自適應(yīng)實(shí)時視頻采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/21007.htm在信息技術(shù)和計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的大背景下,數(shù)字視頻的需求與日俱增。視頻監(jiān)控、視頻會議及各類便攜式、手持式pda等都需要實(shí)時的視頻采集和處理,與此同時,也伴隨著海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,這就對視頻采集系統(tǒng)的處理能力、并行速度提出了更高的要求。而dsp以其高精度、快速度、小功耗、高并行性、易于集成等優(yōu)點(diǎn)很好的滿足了這一要求,同時也越來越廣泛地應(yīng)用于各類實(shí)時視頻和嵌入式系統(tǒng)。
本文給出了一個基于ti高端dsp芯片tms320c6211的自適應(yīng)實(shí)時視頻采集處理系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方法,利用該方法可自適應(yīng)接收ntsc或pal視頻,并自動進(jìn)行50/60hz場頻的檢測,以將其解碼為數(shù)字視頻,然后通過軟件設(shè)置所需的輸出格式與分辨率,來完成實(shí)時的視頻采集與處理。
系統(tǒng)概述
本視頻采集處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由攝像頭、專用視頻a/d轉(zhuǎn)換器saa7114h、視頻緩存單元、核心處理器tms320c6211單元和輸出接口構(gòu)成。其中攝像頭采集的ntsc/pal模擬視頻信號通過saa7114h視頻專用解碼芯片來實(shí)時接收且完成a/d和格式轉(zhuǎn)換,并送入同步fifo芯片sn74v215進(jìn)行緩沖存儲。fifo半滿時,可向tms320c6211申請中斷以請求讀入數(shù)據(jù)。tms320c6211啟動edma以完成數(shù)字視頻的轉(zhuǎn)存,dsp外圍sdram和flash用來存儲對數(shù)字視頻所做的后期處理的(例如mpeg-4、h.264壓縮)數(shù)據(jù)與程序。cpld
isplsi1032e用來產(chǎn)生系統(tǒng)中所需的邏輯控制信號、讀寫控制信號、同步信號和dsp中斷請求信號,輸出接口依據(jù)應(yīng)用場合可以選擇10
mb/l00mb自適應(yīng)以太網(wǎng)接口或pci接口來完成處理后數(shù)字視頻信號的輸出。
系統(tǒng)電路設(shè)計及工作原理
◇電路設(shè)計
視頻采集處理系統(tǒng)以tms320c6211 dsp和視頻解碼芯片saa7114h為核心。tms320c6211是ti定點(diǎn)dsp家族的高端產(chǎn)品,采用最先進(jìn)的vliw硬件結(jié)構(gòu),在167
mhz在時鐘下,可達(dá)133mips,本文采用的tms320c6211的外部輸入時鐘頻率為25 mhz,倍頻后處理器主頻為150
mhz。視頻解碼芯片saa7114h是philips公司的主流視頻處理芯片,具有6個模擬信號輸入端,2個模擬信號處理通道和2個模擬反混疊濾波器,可采樣支持4:2:2、4:2:0、4:1:1和4:1:0格式,a/d采樣轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到9bit。該芯片的控制接口是i2c接口。saa7114h與同步fifo及tms320c6211的連接電路見圖2所示(cpld及其它部分略去)。
saa7114h的工作主頻為24.576mhz,dsp可通過i2c總線與其接口,視頻圖像經(jīng)saa7114h第20管腳ai11輸人采樣后,可從i port和h port以16位寬度的數(shù)字圖像格式輸出,同時輸出同步信號igpv、igph、idq、fid,iclk以分別表示行、場同步、有效標(biāo)志、輸出幀同步和像素同步信號,其時序見圖3所示。這些同步信號接入cpld后,結(jié)合dsp便可完成對視頻采集和同步的控制。
saa7114h輸出的16位數(shù)字視頻信號會先后進(jìn)入兩片512×18 bit(最高2 bit未使用)同步fifo sn74v215進(jìn)行緩存,再經(jīng)控制邏輯將fifo輸出的兩個16位數(shù)據(jù)合并為32位數(shù)據(jù),dsp通過edma從數(shù)據(jù)總線ed0~ed31一次讀取。fif0由dsp mcbsp1接口輸出使能信號fen,而復(fù)位信號rs則結(jié)合cpld產(chǎn)生的讀寫使能nwen、nren等信號進(jìn)行控制。◇系統(tǒng)工作原理
dsp配置mcbsp1接口的4個管腳clkr1、clkx1、fsr1、fsx1均為通用i\o信號,可分別用來模擬i2c總線以完成對sa7114h的配置,同時完成對fifo的控制。數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的傳輸是通過edma完成的。此視頻系統(tǒng)包括視頻同步采集和差錯控制兩個過程,其采集過程如下:
1)系統(tǒng)復(fù)位后,mcbsp1接口fen和rs均保持低電平,即fifo處于復(fù)位態(tài),不允許寫入。
2)采集開始時,dsp將rs置1,fifo脫離復(fù)位態(tài),然后置fen為1,并通過cpld從saa7114h輸出的視頻幀同步信號fid來鎖存fen,同時開始視頻采集。
3)fifo采集1行視頻數(shù)據(jù)后,控制邏輯將產(chǎn)生信號ext_int4以通知dsp,dsp通過edma響應(yīng)ext_int4中斷,同時將fifo中的1行視頻數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)sram中。edma傳輸完1行數(shù)據(jù)后,再次提出中斷請求,dsp響應(yīng)此中斷后,啟動2個edma傳輸,并分離視頻數(shù)據(jù)中的y、ch、cr分量。此后,dsp讀出整行數(shù)據(jù)后清除ext_int4中斷。
如將數(shù)字圖像以y-cr-cb表示,y表示圖像亮度分量,cr,cb分別為色差分量。那么,本系統(tǒng)中的設(shè)計數(shù)字視頻輸出或存貯格式如下:
1)視頻解碼器saa7114h輸出的視頻格式為:(cb0 y0)、(cr0 y1)、(cb2 y3)……
2)同步fifo中存儲的視頻格式為:(cbo yo cro y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……
3)片內(nèi)sram中的存儲格式為:(cb0 y0 cr0 y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……
4)片外sdram中的存儲格式為:y0 y1 y2 y3…、cbo cb2……、cr0 cr2……
saa7114視頻數(shù)據(jù)采用隔行方式輸出,最終的sdram視頻數(shù)據(jù)則以逐行方式存儲,以便于直接對視頻序列進(jìn)行mpeg、h.264壓縮或進(jìn)行其它處理。系統(tǒng)差錯控制通過檢測fifo滿標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)。每當(dāng)采集完1行數(shù)字視頻數(shù)據(jù)后,dsp便自動取走此行數(shù)據(jù),當(dāng)視頻掃描到下1行時,硬件邏輯將繼續(xù)向fifo寫入數(shù)據(jù),若dsp讀fifo的速率小于硬件邏輯寫速率,則fifo將出現(xiàn)寫溢出,從而導(dǎo)致數(shù)字視頻行數(shù)據(jù)丟失,此時cpld將啟動ext_int5中斷,以表示fifo溢出錯誤。而此時dsp將復(fù)位fifo,只有frs信號置1后才能撤銷ext_int5,以重新開始視頻圖像的采集。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
◇軟件流程
自適應(yīng)實(shí)時視頻采集處理系統(tǒng)軟件主要包括dsp系統(tǒng)配置、saa7114h配置和edma視頻處理程序,本文主要介紹saa7114h配置及視頻數(shù)據(jù)的讀取處理程序,其系統(tǒng)軟件流程見圖4所示。
◇核心控制軟件設(shè)計
圖4中,系統(tǒng)的初始化包括以下操作:
2)初試化中斷,包括中斷向量重定位、開全局中斷、使能nmi(非屏蔽中斷)、中斷事件映射、使能可屏蔽中斷等。
irq_resetall();
edma_resetall();
init_interrupts();
3)初始化mcbsp1,nit_mcbsp1();
4)初始化saa7114h,并通過主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)saa7114_init()。
saa7114h的配置是通過dsp模擬i2c總線來配置芯片內(nèi)部各寄存器的,主要配置代碼如下:
for(i=0;saa7114_defregs[i].nsubaddr!=0xff;i++)
err|=iic_writereg(slaveaddr,saa7114_defregs[i].nsubaddr,
saa7114_defregs[i].nvalue);/*向saa7114h所用寄存器寫入配置信息*/
saa7114h的配置包括對輸入輸出視頻分辨率、飽和度、色度、輸出視頻格式等相關(guān)信息的設(shè)置,其重要寄存器的設(shè)置代碼如下:
{ahorzinputstart, oxoo},
{ahorzinputstartmsb, 0xoo},
/*0xoooo=輸入水平起始于0象素*/
{ahorzinputlength, oxdo},
{ahorzinputlengthmsb,ox02},
/*0x02d0=輸入水平長度720象素*/
{avertinputstart,0x15},
/*0x0015=輸入垂直起始于23行(pal制)*/
{avertinputlength,0x22},
{avertinputlengthmsb,0x01},
/*0x0122=輸入垂直長度288+2行pal制)*/
{ahorzoutputlength,0x60},
{ahorzoutputlengthmsb,0x01},/*0x0160=輸出水平長度352象素*/
{avertoutputlength,0x90},
/*0x0090=輸出垂直長度144行(單場)*/
{chromacontrol1,ox09},/*飽和度控制01h:for pal;o9h:for ntsc*/
{luminancebrightness,0x80},
/*亮度設(shè)置itu level*/
完成系統(tǒng)初始化和saa7114h配置后,即可打開視頻采集通道,以開始視頻采集,包括初始化視頻捕捉emda通道和使能視頻捕捉edma傳輸,其代碼如下:
init_edma_ext_int4(); init_edma_tcc8();
init_edma_tcc9();
edma_enable channel(hedma_ext_int4);
edma_enable chaining(hedma_tcc8);
edma_enable chaining(hedma_tcc9);
使能視頻捕捉代碼如下:
mcbsp_setpin(hmcbsp1,rs);/*rs="1"撤銷fifo復(fù)位信號*/
mcbsp_setpin(hmcbsp1,fen);/*fen="1"使能fifo數(shù)據(jù)采集*/
當(dāng)采集到1行數(shù)據(jù)后,便可產(chǎn)生ext_int4中斷,以將fifo中的這行視頻數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)sram,同時從片內(nèi)sram緩沖區(qū)的1行視頻數(shù)據(jù)中分別提取y、cb、cr分量。存入片外sdram緩沖區(qū)中的操作可采用edma設(shè)計,其首個edma操作如下:
hedma_ext_int4=edma_open(edma_cha_extint4,
edma_open_rest);/*edma通道鏈接到ext_int4事件上*/
edma_configargs
(hedma_ext_int4,edma_opt_rmk(edma_opt_pri_high,/*edma優(yōu)先權(quán)設(shè)為"高"*/
edma_opt_esize_32bit,/*32bits數(shù)據(jù)*/
edma_opt_2ds_no,/*源一維傳輸*/
edma_opt_sum_none,/*源地址保護(hù)不變*/
edma_opt_2dd_yes,/*目的二維傳輸*/
edma_opt_dum_inc,/*目的地址根據(jù)索引值修改*/
edma_opt_tcint_yes,/*使能傳輸完成中斷*/
edma_opt_tcc_of(edma_cha_extint4),/*設(shè)置傳輸結(jié)束碼*/
edma_opt_link_no,/*禁止重新裝載*/
edma_opt_fs_no,)/*每次ext_int4,edma傳輸1行視頻數(shù)據(jù)*/
edma_src_rmk(video_port),/*源地址為視頻數(shù)據(jù)端口*/
edma_cnt_rmk(edma_cnt_frmcnt_of(0xo),/*塊中數(shù)組長度為1行視頻數(shù)據(jù)*/
edma_cnt_elecnt_of(xd.para/2)),/*數(shù)據(jù)元長度為1行視頻象素÷ 2*/
eedma_dst_rmk(line_buff),/*目的地址為片內(nèi)視頻緩沖器line_buff*/
edma_idx_rmk(edma_idx_frmidx_of(0x0),/*edma傳輸完成后目的地址不變*/eedma_rld_rmk
(edma_rld_elerld_of(xd.para/2),
0));}/*結(jié)束*/
結(jié)束語
本文給出了基于tms320c6211的自適應(yīng)實(shí)時視頻采集處理系統(tǒng)的設(shè)計方法,該系統(tǒng)可自適應(yīng)接受ntsc或pal視頻,并以標(biāo)準(zhǔn)yuv格式存貯。同時,本系統(tǒng)還自帶flash及10m以太網(wǎng)接口,可與mpeg-4、h.264等視頻壓縮算法接口,可廣泛應(yīng)用于實(shí)時視頻采集、視頻監(jiān)控或其他嵌入式視頻處理系統(tǒng)之中。
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