自適應實時視頻采集處理系統的設計與實現

引言

在信息技術和計算機互聯網飛速發展的大背景下，數字視頻的需求與日俱增。視頻監控、視頻會議及各類便攜式、手持式pda等都需要實時的視頻采集和處理，與此同時，也伴隨著海量數據的產生，這就對視頻采集系統的處理能力、并行速度提出了更高的要求。而dsp以其高精度、快速度、小功耗、高并行性、易于集成等優點很好的滿足了這一要求，同時也越來越廣泛地應用于各類實時視頻和嵌入式系統。

本文給出了一個基于ti高端dsp芯片tms320c6211的自適應實時視頻采集處理系統的設計及實現方法，利用該方法可自適應接收ntsc或pal視頻，并自動進行50／60hz場頻的檢測，以將其解碼為數字視頻，然后通過軟件設置所需的輸出格式與分辨率，來完成實時的視頻采集與處理。

系統概述

本視頻采集處理系統的總體結構如圖1所示。該系統主要由攝像頭、專用視頻a／d轉換器saa7114h、視頻緩存單元、核心處理器tms320c6211單元和輸出接口構成。其中攝像頭采集的ntsc／pal模擬視頻信號通過saa7114h視頻專用解碼芯片來實時接收且完成a／d和格式轉換，并送入同步fifo芯片sn74v215進行緩沖存儲。fifo半滿時，可向tms320c6211申請中斷以請求讀入數據。tms320c6211啟動edma以完成數字視頻的轉存，dsp外圍sdram和flash用來存儲對數字視頻所做的后期處理的(例如mpeg-4、h.264壓縮)數據與程序。cpld isplsi1032e用來產生系統中所需的邏輯控制信號、讀寫控制信號、同步信號和dsp中斷請求信號，輸出接口依據應用場合可以選擇10 mb／l00mb自適應以太網接口或pci接口來完成處理后數字視頻信號的輸出。

系統電路設計及工作原理

◇電路設計

視頻采集處理系統以tms320c6211 dsp和視頻解碼芯片saa7114h為核心。tms320c6211是ti定點dsp家族的高端產品，采用最先進的vliw硬件結構，在167 mhz在時鐘下，可達133mips，本文采用的tms320c6211的外部輸入時鐘頻率為25 mhz，倍頻后處理器主頻為150 mhz。視頻解碼芯片saa7114h是philips公司的主流視頻處理芯片，具有6個模擬信號輸入端，2個模擬信號處理通道和2個模擬反混疊濾波器，可采樣支持4：2：2、4：2：0、4：1：1和4：1：0格式，a／d采樣轉換精度可達到9bit。該芯片的控制接口是i2c接口。saa7114h與同步fifo及tms320c6211的連接電路見圖2所示(cpld及其它部分略去)。

saa7114h的工作主頻為24.576mhz，dsp可通過i2c總線與其接口，視頻圖像經saa7114h第20管腳ai11輸人采樣后，可從i port和h port以16位寬度的數字圖像格式輸出，同時輸出同步信號igpv、igph、idq、fid，iclk以分別表示行、場同步、有效標志、輸出幀同步和像素同步信號，其時序見圖3所示。這些同步信號接入cpld后，結合dsp便可完成對視頻采集和同步的控制。

◇系統工作原理

dsp配置mcbsp1接口的4個管腳clkr1、clkx1、fsr1、fsx1均為通用i＼o信號，可分別用來模擬i2c總線以完成對sa7114h的配置，同時完成對fifo的控制。數字視頻數據的傳輸是通過edma完成的。此視頻系統包括視頻同步采集和差錯控制兩個過程，其采集過程如下：

1)系統復位后，mcbsp1接口fen和rs均保持低電平，即fifo處于復位態，不允許寫入。

2)采集開始時，dsp將rs置1，fifo脫離復位態，然后置fen為1，并通過cpld從saa7114h輸出的視頻幀同步信號fid來鎖存fen，同時開始視頻采集。

3)fifo采集1行視頻數據后，控制邏輯將產生信號ext_int4以通知dsp，dsp通過edma響應ext_int4中斷，同時將fifo中的1行視頻數據讀入片內sram中。edma傳輸完1行數據后，再次提出中斷請求，dsp響應此中斷后，啟動2個edma傳輸，并分離視頻數據中的y、ch、cr分量。此后，dsp讀出整行數據后清除ext_int4中斷。

如將數字圖像以y-cr-cb表示，y表示圖像亮度分量，cr，cb分別為色差分量。那么，本系統中的設計數字視頻輸出或存貯格式如下：

1)視頻解碼器saa7114h輸出的視頻格式為：(cb0 y0)、(cr0 y1)、(cb2 y3)……

2)同步fifo中存儲的視頻格式為：(cbo yo cro y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……

3)片內sram中的存儲格式為：(cb0 y0 cr0 y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……

4)片外sdram中的存儲格式為：y0 y1 y2 y3…、cbo cb2……、cr0 cr2……

saa7114視頻數據采用隔行方式輸出，最終的sdram視頻數據則以逐行方式存儲，以便于直接對視頻序列進行mpeg、h.264壓縮或進行其它處理。系統差錯控制通過檢測fifo滿標志位來實現。每當采集完1行數字視頻數據后，dsp便自動取走此行數據，當視頻掃描到下1行時，硬件邏輯將繼續向fifo寫入數據，若dsp讀fifo的速率小于硬件邏輯寫速率，則fifo將出現寫溢出，從而導致數字視頻行數據丟失，此時cpld將啟動ext_int5中斷，以表示fifo溢出錯誤。而此時dsp將復位fifo，只有frs信號置1后才能撤銷ext_int5，以重新開始視頻圖像的采集。

系統軟件設計

◇軟件流程

自適應實時視頻采集處理系統軟件主要包括dsp系統配置、saa7114h配置和edma視頻處理程序，本文主要介紹saa7114h配置及視頻數據的讀取處理程序，其系統軟件流程見圖4所示。

◇核心控制軟件設計

圖4中，系統的初始化包括以下操作：

2)初試化中斷，包括中斷向量重定位、開全局中斷、使能nmi(非屏蔽中斷)、中斷事件映射、使能可屏蔽中斷等。

irq_resetall()；

edma_resetall()；

init_interrupts（）；

3）初始化mcbsp1，nit_mcbsp1（）；

4）初始化saa7114h，并通過主函數調用子函數saa7114_init（）。

saa7114h的配置是通過dsp模擬i2c總線來配置芯片內部各寄存器的，主要配置代碼如下：

for（i＝0；saa7114_defregs[i].nsubaddr！＝0xff；i＋＋）

err|＝iic_writereg（slaveaddr，saa7114_defregs[i].nsubaddr，

saa7114_defregs[i].nvalue）；/＊向saa7114h所用寄存器寫入配置信息＊/

saa7114h的配置包括對輸入輸出視頻分辨率、飽和度、色度、輸出視頻格式等相關信息的設置，其重要寄存器的設置代碼如下：

{ahorzinputstart， oxoo}，

{ahorzinputstartmsb， 0xoo}，

/＊0xoooo＝輸入水平起始于0象素＊/

{ahorzinputlength， oxdo}，

{ahorzinputlengthmsb，ox02}，

/＊0x02d0＝輸入水平長度720象素＊/

{avertinputstart，0x15}，

/＊0x0015＝輸入垂直起始于23行（pal制）＊/

{avertinputlength，0x22}，

{avertinputlengthmsb，0x01}，

/＊0x0122＝輸入垂直長度288＋2行pal制）＊/

{ahorzoutputlength，0x60}，

{ahorzoutputlengthmsb，0x01}，/＊0x0160＝輸出水平長度352象素＊/

{avertoutputlength，0x90}，

/＊0x0090＝輸出垂直長度144行（單場）＊/

{chromacontrol1，ox09}，/＊飽和度控制01h：for pal；o9h：for ntsc＊/

{luminancebrightness，0x80}，

/＊亮度設置itu level＊/

完成系統初始化和saa7114h配置后，即可打開視頻采集通道，以開始視頻采集，包括初始化視頻捕捉emda通道和使能視頻捕捉edma傳輸，其代碼如下：

init_edma_ext_int4（）； init_edma_tcc8（）；

init_edma_tcc9（）；

edma_enable channel（hedma_ext_int4）；

edma_enable chaining（hedma_tcc8）；

edma_enable chaining（hedma_tcc9）；

使能視頻捕捉代碼如下：

mcbsp_setpin（hmcbsp1，rs）；/＊rs＝"1"撤銷fifo復位信號＊/

mcbsp_setpin（hmcbsp1，fen）；/＊fen＝"1"使能fifo數據采集＊/

當采集到1行數據后，便可產生ext_int4中斷，以將fifo中的這行視頻數據讀入片內sram，同時從片內sram緩沖區的1行視頻數據中分別提取y、cb、cr分量。存入片外sdram緩沖區中的操作可采用edma設計，其首個edma操作如下：

hedma_ext_int4＝edma_open（edma_cha_extint4，

edma_open_rest）；/＊edma通道鏈接到ext_int4事件上＊/

edma_configargs

（hedma_ext_int4，edma_opt_rmk（edma_opt_pri_high，/＊edma優先權設為"高"＊/

edma_opt_esize_32bit，/＊32bits數據＊/

edma_opt_2ds_no，/＊源一維傳輸＊/

edma_opt_sum_none，/＊源地址保護不變＊/

edma_opt_2dd_yes，/＊目的二維傳輸＊/

edma_opt_dum_inc，/＊目的地址根據索引值修改＊/

edma_opt_tcint_yes，/＊使能傳輸完成中斷＊/

edma_opt_tcc_of（edma_cha_extint4），/＊設置傳輸結束碼＊/

edma_opt_link_no，/＊禁止重新裝載＊/

edma_opt_fs_no，）/＊每次ext_int4，edma傳輸1行視頻數據＊/

edma_src_rmk（video_port），/＊源地址為視頻數據端口＊/

edma_cnt_rmk（edma_cnt_frmcnt_of（0xo），/＊塊中數組長度為1行視頻數據＊/

edma_cnt_elecnt_of（xd.para/2）），/＊數據元長度為1行視頻象素÷ 2＊/

eedma_dst_rmk（line_buff），/＊目的地址為片內視頻緩沖器line_buff＊/

edma_idx_rmk（edma_idx_frmidx_of（0x0），/＊edma傳輸完成后目的地址不變＊/eedma_rld_rmk

（edma_rld_elerld_of（xd.para/2），

0））；}/＊結束＊/

結束語

本文給出了基于tms320c6211的自適應實時視頻采集處理系統的設計方法，該系統可自適應接受ntsc或pal視頻，并以標準yuv格式存貯。同時，本系統還自帶flash及10m以太網接口，可與mpeg－4、h.264等視頻壓縮算法接口，可廣泛應用于實時視頻采集、視頻監控或其他嵌入式視頻處理系統之中。