數(shù)碼攝像機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

21世紀(jì)是數(shù)碼時(shí)代，數(shù)字類消費(fèi)產(chǎn)品的需求量正在進(jìn)行著驚人的增長。在這些產(chǎn)品中，視頻類產(chǎn)品的比重相當(dāng)?shù)拇螅谌藗兊娜粘Ｉ钪性絹碓狡占?。在這些產(chǎn)品中，無論是數(shù)碼攝像機(jī)，還是具有攝像功能的手機(jī)，其最核心的部分便是音視頻處理器，選擇什么樣的處理器，決定著此類產(chǎn)品的成本，性能，市場前景。

在本設(shè)計(jì)中，筆者選取了TI公司的TMS320DM270(DM270)作為核心的處理芯片。

可行性分析

為了使消費(fèi)者獲得質(zhì)量更高的數(shù)字視頻和影像內(nèi)容，面向像素?cái)?shù)為300萬至500萬像素的數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)及便攜式多媒體產(chǎn)品。德州儀器(TI)推出了基于DSP的數(shù)字媒體處理器DM270，它是基于多處理器架構(gòu)之上，集成DSP C5409和32位RISC處理器ARM7TDMI的雙核結(jié)構(gòu)，其中ARM7TDMI來處理非成像功能，用作整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，DSP處理音視頻編碼，同時(shí)還集成了專門用于執(zhí)行DCT、反向DCT以及眾多其它處理運(yùn)算中的運(yùn)動估計(jì)與補(bǔ)償?shù)膱D像處理引擎(iMX)，以及可變長編解碼器(VLCD)。

而且TI還提供了一系列音視頻芯片，可與DM270進(jìn)行無縫連接。TVP5040，TVP5145可以用作視頻A/D轉(zhuǎn)換器，AIC23可用作音頻A/D。

DM270還有專門的MMC/SD控制器，進(jìn)行外部MMC/SD卡的擴(kuò)展功能，為大容量數(shù)據(jù)的存儲提供了方便，以及OSD(on screen display)模塊，可以直接外接顯示設(shè)備(LCD、TV)。

基于DM270的數(shù)碼攝像機(jī)基本系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 本方案系統(tǒng)框架圖

方案設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，整個(gè)系統(tǒng)前端主要是由視頻輸入模塊，音頻輸入模塊，以及處理器DM270組成。后端則可以接入存儲設(shè)備及顯示設(shè)備(LCD，TV)。

視頻模塊

視頻輸入模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，由前端的CCD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)入CPU后通過預(yù)處理，再進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的壓縮保存。

圖3視頻回放數(shù)據(jù)流

圖4 McBSP與AIC23的接口

視頻采集和輸入

在DM270中有一個(gè)CCD可編程控制接口，可以方便的把標(biāo)準(zhǔn)的CCD(CMOS)數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)內(nèi)部，而且為CCD圖像傳感器提供了必要的時(shí)序邏輯，對逐行和隔行掃描CCD或CMOS圖像傳感器給予很好的支持，能支持高達(dá)4096*4096像素。在筆者開發(fā)的系統(tǒng)中采用 OV7620的CMOS攝像頭，輸出YUV數(shù)據(jù)直接進(jìn)入系統(tǒng)。芯片內(nèi)部還有硬件的3A模塊來自動調(diào)節(jié)鏡頭的聚焦。另外，DM270中有預(yù)覽引擎 (preview engine)，可對CCD數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行增強(qiáng)，自動白平衡和各種尺寸的縮放。這樣大大減少了CPU對數(shù)據(jù)的初級處理壓力。

視頻壓縮

DM270支持VGA分辨率下的MPEG4 30fps實(shí)時(shí)編解碼，而且支持多種視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如JPEG，motion-JPEG，H.263等。可以為數(shù)碼攝像機(jī)提供多種拍攝模式。

如前所述，DM270內(nèi)部還具有圖像協(xié)處理器iMX，可以高速進(jìn)行DCT、運(yùn)動估計(jì) (補(bǔ)償)、插值運(yùn)算。VLCD模塊完成碼流編碼。在筆者開發(fā)的平臺里可以做到VGA的MPEG4每秒24幀、H.263每秒30幀的實(shí)時(shí)壓縮編碼及解碼后通過LCD顯示。

此外，除了視頻圖像外，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼拍照的功能，進(jìn)行JPEG圖片的拍攝。在筆者開發(fā)的平臺中可以實(shí)現(xiàn)2048*1536的JPEG圖片。

視頻輸出顯示

數(shù)碼攝像機(jī)必須具備回現(xiàn)功能，而DM270帶有OSD控制器，其后端有VENC(video encode)和D/A轉(zhuǎn)換模塊，產(chǎn)生NTSC或PAL格式的視頻信號輸出給外部顯示設(shè)備。DM270將壓縮的MPGE4數(shù)據(jù)或JPEG圖片，解碼后的 YUV數(shù)據(jù)通過OSD實(shí)現(xiàn)回現(xiàn)功能。其數(shù)據(jù)流如圖3所示。

OSD模塊具有4個(gè)圖像層(兩個(gè)YUV的video層和兩個(gè)位圖層)，可以方便的實(shí)現(xiàn)圖層的層疊混合。可以利用OSD的位圖層0顯示各種操作菜單，作為圖形界面讓用戶調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。 從圖1可以看出，音頻數(shù)據(jù)直接輸入到DM270中的DSP進(jìn)行處理。