車(chē)載低端圖像數據采集壓縮存儲及傳輸系統的實(shí)現

概述

在某些需要無(wú)人控制自動(dòng)監視的場(chǎng)合，采用常規的圖像監視系統具有一些不可避免的弊端，例如：設備體積于龐大、采購費用高、需要足夠的電源供應、無(wú)法重復錄制等等。尤其在不需要連續圖像采集的場(chǎng)合，常常無(wú)法采用常規的圖像監視系統。根據長(cháng)途汽車(chē)對上車(chē)人員進(jìn)行記錄的應用要求，開(kāi)發(fā)了一套基于EZ-USB的低端圖像數據采集存儲及傳輸系統。

本系統采用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7620作為采集芯片，Zoran公司的ZR36060作為數據壓縮芯片，Cypress的帶USB接口的單片機AN2131QC作為總控制芯片和USB數據傳輸芯片。由于長(cháng)途汽車(chē)的乘客上下車(chē)是非連續的過(guò)程，對圖像數據的保存要求就相對較低，因而采用Hynix的NAND閃存芯片HY27UA082G1M對圖像數據進(jìn)行保存。這樣不但減小功耗，還可以實(shí)現重復存儲，系統還包括用于圖像數據緩存的FIFO。

該圖像數據采集系統具有集成度高、傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，能夠彌補常規圖像監視系統的缺點(diǎn)，可望在低端的視頻圖像領(lǐng)域(如便攜式圖像系統)填補空白。

CMOS彩色圖像傳感器OV7620將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能，能夠消除噪聲、燈光閃爍等光電干擾，輸出清晰、穩定的彩色圖像。OV7620的功能特點(diǎn)包括：?jiǎn)涡酒?/3寸鏡頭，最大664×492像素分辨；I2C控制，標準SCCB接口；開(kāi)窗功能，局部圖像輸出；輸出RGB/RawRGB/YCbCr視頻信號；自動(dòng)曝光控制/自動(dòng)白平衡/自動(dòng)增益控制/自動(dòng)亮度控制；圖像質(zhì)量控制，包括顏色飽和度、銳度、伽馬校正等。

如圖1是OV7620的內部框圖，視頻圖像采集以后，通過(guò)模數轉換電路和控制處理后轉換為數字視頻信號輸出，視頻的控制時(shí)序由時(shí)序產(chǎn)生電路來(lái)生成，對外輸出的數字信號為圖像數據Y[7:0]和UV[7:0]。定時(shí)信號包括圖像時(shí)鐘PCLK、奇偶場(chǎng)信號FODD、行同步CHSYN、有效像素HREF、場(chǎng)同步VSYNC。由于它采用I2C的標準SCCB控制，可以采用單片機模擬SCCB總線(xiàn)，對圖像幀頻、曝光時(shí)間、增益控制、伽馬校正等進(jìn)行控制，還可以預設圖像的分辨率、采集區域等。

JPEG編解碼芯片ZR36060是專(zhuān)為視頻采集與編輯應用而設計的，可以方便地實(shí)現對視頻信號的實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮，其內部框圖如圖2所示。在進(jìn)行壓縮時(shí)，ZR36060接受YUV4:2:2數字視頻信號，將其編碼為JPEG碼流輸出；在解壓縮時(shí)，ZR36060接受JPEG碼流，將其解碼為YUV4:2:2數字視頻信號輸出?！?/p>

ZR36060具有以下特點(diǎn)：視頻壓縮和擴展功能，對像素塊和CCIR視頻信號可實(shí)現高達25～30幀/秒的壓縮；靈活的數據接口，支持三種YUV視頻接口模式，即8位主模式、16位從模式和8位從模式；提供同步主模式和同步從模式兩種視頻同步方式，前者是芯片內部產(chǎn)生所有的定時(shí)信號，后者則是芯片自己同步于一個(gè)外部的視頻源；3種不同的比特率控制模式用于靜止和運動(dòng)視頻的壓縮；可以和多種常用視頻解碼器實(shí)現無(wú)縫連接。

由于視頻圖像文件的數據量非常大，一副沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的8級灰度黑白視頻圖像的大小為664×492＝327KB。如果不對圖像進(jìn)行壓縮，其占用Flash存儲器的空間將非常大。因而利用ZR36060的特點(diǎn)以及可以很方便地進(jìn)行設置的特點(diǎn)，在本視頻采集設備上采用了該芯片。

AN2131QC是Cypress公司開(kāi)發(fā)的USB1.1協(xié)議的單片機，可以非常方便地開(kāi)發(fā)USB外設。AN2131QC具有51單片機的所有特點(diǎn)，而且速度更快，可以使用51單片機的通用指令集。采用EZ－USB芯片的系統設計無(wú)需考慮端點(diǎn)數量、緩沖區尺寸和傳輸速度的限制。每個(gè)芯片內嵌一個(gè)EZ—USB核，能處理絕大多數USB事務(wù)，大大簡(jiǎn)化了程序代碼，加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

如圖3所示，整個(gè)圖像數據系統由采集、壓縮、存儲、傳輸幾個(gè)部分組成。OV7620的設定是通過(guò)基于圖像的數碼相機串行總線(xiàn)SCCB，在A(yíng)N2131單片機中不能直接產(chǎn)生控制信號，所以必須利用AN2131QC的兩個(gè)引腳進(jìn)行模擬，圖4所示是其讀寫(xiě)傳輸的時(shí)序。為了節省空間，將OV7620的輸出方式設定為16位視頻總線(xiàn)，但只取其中[Y7：0]的灰度圖像數據、采集視頻的同步和圖像時(shí)鐘送往ZR36060。

圖像壓縮ZR36060使用視頻同步從、8位代碼主和8位視頻總線(xiàn)模式，即由單片機通過(guò)8位數據總線(xiàn)[DATA7:0]對其內部寄存器進(jìn)行工作方式設定(初始化)，視頻時(shí)鐘和同步由OV7620產(chǎn)生，ZR36060采樣同步信號與之同步，接受[Y7：0]的視頻灰度信號進(jìn)行壓縮，壓縮后的JPEG圖像由[CODE7:0]輸出直接送入FIFO中緩存。

NAND式FLASH有可能存在壞塊，這就要考慮物理地址和虛擬地址的對應問(wèn)題，所以建立了一個(gè)對應關(guān)系表，并存在FLASH的頭幾個(gè)塊中，該表不斷更新，隨壞塊的增加而變化，同時(shí)還記錄了數據的保存位置。這樣在初始化時(shí)，可以直接讀取圖像數據分配情況。為了記錄FIFO的數據，采用類(lèi)DMA的存儲方法。單片機先從[D7：0]口輸入命令和計算的地址的串行信號，然后發(fā)出命令使能FIFO的RE輸出并計數，當到達一頁(yè)的數量512個(gè)字時(shí)，重新上述輸入過(guò)程。

對采集和壓縮芯片初始化以后，就進(jìn)入對圖像數據壓縮的控制階段，并確保圖像數據保存在完好的FLASH數據塊中，延時(shí)時(shí)間到達時(shí)，將FLASH的圖像數據最舊的那個(gè)塊擦除，以確保下次保存時(shí)使用。圖像采集部分程序框圖如圖5所示。

系統功能介紹

將本系統安裝在長(cháng)途客車(chē)的上客處，當有人員經(jīng)過(guò)時(shí)，圖像和采集過(guò)程啟動(dòng)，并延時(shí)3s后停止采集，同時(shí)將采集的數據壓縮后送入FLASH中保存。經(jīng)過(guò)設定，圖像的分辨率為640×480，刷新率為15幀/秒，壓縮后每幀圖像為15KB左右的MJPG的圖像數據。每次采集的圖像為15K×3×15＝675KB，這樣兩塊256M×8Bit的FLASH可以記錄700～800人次的圖像數據，可以滿(mǎn)足本車(chē)載圖像采集系統的需要。