基于DSP的无线视频采集系统的设计

liyf

  
         
    摘要：本文提出了一种通用的基于DSP的无线视频采集系统的设计方案，本方案设计方便，灵活性强，可在视频监控、视频处理等众多领域得到广泛应用。本系统主要由视频采集前端和中心服务器组成，本文主要介绍了视频采集前端的视频解码、视频压缩以及DSP三大模块的硬件结构设计。
关键词：MPEG-4；TMS320VC5509；SAA7113H；GO7007SB

1引言
随着视频监控技术、无线视频通信技术以及图象处理技术的高速发展，视频采集技术得到了极大的重视和发展，并在众多场合得到了广泛的应用，如警用车载现场影音传输系统，生产流水线监控系统，车用无线图像防盗报警系统，工业机器人视觉系统，航拍取景系统，电视台新闻暗访系统等，渗透到了我们生产生活的每一个角落。本文提出了一种通用的基于DSP的无线视频采集前端的设计方案。该系统体积小，应用灵活，更加具有广阔前景。
2系统总体结构设计



500)this.style.width=500;" border=0>
图1无线视频采集传输系统的总体结构
图1给出了无线视频采集传输系统的总体结构。该系统由中心服务器和视频采集前端两大部分组成。视频采集前端通过摄像头采集现场图像得到模拟视频信号并采样，通过视频A/D转换芯片SAA7113H进行A/D转换后，传递到视频压缩芯片GO7007SB转换成MPEG-4视频流,再进入DSP进行调制，然后发射出去。中央服务器主要负责接收远程客户端发来的视频信号，再通过中心服务器软件的开发来满足不同视频监控场合的需要。本文中主要讨论了视频采集前端的硬件结构设计。[1]
3 各组成部分的硬件结构及其分析
3.1视频解码模块
摄像头输出的信号一般都是CVBS (复合视频) ,或者Component Video (差分视频)等模拟信号,而图形加速芯片只能处理数字信号,所以要先进行视频信号的模数转换。一般使用专门的视频解码芯片,将输入的视频信号转变为符合CCIR601 /656 标准的数字信号。本设计中,采用的是飞利浦公司SAA7113H芯片。
SAA7113H 是Philips公司生产的视频捕获芯片, 该芯片主要完成模拟视频信号的数字采样, 将模拟彩色视频信号转换成符合ITU656标准输出格式的数字视频信号, 前端输入的视频信号可以是PAL制式、NTSC制式或者SECAM制式。片外只需提供一个24.576MHz的晶振, 片内时钟发生器自动产生内部电路所需的工作频率。



500)this.style.width=500;" border=0>
图2 无线视频采集前端硬件结构
从SAA7113H的四路模拟输入端AI11,AI12,AI21,AI22输入的视频信号，经过模拟处理后，一路通过缓冲器从模拟输出端AOUT输出用于监视，另一路经过A/D产生数字亮度信号和色度信号，分别进行亮度处理和色度处理。亮度信号处理的结果一路送到色度信号处理器，进行综合处理，产生Y和UV信号，经过格式化后从VPO输出；另一路进入同步分离器，经数字PLL产生相应的行和场同步信号。
SAA7113H 在I2C 总线控制下,将ITU656(YUV 4:2:2)格式的数字图像数据通过VPO接口传送到GO7007SB。该接口是一个10位的并行输入接口, 接口时钟由像素时钟(PCLK)提供。当视频源是8位时, 应该连接到10位PDATA总线的高8位上,此时,低2位可以连接到高电平或低电平。最大的PCLK时钟频率为27MHz ，另外RTS0和RTS1是两个多功能输出接口，可以通过寄存器来设置他们的功能，在本文中分别设置成行同步信号和场同步信号。
SAA7113H的寄存器配置是通过I2C总线来进行的，遵从I2C协议。我们利用89C51单片机来对SAA7113H进行初始化和控制，可以根据需要灵活设置采集图像的亮度、对比度、色度以及饱和度等。89C51与SAA7113H的硬件连接非常简单，只要将89C51的可编程通用I/O口P1.0和P1.1和SAA7113H的I2C总线的SCL、SDA两个管脚分别相连，再加上上拉电阻即可。要初始化控制SAA7113H,首先要熟悉I2C总线协议，根据I2C总线的原理写出启动、停止、应答信号等的子程序，由子程序再写出发送、接收一个字节的程序，然后根据SAA7113H的寄存器操作格式写出读写寄存器的程序，最后根据以上的子程序写出初始化SAA7113H的程序段。[2]
下面是初始化SAA7113H以及读写寄存器的部分程序段。
SDA BIT P1.0
SCL BIT P1.1
I2C_ERROR BIT 00  ；I2C总线数据传输出错标志
DeviceaddressW  EQU 4AH   ；SAA7113H器件地址+写
DeviceaddressR  EQU 4BH   ；SAA7113H器件地址+读
Subaddress  EQU 4DH      ；SAA7113H寄存器地址字节在单片机中的存放地址
DATA_I2C  EQU 50H        ；设置写入或读出数据在单片机中存放的地址
……
； //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 ;调寄存器地址
       MOV A,#28
       MOVC A,@A+DPtr
       MOV DATA_12C,A ;调寄存器配置数据
       INC DPtr
       ACALL I2C_WRITE ;配置1个寄存器
       JB I2C_ERROR,|INIT200
       DJNZ R7,INIT100
INIT200: RET
；// SAA7113H寄存器初始化配置数据
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个
3.2视频压缩模块
视频图像数据有极强的相关性，也就是说有大量的冗余信息。其中冗余信息可分为空域冗余信息和时域冗余信息。压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉。目前主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG-4(SP/ASP)、H.264/AVC等几种视频编码技术。MPEG-4不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，特别注重多媒体系统的交互性和灵活性。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传输数据，以求以最少的数据获得最佳的图像质量。所以本方案采用了MPEG-4视频压缩算法,在该系统中是通过视频压缩芯片GO7007SB 来实现MPEG-4压缩的。
GO7007SB是美国WIS公司于2003年7月推出的一款多格式音视频压缩芯片。相对于GO7007来说，增加了对音频的压缩处理能力。GO7007SB采用多种WIS专利技术，可方便地实现多种格式、多种标准的音/视频压缩及报警、动态检测等功能。通过适当的配置，视频流的输出格式可以是MPEG1、MPEG2、MPEG-4、H.263等格式。另外，该芯片还提供了丰富的外围硬件接口，可以支持多种类型的CPU,多数的CMOS和CCD传感器以及本系统用到的SAA711X处理器，都能无缝连接到视频输入接口。另外，在本系统中，GO7007SB与DSP芯片TMS320VC5509通过USB接口连接。[3]
3.3 DSP模块
    DSP模块是该系统的核心模块，它的功能是将数据进行调制，并发送出去。我们可以选择合适的调制方式，比如OFDM等，需要注意的是，整个调制过程完全是通过对DSP芯片的编程来实现的，该系统中，我们选用了德州仪器公司（TI）的TMS320VC5509芯片。
TMS320VC5509是TI推出的一款性价比极高的定点数字信号处理器，其操作速率最高可达100MIPS。它采用哈佛结构，片内有8条总线、CPU、在片存储器和在片外围电路等硬件，加上高度专业的指令系统，使其具有功耗小、高度并行等优点，可以满足众多领域的实时处理要求,但是TMS320VC5509片上的只读存储器（ROM）只能采用掩模编程的方式并且必须把代码交给DSP厂家，成本较高，因此一般用户在使用时需要外部扩展程序存储器，E2PROM可以在线擦写，且掉电后数据不会丢失，具有体积小、功耗低等特点，是作为TMS320VC5509外扩程序存储器的一种较好选择。SST29LE010是SST推出的一种E2PROM，它有1 MB的空间；工作电压仅为3 V。因此用SST29LE0l0来作为TMS320VC5509的外部存贮器。SST29LE010与TMS320VC5509的连接见图3,GAL16V8用于控制SST29LE010的选通.



500)this.style.width=500;" border=0>
图3 TMS320VC5509与SST29LE010连接图
通常情况下，要把CCS编译生成的COFF格式的文件通过Hex500转换成Hex格式的文件，并通过编程器把转换过的代码烧写进E2PROM。为实现在线并行引导，即把用户程序烧进E2PROM，需要把程序代码分为两段：一段为用户代码(即被烧写部分)，另一段为烧写代码。用CCS把这两部分代码编译链接成同一个OUT文件(即COFF格式的文件)，然后在CCS环境下将该OUT格式的文件下载到TMS320VC5509的内存中，此时TMS320VC5509内存里的文件已经转换成相应的Hex格式，此时只要从烧写代码处在线调试执行程序，即可把用户代码烧进E2PROM，从而完成自举表的烧写。由于TMS320VC5509的数据总线是16位，而SST29LE010的数据总线为8位，因此在数据传输过程中要进行移位操作。若采用16位并行引导时，则不用进行移位操作。[4]
4结束语
该无线视频采集系统，具有开发周期短、成本低、图像质量好、应用灵活方便的特点。该系统传输前端部分，采用了芯片GO7007SB进行MPEG-4视频压缩，并将整个调制传输过程在DSP芯片通过软件编程来实现，不仅减小了系统的体积，而且增强了系统的抗干扰性和稳定性，使其能运用于一些特殊场合。
本文作者创新点：本无线视频采集系统采用芯片GO7007SB进行MPEG-4视频压缩，并将整个调制传输过程在DSP芯片通过软件编程来实现，不仅减小了系统体积，而且可以根据不同的场合通过改变DSP软件设计实现不同的调制方式，应用灵活。
参 考 文 献：
[1] 安颖, 刘丽娜, 基于GO7007SB的MPEG- 4音视频压缩系统[J]微计算机信息,
2006年第22卷第5-2期：255-257.
[2] SAA7113H 9-bit Video Input Processor. Philips Semiconductors, 1999
[3] GO7007SB MPEG Encoder Datasheet. WIS Technologies, 2003
[4] TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor. Texas Instruments，2006

作者简介:
1 王新华（1981.3-），男，汉，硕士，主要研究方向：DSP研究与应用。
  Wang Xin-hua, male, Master candidate, research interest: research and application ON DSP
2 熊建设（1966-），男，汉，硕士生导师，副教授，主要研究方向：视频会议系统与多媒体通信。
  Xiong Jian-she, male, Master tutor, associate professor, research interest: Video conference technique and its application.
3 马帅 （1981-）男，硕士，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发
  Ma Shuai, male, Master candidate, research interest: Design and Development on the Embedded System
4 仇萍萍（1982-）女，硕士，主要研究方向：嵌入式系统设计与开发
         
          [/td]
        [/tr]