:1的YUV格式(12位)、4:2:2的YUV格式(16位)、4:2:2的YUV格式[按照CCIR—656标准](8位)、5:6:5的RGB格式(16位)、8:8:8的RGB格式(24位)； (6)可通过I2C总线接受外部控制器的完全控制。 在本系统中，将图像解码后的输出数字视频数据设计为YUV422（16 bit）格式，分辨率为768×625，每行的有效数据为720个像素点，每个像素点占用16 bit的存储空间。其中每个像素点包含一个亮度信号(Y)，两个色差信号(U分量、V分量)。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。以四个像素点为例，解码后产生的YUV422的格式数据与其原图像数据及其显示图像数据如下： 原图的四个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3] YUV422存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3 映射出的四个像素为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3] SAA7111在将视频信号解码的同时，另外还输出行参考HREF、场参考VREF、行同步HS、 场同步VS、行锁定信号LLC(27M) 、像素时钟信号LLC2(13.5 MHz)、时钟参考信号CREF(相对LLC2有一定的延时)、奇偶场信号RST0等。这些信号与解码后的数字视频数据一起输入到CPLD中，CPLD由这些信号产生像素信号在SRAM中的存储地址信号和写控制信号。当存储完一帧图像数据时，CPLD就不再向SRAM 存储数据，并通知DSP进入图像处理的运算。SAA7111
的硬件原理图见图2。
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2.2 存储器SRAM 本文采集的图像数字像素数据为720×576=414 720个像素点，又因为数字视频格式是YUV422格式，每个像素点占用16 bit个存储空间，所以一副图像的存储空间最少需要420 K×16 bit的存储器空间。 所以选用的存储器是用两片512 K×8 bit存储器合并在一起产生512 K×16 bit的存储空间，可以适用本方案的需要。 因为原输入的CVBS视频信号时采用隔行扫描的方式，所以解码后产生的数据先是奇数行的视频数据，然后才是偶数行的数据，以奇偶场信号RST0和场参考（VREF）信号为标志。为了后期对数据的处理方便，本系统在存储数据时将奇偶行信号合并存储，。
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2.3 视频编码 因为要在CRT显示器上实时显示出采集的图像和经过算法处理过的图像，CRT显示器的数据显示格式为逐行显示的VGA信号，所以需要将YUV格式转换成RGB格式。本文选用一个专用的视频编码芯片AL250来实现，这样可减少软件设计的复杂度。虽然在硬件上增加了系统复杂度，但却使系统的模块化设计更加清楚，流程更简洁，接口的设计也简单了。 AL250是AVER Logic公司生产的一款显示转换控制芯片,主要用于LCDVGA显示。它能够接收隔行NTSC或PAL、ITU-RBT601(CCIR601)或平方像素、YUV422或RGB565数字信号,将其转换成普通CRT显示器可以接收的模拟RGB格式视频信号RGB565格式的逐行数字视频信号。AL250有多种控制功能,可由微处理器通过I2C接口控制。该芯片供电电压为3.3 V或5 V，采用64引脚QFP封装形式。AL250电路原理图。
2.4 I2C总线 由于SAA7111和AL250都是利用I2C总线进行初始化编程及方式选择，因此需要用单片机的模拟I2C总线接口，从而实现单片机对SAA7111和AL250的初始化与控制。将单片机的P1.2、P1.3设为I2C总线的两条线SCL、SDA；P3.4、P3.5设置为CPLD与AT89C2051控制线的交换接口，CPLD通过这两条线设置单片机的I2C总线控制量；利用P1.6、P1.7的两个I/O口可以对整个系统的操作过程人为进行控制。I2C总线电路原理图，系统执行上电加载DSP程序、初始化程序后，用I2C初始化SAA7111及AL250芯片。然后DSP即发送开始采集指令给CPLD，实现总线控制权的交接，CPLD获得总线控制权。通过CCD采集一帧图像，利用SAA7111进行数字视频解码，存储到SRAM中。当一帧数据写入帧缓存后,CPLD关闭SAA7111A的视频输出,放弃总线控制权，并发送信号给DSP，通知DSP进入图像处理程序。DSP通过CPLD及缓冲器从SRAM中取得时钟视频数据，同时将数据通过AL250视频编码芯片在CRT显示器上显示。
本文给出了基于DSP和CPLD结构的图像采集和处理系统的一种设计方法。描述了系统的CCD+CPLD+DSP的硬件构成框图。利用CCD和SAA7111
进行前端的视频采集，SRAM作为帧存储器，AL250作为图像的编码显示，AT89C2051模拟I2C总线对SAA7111及AL250进行初始化，CPLD实质上起总线控制器的作用，DSP只作图像算法使用，图像采集独立自主进行,不参与采集过程，节省了DSP的时间，实时性好，实现了模块化设计的思想。系统在软件上对图像实现了灰度、边缘提取、反色的算法。 该系统工作速率高、实时性强、结构清晰、智能度高，具有在线可编程的特点。且以它作为硬件平台编写图像处理的算法方便。该系统在实际中可以应用于视频图像监控、图像自动检测、医疗及军事检测等场所。系统的软、硬件环境已通过应用性、稳定性等测试,具有良好的市场前景。