嵌入式视频采集系统的实现方法研究

【摘要】本文将主要介绍嵌入式视频采集系统的实现方法，并在论述各系统主要特点的基础上，指出嵌入式视频采集系统的发展方向。

【关键词】嵌入式系统；视频采集；

中图分类号：TN94文献标识码： A

一、引言

伴随世界范围内计算机技术和多媒体网络通讯技术的蓬勃发展，作为视频系统的重要组成部分之一，嵌入式视频采集和视频信号处理已经成为我国计算机领域的研究热点问题。这也主要是因为在远程教学系统、远距离诊断系统、视频会议系统等场合中，对视频采集速度、图像质量、传输方式等都有更好的要求。

二、视频采集系统概述

所谓视频采集（Video Capture）就是把模拟视频信号转换为数字视频信号的过程，具体实现就是通过专用的模拟、数字转换设备，将诸如摄像机、电视机等设备输出的模拟视频信号转换为二进制数字信号，并将其保存下来。这里所说的转换设备一般指的就是视频采集卡，目前这种卡的级别有家用和专业两钟。一般家用采集卡只能进行简单的视频采集，没有专门的硬件级的视频压缩功能，部分家用家用级的视频采集卡具有比较初步的硬件级压缩功能。而对于专业级的视频采集卡，除了视频采集功能外，可以实现对视频的硬件级压缩和编辑。

视频采集系统可以为各种图像处理算法提供待处理的原始数字图像和算法验证平台，随着人们对视频图像需求的激增和各种图像和视频新的压缩标准相继提出，如 H.263、H.264、MPEG2、MPEG4 和 JPEG2000 等，对高性能视频采集系统的研究将成为一个热点。按系统的处理器不同，嵌入式视频采集系统大致可分为三类：第一类是基于专用视频图像芯片的视频采集系统；第二类是基于 DSP（Digital Signal Processing）的视频采集系统；第三类是基于 PC 的视频采集系统；

三、嵌入式视频采集程序的设计与实现

1、基于SAA7111与ADV601的视频采集编解码系统

基于SAA7111与专用图像编码芯片ADV601构成的视频采集编解码系统的框图1所示。该系统完成视频图像的实时采集、压缩、解压缩、输出和传输等功能。

图1SAA7111&ADV601构成视频采集编解码系统框图

（一）视频A/D采样电路

在图1所给出的视频采集系统中，视频的采样选用可编程视频输入处理芯片SAA7111该器件采用CMOS工艺，包含4路模拟视频输入通道，通过1=C总线主机可以方便地对该器件实现初始化。SAA7111的内部可以实现模拟通道的选择并可对输入视频进行抗混叠滤波，它内部包含两个8位的A/D转换器，同时该芯片还实现了自动钳位、自动增益控制(AGC )、时钟产生和多制式解码，另外它对亮度、色度和饱和度也在片内进行控制。芯片的最大特点在于仅需一个24-576 MHz的晶振就可满足所有视频标准的应用，片内实现制式的自动检测。该器件可广泛应用于数字电视、图像处理、可视电话及多媒体等领域。

（二）小波视频压缩/解压缩芯片ADV601

在该系统中采用了AD公司的小波视频压缩/解压缩专用芯片ADV601，用于对视频解码器输出的YCrCb数据进行实时压缩/解压缩，其特点如下:

(1)高集成度CMOS器件；

(2)采用小波压缩算法；

(3)包含一个完整的视频接口和主机接口；

(4)Squix-e Pixel和C C1R-601采样率用于PAL.NTSC；

(5)附加DRAM接口支持4 MbDRAM。

（三）系统原理

在图1所示系统中，视频输入可以是PAL制或NTSC制的模拟视频信号，输入的视频信号的制式由SAA7111自动检测，SAA7111主要完成对视频输入信号的A/D转换功能，同时分离出行、场同步信号，并提供27 MHz的系统时钟输出;SAA7111输出的YUV数据直接输入到编码器ADV601，按MPEG-2标准完成数据的实时压缩;压缩后的数据通过数据总线送入ADSP2185，在系统中DSP的主要功能是完成各芯片的初始化、时序控制以及数据的存储和转发功能;对于视频输出部分，由ADSP2185将来自前端的压缩数据或者来自RS-232串口的数据送至另外一片ADV601，这里ADV601完成数据的解压缩功能;解压缩后的数据送入一片D/A转换器件ADV7175，由它可以直接提供全电视信号输出以及S端子输出。

2、基于DSP的视频采集系统

（一）基于DSP的视频采集系统的基本构成

基于DSP的视频采集系统要求对视频信号具备采集、实时显不，对图像的处理和分析功能。因此，一个视频采集系统通常可由如下五部分构成:视频图像的采集、视频图像的显不输出、各种同步逻辑控制、视频图像的分析和处理、视频数据的存储。因此，对于视频采集系统的基本构成可用图2所不框图描述

图2视频采集系统的基木框图

（二）基于DSP的视频采集系统

图3给出了基于TMS320DM642与TVP5150构成的视频采集系统，TMS320DM642可以直接和视频编解码器接口，该系统可同时完成四路视频图像的实时采集、传输以及各种视频压缩算法和图像处理算法的实现，根据不同的应用，可以编制不同的图像处理程序。TMS320DM642有自己的图像处理库函数，可以实现各类图像处理算法。因此，该系统具有更大的灵活性与通用性。

图3基于TVP5150与DSP的视频采集系统

（三）系统原理

图3系统其主要功能是完成视频图像的采集、处理、存储和传输。系统的视频输入可以是NTSC ,PAL和SECAM制式的任何一种，或者采用S端子输入。TVP5150完成视频信号的A/D转换，为后续处理提供数字视频数据，同时它还分离出行、场同步信号并输出系统时钟供视频D/A芯片和FIFO使用。TVP5150的输出格式包括4:2:2 ,4:1:1 ,4:2:0和4:1:0等四种YUV格式输出，数据输出格式是通过I2C总线编程来选择的，TVP5150的内部寄存器初始化也通过I2C串行接口来完成。对于不同的输入制式、不同的采集要求和不同的处理要求，其帧缓存要求是不相同的，如对于PAL-D制ITU-R BT.601视频输入，采样后按4:2:2格式输出，一帧数据为720x576x2=0.83Mbyte，若缓存三帧图像，则需要3Mbyte空间的采集帧缓存，若按4:1:1格式输出，则只需2Mbyte的帧缓存。系统可选择8Mx32-bit的SDRAM在系统中即作为采集帧缓存和处理后的数据帧缓存，也可作下载程序的存储器使用。系统提供串行接口，可与外部设备进行通信和传输图像数据。其中Xilinx Xc2s300 FPGA实现以下四点功能:

(1)完成系统中视频采集和输出部分的同步信号和消隐信号的控制，其中主要包括TVP5150和SAA7121的行同步信号、场同步信号、消隐信号;

(2)将部分逻辑单元设计为FIFO作数据缓存，完成外接FIFO的同步读写控制，承担TVP5150与DSP的数据传送工作;

(3)作PCI总线控制器，完成TMS320DM642与计算机的数据通信工作以及从计算机加载各种图像处理算法;

(4)对TVP5150输出的数字图像进行预处理，其中主要包括图像数据的色度空间转换如YUV到RGB的转换，数据格式转换如将4:2:2转换为4:2:0 ;

(5)作数据总线接口，实现数据的驱动传输等功能。

TMS320DM642在系统中是各类算法实现的核心器件，根据不同的应用场合，可以编制不同的算法处理程序，使得该系统具有了很强的灵活性与通用性。值得强调的一点是为了便于操作系统中的其它外设，在该系统中，TMS320DM642的外部存储器接口控制寄存器必须配置为优先使用外部存储器模式。

3、基于PC机的视频采集系统

基于PC机的视频采集系统最为普遍的就是基于视频采集卡获取数字化视频信息，并将其存储和播放出来。其系统框图如图4所示。视频采集卡的接口包括视频与PC机的接口和与模拟视频设备的接口，通常为复合视频接口或者为S端子。考虑到系统的实时性，个别视频采集卡还提供了硬件压缩功能，采集速度较快，可达30 f/s。视频采集卡的输出对象通常为PC机监视器，也有一些视频采集卡同时提供BNC接口可直接输出到普通VCR监视器。基于PC的视频采集通常采用32位的PC1总线接口，以插卡的方式实现与PC机通信与数据传输。

通过运行相应的PC程序可以实现视频的采集、显示与存储，通常通过视频采集卡采集的数据其容量较大，对于不同的应用还需要运行相应的处理程序，但是基于PC的算法程序通常处理时间较长，很难实现实时的图像处理应用。

四、结束语

综上可见，作为视频监控系统的输入源，其视频采集的性能的好坏将在很大程度上影响整个视频监控系统的质量。通过本文的研究，能够最终解决当前一般视频采集中所出现的诸多问题，对于科学设计和建设嵌入式系统及日常开展教育教学工作都有着积极的意义。

参考文献

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