摘 要： 介绍了一种利用CCD摄像头、SAA7111视频解码芯片、高速可读写存储器SRAM,基于DSP与CPLD的图像采集与处理系统。系统完成了图像的快速采集、存储及数据处理。文章详细论述了系统的总体结构、部分硬件设计，简要叙述了相应图像算法的实现方法。给出了系统实例和实验结果。
　　关键词： DSP；图像采集；图像处理；边缘提取

　　图像采集处理系统大都基于摄像机、图像采集卡和计算机，图像理解和处理算法全部以软件方式实现。这是因为实时数字图像处理信息量和计算量大，而大多数采集卡基于成本考虑没有处理器和大容量的存储器，绝大部分任务必须依靠计算机来完成。但是，这种计算机参与的系统在工业或军事等复杂环境下应用极为不便。基于这种要求，许多专用图像处理系统应运而生^[1]。
　　随着数字图像处理系统在当今工业及医疗领域的应用日益广泛，对图像处理系统的实时性和准确性也提出了更高的要求。而一个完整的视频图像处理系统不但要具备图像信号的采集功能，还要求能对图像进行实时显示，且要求完成图像信号的分析及处理算法。通常这些算法的运算量大，同时又要满足实时显示要求。DSP芯片以其适应于高速数字信号处理的内部结构，在图像处理领域得到不可替代的地位。
1 系统的结构框图
　　本系统采用CCD摄像头、视频解码芯片SAA7111、CPLD、高速可读写存储器SRAM、AL250、缓冲器SN74LVC16245及数字信号处理器DSP等核心部件。由于采集的是一幅静态图像，所以选择了TI公司C54X系列的TMS320VC5416作为系统的核心处理器。系统框图如图1所示。

　　系统采用主从结构，其中单片机是主机，主要负责系统工作的协调及利用I2C对SAA7111及AL250初始化。DSP作为从机，主要完成图像的算法处理。这样，在充分发挥单片机在任务调度方面优势的同时，也发挥了DSP在数字信号处理方面的优势，可以专注地完成图像处理，使系统的效率达到最优。CPLD是用来最终完成图像采集的器件，实质上起到了总线控制器的作用，通过编写的VHDL程序实现系统要求。
　　图像采集是通过CCD图像传感器采集一帧PAL制的视频图像，利用视频解码芯片SAA7111将它转化为数字视频数据，通过CPLD将图像数据存储到SRAM中，DSP通过CPLD将数据从SRAM中读到内部数据存储器中，然后对其进行算法上的处理，再把经过处理后的数据又存储到SRAM中去。通过AL250将YUV格式的数字视频图像数据转换成RGB格式的数字视频数据，在CRT显示器上显示。
2 系统硬件
　　DSP主要应用在图像算法的实现上。系统选用TI公司C54系列的TMS320VC5416芯片。它的程序ROM为16 K字，RAM为128 K字，1个并行口，3个多通道缓冲串口，设备电压3.3 V，核心电压1.6 V，指令周期为6.25ns^[2]。
2.1 系统前端图像采集
　　图像获取模块处于系统最前端，其性能的优劣将直接影响整个系统视频图像信号的质量。因为本文还要对采集的图像做后期处理，对图像的成像质量要求比较高，所以采集设备选用CCD摄像头。
　　由于CCD的视频输入信号是PAL制模拟信号，所以需要视频解码芯片将模拟信号转换成数字视频信号数据，通过解码芯片对其进行解码,变成可编程的数字信号。
　　SAA7111是Philips半导体公司生产的一种视频输入处理器,在视频采集系统中,通常需要这类的视频解码器作为视频前端。将PAL制式的模拟视频信号转换为YUV格式的数字图像信号输出。它采用CMOS工艺，其功耗小、电压低、体积小、温度适应范围广，具有以下特点：
　　(1)四路模拟输入信号通道，如(4*CVBS，2*Y/C)或者(2*CVBS，1*Y/C)；
    (2)所有不同的制式标准只需同一频率的晶振(24.576 MHz)；
　　(3)自动进行50/60 Hz场频的检测，自动进行标准PAL制式和NTSC制式之间的转换；
　　(4)具有实时状态信息输出；
　　(5)数据输出格式多样，具体格式如下：4:1:1的YUV格式(12位)、4:2:2的YUV格式(16位)、4:2:2的YUV格式[按照CCIR—656标准](8位)、5:6:5的RGB格式(16位)、8:8:8的RGB格式(24位)；
    (6)可通过I²C总线接受外部控制器的完全控制。
    在本系统中，将图像解码后的输出数字视频数据设计为YUV422（16 bit）格式，分辨率为768×625，每行的有效数据为720个像素点，每个像素点占用16 bit的存储空间。其中每个像素点包含一个亮度信号(Y)，两个色差信号(U分量、V分量)。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。以四个像素点为例，解码后产生的YUV422的格式数据与其原图像数据及其显示图像数据如下：
　　原图的四个像素为：[Y0 U0 V0] [Y1 U1 V1] [Y2 U2 V2] [Y3 U3 V3]
　　YUV422存放的码流为：Y0 U0 Y1 V1 Y2 U2 Y3 V3
　　映射出的四个像素为：[Y0 U0 V1] [Y1 U0 V1] [Y2 U2 V3] [Y3 U2 V3]
　　SAA7111在将视频信号解码的同时，另外还输出行参考HREF、场参考VREF、行同步HS、 场同步VS、行锁定信号LLC(27M) 、像素时钟信号LLC2(13.5 MHz)、时钟参考信号CREF(相对LLC2有一定的延时)、奇偶场信号RST0等。这些信号与解码后的数字视频数据一起输入到CPLD中，CPLD由这些信号产生像素信号在SRAM中的存储地址信号和写控制信号。当存储完一帧图像数据时，CPLD就不再向SRAM 存储数据，并通知DSP进入图像处理的运算。SAA7111的硬件原理图见图2。

2.2 存储器SRAM
　　本文采集的图像数字像素数据为720×576=414 720个像素点，又因为数字视频格式是YUV422格式，每个像素点占用16 bit个存储空间，所以一副图像的存储空间最少需要420 K×16 bit的存储器空间。
　　所以选用的存储器是用两片512 K×8 bit存储器合并在一起产生512 K×16 bit的存储空间，可以适用本方案的需要。
　　因为原输入的CVBS视频信号时采用隔行扫描的方式，所以解码后产生的数据先是奇数行的视频数据，然后才是偶数行的数据，以奇偶场信号RST0和场参考（VREF）信号为标志。为了后期对数据的处理方便，本系统在存储数据时将奇偶行信号合并存储，如图3所示。