基于Blackfin的圖像處理解決方案

圖像是人類(lèi)獲取和交換信息的主要來(lái)源，因此，圖像處理的應用領(lǐng)域必然涉及到人類(lèi)生活和工作的方方面面。隨著(zhù)人類(lèi)活動(dòng)范圍的不斷擴大，圖像處理的應用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。遍布航天航空、醫療設備、通信工程、軍事安防、文化藝術(shù)等眾多方面。近年來(lái)，隨著(zhù)消費類(lèi)產(chǎn)品尤其是拍照手機、數碼相機、數碼攝像機等一系列數碼產(chǎn)品的問(wèn)世，這些視頻設備中蘊含的圖像信號處理功能也逐漸被人們所認知和關(guān)注。而伴隨近年來(lái)數字電視、IP攝像機、網(wǎng)絡(luò )攝像頭以及監控攝像頭這類(lèi)安防產(chǎn)品的迅速發(fā)展，更表明市場(chǎng)對智能監控需求的不斷增長(cháng)，這也是圖像信號處理技術(shù)不斷豐富和完善的過(guò)程。在這些圖像信號處理中，包括自動(dòng)對焦、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡以及顏色變換、背光補償等都是一些基本的圖像處理算法。

傳統的圖像信號處理是通過(guò)專(zhuān)用的圖像處理器完成的。而隨著(zhù)CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，也出現了將圖像信號處理(ISP)內置于CMOS圖像傳感器中的單芯片產(chǎn)品，這類(lèi)傳感器產(chǎn)品可借助其內部集成的功能模塊完成一些圖像信號處理的算法，包括自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、顏色變換等這些基本的算法。這類(lèi)ASIC產(chǎn)品的出現曾一度頗具爭議，因為雖然將ISP內置于傳感器中具有降低功耗和節省占用面積的優(yōu)點(diǎn)，但單就手機應用而言，從成本來(lái)講，將ISP集成在傳感器上的成本比ISP集成在移動(dòng)多媒體處理器或基帶上要高很多。隨著(zhù)傳感器分辨率的提高，越來(lái)越多的傳感器將只整合輸出數字信號所必需的電路，而將圖像處理及壓縮等功能集成于移動(dòng)多媒體處理器或基帶中。而從成像質(zhì)量來(lái)看，在移動(dòng)多媒體處理器中集成功能強大的圖像處理功能效果更佳，而且此趨勢隨分辨率的提高會(huì )愈加明顯。所以業(yè)界一直有ISP與CMOS傳感器將背離集成的趨勢預言。但從近年來(lái)的CMOS傳感器供應商推出的新產(chǎn)品線(xiàn)來(lái)看，這一預言未能兌現。因為我們看到，不斷有一線(xiàn)的CMOS傳感器供應商如Aptina、OmniVision推出最新的內置ISP的CMOS圖像傳感器單芯片產(chǎn)品，并在不斷完善其功能、擴展其應用領(lǐng)域。目前已推出的這類(lèi)單芯片產(chǎn)品除擁有包括曝光控制、伽瑪校正、白平衡、色彩飽和度調節以及灰度控制等多種圖像處理功能外，還可提供出色的低照度性能，在夜視環(huán)境下還具有優(yōu)異的近紅外響應性能，能為攝像頭制造商提供更完善的自動(dòng)白平衡和自動(dòng)曝光功能，圖像性能毫不遜色。一系列優(yōu)異性能使其已由最初的拍照手機、數碼相機、數碼攝像機應用逐漸發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )攝像頭、監控攝像頭等新興安防產(chǎn)品領(lǐng)域，其擴張態(tài)勢仍在繼續，大有星火燎原之勢。

應該說(shuō)在數碼相機等追求小巧輕薄的消費類(lèi)產(chǎn)品應用中，內置ISP的CMOS傳感器存在一定的競爭優(yōu)勢，低功耗和小面積的表現以及隨生產(chǎn)規模而不斷降低的成本使其成為眾多應用廠(chǎng)商的寵兒。在這同時(shí)我們要看到，這種內置ISP的CMOS傳感器方案目前還只能完成一些不太復雜的算法，而隨著(zhù)智能化要求的不斷提高，消費類(lèi)產(chǎn)品，尤其是視頻監控等安防產(chǎn)品都要求更高的視頻處理功能，也就要求更復雜的算法，而復雜的算法對主芯片的處理能力提出更高的要求。如傳統上許多監控攝像機基于像素分辨率為NTSC(352×240)或PAL(352×288)的準普通媒體格式(CIF)，同時(shí)在壓縮格式方面主要采用了不太復雜的M-JPEG格式，從而對DSP處理性能要求不高。但是隨著(zhù)視頻監控市場(chǎng)的迅速發(fā)展，人們期待更高的圖像清晰度和更高的幀率。在分辨率方面，業(yè)界期待D1(704×576)或者更高的解析度;在編解碼方面，則期待采用復雜的MPEG-4壓縮格式。同時(shí)，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的發(fā)展，當DVR、DVS或者IP攝像機作為網(wǎng)絡(luò )終端時(shí)，還需要考慮如何在傳輸過(guò)程中占用更少的帶寬，因此MPEG-4正在向壓縮比更高的H.264和AVS的編碼格式演進(jìn)。而這些更為先進(jìn)的視頻信號分辨率和壓縮格式則會(huì )大大提高對核心處理器中處理能力的需求。除了強大的處理能力之外，還需要處理器平臺提供足夠的靈活性。從目前來(lái)看，在壓縮格式方面雖然H.264最受業(yè)界青睞，有望成為未來(lái)幾年的的主流。但是，由于M-JPEG、H.263、MPEG4和H.264等編解碼算法各有優(yōu)勢，再加上市場(chǎng)需求的多元化，這些標準將會(huì )在一段時(shí)間內共存。要使方案具有競爭力，必須對盡可能多的標準給予支持。同時(shí)，媒體處理格式和算法也在不斷更新，當更為先進(jìn)的算法出現時(shí)，工程師希望只需在原有解決方案基礎上進(jìn)行基于軟件的簡(jiǎn)便的升級，而不是重新設計。同時(shí)，視頻監控又有其對保密性等安全技術(shù)的特殊要求，無(wú)論是商業(yè)還是家庭應用，設備本身都存在著(zhù)被非法侵入和黑客攻擊的威脅，要充分保障設備的安全性對產(chǎn)品設計無(wú)疑是很大的挑戰。在這時(shí)，內置ISP的單芯片CMOS傳感器產(chǎn)品就顯示出先天不足的缺點(diǎn)，因其尚不能完成如此復雜的功能，而要配備單獨的圖像處理器才能滿(mǎn)足要求。ASIC雖然具有成本優(yōu)勢，但是在應對媒體格式、算法的改進(jìn)和升級方面則具有天生的弊端，在音視頻標準不斷演進(jìn)以及算法不斷改進(jìn)的視頻監控市場(chǎng)，ASIC顯得遜色很多。

在這里，傳統的處理器供應商如ADI、TI、NXP等具有不可替代的競爭力。其中ADI公司專(zhuān)為滿(mǎn)足當今嵌入式音視頻和通信應用的計算要求及功耗約束條件而設計的新型嵌入式處理器Blackfin系列以其突出的性能表現而格外搶眼。

Blackfin系列處理器在圖像處理方面有其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，包括：

可以升級到最新的視頻標準，向用戶(hù)提供處理所有現有標準和未來(lái)標準的能力;

動(dòng)態(tài)電源管理。所有的 Blackfin 處理器均采用了多種節能技術(shù)。Blackfin 處理器基于一種選通時(shí)鐘內核設計，可按照逐條指令來(lái)選擇性地切斷功能單元的電源。還支持多種針對所需 CPU 動(dòng)作極少(或根本不需要 CPU 動(dòng)作)期間的斷電模式。該處理器還支持一種自含動(dòng)態(tài)電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進(jìn)行獨立控制，以滿(mǎn)足正在執行的算法的性能要求。這些轉換可以在一個(gè) RTOS 或用戶(hù)固件的控制之下連續出現。大多數 Blackfin 處理器都提供了片上內核穩壓電路，并可在低至 0.8V 的電壓條件下工作，因而特別適合于需要延長(cháng)電池使用壽命的便攜式應用;

具有高性能處理器內核。該處理器架構基于一個(gè)10級RISC MCU/DSP流水線(xiàn)和一個(gè)專(zhuān)為實(shí)現最佳代碼密度而設計的混合16/32位指令集架構，該架構很適合于高密度、大運算量的圖像處理系統;

高帶寬的DMA。圖像處理系統需要對大量的圖像數據進(jìn)行處理，這涉及到內存數據存取，采用Blackfin的二維DMA控制器可以實(shí)現自動(dòng)數據傳輸，大幅度減少處理器的內核開(kāi)銷(xiāo);專(zhuān)用的視頻指令集，圖像處理中存在大量的視頻像素處理，Blackfin處理器具有專(zhuān)門(mén)為8位視頻數據以及常用的視頻像素處理算法設計的指令集，大大提高了處理速度;