基于TMS320DM6437的OSD技術(shù)設(shè)計及應(yīng)用舉例

曾 凱，鄭力新，張 楓

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

在工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中，嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。而在屏顯示OSD（On Screen Display）技術(shù)可幫助工作人員方便檢測工業(yè)生產(chǎn)過程狀態(tài)變化。目前，工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)OSD技術(shù)的方法可以利用專業(yè)用OSD芯片，如FUJITSU公司的 MB90092芯片，其電路設(shè)計簡單，但需專門設(shè)計軟件和硬件；也可以利用附帶OSD功能的芯片，如SigmaDesigns公司的EM8511芯片，其不需要專門的硬件設(shè)計，使用方便，只是這類芯片目前功能還不夠強大，難以工作在信息處理量大和實時性要求高的平臺。TMS320DM6437及其系列芯片是當(dāng)前視頻處理系統(tǒng)主流處理器之一，本文闡述了以軟件編程方式實現(xiàn)該芯片OSD技術(shù)，簡單實用，效果優(yōu)良，很好地拓展了TMS320DM6437的顯示模塊功能。

1 OSD架構(gòu)平臺

1.1 棒材計數(shù)硬件平臺

本文以棒材計數(shù)平臺上實現(xiàn)OSD技術(shù)為例，在實現(xiàn)OSD模塊信息和視頻信息疊加時，要處理的數(shù)據(jù)量大，為了滿足實時性的要求，需要選擇一款集成度高，運算速度快的芯片。TMS320DM6437是TI公司推出的定點Davinci DSP處理器，工作主頻可達700 MHz，處理性能最高達到5 600 MIPS，含有豐富的外設(shè)資源，芯片本身具有OSD功能，這樣就不需要增加額外的硬件設(shè)計，可以通過靈活的軟件編程來實現(xiàn)視頻和嵌入的圖片疊加，為用戶提供簡便的觀測信息。

棒材計數(shù)平臺主要由DSP圖像處理模塊、CMOS圖像傳感器模塊、存儲模塊（DDR2）和視頻輸出顯示模塊組成，硬件平臺如圖1所示。

圖1 棒材計數(shù)硬件平臺

1.2 TMS320DM6437的OSD內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

TMS320DM6437的OSD內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖2所示。OSD模塊從外部內(nèi)存中讀入視頻數(shù)據(jù)，外部內(nèi)存通常是DDR2，數(shù)據(jù)經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為YUV格式后送人 VENC。OSD模塊可處理兩個獨立的Video窗口和兩個獨立的OSD窗口，OSD模塊的相關(guān)寄存器通過視頻解碼模塊產(chǎn)生的VD信號進行嵌位，來控制顯示窗口使能、窗口縮放以及窗口的顯示坐標(biāo)。

圖2 TMS320DM6437的OSD內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

OSD模塊控制的4個窗口中，主視頻窗口VIDWIN0支持乒乓Buffers數(shù)據(jù)交換，即從內(nèi)存的兩個不同位置讀取數(shù)據(jù)。兩個位圖窗口（OSDWIN0和 OSDWIN1）能夠直接從DDR2中讀取RGB格式數(shù)據(jù)，并支持圖像或圖標(biāo)同時顯示。位圖窗口需要用到的顏色查找表格（CLUT）根據(jù)實際給定的位圖像素值來決定顯示顏色，OSD窗口共有256個CLUT條目和24位YUV顏色空間可用。當(dāng)OSD位圖窗口與視頻窗口疊加時，可以通過數(shù)據(jù)混合調(diào)整圖像和字符的顯示效果。

2 OSD軟件設(shè)計

2.1 TMS320DM6437的VPBE設(shè)置

視頻后端處理子系統(tǒng)VPBE主要包括OSD和視頻編碼部分 VENC（Video Encoder Module）兩部分。VPBE支持OSD模塊將存儲在DDR2中的多種顯示格式的圖像數(shù)據(jù)混合成一幀，數(shù)據(jù)格式編排后傳送到VENC模塊顯示。VPBE編程模塊的主要流程如圖3所示。

圖3 VPBE編程模塊的主要流程圖

以下兩個條件滿足時VPBE驅(qū)動程序有效。第一是在DSP/BIOS中創(chuàng)建一個VPBE驅(qū)動。主程序利用函數(shù)VENCHandle=FVID_create （"/VPBE0"，IOM_INOUT，NULL，NULL，&gioAttrs）打開一個 VPBE0設(shè)備，并創(chuàng)建 VENC通道。由于TI設(shè)計的GIO驅(qū)動模塊在DSP/BIOS上使用過程中存在缺陷，應(yīng)用程序在對驅(qū)動程序的緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)處理后不能釋放緩沖區(qū)，針對這個問題可利用TI提出的FVID視頻處理模型，其能夠比較方便地分配緩沖區(qū)，因此，通過直接調(diào)用FVID_allocBuffer（）函數(shù)和FVID_exchangeBuffer（）函數(shù)申請分配和交換緩沖區(qū)，并在使用后利用FVID_deleteBuffer（）函數(shù)重新釋放緩沖區(qū)。第二是設(shè)置DSP/BIOS中的硬件中斷。VPBE驅(qū)動程序的使用過程中，在TCF文件中設(shè)置HWI_INT8為1，配置參數(shù)為 bios.HWI.instance（"HWI_INT8"）.interruptSelectNumber=1，即VPBE驅(qū)動優(yōu)先級為8，對應(yīng)VENC每幀圖像處理結(jié)束后產(chǎn)生事件序列號為32～64之間的事件被中斷，這時事件接收器檢測到哪里引起了中斷。

2.2 窗口顯示模式選擇

每個窗口可以設(shè)置為幀模式和場模式。幀模式的特點是允許每幀圖像數(shù)據(jù)連續(xù)儲存在DDR2中，圖像顯示時按照奇偶場進行讀取。場模式特點是允許圖像數(shù)據(jù)單獨儲存在DDR2中，圖像顯示是根據(jù)VENC的工作模式窗口高度。處理芯片DM6437集成了DDR2內(nèi)存控制器，支持JESD79D-2A標(biāo)準(zhǔn)，并提供32 bit DDR2接口。圖像數(shù)據(jù)存儲在DDR2中，當(dāng)需要VENC連續(xù)從DDR2中讀取數(shù)據(jù)時，將OSD窗口設(shè)置為連續(xù)場模式，對應(yīng)的寄存器位VIDWINMD.VFFO和OSDWIN0MD.OFF0使能。連續(xù)場數(shù)據(jù)讀取模式如圖4所示。

圖4 連續(xù)場數(shù)據(jù)讀取模式

2.3 OSD窗口設(shè)計

OSD模塊支持VIDWIN0/VIDWIN1和OSDWIN0/OSDWIN1 4個窗口畫面同時顯示，并通過對應(yīng)的寄存器設(shè)置OSD工作模式。OSD窗口顯示優(yōu)先級如圖5所示。

圖5 OSD窗口顯示優(yōu)先級

本文需要用到VIDWIN0和OSDWIN0將視頻圖像與文字字符疊加，VIDWIN0用于實時顯示采集的棒材圖像，OSDWIN0將棒材計數(shù)結(jié)果疊加到VIDWIN0窗口畫面。

（1）VIDWIN0 窗口設(shè)置

CMOS圖像傳感器采集到的圖像經(jīng)TVP5150轉(zhuǎn)化為YUV格式數(shù)字信號，并存儲在DDR2中，視頻后端處理子系統(tǒng)VPBE將數(shù)據(jù)從DDR2中讀出，并通過VIDWIN0窗口顯示。由于VIDWIN0對應(yīng)寄存器配置參數(shù)的設(shè)置封裝在DM6437自帶的psp_vpbe.h頭文件中，調(diào)用結(jié)構(gòu)體PSP_VPBEOsdConfigParams{}可以配置 VIDWIN0窗口的工作模式、圖像的格式以及圖像在窗口中顯示位置。例如：

本文通過軟件編程的方式實現(xiàn)VIDWIN0窗口配置，在對結(jié)構(gòu)體參數(shù)設(shè)置后，通過調(diào)用FVID_create（）函數(shù)創(chuàng)建vid0Handle通道，F(xiàn)VID_alloc（）函數(shù)為通道分配存儲空間，調(diào)用FVID_queue（）函數(shù)將要顯示的數(shù)據(jù)從通道傳輸?shù)絍IDWIN0窗口顯示。其具體軟件編寫流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

（2）字符數(shù)據(jù)格式

本文OSD顯示技術(shù)中使用的字符（如數(shù)字0～9，字母a～z，以及一些常用符號）需按 12×16格式分割成塊，把這些數(shù)據(jù)固化在Flash或者ROM中。在實驗中用到的字庫無法直接在DSP中讀取，需將所用的漢字轉(zhuǎn)換為位圖形式并進行保存。DM6437可以采用32位數(shù)據(jù)處理，為了便于編程和數(shù)據(jù)讀取，將位圖圖像的分辨率轉(zhuǎn)換成192×32，取 32位的整數(shù)倍，如圖 7所示。

圖7 文字字符顯示圖

對于數(shù)字字符，由于棒材計數(shù)是一個動態(tài)的過程，因此OSD窗口數(shù)字顯示根據(jù)棒材計數(shù)的算法運行結(jié)果的返回值確定，設(shè)置數(shù)字位圖圖像的分辨率為32×32。位圖圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)組形式后存儲在Flash中，為了節(jié)約存儲空間，要求將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB565格式。數(shù)字如圖8所示。

圖8 數(shù)字顯示圖

（3）OSDWIN0 窗口設(shè)置

OSDWIN0用于顯示RGB565格式的字符和數(shù)字圖片，對應(yīng)的寄存器配置參數(shù)的設(shè)置封裝在DM6437自帶的psp_vpbe.h頭文件中，配置參數(shù)的流程與配置VIDWIN0步驟一樣，調(diào)用結(jié)構(gòu)體PSP_VPBEOsdConfigParams win0Params{}設(shè)置相應(yīng)寄存器值，結(jié)構(gòu)體中包含的參數(shù)需包含疊加的圖片和文字的顯示屬性，如混合模式、透明度和顏色等。

（4）VGA顯示驅(qū)動設(shè)計

本文通過修改PSP文件的相關(guān)參數(shù)設(shè)計VGA的顯示驅(qū)動，基于 PSP（Platform Support Package）上的驅(qū)動程序可以直接實現(xiàn)S端子顯示和LCD屏幕顯示，同時驅(qū)動程序支持VENC編碼器的連續(xù)場輸出模式，但是程序存在缺陷不能直接用于VGA顯示，因此需要在驅(qū)動中增加VGA的顯示驅(qū)動程序。TI官方提供的基于PSP的視頻驅(qū)動程序建立在實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS上，總共分為IOM層、DDC層和CSLR層3層。

本文利用的OSD技術(shù)產(chǎn)生的疊加效果通過VGA顯示，VPBE模塊為VGA圖像顯示提供了接口，VGA接口有3路基本輸出信號，分別用來顯示RGB 3個分量。VPBE模塊提供的模擬接口擁有4路的視頻DAC信號，通過設(shè)置寄存器DACSEL來選擇所需要的3路信號，寄存器DACSEL上的對應(yīng)關(guān)系為：DAC_A位控制輸出R模擬信號，DAC_B位控制輸出G模擬信號，DAC_C位控制輸出B模擬信號，同時DM6437通過I2C總線接口輸出行同步信號HD和列同步信號VD，這5路信號組成了VGA接口輸出信號。

在DDC層中修改一個PSP聲明，并添加LLC_setVGAdisplay（）顯示函數(shù)對5路信號使能，LLC_setVGAdisplay（）代碼如下：

（5）運行效果

VGA 5路信號使能后，程序運行后OSD疊加技術(shù)的最終效果如圖9所示。

圖9 OSD疊加技術(shù)的最終效果

本文利用TMS320DM6437芯片自帶的OSD模塊，通過軟件編程實現(xiàn)OSD疊加技術(shù)，并以在鋼鐵生產(chǎn)中的棒材計數(shù)結(jié)果與視頻疊加為例，OSD界面上的漢字、數(shù)字或其他特殊字符可根據(jù)工作人員的要求修改，并在窗口任意位置動態(tài)顯示，其設(shè)計原理具有通用性。OSD模塊實現(xiàn)的動態(tài)棒材視頻圖像與棒材計數(shù)結(jié)果疊加，方便了人機對話，可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)實踐中。

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