基于TMS320DM270平臺的數碼攝像機的設計與實(shí)現

　　21世紀是數碼時(shí)代，數字類(lèi)消費產(chǎn)品的需求量正在進(jìn)行著(zhù)驚人的增長(cháng)。在這些產(chǎn)品中，視頻類(lèi)產(chǎn)品的比重相當的大，在人們的日常生活中越來(lái)越普及。在這些產(chǎn)品中，無(wú)論是數碼攝像機，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(zhù)此類(lèi)產(chǎn)品的成本，性能，市場(chǎng)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(zhì)量更高的數字視頻和影像內容，面向像素數為300萬(wàn)至500萬(wàn)像素的數碼相機、數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(lái)處理非成像功能，用作整個(gè)系統的主控制器，DSP處理音視頻編碼，同時(shí)還集成了專(zhuān)門(mén)用于執行DCT、反向DCT以及眾多其它處理運算中的運動(dòng)估計與補償的圖像處理引擎(iMX)，以及可變長(cháng)編解碼器(VLCD)。

　　而且TI還提供了一系列音視頻芯片，可與DM270進(jìn)行無(wú)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(zhuān)門(mén)的MMC/SD控制器，進(jìn)行外部MMC/SD卡的擴展功能，為大容量數據的存儲提供了方便，以及OSD(on screen display)模塊，可以直接外接顯示設備(LCD、TV)。

　　基于DM270的數碼攝像機基本系統框架如圖1所示。

圖1  本方案系統框架圖

　　方案設計

　　從圖1可以看出，整個(gè)系統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(jìn)行數據的采集，進(jìn)入CPU后通過(guò)預處理，再進(jìn)行視頻數據的壓縮保存。


圖3視頻回放數據流


圖4 McBSP與AIC23的接口

　　·視頻采集和輸入

　　在DM270中有一個(gè)CCD可編程控制接口，可以方便的把標準的CCD(CMOS)數據接入到系統內部，而且為CCD圖像傳感器提供了必要的時(shí)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(kāi)發(fā)的系統中采用OV7620的CMOS攝像頭，輸出YUV數據直接進(jìn)入系統。芯片內部還有硬件的3A模塊來(lái)自動(dòng)調節鏡頭的聚焦。另外，DM270中有預覽引擎(preview engine)，可對CCD數據的圖像進(jìn)行增強，自動(dòng)白平衡和各種尺寸的縮放。這樣大大減少了CPU對數據的初級處理壓力。

　　·視頻壓縮

　　DM270支持VGA分辨率下的MPEG4 30fps實(shí)時(shí)編解碼，而且支持多種視頻壓縮標準，如JPEG，motion-JPEG，H.263等?？梢詾閿荡a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(jìn)行DCT、運動(dòng)估計 (補償)、插值運算。VLCD模塊完成碼流編碼。在筆者開(kāi)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(shí)時(shí)壓縮編碼及解碼后通過(guò)LCD顯示。

　　此外，除了視頻圖像外，還可以實(shí)現數碼拍照的功能，進(jìn)行JPEG圖片的拍攝。在筆者開(kāi)發(fā)的平臺中可以實(shí)現2048*1536的JPEG圖片。

　　·視頻輸出顯示

　　數碼攝像機必須具備回現功能，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數據或JPEG圖片，解碼后的YUV數據通過(guò)OSD實(shí)現回現功能。其數據流如圖3所示。

　　OSD模塊具有4個(gè)圖像層(兩個(gè)YUV的video層和兩個(gè)位圖層)，可以方便的實(shí)現圖層的層疊混合?？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(hù)調節系統參數。

　　音頻模塊

　　從圖1可以看出，音頻數據直接輸入到DM270中的DSP進(jìn)行處理。

　　·音頻采集與輸入

　　DM270內部的DSP是5409，有兩個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP)模塊，用于音頻的采集接口。在筆者開(kāi)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(jìn)行可編程的增益調節。AIC2模數及數模轉換都高度集成在芯片內部，而且采用先進(jìn)的Sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)，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。為數碼攝像機的聲音錄放音質(zhì)，提供了保證。而且AIC23與DSP內部的McBSP可以進(jìn)行無(wú)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(shí)現多種語(yǔ)音壓縮編碼、解碼。下面的表格是幾種語(yǔ)音編碼方式的比較。

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

　　在筆者開(kāi)發(fā)的平臺上，分別實(shí)現了G.711與G.726算法及QuickTime文件的錄放功能。

　　系統軟件設計

　　在筆者開(kāi)發(fā)的系統中，因為DM270的ARM核為ARM7TDMI，沒(méi)有內存管理單元(MMU)，所以采用uClinux作為嵌入式操作系統同標準的Linux相比，uClinux最大的特點(diǎn)在于不具有MMU，因此很適合那些沒(méi)有MMU的處理器。由于uClinux的內核是由Linux根據所要運行的CPU裁減、修改而來(lái)。它保持了原有Linux系統的主要優(yōu)點(diǎn)，如穩定性好，出色的文件系統支持，完善的應用程序開(kāi)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(hù)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(shí)現三種功能的實(shí)時(shí)的相互切換。如圖6所示。


圖6  系統用戶(hù)程序功能切換

　　在該方案軟件系統中還移植了U-boot進(jìn)行系統引導與加載，提高了整個(gè)系統的運行效率。

　　為產(chǎn)品系統的升級服務(wù)提供了良好的支持。

　　結語(yǔ)

　　本系統已經(jīng)在中國農業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院得到實(shí)現，可以進(jìn)行MPEG4、motion-JPEG錄像，JPEG拍照，以及QuickTime格式的錄制；并實(shí)現了上述錄像，拍照在LCD及電視機上的回放功能。實(shí)踐證明，這種高性能，基于DSP及ARM雙核技術(shù)的解決方案，使得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應用變得更加容易，而且使用的系統軟件可以隨時(shí)升級，可以按照用戶(hù)的要求進(jìn)行定制，甚至做到DIY，為產(chǎn)品的盡快進(jìn)入市場(chǎng)奠定了基礎。

　　參考文獻：

　　1．  TI.TMS320DM270 CPU and Peripherals Technical Reference Manual Version 1.3，2003.2

　　2．  韓春雷，王庫，馬健，一種數碼相機成像和視頻處理前端的設計，2004.9

　　3． 《TLV320AIC23B Datasheet》，Texas Instruments，2002