用DSP技術(shù)從模擬視頻信號(hào)中獲取數(shù)字圖像

引 言
    圖像處理系統(tǒng)中圖像源獲取手段有很多種，同樣圖像的傳感器也是多種多樣的?，F(xiàn)在比較流行的傳感器有CCD、CMOS、CIS等等。這些傳感器對(duì)于圖像數(shù)據(jù)輸出的格式各不相同，例如CCD輸出的是模擬信號(hào)，需要通過(guò)A／D的采樣才能得到圖像處理所需要的數(shù)字圖像信號(hào)；而CMOS傳感器則直接輸出數(shù)字信號(hào)。這樣必然會(huì)對(duì)圖像處理系統(tǒng)的通用性造成很大的影響。當(dāng)圖像傳感器更改或者圖像的分辨率發(fā)生更改以后，都會(huì)導(dǎo)致圖像處理系統(tǒng)做出相應(yīng)的修改，這樣在很大程度上限制了專用圖像處理板的應(yīng)用范圍以及通用性。
    由于電視技術(shù)早已得到了廣泛的普及，為了保證電視的通用性，世界上早已對(duì)其可以使用的模擬視頻信號(hào)做出了統(tǒng)一的規(guī)定。在歐洲以及中國(guó)，模擬視頻信號(hào)主要采取的是PAL制式；而在北美以及日本，模擬視頻信號(hào)主要采取的是NTSC制式。正是由于模擬視頻信號(hào)制式的統(tǒng)一，所以導(dǎo)致很多技術(shù)成熟的圖像獲取設(shè)備，例如攝像機(jī)、照相機(jī)等都有模擬視頻信號(hào)的輸出接口。
    本設(shè)計(jì)方案旨在利用上述的有利條件，提出一套基于TMS320C6x11系列DSP的圖像獲取方案，利用模擬視頻信號(hào)的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)隨意更換帶有標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)輸出接口的圖像設(shè)備而無(wú)需在圖像處理系統(tǒng)的硬件和軟件上作修改。同時(shí)，本方案還需提供一個(gè)相對(duì)通用的數(shù)字視頻接口，可以適應(yīng)TMS320C6xll系列DSP的接口。本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求有：
    ①支持標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻輸入接口，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)解碼得到數(shù)字圖像數(shù)據(jù)；
    ②在不降低圖像幅面的前提下，圖像采集速度快，滿足一定的實(shí)時(shí)性要求；
    ③占用CPU時(shí)間少，使得圖像采集過(guò)程在后臺(tái)自主完成；
    ④數(shù)字圖像接口通用性好，可以在TMS320C6u1l系列乎臺(tái)上通用互換。

1 總體方案設(shè)計(jì)
1.1 方案的選擇
    目前，解碼模擬視頻信號(hào)主要的方法有：采用A／D采樣模擬視頻信號(hào)和采用專用的模擬視頻信號(hào)解碼器。對(duì)于前一種方案需要的外部芯片較少，只需A／D轉(zhuǎn)換芯片即可；但是需要占用大量的CPU時(shí)間，在采集圖像的過(guò)程中CPU基本沒(méi)有額外的時(shí)間處理圖像。這個(gè)問(wèn)題通常會(huì)導(dǎo)致圖像處理系統(tǒng)處理圖像的時(shí)間嚴(yán)重不足。后一種方案采用專門的模擬視頻信號(hào)解碼器，需要一些額外的接口芯片，但是可以節(jié)約大量的CPU時(shí)間，圖像采集過(guò)程可以全部在后臺(tái)完成，基本上不需要CPU的干預(yù)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，特別是算法比較復(fù)雜的處理系統(tǒng)（例如視頻監(jiān)控系統(tǒng)）有著非常大的吸引力，所以本方案決定采用后者。
    本方案中一個(gè)難點(diǎn)是：由模擬視頻信號(hào)解碼得出的數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量非常大，而且由于是實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，所以數(shù)據(jù)輸出速率也非常高；但是相反，DSP外部存儲(chǔ)器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本方案采取了兩種緩沖方式．首先是使用高速FIFO，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存以緩解速度上的差異，但是這樣的緩沖還不足以平衡兩者之間的速度差異。
    于是在本方案中提出了“隔行采樣”的思想。通常，隔行采樣會(huì)使得分辨率下降，例如每四行采樣一行數(shù)據(jù)，會(huì)使得圖像垂直方向上的行數(shù)下降到原來(lái)的1／4。這不是設(shè)計(jì)所希望的，所以為了保證圖像的分辨率，設(shè)計(jì)中在隔行采樣的同時(shí)，將一整幅圖像的行數(shù)據(jù)交錯(cuò)分多次采樣，然后再重新組合成一幅完整的圖像。這樣既起到了緩沖速度差異的作用，又保證了圖像的分辨率。
    最后本方案確定的思路是，采用FIFO來(lái)暫存一行圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO中寫入了有效圖像數(shù)據(jù)后，由CPLD向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求；同時(shí)，DSP接到中斷請(qǐng)求后，啟動(dòng)DMA方式將一行圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。CPLD主要完成“隔行采樣”的實(shí)現(xiàn)、控制解碼器向FIFO中寫入數(shù)據(jù)以及DSF從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。

    另外，本方案目前主要是針對(duì)PAL制式模擬信號(hào)的。PAL制模擬信號(hào)傳輸?shù)膱D像幅面大小為720