基于TMS320DM270平臺的數(shù)碼攝像機的設計與實現(xiàn)

　　21世紀是數(shù)碼時代，數(shù)字類消費產(chǎn)品的需求量正在進行著驚人的增長。在這些產(chǎn)品中，視頻類產(chǎn)品的比重相當?shù)拇?，在人們的日常生活中越來越普及。在這些產(chǎn)品中，無論是數(shù)碼攝像機，還是具有攝像功能的手機，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。

　　在本設計中，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

　　為了使消費者獲得質量更高的數(shù)字視頻和影像內容，面向像素數(shù)為300萬至500萬像素的數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機及便攜式多媒體產(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之上，集成DSP C5409和32位RISC處理器ARM7TDMI的雙核結構，其中ARM7TDMI來處理非成像功能，用作整個系統(tǒng)的主控制器，DSP處理音視頻編碼，同時還集成了專門用于執(zhí)行DCT、反向DCT以及眾多其它處理運算中的運動估計與補償?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進行無縫連接。TVP5040，TVP5145可以用作視頻A/D轉換器，AIC23可用作音頻A/D。

　　DM270還有專門的MMC/SD控制器，進行外部MMC/SD卡的擴展功能，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備(LCD、TV)。

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

　　                      圖1 本方案系統(tǒng)框架圖

　　方案設計

　　從圖1可以看出，整個系統(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備及顯示設備(LCD，TV)。

　　視頻模塊

　　視頻輸入模塊結構如圖3所示，由前端的CCD模塊進行數(shù)據(jù)的采集，進入CPU后通過預處理，再進行視頻數(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CCD可編程控制接口，可以方便的把標準的CCD(CMOS)數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)內部，而且為CCD圖像傳感器提供了必要的時序邏輯，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)直接進入系統(tǒng)。芯片內部還有硬件的3A模塊來自動調節(jié)鏡頭的聚焦。另外，DM270中有預覽引擎(preview engine)，可對CCD數(shù)據(jù)的圖像進行增強，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實時編解碼，而且支持多種視頻壓縮標準，如JPEG，motion-JPEG，H.263等?？梢詾閿?shù)碼攝像機提供多種拍攝模式。

　　如前所述，DM270內部還具有圖像協(xié)處理器iMX，可以高速進行DCT、運動估計 (補償)、插值運算。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幀的實時壓縮編碼及解碼后通過LCD顯示。

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

　　視頻輸出顯示

　　數(shù)碼攝像機必須具備回現(xiàn)功能，而DM270帶有OSD控制器，其后端有VENC(video encode)和D/A轉換模塊，產(chǎn)生NTSC或PAL格式的視頻信號輸出給外部顯示設備。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個圖像層(兩個YUV的video層和兩個位圖層)，可以方便的實現(xiàn)圖層的層疊混合?？梢岳肙SD的位圖層0顯示各種操作菜單，作為圖形界面讓用戶調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。

　　音頻模塊

　　從圖1可以看出，音頻數(shù)據(jù)直接輸入到DM270中的DSP進行處理。

　　音頻采集與輸入

　　DM270內部的DSP是5409，有兩個多通道緩沖串行口(McBSP)模塊，用于音頻的采集接口。在筆者開發(fā)的平臺中，音頻采樣和轉換采用的是AIC23芯片。TLV320AIC23是TI推出的一款高性能的立體聲音頻CODEC，內置二級輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式(2選1)，并且可以對輸入輸出進行可編程的增益調節(jié)。AIC2模數(shù)及數(shù)模轉換都高度集成在芯片內部，而且采用先進的Sigma-delta過采樣技術，可在8~96kHz頻率范圍內提供16bit，20bit，24bit和32bit的采樣。輸入輸出信噪比可以分別達到90dB和100dB。為數(shù)碼攝像機的聲音錄放音質，提供了保證。而且AIC23與DSP內部的McBSP可以進行無縫連接。其接口如圖2。

　　                      圖2視頻輸入模塊結構圖

　　音頻壓縮，解碼

　　在DM270中DSP的運算能力強大，可以實現(xiàn)多種語音壓縮編碼、解碼。下面的表格是幾種語音編碼方式的比較。

　　由表格可以看出，在保證高音質的情況下，G.711和G.726的算法復雜度相對簡單，這樣可以減少DSP的數(shù)據(jù)處理壓力，使DSP有更多的資源進行視頻數(shù)據(jù)的處理。而且G.711數(shù)據(jù)可以被QuickTime格式的影音文件支持，這樣可以增加數(shù)碼攝像機文件支持格式。G.726為可變碼率編碼，數(shù)碼攝像機用戶可以根據(jù)存儲空間來選擇。

　　在筆者開發(fā)的平臺上，分別實現(xiàn)了G.711與G.726算法及QuickTime文件的錄放功能。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　在筆者開發(fā)的系統(tǒng)中，因為DM270的ARM核為ARM7TDMI，沒有內存管理單元(MMU)，所以采用uClinux作為嵌入式操作系統(tǒng)同標準的Linux相比，uClinux最大的特點在于不具有MMU，因此很適合那些沒有MMU的處理器。由于uClinux的內核是由Linux根據(jù)所要運行的CPU裁減、修改而來。它保持了原有Linux系統(tǒng)的主要優(yōu)點，如穩(wěn)定性好，出色的文件系統(tǒng)支持，完善的應用程序開發(fā)，升級方便。

　　該方案的軟件平臺架構如圖5。

　　                        圖5 軟件架構圖

　　在用戶應用程序中主要完成三種功能：錄像功能，拍照功能，以及錄像及照片的回放功能。

　　并且可以實現(xiàn)三種功能的實時的相互切換。如圖6所示。

　　                      圖6 系統(tǒng)用戶程序功能切換

　　在該方案軟件系統(tǒng)中還移植了U-boot進行系統(tǒng)引導與加載，提高了整個系統(tǒng)的運行效率。

　　為產(chǎn)品系統(tǒng)的升級服務提供了良好的支持。

　　結語

　　本系統(tǒng)已經(jīng)在中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院得到實現(xiàn)，可以進行MPEG4、motion-JPEG錄像，JPEG拍照，以及QuickTime格式的錄制；并實現(xiàn)了上述錄像，拍照在LCD及電視機上的回放功能。實踐證明，這種高性能，基于DSP及ARM雙核技術的解決方案，使得產(chǎn)品開發(fā)應用變得更加容易，而且使用的系統(tǒng)軟件可以隨時升級，可以按照用戶的要求進行定制，甚至做到DIY，為產(chǎn)品的盡快進入市場奠定了基礎。