自适应实时视频采集处理系统的设计与实现

引言

在信息技术和计算机互联网飞速发展的大背景下，数字视频的需求与日俱增。视频监控、视频会议及各类便携式、手持式pda等都需要实时的视频采集和处理，与此同时，也伴随着海量数据的产生，这就对视频采集系统的处理能力、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、易于集成等优点很好的满足了这一要求，同时也越来越广泛地应用于各类实时视频和嵌入式系统。

本文给出了一个基于ti高端dsp芯片tms320c6211的自适应实时视频采集处理系统的设计及实现方法，利用该方法可自适应接收ntsc或pal视频，并自动进行50／60hz场频的检测，以将其解码为数字视频，然后通过软件设置所需的输出格式与分辨率，来完成实时的视频采集与处理。

系统概述

本视频采集处理系统的总体结构如图1所示。该系统主要由摄像头、专用视频a／d转换器saa7114h、视频缓存单元、核心处理器tms320c6211单元和输出接口构成。其中摄像头采集的ntsc／pal模拟视频信号通过saa7114h视频专用解码芯片来实时接收且完成a／d和格式转换，并送入同步fifo芯片sn74v215进行缓冲存储。fifo半满时，可向tms320c6211申请中断以请求读入数据。tms320c6211启动edma以完成数字视频的转存，dsp外围sdram和flash用来存储对数字视频所做的后期处理的(例如mpeg-4、h.264压缩)数据与程序。cpld isplsi1032e用来产生系统中所需的逻辑控制信号、读写控制信号、同步信号和dsp中断请求信号，输出接口依据应用场合可以选择10 mb／l00mb自适应以太网接口或pci接口来完成处理后数字视频信号的输出。

系统电路设计及工作原理

◇电路设计

视频采集处理系统以tms320c6211 dsp和视频解码芯片saa7114h为核心。tms320c6211是ti定点dsp家族的高端产品，采用最先进的vliw硬件结构，在167 mhz在时钟下，可达133mips，本文采用的tms320c6211的外部输入时钟频率为25 mhz，倍频后处理器主频为150 mhz。视频解码芯片saa7114h是philips公司的主流视频处理芯片，具有6个模拟信号输入端，2个模拟信号处理通道和2个模拟反混叠滤波器，可采样支持4：2：2、4：2：0、4：1：1和4：1：0格式，a／d采样转换精度可达到9bit。该芯片的控制接口是i2c接口。saa7114h与同步fifo及tms320c6211的连接电路见图2所示(cpld及其它部分略去)。

saa7114h的工作主频为24.576mhz，dsp可通过i2c总线与其接口，视频图像经saa7114h第20管脚ai11输人采样后，可从i port和h port以16位宽度的数字图像格式输出，同时输出同步信号igpv、igph、idq、fid，iclk以分别表示行、场同步、有效标志、输出帧同步和像素同步信号，其时序见图3所示。这些同步信号接入cpld后，结合dsp便可完成对视频采集和同步的控制。

◇系统工作原理

dsp配置mcbsp1接口的4个管脚clkr1、clkx1、fsr1、fsx1均为通用i＼o信号，可分别用来模拟i2c总线以完成对sa7114h的配置，同时完成对fifo的控制。数字视频数据的传输是通过edma完成的。此视频系统包括视频同步采集和差错控制两个过程，其采集过程如下：

1)系统复位后，mcbsp1接口fen和rs均保持低电平，即fifo处于复位态，不允许写入。

2)采集开始时，dsp将rs置1，fifo脱离复位态，然后置fen为1，并通过cpld从saa7114h输出的视频帧同步信号fid来锁存fen，同时开始视频采集。

3)fifo采集1行视频数据后，控制逻辑将产生信号ext_int4以通知dsp，dsp通过edma响应ext_int4中断，同时将fifo中的1行视频数据读入片内sram中。edma传输完1行数据后，再次提出中断请求，dsp响应此中断后，启动2个edma传输，并分离视频数据中的y、ch、cr分量。此后，dsp读出整行数据后清除ext_int4中断。

如将数字图像以y-cr-cb表示，y表示图像亮度分量，cr，cb分别为色差分量。那么，本系统中的设计数字视频输出或存贮格式如下：

1)视频解码器saa7114h输出的视频格式为：(cb0 y0)、(cr0 y1)、(cb2 y3)……

2)同步fifo中存储的视频格式为：(cbo yo cro y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……

3)片内sram中的存储格式为：(cb0 y0 cr0 y1)、(cb2 y2 cr2 y3)……

4)片外sdram中的存储格式为：y0 y1 y2 y3…、cbo cb2……、cr0 cr2……

saa7114视频数据采用隔行方式输出，最终的sdram视频数据则以逐行方式存储，以便于直接对视频序列进行mpeg、h.264压缩或进行其它处理。系统差错控制通过检测fifo满标志位来实现。每当采集完1行数字视频数据后，dsp便自动取走此行数据，当视频扫描到下1行时，硬件逻辑将继续向fifo写入数据，若dsp读fifo的速率小于硬件逻辑写速率，则fifo将出现写溢出，从而导致数字视频行数据丢失，此时cpld将启动ext_int5中断，以表示fifo溢出错误。而此时dsp将复位fifo，只有frs信号置1后才能撤销ext_int5，以重新开始视频图像的采集。

系统软件设计

◇软件流程

自适应实时视频采集处理系统软件主要包括dsp系统配置、saa7114h配置和edma视频处理程序，本文主要介绍saa7114h配置及视频数据的读取处理程序，其系统软件流程见图4所示。

◇核心控制软件设计

图4中，系统的初始化包括以下操作：

2)初试化中断，包括中断向量重定位、开全局中断、使能nmi(非屏蔽中断)、中断事件映射、使能可屏蔽中断等。

irq_resetall()；

edma_resetall()；

init_interrupts（）；

3）初始化mcbsp1，nit_mcbsp1（）；

4）初始化saa7114h，并通过主函数调用子函数saa7114_init（）。

saa7114h的配置是通过dsp模拟i2c总线来配置芯片内部各寄存器的，主要配置代码如下：

for（i＝0；saa7114_defregs[i].nsubaddr！＝0xff；i＋＋）

err|＝iic_writereg（slaveaddr，saa7114_defregs[i].nsubaddr，

saa7114_defregs[i].nvalue）；/＊向saa7114h所用寄存器写入配置信息＊/

saa7114h的配置包括对输入输出视频分辨率、饱和度、色度、输出视频格式等相关信息的设置，其重要寄存器的设置代码如下：

{ahorzinputstart， oxoo}，

{ahorzinputstartmsb， 0xoo}，

/＊0xoooo＝输入水平起始于0象素＊/

{ahorzinputlength， oxdo}，

{ahorzinputlengthmsb，ox02}，

/＊0x02d0＝输入水平长度720象素＊/

{avertinputstart，0x15}，

/＊0x0015＝输入垂直起始于23行（pal制）＊/

{avertinputlength，0x22}，

{avertinputlengthmsb，0x01}，

/＊0x0122＝输入垂直长度288＋2行pal制）＊/

{ahorzoutputlength，0x60}，

{ahorzoutputlengthmsb，0x01}，/＊0x0160＝输出水平长度352象素＊/

{avertoutputlength，0x90}，

/＊0x0090＝输出垂直长度144行（单场）＊/

{chromacontrol1，ox09}，/＊饱和度控制01h：for pal；o9h：for ntsc＊/

{luminancebrightness，0x80}，

/＊亮度设置itu level＊/

完成系统初始化和saa7114h配置后，即可打开视频采集通道，以开始视频采集，包括初始化视频捕捉emda通道和使能视频捕捉edma传输，其代码如下：

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）；

使能视频捕捉代码如下：

mcbsp_setpin（hmcbsp1，rs）；/＊rs＝"1"撤销fifo复位信号＊/

mcbsp_setpin（hmcbsp1，fen）；/＊fen＝"1"使能fifo数据采集＊/

当采集到1行数据后，便可产生ext_int4中断，以将fifo中的这行视频数据读入片内sram，同时从片内sram缓冲区的1行视频数据中分别提取y、cb、cr分量。存入片外sdram缓冲区中的操作可采用edma设计，其首个edma操作如下：

hedma_ext_int4＝edma_open（edma_cha_extint4，

edma_open_rest）；/＊edma通道链接到ext_int4事件上＊/

edma_configargs

（hedma_ext_int4，edma_opt_rmk（edma_opt_pri_high，/＊edma优先权设为"高"＊/

edma_opt_esize_32bit，/＊32bits数据＊/

edma_opt_2ds_no，/＊源一维传输＊/

edma_opt_sum_none，/＊源地址保护不变＊/

edma_opt_2dd_yes，/＊目的二维传输＊/

edma_opt_dum_inc，/＊目的地址根据索引值修改＊/

edma_opt_tcint_yes，/＊使能传输完成中断＊/

edma_opt_tcc_of（edma_cha_extint4），/＊设置传输结束码＊/

edma_opt_link_no，/＊禁止重新装载＊/

edma_opt_fs_no，）/＊每次ext_int4，edma传输1行视频数据＊/

edma_src_rmk（video_port），/＊源地址为视频数据端口＊/

edma_cnt_rmk（edma_cnt_frmcnt_of（0xo），/＊块中数组长度为1行视频数据＊/

edma_cnt_elecnt_of（xd.para/2）），/＊数据元长度为1行视频象素÷ 2＊/

eedma_dst_rmk（line_buff），/＊目的地址为片内视频缓冲器line_buff＊/

edma_idx_rmk（edma_idx_frmidx_of（0x0），/＊edma传输完成后目的地址不变＊/eedma_rld_rmk

（edma_rld_elerld_of（xd.para/2），

0））；}/＊结束＊/

结束语

本文给出了基于tms320c6211的自适应实时视频采集处理系统的设计方法，该系统可自适应接受ntsc或pal视频，并以标准yuv格式存贮。同时，本系统还自带flash及10m以太网接口，可与mpeg－4、h.264等视频压缩算法接口，可广泛应用于实时视频采集、视频监控或其他嵌入式视频处理系统之中。