摘 要： 介紹了一種利用CCD攝像頭、SAA7111視頻解碼芯片、高速可讀寫存儲(chǔ)器SRAM,基于DSP與CPLD的圖像采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)完成了圖像的快速采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。文章詳細(xì)論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、部分硬件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要敘述了相應(yīng)圖像算法的實(shí)現(xiàn)方法。給出了系統(tǒng)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　關(guān)鍵詞： DSP；圖像采集；圖像處理；邊緣提取

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　　圖像采集處理系統(tǒng)大都基于攝像機(jī)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)閷?shí)時(shí)數(shù)字圖像處理信息量和計(jì)算量大，而大多數(shù)采集卡基于成本考慮沒有處理器和大容量的存儲(chǔ)器，絕大部分任務(wù)必須依靠計(jì)算機(jī)來完成。但是，這種計(jì)算機(jī)參與的系統(tǒng)在工業(yè)或軍事等復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用極為不便?；谶@種要求，許多專用圖像處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生^[1]。
　　隨著數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在當(dāng)今工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。而一個(gè)完整的視頻圖像處理系統(tǒng)不但要具備圖像信號(hào)的采集功能，還要求能對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，且要求完成圖像信號(hào)的分析及處理算法。通常這些算法的運(yùn)算量大，同時(shí)又要滿足實(shí)時(shí)顯示要求。DSP芯片以其適應(yīng)于高速數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在圖像處理領(lǐng)域得到不可替代的地位。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
　　本系統(tǒng)采用CCD攝像頭、視頻解碼芯片SAA7111、CPLD、高速可讀寫存儲(chǔ)器SRAM、AL250、緩沖器SN74LVC16245及數(shù)字信號(hào)處理器DSP等核心部件。由于采集的是一幅靜態(tài)圖像，所以選擇了TI公司C54X系列的TMS320VC5416作為系統(tǒng)的核心處理器。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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　　系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，其中單片機(jī)是主機(jī)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)及利用I2C對(duì)SAA7111及AL250初始化。DSP作為從機(jī)，主要完成圖像的算法處理。這樣，在充分發(fā)揮單片機(jī)在任務(wù)調(diào)度方面優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也發(fā)揮了DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)，可以專注地完成圖像處理，使系統(tǒng)的效率達(dá)到最優(yōu)。CPLD是用來最終完成圖像采集的器件，實(shí)質(zhì)上起到了總線控制器的作用，通過編寫的VHDL程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求。
　　圖像采集是通過CCD圖像傳感器采集一幀PAL制的視頻圖像，利用視頻解碼芯片SAA7111將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，通過CPLD將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM中，DSP通過CPLD將數(shù)據(jù)從SRAM中讀到內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后對(duì)其進(jìn)行算法上的處理，再把經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)又存儲(chǔ)到SRAM中去。通過AL250將YUV格式的數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，在CRT顯示器上顯示。
2 系統(tǒng)硬件
　　DSP主要應(yīng)用在圖像算法的實(shí)現(xiàn)上。系統(tǒng)選用TI公司C54系列的TMS320VC5416芯片。它的程序ROM為16 K字，RAM為128 K字，1個(gè)并行口，3個(gè)多通道緩沖串口，設(shè)備電壓3.3 V，核心電壓1.6 V，指令周期為6.25ns^[2]。
2.1 系統(tǒng)前端圖像采集
　　圖像獲取模塊處于系統(tǒng)最前端，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)系統(tǒng)視頻圖像信號(hào)的質(zhì)量。因?yàn)楸疚倪€要對(duì)采集的圖像做后期處理，對(duì)圖像的成像質(zhì)量要求比較高，所以采集設(shè)備選用CCD攝像頭。
　　由于CCD的視頻輸入信號(hào)是PAL制模擬信號(hào)，所以需要視頻解碼芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)，通過解碼芯片對(duì)其進(jìn)行解碼,變成可編程的數(shù)字信號(hào)。
　　SAA7111是Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種視頻輸入處理器,在視頻采集系統(tǒng)中,通常需要這類的視頻解碼器作為視頻前端。將PAL制式的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV格式的數(shù)字圖像信號(hào)輸出。它采用CMOS工藝，其功耗小、電壓低、體積小、溫度適應(yīng)范圍廣，具有以下特點(diǎn)：
　　(1)四路模擬輸入信號(hào)通道，如(4*CVBS，2*Y/C)或者(2*CVBS，1*Y/C)；
??? (2)所有不同的制式標(biāo)準(zhǔn)只需同一頻率的晶振(24.576 MHz)；
　　(3)自動(dòng)進(jìn)行50/60 Hz場(chǎng)頻的檢測(cè)，自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)PAL制式和NTSC制式之間的轉(zhuǎn)換；
　　(4)具有實(shí)時(shí)狀態(tài)信息輸出；
　　(5)數(shù)據(jù)輸出格式多樣，具體格式如下：4:1:1的YUV格式(12位)、4:2:2的YUV格式(16位)、4:2:2的YUV格式[按照CCIR—656標(biāo)準(zhǔn)](8位)、5:6:5的RGB格式(16位)、8:8:8的RGB格式(24位)；
????(6)可通過I²C總線接受外部控制器的完全控制。
????在本系統(tǒng)中，將圖像解碼后的輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為YUV422（16 bit）格式，分辨率為768×625，每行的有效數(shù)據(jù)為720個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)占用16 bit的存儲(chǔ)空間。其中每個(gè)像素點(diǎn)包含一個(gè)亮度信號(hào)(Y)，兩個(gè)色差信號(hào)(U分量、V分量)。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰階值；而“U”和“V”表示的則是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。以四個(gè)像素點(diǎn)為例，解碼后產(chǎn)生的YUV422的格式數(shù)據(jù)與其原圖像數(shù)據(jù)及其顯示圖像數(shù)據(jù)如下：
　　原圖的四個(gè)像素為：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
　　YUV422存放的碼流為：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
　　映射出的四個(gè)像素為：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]
　　SAA7111在將視頻信號(hào)解碼的同時(shí)，另外還輸出行參考HREF、場(chǎng)參考VREF、行同步HS、 場(chǎng)同步VS、行鎖定信號(hào)LLC(27M) 、像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2(13.5 MHz)、時(shí)鐘參考信號(hào)CREF(相對(duì)LLC2有一定的延時(shí))、奇偶場(chǎng)信號(hào)RST0等。這些信號(hào)與解碼后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)一起輸入到CPLD中，CPLD由這些信號(hào)產(chǎn)生像素信號(hào)在SRAM中的存儲(chǔ)地址信號(hào)和寫控制信號(hào)。當(dāng)存儲(chǔ)完一幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD就不再向SRAM 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通知DSP進(jìn)入圖像處理的運(yùn)算。SAA7111的硬件原理圖見圖2。

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2.2 存儲(chǔ)器SRAM
　　本文采集的圖像數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)為720×576=414 720個(gè)像素點(diǎn)，又因?yàn)閿?shù)字視頻格式是YUV422格式，每個(gè)像素點(diǎn)占用16 bit個(gè)存儲(chǔ)空間，所以一副圖像的存儲(chǔ)空間最少需要420 K×16 bit的存儲(chǔ)器空間。
　　所以選用的存儲(chǔ)器是用兩片512 K×8 bit存儲(chǔ)器合并在一起產(chǎn)生512 K×16 bit的存儲(chǔ)空間，可以適用本方案的需要。
　　因?yàn)樵斎氲腃VBS視頻信號(hào)時(shí)采用隔行掃描的方式，所以解碼后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)先是奇數(shù)行的視頻數(shù)據(jù)，然后才是偶數(shù)行的數(shù)據(jù)，以奇偶場(chǎng)信號(hào)RST0和場(chǎng)參考（VREF）信號(hào)為標(biāo)志。為了后期對(duì)數(shù)據(jù)的處理方便，本系統(tǒng)在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)將奇偶行信號(hào)合并存儲(chǔ)，如圖3所示。

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