摘  要： 目前使用的圖像傳感器主要有CMOS和CCD兩類。CMOS器件功耗低、集成度高，但成像質(zhì)量不如CCD器件好。因此該多攝像頭視頻采集系統(tǒng)采用了CCD和CMOS兩種器件，以滿足多種需求。提出了一種基于TI公司TMS320DM365處理芯片、采用CCD和CMOS器件的攝像頭軟硬件切換設(shè)計(jì)方案。

　　關(guān)鍵詞： 視頻采集；TMS320DM365；攝像頭切換

　　0 引言

　　近年來，隨著移動終端的快速發(fā)展，計(jì)算能力增強(qiáng)，移動網(wǎng)絡(luò)傳輸速度大幅提高，移動視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅速。目前國內(nèi)外視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)主要應(yīng)用在公共領(lǐng)域、行業(yè)用戶和個(gè)人用戶。特別是在公共場所，國外設(shè)置了眾多監(jiān)控設(shè)備，以加強(qiáng)對公共領(lǐng)域安全的控制能力[1]。嵌入式視頻采集系統(tǒng)具有高效、體積小、實(shí)時(shí)穩(wěn)定、低成本等優(yōu)點(diǎn)[2]，自然而然地成為了視頻監(jiān)控設(shè)備的良好載體。

　　目前使用的圖像傳感器有CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）和CCD（電荷耦合器件）兩類。與CCD相比，CMOS器件具有功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，但是在噪點(diǎn)和成像質(zhì)量方面不如CCD器件[3]。而CCD器件則剛好相反。所以在本設(shè)計(jì)中，采用了CCD與CMOS搭配的設(shè)計(jì)。其中CCD器件搭配TVP5151視頻解碼芯片，外置的CCD攝像頭能夠提供更靈活、更清晰的視頻圖像。CMOS則是采用了OV5640的模組，利用其集成度高、體積小的特點(diǎn)，作為內(nèi)置的視頻采集攝像頭，滿足視頻聊天等一般成像需求。

1 硬件框架設(shè)計(jì)

　　整個(gè)視頻采集系統(tǒng)終端以TMS320DM365芯片作為處理器芯片，基本模塊有DDR2、SDRAM、NAND Flash、網(wǎng)口、串口以及負(fù)責(zé)進(jìn)行信令和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G模塊等。TI公司的基于DaVinci技術(shù)的TMS320DM365芯片，集成了一顆ARM926EJ-S內(nèi)核，一個(gè)圖像處理子系統(tǒng)（VPSS），一個(gè)H.264高清編碼器協(xié)處理器HDVICP和一個(gè)MPEG-4/JPEG高清編碼器協(xié)處理器MJCP，支持多格式編解碼[4]，所以特別適用于圖像處理。視頻采集部分主要由DM365的VPFE（視頻處理前端）、一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)視頻數(shù)據(jù)采集芯片（OV5640和TVP5151）組成。攝像頭硬件切換由DM365的GPIO口對多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，選擇輸入到VPFE的數(shù)據(jù)源。

　　系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

　　DM365的VPFE采集驅(qū)動是一個(gè)V4L2設(shè)備驅(qū)動，可以對RGB和YUV數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。VPFE的簡單框架如圖2所示[5]。

　　視頻采集前端在接收到原始的YUV視頻數(shù)據(jù)后，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時(shí)又將視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)綀D像處理模塊。此時(shí)可對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、縮放等，以適應(yīng)本地存儲或者網(wǎng)絡(luò)上傳的需求。

　　視頻采集前端在接收到原始的YUV視頻數(shù)據(jù)后，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時(shí)又將視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)綀D像處理模塊。此時(shí)可對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、縮放等，以適應(yīng)本地存儲或者是網(wǎng)絡(luò)上傳的需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 VPFE模塊驅(qū)動

　　TMS320DM365數(shù)字多媒體芯片包含一個(gè)視頻處理模塊用來處理視頻數(shù)據(jù)，減輕主處理器的負(fù)擔(dān)。它支持大多數(shù)主流的外置視頻采集設(shè)備。而與外置視頻采集設(shè)備直接相連的就是視頻處理前端子系統(tǒng)（VPFE）。

　　VPFE采集驅(qū)動通過標(biāo)準(zhǔn)的V4L2接口將底層硬件的功能暴露給了上層應(yīng)用程序，在應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動之間建立起了橋梁[6]。VPFE驅(qū)動初始化開始后，首先通過imp_get_hw_if（）函數(shù)和ccdc_get_hw_interface（）函數(shù)綁定imp和CCDC的接口函數(shù)組，隨后對CCDC模塊進(jìn)行初始化。初始化CCDC模塊之后，驅(qū)動會分配需要的內(nèi)存用來存儲采集上來的視頻數(shù)據(jù)。最后，便是調(diào)用driver_register（&vpfe_driver）函數(shù)和platform_device_register（&_vpfe_device）函數(shù)注冊驅(qū)動和平臺設(shè)備。系統(tǒng)啟動時(shí)，檢測到其驅(qū)動和設(shè)備都存在后，就會調(diào)用vpfe_prob（）函數(shù)，這個(gè)函數(shù)做的最重要的事情就是調(diào)用video_register_device（）函數(shù)綁定了file_operations結(jié)構(gòu)體，提供給應(yīng)用程序訪問內(nèi)核與設(shè)備驅(qū)動的接口。同時(shí)生成一個(gè)設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)（/dev/Video0），這樣，應(yīng)用程序就能通過訪問/dev/Video0設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)，配合Ioctl函數(shù)調(diào)用VPFE驅(qū)動中file_operations結(jié)構(gòu)體成員函數(shù)來進(jìn)行視頻的采集。

　　VPFE初始化流程圖如圖3所示。在此設(shè)計(jì)中采用了兩種視頻采集芯片，分別為德州儀器的TVP5151和豪威科技的OV5640。這兩種芯片的驅(qū)動程序中，在完成標(biāo)準(zhǔn)的I2C設(shè)備注冊的工作后，都會調(diào)用vpif_register_decoder（&ov5640_dev[i]）或是vpif_register_decoder（&TVP5151 _dev[i]）函數(shù)將采集芯片的各種操作函數(shù)接口封裝成一個(gè)struct decoder_device結(jié)構(gòu)體注冊到前面提到的VPFE模塊中。這樣，應(yīng)用程序就可以通過VPFE的設(shè)備文件節(jié)點(diǎn)（/dev/Video0）來調(diào)用VPFE的操作函數(shù)，進(jìn)而再間接地調(diào)用采集設(shè)備的操作函數(shù)，完成視頻采集芯片的配置工作，使得其能夠正常工作。

　　2.2 攝像頭軟切換

　　此設(shè)計(jì)中使用了兩種視頻采集芯片TVP5151與OV5640，因此會有兩個(gè)decoder_device結(jié)構(gòu)體注冊到VPFE模塊中。攝像頭的軟切換，也就是對VPFE模塊中注冊的decodor_device結(jié)構(gòu)體進(jìn)行重新選擇，決定該調(diào)用哪個(gè)采集芯片，并對CCDC模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置。于此同時(shí)，對多路選擇器也要進(jìn)行相應(yīng)的配置，使其選擇正確的通路。攝像頭切換流程如圖4所示。

　　首先自然是通過3個(gè)GPIO口來配置多路選擇器選擇正確的通路，使得DM365可以獲取到來自正確的采集芯片的視頻數(shù)據(jù)。VIDIOC_ENUMINPUT命令會通過VPFE模塊調(diào)用到注冊到VPFE模塊中的采集芯片驅(qū)動的操作函數(shù)enuminput，從而依次檢索注冊到VPFE中的各個(gè)decoder_device結(jié)構(gòu)體中是否有需要的input_info，并返回對應(yīng)的decoder_device的序號。所以只需要在調(diào)用VIDIOC_ENUMINPUT命令時(shí)傳入與所需要采集芯片驅(qū)動中相同的input類型，便可以找到對應(yīng)的decoder_device，從而切換到對應(yīng)的攝像頭。得到正確的decoder_device序號后，即可用VIDIOC_S_INPUT命令，調(diào)用到采集芯片驅(qū)動中的initialize函數(shù)，完成其初始化。

　　切換到正確的視頻數(shù)據(jù)源以后，還要對CCDC模塊進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)置。這時(shí)需要調(diào)用命令VIDIOC_S_STD：ioctl（fd，VIDIOC_S_STD，&std），它會調(diào)用到視頻采集芯片驅(qū)動中的setstd函數(shù)，進(jìn)而對驅(qū)動中的struct v4l2_standard結(jié)構(gòu)體數(shù)組進(jìn)行便利，找到其中數(shù)據(jù)成員ID與VIDIOC_S_STD命令傳入?yún)?shù)std相同的項(xiàng)，返回其name成員，并將其作為ccdc_hw_if->setstd（）函數(shù)的參數(shù)執(zhí)行，便可以對CCDC模塊的分辨率、幀率等信息進(jìn)行設(shè)置。例如，當(dāng)檢索到的name值為“VGA-30”時(shí)，CCDC模塊分辨率便會被設(shè)置成640×480，幀率為30 FPS。

　　2.3 掃描方式的切換

　　此設(shè)計(jì)方案中用到的兩種視頻采集芯片的掃描方式是不同的。TVP5151是隔行掃描，一幀分為奇偶兩場，而OV5640是逐行掃描。VPFE模塊對于這兩種掃描方式的處理方式是不同的，所以完成攝像頭的切換后，還要把CCDC模塊掃描方式設(shè)定成與對應(yīng)的視頻采集芯片一致。在VPFE驅(qū)動中，有一個(gè)標(biāo)志位frame_format就是用來表示掃描方式的，frame_format為0時(shí)表示隔行掃描，即使用TVP5151；為1時(shí)就表示逐行掃描，即使用OV5640。原本ccdc_hw_if->setstd（）函數(shù)還可以對掃描方式進(jìn)行設(shè)定，但是由于本設(shè)計(jì)所使用的內(nèi)核版本的缺陷，設(shè)定無法生效，所以添加了一個(gè)小補(bǔ)丁：在內(nèi)核VOFE驅(qū)動中聲明了一個(gè)變量scanmode，并使用EXP ORT_SYMBOL（scanmode）使之成為內(nèi)核全局變量。然后分別在TVP5151和OV5640驅(qū)動的intialize函數(shù)中對其進(jìn)行賦值。TVP5151為隔行掃描，故對其賦0，OV5640則相反。這樣，每次切換攝像頭后，在初始化采集芯片的同時(shí)也會對CCDC的掃描方式進(jìn)行選擇。

3 測試結(jié)果

　　測試在實(shí)驗(yàn)室的單兵設(shè)備上進(jìn)行。在后置的OV5640攝像頭模組和外置的TVP5151攝像頭模組之間進(jìn)行了切換，外置攝像頭更清晰，也更靈活。而內(nèi)置的則勝在方便、小巧。設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。測試效果圖如圖5所示。

4 結(jié)論

　　嵌入式芯片技術(shù)的快速發(fā)展，使其在視頻監(jiān)控設(shè)備總的應(yīng)用越來越廣泛。同樣發(fā)展迅速的還有視頻采集芯片。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于TMS320DM365硬件平臺的多攝像頭軟硬件切換方案，采用了CMOS和CCD兩種器件，實(shí)現(xiàn)了不同廠家型號、不同掃描方式的視頻采集芯片模組之間的順暢切換。這在視頻采集芯片發(fā)展越來越多樣化的今天，有一定的意義。

　　參考文獻(xiàn)

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