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一種數(shù)碼相機(jī)成像和視頻處理前端的設(shè)計(jì)
摘要：針對(duì)數(shù)碼相機(jī)的成像和視頻處理前端，給出一種基于TI DSP技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹單芯片數(shù)字視頻解碼器TVP5040和單芯片影像處理器TMS320DSC系列DSP的圖像功能單元CCD控制器的功能和特點(diǎn)，并給出二者的硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：數(shù)碼相機(jī) TVP5040 TMS320DSC 系列DSP CCD
目前，數(shù)字類消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求率增長(zhǎng)驚人。在這些產(chǎn)品中，成像和視頻類產(chǎn)品比重很大。在這些影像產(chǎn)品中，無(wú)論是數(shù)碼相機(jī)還是內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)的可拍照手機(jī)，或者其它數(shù)字成像和視頻終端產(chǎn)品，都需要成像和視頻處理前端與其協(xié)同工作。
德州儀器公司（TI）在推動(dòng)新興消費(fèi)類產(chǎn)品的高級(jí)圖像應(yīng)用方面及時(shí)跟進(jìn)，發(fā)布了目前業(yè)界性能最為卓越的基于數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320DSC系列DSP）的解決方案。這種低功耗、完全可編程的DSP解決方案，使實(shí)時(shí)視頻功能在成像終端上的應(yīng)用成為可能。TMS320DSC系列芯片在一個(gè)單一器件中集成了兩項(xiàng)功能：超低功耗的TMS320C5000用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)媒體處理；一個(gè)ARM7TDMI RISC處理器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能�？删幊痰挠布嗝襟w加速器可以進(jìn)行并發(fā)性處理，以增強(qiáng)專用成像和視頻性能。
TI還提供了一系列成像和視頻處理前端產(chǎn)品，可與TMS320DSC系列DSP進(jìn)行無(wú)縫工作。TVP5031、TVP5040和TVP5145使用戶能夠?qū)⒛M視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成TMS320DSC系列芯片可以處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
1 數(shù)碼相機(jī)的成像和視頻處理前端
數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)通常被劃分為高端（400萬(wàn)像素以上）、中端（330、210萬(wàn)像素）與低端（百萬(wàn)像素以下①三種檔次。針對(duì)不同的市場(chǎng)，大部分廠商會(huì)根據(jù)CCD和CMOS的差異而采取不同的解決方案，而采用TMS320DSC系列DSP的數(shù)碼相機(jī)解決方案則可兼顧。從入門(mén)產(chǎn)品到最高級(jí)設(shè)計(jì)的整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)或其它影像產(chǎn)品，都可由這個(gè)系列DSP的可編程能力而輕松實(shí)現(xiàn)，這是其優(yōu)勢(shì)之一。其次，成像和視頻處理前端TVP5031、TVP5040和TVP5145的可編程能力，使得開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)更新的算法和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)升級(jí)或更改模塊前端的處理。
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一般來(lái)說(shuō)，數(shù)碼相機(jī)的成像和視頻處理前端主要是鏡頭模塊（包含CCD傳感器、鏡頭和馬達(dá)）與模擬前端電路（AFE）。本文所述的成像和視頻處理前端與專用數(shù)字處理器TMS320DSC的接口設(shè)計(jì)如圖1所示。
驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)序生成器件產(chǎn)生CCD或CMOS所需要的時(shí)鐘信號(hào)，模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬圖像信號(hào)鉗位放大，并完成A/D轉(zhuǎn)換，這里采用TVP5040。TMS320DSC系列DSP含有圖像處理和時(shí)序控制電路，通過(guò)I/O接口可以控制時(shí)序產(chǎn)生，通過(guò)CCD控制器可以正確接收垂直同步（VD）和水平同步（HD）信號(hào)。經(jīng)過(guò)相關(guān)配置以后，DSP就可以接受TVP5040輸出的CCD原始數(shù)據(jù)了。
2 NTSC/PAL數(shù)字視頻解碼器TVP5040
TVP5040作為一款高質(zhì)量單芯片數(shù)字視頻解碼器，可能很方便的將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻。它包括業(yè)界領(lǐng)先的2個(gè)10位高速2x過(guò)抽樣A/D轉(zhuǎn)換器。接受標(biāo)準(zhǔn)的NTSC/PAL制式的復(fù)合視頻信號(hào)和S-Video信號(hào)輸入，輸出格式可以是8位、10位、16位或20位4：2：2（YcbCr）子采樣格式，也可以是8位或10位ITU-RBT，656定義的標(biāo)準(zhǔn)輸出（帶嵌入同步）。采樣可以是矩形像素或者遵循ITU-RBT.601協(xié)議。TVO5040利用德州儀器的專利技術(shù)，對(duì)那些微弱、不穩(wěn)定的信號(hào)進(jìn)行捕捉，并去除噪聲。
其三線互補(bǔ)自適應(yīng)梳狀濾波器，可以降低色度和亮度的交叉影響。利用所支持的主機(jī)端口和接口I2C、3個(gè)并行主機(jī)接口（PHI）或VIP模式，可對(duì)視頻特性，如色調(diào)、對(duì)比度和飽和度等進(jìn)行編程操作。TVP5040產(chǎn)生同步、消隱、場(chǎng)和鎖存信號(hào)，以及數(shù)字視頻輸出。同時(shí)，具有先進(jìn)的垂直消隱區(qū)間數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，內(nèi)置FIFO可存儲(chǔ)高達(dá)14行的圖文電視數(shù)據(jù)。
TVP5040主要包括以下模塊：
*模擬信號(hào)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器（AGC，AD）；
*Y/C分離電路（Luma/Chroma separation）;
*色度處理（chrominance processing）;
*亮度處理器（luminance processing）;
*時(shí)鐘處理與節(jié)電控制；
*輸出格式化器（outputformatter）；
*主機(jī)端口接口（interface）；
*VBI數(shù)據(jù)處理器（VBI）；
*增強(qiáng)型Macrovision檢測(cè)（Macrovision detection）。
模塊功能如圖2所示。
TVP5040由一組內(nèi)部寄存器初始化并控制，它們?cè)O(shè)置所有的操作參數(shù)。為了能夠正確設(shè)置寄存器的參數(shù)，主機(jī)在上電復(fù)位時(shí)，必須向TVP5040下載微代碼，以使TVP5040的內(nèi)部微處理器對(duì)內(nèi)部寄存器編程。由于微代碼較大，TVP5040提供了不同的主機(jī)端口接口，包括I2C端口（I2C Interface）、3個(gè)并行主機(jī)接口（PHI Interface）和視頻端口接口（VIP Interface）用于下載和進(jìn)一步的配置。主機(jī)接口用于初始化內(nèi)部微處理器，讀寫(xiě)狀態(tài)寄存器以及訪問(wèn)分片VBI數(shù)據(jù)（sliced VBI data）。這些接口模式是在上電復(fù)位或是組合使用GLCO、PALI和FID引腳復(fù)位時(shí)確定的。
外部控制器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)端口接口與TVP5040通信。TVP5040有一個(gè)內(nèi)部微處理器，還有相連的100K的指令RAM。微處理器控制芯片的功能包括PLL操作、AGC、同步和寄存器配置等。這種可編程結(jié)構(gòu)使得TVP5040可以利用更新的算法來(lái)提高性能。每次上電啟動(dòng)的時(shí)候都要下載用于內(nèi)部微處理器的微代碼。
控制每行像素?cái)?shù)的采樣頻率是不同的，這取決于視頻格式和標(biāo)準(zhǔn)。TVP5040的視頻端口輸出格式時(shí)序如圖3所示。其它還有水平、垂直同步以及場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)序圖，限于篇幅，就不一一列出了。
3 TMS320DSC系列DSP的CCD控制器
TMS320DSCX系列DSP的圖像功能單元CCD控制器為CCD和CMOS圖像傳感器提供了必需的邏輯，對(duì)逐行和隔行掃描CCD或CMOS圖像傳感器給予了很好的支持。CCD控制器可以編程控制，有20個(gè)寄存器需要設(shè)置，由TMS320DSCX控制，能支持高達(dá)4096×4096像素的CCD。它有以下幾部分功能：CCD接口、數(shù)字鉗位、時(shí)序發(fā)生以及輸出格式化，如圖4所示。
CCD控制器采集處理CCD圖像傳感器的數(shù)據(jù)。CCD所需的A/D轉(zhuǎn)換和時(shí)序生成由外部芯片提供。CCD時(shí)序生成器（CCD timing generator）可以向外部時(shí)序產(chǎn)生電路提供HD/VD信號(hào)，也可以接收外部傳來(lái)的HD/VD信號(hào)并與其保持同步。CCD控制器最高可以處理12位寬的圖像數(shù)據(jù)，可以支持高達(dá)30MHz的點(diǎn)時(shí)鐘。這里采用TVP5040生成CCD控制器所需時(shí)序，并傳送HD/VD、場(chǎng)ID和像素時(shí)鐘信號(hào)。
鉗位電路（clamper）采樣CCD黑像素的數(shù)字，然后每個(gè)像素的值都減去這個(gè)黑電平值。用戶可以通過(guò)寄存器設(shè)置黑電平像素的位置，用于求黑像素的數(shù)量（8個(gè)或16個(gè)）。另外，也可以將黑電值設(shè)置成一個(gè)常數(shù)。
輸出格式化器模板（output formatter）提供反混淆濾波（anti-aliasing filter）、A-律壓縮和水平、垂直降采樣。反混淆濾波由一個(gè)簡(jiǎn)單的三階濾波器構(gòu)成。A-律表壓縮將10位以上的鉗位后數(shù)據(jù)壓縮成8位。最后是一個(gè)可編程降采樣模板，從每8個(gè)像素中抽取N個(gè)像素。
CCD控制器提供2個(gè)數(shù)據(jù)通道。在通過(guò)（passthrough）通道時(shí)，8、10、12位的像素值被保存到1個(gè)16位SDRAM字的高位，沒(méi)有使用的低位填入0。數(shù)據(jù)存入SDRAM時(shí)，每次保存32位，即2個(gè)像素，其中左邊的象素保存到32位的低16位。在數(shù)據(jù)壓縮通道，圖像數(shù)據(jù)的高10位被壓縮成8位，然后每4個(gè)像素存入SDRAM的一個(gè)32位字。
4 DSP與TVP5040的硬件連接及軟件實(shí)現(xiàn)
4．1 硬件連接
考慮到TMS320DSCX的CCD控制器只能接收12位寬的數(shù)據(jù)，在TVP5040端決定采用10位YUV 4：2：2的視頻輸出格式，則TMS320DSCX與TVP5040的硬件連接如圖5所示。
由于TVP5040輸出10位數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)保留最高位，低兩位接地或者懸空。TMS320DSC接收來(lái)自TVP5040的VD、HD以及場(chǎng)信號(hào)并與其保持同步。圖像數(shù)據(jù)輸入TMS320DSC系列DSP時(shí)，在輸入點(diǎn)時(shí)鐘的上升沿和下降沿被鎖存，可通過(guò)寄存器DET設(shè)置。CCD控制器可以將數(shù)據(jù)直接存入SDRAM，也可以通過(guò)預(yù)覽引擎（preview engine）Burst壓縮單元將數(shù)據(jù)壓縮后存入SDRAM。
TVP5040輸出的寫(xiě)信號(hào)（WEN）用于從CCD接口直接將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM，可通過(guò)EWEN位進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)WEN信號(hào)為高讀寫(xiě)位（RDWE），即位是“1”時(shí)，圖像數(shù)據(jù)就載入SDRAM。
需要注意的是，TVP5040必須外接14.31818MHz的晶振才能保持正常的工作頻率。
4．2 軟件實(shí)現(xiàn)
首先需要初始化TVP5040，將微代碼通過(guò)TVP5040的I2C主機(jī)端口下載到微處理器中。
Void TVP5040INIT(void)
{
resetTVP(); //首先將TVP5040復(fù)位
DELAYTIME； //延時(shí)，下載代碼需要時(shí)序穩(wěn)定
MicrocodeDown(); //下載微代碼
RestartMicroprocessor();//下載完后，需要重新啟動(dòng)5040的微處理器
TimerWait(5); //微處理器重新啟動(dòng)需要等待5ms
PatchTVPRegister(); //內(nèi)部寄存器處于默認(rèn)狀態(tài)，需要重新設(shè)置
}
然后需要設(shè)置CCD控制器以獲取一幀圖像數(shù)據(jù)并送入SDRAM。
Void main()
{
TVP5040INIT();//初始化TVP5040
SdramInit(); //初始化SDRAM
CCDCInit();//初始化CCD控制器
CCDCSetLinePerFrame();//設(shè)置每幀圖像的行數(shù)
CCDCSetRawDataMode();//設(shè)置內(nèi)部生成時(shí)序信號(hào)的寬度、極性、位置和方向
CCDCGetFrame();//獲取一幀圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM
}
然后，就可以對(duì)SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理了，比如進(jìn)行圖像的壓縮或增強(qiáng)處理等，這些超出了本文的討論范圍，就不多述了。
5 結(jié)論
上述系統(tǒng)在數(shù)碼相機(jī)設(shè)計(jì)方案中取得了非常好的效果。實(shí)踐證明，這種高性能、可編程的、基于DSP的解決方案，使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用變得更加容易，為產(chǎn)品更快的進(jìn)入市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。
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