摘要：本文提出了一種通用的基于DSP的無線視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，本方案設(shè)計方便，靈活性強(qiáng)，可在視頻監(jiān)控、視頻處理等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)主要由視頻采集前端和中心服務(wù)器組成，本文主要介紹了視頻采集前端的視頻解碼、視頻壓縮以及DSP三大模塊的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：MPEG-4；TMS320VC5509；SAA7113H；GO7007SB
1引言
隨著視頻監(jiān)控技術(shù)、無線視頻通信技術(shù)以及圖象處理技術(shù)的高速發(fā)展，視頻采集技術(shù)得到了極大的重視和發(fā)展，并在眾多場合得到了廣泛的應(yīng)用，如警用車載現(xiàn)場影音傳輸系統(tǒng)，生產(chǎn)流水線監(jiān)控系統(tǒng)，車用無線圖像防盜報警系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)，航拍取景系統(tǒng)，電視臺新聞暗訪系統(tǒng)等，滲透到了我們生產(chǎn)生活的每一個角落。本文提出了一種通用的基于DSP的無線視頻采集前端的設(shè)計方案。該系統(tǒng)體積小，應(yīng)用靈活，更加具有廣闊前景。
2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖1無線視頻采集傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
圖1給出了無線視頻采集傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由中心服務(wù)器和視頻采集前端兩大部分組成。視頻采集前端通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像得到模擬視頻信號并采樣，通過視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113H進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，傳遞到視頻壓縮芯片GO7007SB轉(zhuǎn)換成MPEG-4視頻流,再進(jìn)入DSP進(jìn)行調(diào)制，然后發(fā)射出去。中央服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程客戶端發(fā)來的視頻信號，再通過中心服務(wù)器軟件的開發(fā)來滿足不同視頻監(jiān)控場合的需要。本文中主要討論了視頻采集前端的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。[1]
3 各組成部分的硬件結(jié)構(gòu)及其分析
3.1視頻解碼模塊
攝像頭輸出的信號一般都是CVBS (復(fù)合視頻) ,或者Component Video (差分視頻)等模擬信號,而圖形加速芯片只能處理數(shù)字信號,所以要先進(jìn)行視頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。一般使用專門的視頻解碼芯片,將輸入的視頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉螩CIR601 /656 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號。本設(shè)計中,采用的是飛利浦公司SAA7113H芯片。
SAA7113H 是Philips公司生產(chǎn)的視頻捕獲芯片, 該芯片主要完成模擬視頻信號的數(shù)字采樣, 將模擬彩色視頻信號轉(zhuǎn)換成符合ITU656標(biāo)準(zhǔn)輸出格式的數(shù)字視頻信號, 前端輸入的視頻信號可以是PAL制式、NTSC制式或者SECAM制式。片外只需提供一個24.576MHz的晶振, 片內(nèi)時鐘發(fā)生器自動產(chǎn)生內(nèi)部電路所需的工作頻率。
圖2 無線視頻采集前端硬件結(jié)構(gòu)
從SAA7113H的四路模擬輸入端AI11,AI12,AI21,AI22輸入的視頻信號，經(jīng)過模擬處理后，一路通過緩沖器從模擬輸出端AOUT輸出用于監(jiān)視，另一路經(jīng)過A/D產(chǎn)生數(shù)字亮度信號和色度信號，分別進(jìn)行亮度處理和色度處理。亮度信號處理的結(jié)果一路送到色度信號處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號，經(jīng)過格式化后從VPO輸出；另一路進(jìn)入同步分離器，經(jīng)數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的行和場同步信號。
SAA7113H 在I2C 總線控制下,將ITU656(YUV 4:2:2)格式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通過VPO接口傳送到GO7007SB。該接口是一個10位的并行輸入接口, 接口時鐘由像素時鐘(PCLK)提供。當(dāng)視頻源是8位時, 應(yīng)該連接到10位PDATA總線的高8位上,此時,低2位可以連接到高電平或低電平。最大的PCLK時鐘頻率為27MHz ，另外RTS0和RTS1是兩個多功能輸出接口，可以通過寄存器來設(shè)置他們的功能，在本文中分別設(shè)置成行同步信號和場同步信號。
SAA7113H的寄存器配置是通過I2C總線來進(jìn)行的，遵從I2C協(xié)議。我們利用89C51單片機(jī)來對SAA7113H進(jìn)行初始化和控制，可以根據(jù)需要靈活設(shè)置采集圖像的亮度、對比度、色度以及飽和度等。89C51與SAA7113H的硬件連接非常簡單，只要將89C51的可編程通用I/O口P1.0和P1.1和SAA7113H的I2C總線的SCL、SDA兩個管腳分別相連，再加上上拉電阻即可。要初始化控制SAA7113H,首先要熟悉I2C總線協(xié)議，根據(jù)I2C總線的原理寫出啟動、停止、應(yīng)答信號等的子程序，由子程序再寫出發(fā)送、接收一個字節(jié)的程序，然后根據(jù)SAA7113H的寄存器操作格式寫出讀寫寄存器的程序，最后根據(jù)以上的子程序?qū)懗龀跏蓟疭AA7113H的程序段。[2]
下面是初始化SAA7113H以及讀寫寄存器的部分程序段。
SDA BIT P1.0
SCL BIT P1.1
I2C_ERROR BIT 00 ；I2C總線數(shù)據(jù)傳輸出錯標(biāo)志
DeviceaddressW EQU 4AH ；SAA7113H器件地址+寫
DeviceaddressR EQU 4BH ；SAA7113H器件地址+讀
Subaddress EQU 4DH ；SAA7113H寄存器地址字節(jié)在單片機(jī)中的存放地址
DATA_I2C EQU 50H ；設(shè)置寫入或讀出數(shù)據(jù)在單片機(jī)中存放的地址
……
； //初始化SAA7113H,配置各寄存器
INIT_SAA7113: MOV DPTR,#SAA7113_Subaddress
MOV R7,#28
INIT100: MOV A,#0
MOVC A,@A+DPTR
MOV Subaddress, A ;調(diào)寄存器地址
MOV A,#28
MOVC A,@A+DPTR
MOV DATA_12C,A ;調(diào)寄存器配置數(shù)據(jù)
INC DPTR
ACALL I2C_WRITE ;配置1個寄存器
JB I2C_ERROR,|INIT200
DJNZ R7,INIT100
INIT200: RET
；// SAA7113H寄存器初始化配置數(shù)據(jù)
SAA7113_Subaddress:
DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H,0AH,0BH,0CH,0DH,0EH
DB 0FH,10H,11H,12H,13H,15H,16H,17H,40H,58H,59H,5AH,5BH,5EH ；共28個
3.2視頻壓縮模塊
視頻圖像數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性，也就是說有大量的冗余信息。其中冗余信息可分為空域冗余信息和時域冗余信息。壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉。目前主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG-4(SP/ASP)、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。MPEG-4不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，特別注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。所以本方案采用了MPEG-4視頻壓縮算法,在該系統(tǒng)中是通過視頻壓縮芯片GO7007SB 來實現(xiàn)MPEG-4壓縮的。
GO7007SB是美國WIS公司于2003年7月推出的一款多格式音視頻壓縮芯片。相對于GO7007來說，增加了對音頻的壓縮處理能力。GO7007SB采用多種WIS專利技術(shù)，可方便地實現(xiàn)多種格式、多種標(biāo)準(zhǔn)的音/視頻壓縮及報警、動態(tài)檢測等功能。通過適當(dāng)?shù)呐渲茫曨l流的輸出格式可以是MPEG1、MPEG2、MPEG-4、H.263等格式。另外，該芯片還提供了豐富的外圍硬件接口，可以支持多種類型的CPU,多數(shù)的CMOS和CCD傳感器以及本系統(tǒng)用到的SAA711X處理器，都能無縫連接到視頻輸入接口。另外，在本系統(tǒng)中，GO7007SB與DSP芯片TMS320VC5509通過USB接口連接。[3]
3.3 DSP模塊
DSP模塊是該系統(tǒng)的核心模塊，它的功能是將數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并發(fā)送出去。我們可以選擇合適的調(diào)制方式，比如OFDM等，需要注意的是，整個調(diào)制過程完全是通過對DSP芯片的編程來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)中，我們選用了德州儀器公司（TI）的TMS320VC5509芯片。
TMS320VC5509是TI推出的一款性價比極高的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，其操作速率最高可達(dá)100MIPS。它采用哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有8條總線、CPU、在片存儲器和在片外圍電路等硬件，加上高度專業(yè)的指令系統(tǒng)，使其具有功耗小、高度并行等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足眾多領(lǐng)域的實時處理要求,但是TMS320VC5509片上的只讀存儲器（ROM）只能采用掩模編程的方式并且必須把代碼交給DSP廠家，成本較高，因此一般用戶在使用時需要外部擴(kuò)展程序存儲器，E2PROM可以在線擦寫，且掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)，是作為TMS320VC5509外擴(kuò)程序存儲器的一種較好選擇。SST29LE010是SST推出的一種E2PROM，它有1 MB的空間；工作電壓僅為3 V。因此用SST29LE0l0來作為TMS320VC5509的外部存貯器。SST29LE010與TMS320VC5509的連接見圖3,GAL16V8用于控制SST29LE010的選通.
