引言
目前，交通監控應用系統大多以緊急報警、車輛定位與語音通信為主，圖像方面的應用不多。本文正是基于這樣的考慮，設計了車輛圖像采集與處理系統。該系統采集車后方的圖像信息，實時地傳送給前方的顯示屏顯示，司機可通過顯示屏實時觀測后方路面及車輛狀況，倒車時可以及時發現后方障礙物及行人，安全避讓。
實時圖像采集處理系統的組成及工作原理
本系統由模擬攝像頭采集視頻數據，通過視頻解碼芯片將模擬視頻信號轉換為數字視頻信號。CPLD作為采樣控制器，完成數字視頻數據的存儲和時序控制。本設計選用TMS320C6416實現系統控制和數據處理。具體組成如圖1所示。
圖1 實時圖像采集處理系統組成框圖
視頻采集
模塊
圖像的輸入由模擬攝像頭完成(本系統選用黑白攝像頭)。攝像頭輸出為標準的復合視頻信號(CVBS)，該信號必須經過視頻解碼和A/D變換后進入數字系統才有效。由于模擬視頻信號非常復雜，除了包含圖像信號之外，還包括行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號等。因而，對視頻信號進行A/D轉換的電路非常復雜。本設計選用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146完成從模擬到數字視頻的轉換。TVP5146允許10路模擬視頻輸入，具有4路10bit 30MSPS A/D 轉換器；場同步信號VS，行同步信號HS，奇偶場信號FID，時鐘輸出信號DATACLK等都由引腳直接引出，省去同步時鐘電路的設計。
基于DSP的圖像處理模塊
實時圖像處理系統設計的難點是如何在有限的時間內完成大量圖像數據的處理。只有圖像處理系統的處理速度達到每秒25 幀以上時才能達到實時的效果，所以在系統設計中，處理器是關鍵，要求處理器運算速度快、實時處理能力強，并且還具有高速的存儲器及I/O存取能力。本設計選用TMS3206416DSK作為視頻信號處理系統。TMS3206416DSK是一個低成本的開發平臺，用戶可以根據功能需要擴展硬件設計，便于硬件開發，縮短設計時間。
CPLD控制模塊
TMS320C6416DSK 板上含有一片 CPLD，它主要實現系統的邏輯控制和存儲器地址解碼功能。本設計仍需一片 CPLD 完成視頻存儲及顯示的時序控制，選用 Altera公司的EPM7064ATC100 來完成上述功能，它的工作電壓是3.3V，具有64個邏輯單元，68個I/O 可用引腳，引腳間 4.5ns延時，其最高的時鐘頻率為 222.2MHz。該器件基于EEPROM 結構，可以通過 JTAG 接口現場編輯內部的結構邏輯，編程語言為 VHDL。數字視頻信號輸出時序如圖2所示。
數字視頻信號按圖2所示時序輸出。以 NTSC 制為例，圖中 Y[9：0]為輸出的亮度視頻信號，DATACLK 為行鎖定系統的輸出時鐘，為像素時鐘頻率的兩倍，即27MHz，用來同步數據采集，HS 為行同步信號，VS為場同步信號，VBLK 為場消隱信號，FID為奇偶場信號。HS 的高電平表示一行有效采樣點720個，VS 的高電平表示一場有效信號,對于 NTSC制信號，單場為243行,奇偶場信號 FID 為“1”時，表示當前為奇數場, 為“0”表示偶數場。
圖像存儲模塊
為了實現圖像的實時采集與處理，往往需要視頻的輸入轉換和圖像處理并行進行。傳統上實現數據采集與處理同步的方法有：使用 FIFO 存儲器；使用雙口 RAM；使用雙/單口RAM 交替切換存儲數據。考慮到圖像處理系統需要處理的數據量太大，而且 FIFO 存儲器和雙口 RAM 的價格因素，本設計使用高速雙/單口 SRAM 交替切換存儲數據的方法。一幀圖像容量為 720×486=349.92K像素，選用 512K×8bit的高速SRAM。TVP5146 對亮度信號的采樣頻率是13.5MHz，2次寫入的數據間隔是74ns，可以選擇 Cypress公司的 CY7C1049CV33(512K×8bit，12ns，3.3V)來完成數據儲存。
兩幀的切換由CPLD設計的幀存控制器自動實現。當幀A存儲TVP5146輸出的數據時， DSP讀取并處理幀B的數據，完成處理后送往液晶顯示。在幀A存滿一幀數據，處理器也處理完幀B數據并完成一幀圖像顯示后，由CPLD 構造的乒乓開關轉換兩個接口，DSP開始從幀A里讀取數據進行處理，這樣，兩幀輪換進行，實現了采集與處理顯示的并行操作。
本設計采用場合并行法，將兩場的數據寫入一個幀存中。系統利用 VS 信號對此進行控制。當 VS 信號有效時
，表明新的一場開始了，此時無效行計數器開始工作，控制不需要采集的圖像行，計數到閾值后，有效行計數器開始工作，控制所要采集的圖像行，并發出高位地址信號 A[18..11]；同樣，當 HS 有效后，無效像素計數器開始計數每行中的無效像素，然后有效像素計數器開始計數需要采集的行有效像素；每次計滿720個像素后，等待下一次有效行信號的到來，同時將有效行計數器加1。由于系統選用的幀存容量較大，因此利用 FID 的反相信號作為幀存地址的 A10，為每行圖像提供了1024個存儲空間(實際使用720個)，可以簡化數據寫入與讀出的控制電路。隔行的視頻信號就會被逐行地存儲到幀存體中。
圖3所示為 CPLD 編程構成幀存儲器和視頻采集控制器。視頻采集控制器根據 TVP5146的同步信號 DATACLK、HS、VS 在內部產生對幀存儲器的地址信號 A[18:0]、寫信號 WR以及幀切換信號 RDY1、RDY2。幀存控制器根據切換信號 RDY1、RDY2 進行接口轉換：當一幀圖像存入幀存儲器時，幀切換的兩個必要條件之一RDY1置為高電平，RDY2在DSP處理完一幀圖像并送出顯示后置為高電平，當兩者同時為真時，切換兩通道的連接，開始新一輪圖像處理過程，同時RDY1、RDY2復位，為下一次切換作準備。TMS320C6146DSK 外擴SDRAM共 4M×64bit的容量，為2片 MT48LC2M32B2，用來作為DSP處理后送往液晶顯示前的視頻數據緩存。
圖像顯示模塊
本設計選用 EPSON 的 E35G23 圖形顯示模塊，320×240 像素，帶有行列驅動電路以及背光電路，16級灰度顯示。系統采用 CPLD 構成液晶顯示控制器，應用 CPLD 產生幀同步信號及掃描時鐘信號。VFRAM 為幀同步信號，標志著 LCD 屏新一幀的圖像開始，每一幀中包含240個 VLINE 信號。在幀標志信號 VFRAM 有效后產生行同步信號，讀數據緩存區，在像素時鐘 VCLK 的控制下,將數據寫入 LCD，每一行包含320 個 VCLK 信號，完成一幀數據的寫入。
結語
本文以高速 DSP TMS320C6416 為核心處理器，應用 TVP5146 完成模擬視頻信號的數字化轉換，CPLD 完成系統的時序控制，采用雙/單口 SRAM 交替儲存采集的視頻數據，DSP 處理完數據后送往SDRAM緩存，最后將數據從緩存讀出并送往液晶屏顯示，實現視頻數據實時采集處理顯示。本系統是基于車輛視頻監控而設計的，將對減少交通事故起到良好作用。