摘 要： 设计了一种基于TMS320DM6437的数字视频采集系统，以适应现代采集系统高性能、快速性以及数字化的需要。该设计方法分为CCD传感器、达芬奇系列DSP上集成的视频处理子系统组件（VPSS）和显示器3部分，不需要外接编解码芯片，直接连接数字摄像头（CCD）。实验结果表明，该视频采集系统采集的图像色彩均匀，画面清晰，采集速度快，具有良好的扩展性。
关键词： 数字摄像机；VPSS；VPFE；VPBE；TMS320DM6437
视频技术在日常生活中的地位显得越来越重要。视频图像不清晰、噪声污染、分辨率低等原因导致视频质量低。针对这个问题，提出了用CCD传感器获取外部的图像，因为CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，可以获取高质量的图像产品。选用TMS320DM6437作为处理器，它是一款高性能的多媒体处理器，有利于在交通、生活小区、金融、工厂、校园等领域发挥更好的作用。
1 系统组成及其原理
系统由CCD传感器模块、处理器和显示器模块组成，系统的整体框图如图1所示。TMS320DM6437处理器是TI公司专为低成本、高性能视频应用开发的32位定点DSP达芬奇技术处理器。该器件采用TI第2代超长指令字（VLIW）结构的TMS320C64X+DSP内核，主频可达700 MHz，支持8个8位或4个16位并行MAC（Multiply-Accumulates）运算，峰值处理能力高达5 600 MIPS。针对视频应用，TMS320DM6437还提供了强大的视频处理子系统VPSS（Video Processing Sub Systern），其包括一个视频处理前端VPFE（Video Processing Front End）和一个视频处理后端VPBE（Video Processing Back End），在控制方面提高了其配置和使用的简易性。这一子系统提供的各种接口为视频的采集和显示处理提供了极大的便利。
CCD传感器实时采集视频图像并将之转换成模拟视频信号，通过视频电缆把模拟视频信号送给TVP5146视频A/D转换芯片转成数字视频信号，通过TMS320DM6437的硬件连线传送输入VPFE，应用程序接收到一幅完整的视频帧后，将它传送给VPBE，VPBE将此数字视频信号编码输出，通过TMS320DM6437系统的视频输出接口电路将此视频信号转换成模拟信号输出，通过视频电缆，信号最终传送显示器进行显示。
2 视频处理子系统硬件结构
VPFE用于输入数字视频数据，为多种标准的数字视频输入提供接口，并为输入的数字视频数据作必要的预处理；VPBE用于输出视频数据，以驱动显示器显示视频图像。VPFE和VPBE统称为视频处理子系统，结构如图2所示。
2.1 VPFE
VPFE提供了一个丰富和强大的视频输入接口，系统包括CCD控制（CCDC）、预览器、缩放器、H3A和直方图模块。
2.1.1 CCD控制器
CCDC接收从传感器传送来的原始图像/视频数据或从视频解码器设备接收各种格式的YUV数据，为图像传感器和数字视频提供了一个接口。CCD控制器的输出需要另外处理，这种处理在预览器或图像处理的软件算法中实现，才能把原始图像转化成最终处理的图像。同时，原始数据输入到CCD控制器，可以用于计算各种统计数据（H3A和直方图）以控制图像/视频的调节参数。
2.1.2 预览器
预览器是一个图像处理模块，用来配置各种传感器类型、图像质量和视频帧速率。预览器把从传感器（CMOS或CCD）传送来的未经处理的图像/视频转换为YCbCr4：2：2数据。预览器的输出用于视频压缩和外部显示，如一个NTSC/PAL模拟编码器或者一个数字液晶显示器。
2.1.3 缩放器
缩放器用来实现图像和视频的缩放，缩放范围为1/4~4倍，它可以接收来自预览器和DDR2的图像/视频。
2.1.4 H3A
H3A为自动对焦（Auto Focus）、自动白平衡（Auto WhiteBlance）和自动曝光（Auto Exposure）的控制环路。它包含两个主要模块：自动对焦（AF）引擎装置和自动曝光（AE）与自动白平衡（AWB）引擎装置。
2.1.5 直方图
直方图模块处理彩色像素获取统计信息，提供给H3A模块实现各种3A算法，以平滑最终的输出图像/视频。
2.2 VPBE
VPBE用于实现视频图像的输出显示，它包括OSD模块、VENC模块。
2.2.1 OSD模块
OSD的主要功能就是把视频数据和位图数据混合集成给视频解码器以YCbCr格式输出到VENC中，视频和显示数据从外部存储器读入，一般为DDR2。OSD通过控制器和参数寄存器编程实现其功能。
2.2.2 VENC模块
VENC包含数字LCD（DLCD）和模拟（DAC等）接口。视频编码器产生模拟的视频输出。DLCD控制器产生数字的RGB/YCbCr数据输出和时钟信号。
3 视频处理子系统程序设计
如图3所示，一个CCD传感器与TVP5146解码器连接在一起，把模拟复合信号变成数字YUV4:2:2数据。该数据通过8位数据总线被送到TMS320DM6437处理器。在解码器与TMS320DM6437之间有一个I2C总线，使TMS320DM6437充当主配置TVP5416。
使用VPFE驱动程序配置TVP5146解码器和捕获视频输入数据且在显示器上显示出捕获数据。CCD传感器输出的数据是NTSC D1分辨率，而在VPFE，CCD控制器模块已足够灵活来获取任何不大于D1的帧。可以通过以下步骤配置VPFE驱动来获取并显示数据：
（1）通过调用FVID_create（）和传递参数ccdcParams（）来创建ccdcHandle作为CCDC的通道。在传递函数ccdcParams（），数据流（dateflow）被设置为PSP_VPFE_CCDC_ YCBCR_8，ffMode设置为PSP_VPSS_FRAME_MODE，高度和宽度设置为480和720，这样CCDC模块就能配置来捕获交错NTSC D1帧。在传递函数ccdcParams（）中，有3个函数与TVP5146解码器有关，分别为：
①PSP_VPFE_TVP5146_Open（）被调用：当CCDC通道被创建并初始化I2C总线；
②PSP_VPFE_TVP5146_Close（）被调用：当CCDC通道被删除并重新初始化I2C总线；
③PSP_VPFE_TVP5146_Control（）被调用：当一个特定的控制命令来配置TVP5416。
（2）通过调用FVID_control（）和传递参数TVP5146Params（）来配置TVP5146。在自动模式下，TVP5146译码器配置为捕获复合信号，因为在默认情况下大多数TVP5146的配置参数设置为最佳的典型用法。
（3）通过调用FVID_alloc（）为CCDC模块分配一些帧缓冲。队列缓冲区到驱动程序通过调用FVID_queue（）。
（4）在VPBE中，创建vid0Handle作为VIDWIN0通道。通过调用FVID_creat（）和传递参数vid0Params（）来配置VIDWIN0显示YUV4:2:2捕获的数据格式和NTSC D1分辨率。
（5）通过调用FVID_alloc（）为VIDWIN0模块分配一些帧缓冲。队列缓冲区到驱动程序通过调用FVID_queue（）。
（6）在VPBE中创建vencHandle作为VENC通道，通过调用FVID_creat（）和传递参数vencParams（）来配置VENC模块显示复合信号。
（7）按指定的次数开始循环，获取并显示输入的视频信号：
①调用FVID_exchange（）得到一个捕获视频帧并传递一个空的帧缓冲到CCDC通道。当CCDC模块已经捕获了一个新的帧后，函数返回；
②调用FVID_exchange（）传输已捕获数据的帧缓冲到VIDWIN0和接收一个新的帧缓冲被显示之后，函数返回；
（8）一旦程序退出循环，释放所有通道和帧缓冲区：
①调用FVID_free（）释放VIDWIN0帧缓冲，调用FVID_delete（）释放VIDWIN0通道；
②调用FVID_free（）释放CCDC帧缓冲，调用FVID_delete（）释放CCDC通道；
③调用FVID_delete（）释放VENC通道。
4 结果测试
使用复合电缆把显示器、CCD传感器与TMS320DM6437相连，启动板上电源，启动CCS，打开项目文件（.jpt）；通过点击CCS菜单File→Load Program，加载文件；点击CCS菜单Debug→Reset CPU，然后点击CCS菜单Debug→Restart，最后选择F5键运行程序，捕获的视频在显示器上显示出来，如图4所示。
在视频采集系统中将摄像头的分辨率设置为720×480，图像传感器输出的原始图像信号送入视频解码器TVP5146进行视频解码，然后输出进入TMS320DM6437处理器组成的DSP系统，在DSP系统中主要进行必要的图像预处理以获得良好的图像质量。采集到的视频图像色彩均衡、画面清晰，图像采集速度快且具有良好的扩展性。当需要对视频进行处理（如灰度变换、黑白图像变换等）时，进一步为图像的提取和识别作好准备，只需要添加相应的程序即可，无需改变硬件，降低了开发成本。
参考文献
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