一种数码相机成像和视频处理前端的设计

1、    摘要：针对数码相机的成像和视频处理前端，给出一种基于TI DSP技术的设计方案。详细介绍单芯片数字视频解码器TVP5040和单芯片影像处理器TMS320DSC系列DSP的图像功能单元CCD控制器的功能和特点，并给出二者的硬件连接和软件实现方法。 关键词：数码相机 TVP5040 TMS320DSC 系列DSP CCD目前，数字类消费电子产品的需求率增长惊人。在这些产品中，成像和视频类产品比重很大。在这些影像产品中，无论是数码相机还是内置数码相机的可拍照手机，或者其它数字成像和视频终端产品，都需要成像和视频处理前端与其协同工作。德州仪器公司（TI）

2、在推动新兴消费类产品的高级图像应用方面及时跟进，发布了目前业界性能最为卓越的基于数字信号处理器（TMS320DSC系列DSP）的解决方案。这种低功耗、完全可编程的DSP解决方案，使实时视频功能在成像终端上的应用成为可能。TMS320DSC系列芯片在一个单一器件中集成了两项功能：超低功耗的TMS320C5000用来进行实时媒体处理；一个ARM7TDMI RISC处理器以实现系统控制功能。可编程的硬件多媒体加速器可以进行并发性处理，以增强专用成像和视频性能。TI还提供了一系列成像和视频处理前端产品，可与TMS320DSC系列DSP进行无缝工作。TVP5031、TVP5040和TVP5145使用户能

3、够将模拟视频信号转换成TMS320DSC系列芯片可以处理的数字数据。1 数码相机的成像和视频处理前端数码相机市场通常被划分为高端（400万像素以上）、中端（330、210万像素）与低端（百万像素以下三种档次。针对不同的市场，大部分厂商会根据CCD和CMOS的差异而采取不同的解决方案，而采用TMS320DSC系列DSP的数码相机解决方案则可兼顾。从入门产品到最高级设计的整个相机系统或其它影像产品，都可由这个系列DSP的可编程能力而轻松实现，这是其优势之一。其次，成像和视频处理前端TVP5031、TVP5040和TVP5145的可编程能力，使得开发者可以通过更新的算法和标准来升级或更改模块前端的处

4、理。 一般来说，数码相机的成像和视频处理前端主要是镜头模块（包含CCD传感器、镜头和马达）与模拟前端电路（AFE）。本文所述的成像和视频处理前端与专用数字处理器TMS320DSC的接口设计如图1所示。驱动电路和时序生成器件产生CCD或CMOS所需要的时钟信号，模拟前端的作用是将图像传感器输出的模拟图像信号钳位放大，并完成A/D转换，这里采用TVP5040。TMS320DSC系列DSP含有图像处理和时序控制电路，通过I/O接口可以控制时序产生，通过CCD控制器可以正确接收垂直同步（VD）和水平同步（HD）信号。经过相关配置以后，DSP就可以接受TVP5040输出的CCD原始数据了。2 NTSC/

5、PAL数字视频解码器TVP5040TVP5040作为一款高质量单芯片数字视频解码器，可能很方便的将模拟视频信号转换成数字视频。它包括业界领先的2个10位高速2x过抽样A/D转换器。接受标准的NTSC/PAL制式的复合视频信号和S-Video信号输入，输出格式可以是8位、10位、16位或20位4：2：2（YcbCr）子采样格式，也可以是8位或10位ITU-RBT，656定义的标准输出（带嵌入同步）。采样可以是矩形像素或者遵循ITU-RBT.601协议。TVO5040利用德州仪器的专利技术，对那些微弱、不稳定的信号进行捕捉，并去除噪声。其三线互补自适应梳状滤波器，可以降低色度和亮度的交叉影响。利用

6、所支持的主机端口和接口I2C、3个并行主机接口（PHI）或VIP模式，可对视频特性，如色调、对比度和饱和度等进行编程操作。TVP5040产生同步、消隐、场和锁存信号，以及数字视频输出。同时，具有先进的垂直消隐区间数据恢复功能，内置FIFO可存储高达14行的图文电视数据。TVP5040主要包括以下模块：*模拟信号处理器和A/D转换器（AGC，AD）；*Y/C分离电路（Luma/Chroma separation）;*色度处理（chrominance processing）;*亮度处理器（luminance processing）;*时钟处理与节电控制；*输出格式化器（outputformatte

7、r）；*主机端口接口（interface）；*VBI数据处理器（VBI）；*增强型Macrovision检测（Macrovision detection）。 模块功能如图2所示。TVP5040由一组内部寄存器初始化并控制，它们设置所有的操作参数。为了能够正确设置寄存器的参数，主机在上电复位时，必须向TVP5040下载微代码，以使TVP5040的内部微处理器对内部寄存器编程。由于微代码较大，TVP5040提供了不同的主机端口接口，包括I2C端口（I2C Interface）、3个并行主机接口（PHI Interface）和视频端口接口（VIP Interface）用于下载和进一步的配置。主机接口

8、用于初始化内部微处理器，读写状态寄存器以及访问分片VBI数据（sliced VBI data）。这些接口模式是在上电复位或是组合使用GLCO、PALI和FID引脚复位时确定的。外部控制器通过标准的主机端口接口与TVP5040通信。TVP5040有一个内部微处理器，还有相连的100K的指令RAM。微处理器控制芯片的功能包括PLL操作、AGC、同步和寄存器配置等。这种可编程结构使得TVP5040可以利用更新的算法来提高性能。每次上电启动的时候都要下载用于内部微处理器的微代码。控制每行像素数的采样频率是不同的，这取决于视频格式和标准。TVP5040的视频端口输出格式时序如图3所示。其它还有水平、垂直

9、同步以及场同步信号的时序图，限于篇幅，就不一一列出了。3 TMS320DSC系列DSP的CCD控制器TMS320DSCX系列DSP的图像功能单元CCD控制器为CCD和CMOS图像传感器提供了必需的逻辑，对逐行和隔行扫描CCD或CMOS图像传感器给予了很好的支持。CCD控制器可以编程控制，有20个寄存器需要设置，由TMS320DSCX控制，能支持高达4096×4096像素的CCD。它有以下几部分功能：CCD接口、数字钳位、时序发生以及输出格式化，如图4所示。 CCD控制器采集处理CCD图像传感器的数据。CCD所需的A/D转换和时序生成由外部芯片提供。CCD时序生成器（CCD timin

10、g generator）可以向外部时序产生电路提供HD/VD信号，也可以接收外部传来的HD/VD信号并与其保持同步。CCD控制器最高可以处理12位宽的图像数据，可以支持高达30MHz的点时钟。这里采用TVP5040生成CCD控制器所需时序，并传送HD/VD、场ID和像素时钟信号。钳位电路（clamper）采样CCD黑像素的数字，然后每个像素的值都减去这个黑电平值。用户可以通过寄存器设置黑电平像素的位置，用于求黑像素的数量（8个或16个）。另外，也可以将黑电值设置成一个常数。输出格式化器模板（output formatter）提供反混淆滤波（anti-aliasing filter）、A-律压缩

11、和水平、垂直降采样。反混淆滤波由一个简单的三阶滤波器构成。A-律表压缩将10位以上的钳位后数据压缩成8位。最后是一个可编程降采样模板，从每8个像素中抽取N个像素。CCD控制器提供2个数据通道。在通过（passthrough）通道时，8、10、12位的像素值被保存到1个16位SDRAM字的高位，没有使用的低位填入0。数据存入SDRAM时，每次保存32位，即2个像素，其中左边的象素保存到32位的低16位。在数据压缩通道，图像数据的高10位被压缩成8位，然后每4个像素存入SDRAM的一个32位字。4 DSP与TVP5040的硬件连接及软件实现41 硬件连接考虑到TMS320DSCX的CCD控制器只能

12、接收12位宽的数据，在TVP5040端决定采用10位YUV 4：2：2的视频输出格式，则TMS320DSCX与TVP5040的硬件连接如图5所示。 由于TVP5040输出10位数据，所以本设计保留最高位，低两位接地或者悬空。TMS320DSC接收来自TVP5040的VD、HD以及场信号并与其保持同步。图像数据输入TMS320DSC系列DSP时，在输入点时钟的上升沿和下降沿被锁存，可通过寄存器DET设置。CCD控制器可以将数据直接存入SDRAM，也可以通过预览引擎（preview engine）Burst压缩单元将数据压缩后存入SDRAM。TVP5040输出的写信号（WEN）用于从CCD接口直接

13、将数据写入SDRAM，可通过EWEN位进行设置。当WEN信号为高读写位（RDWE），即位是“1”时，图像数据就载入SDRAM。需要注意的是，TVP5040必须外接14.31818MHz的晶振才能保持正常的工作频率。42 软件实现首先需要初始化TVP5040，将微代码通过TVP5040的I2C主机端口下载到微处理器中。Void TVP5040INIT(void)resetTVP(); /首先将TVP5040复位DELAYTIME； /延时，下载代码需要时序稳定MicrocodeDown(); /下载微代码RestartMicroprocessor();/下载完后，需要重新启动5040的微处理器TimerWait(5); /微处理器重新启动需要等待5msPatchTVPRegister(); /内部寄存器处于默认状态，需要重新设置然后需要设置CCD控制器以获取一帧图像数据并送入SDRAM。Void main()TVP5040INIT();/初始化TVP5040SdramInit(); /初始化SDRAMCCDCInit();/初始化CCD控制器CCDCSetLinePerFrame();/设置每帧图像的行数CCDCSet