基于達芬奇技術(shù)的多路視頻采集系統(tǒng)開發(fā)

谷慶廣，羅文廣，于靜美(．廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州　545006; ．北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京　000)

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基于達芬奇技術(shù)的多路視頻采集系統(tǒng)開發(fā)

谷慶廣1，羅文廣1，于靜美2
(1．廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006; 2．北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京100022)

摘要:設計一種基于達芬奇技術(shù)的多路視頻采集系統(tǒng)。根據(jù)圖像采集系統(tǒng)的工作原理，開發(fā)4路視頻采集模塊、1路視頻輸出模塊與通信接口模塊，該硬件系統(tǒng)可實現(xiàn)視頻圖像的采集和數(shù)據(jù)傳送;設計多路視頻軟件處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)信號送往顯示屏顯示。經(jīng)過長時間測試運行，該多路視頻采集系統(tǒng)具有較強的數(shù)字信號處理能力，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有較強的實用性。

關(guān)鍵詞:達芬奇技術(shù); 4路視頻采集;視頻圖像處理;數(shù)字信號

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展和人們對汽車性能要求的提高，目前各種高新電子技術(shù)在汽車上得到廣泛應用，民眾的汽車擁有量進一步增加［1］。我國雖然已經(jīng)基本建成了四通八達的現(xiàn)代化國家道路網(wǎng)，但隨著汽車數(shù)量的增加，路網(wǎng)通過能力滿足不了交通量增長的需要，交通擁擠和阻塞現(xiàn)象日趨嚴重［2］。越來越多的機動車輛在停車場、公路、街道、車庫等狹窄、擁擠的地方倒車時，駕駛員稍微不小心就會發(fā)生碰撞事故［3］，因此各種汽車駕駛輔助系統(tǒng)應運而生。

車輛視覺輔助系統(tǒng)，即在車輛周圍安裝攝像頭，獲得車輛周圍的路況圖像信息，駕駛員可以通過安裝在車輛內(nèi)部的顯示屏幕觀察到汽車周圍的環(huán)境［4］，從而減少交通事故。該系統(tǒng)主要由智能高清攝像頭、傳輸模塊、視頻處理器組成。通過安裝在車輛四周的攝像頭對路況信息進行采集，再利用視頻圖像處理技術(shù)將視頻圖像擬合成一幅視頻畫面送往液晶屏顯示。這樣汽車駕駛員在車內(nèi)就能通過顯示屏完整的看到車輛周圍的路況信息，沒有任何的死角。因此，開發(fā)擴展性很強的多路視頻采集系統(tǒng)，對于駕駛員安全駕駛車輛具有重要的意義。

1　視頻采集系統(tǒng)的組成及工作原理

4路視頻硬件采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主要包括4個感光耦合攝像頭(Charge Coupled Device，CCD)、4路視頻輸入解碼電路、外部存儲模塊、通信模塊電路、電源管理電路及顯示屏驅(qū)動電路［5］。

圖1　硬件系統(tǒng)總體設計框圖

安裝在智能車輛上的4路CCD高清攝像頭同時采集車輛周圍路況場景的視頻圖像信息，并將視頻圖像信號轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號。通過視頻電纜線將模擬視頻信號送給視頻解碼芯片TVP5150轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號［6］，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送至TMS320DM6437視頻處理前端進行數(shù)據(jù)處理。應用程序接受到一個完整的視頻幀以后，將信號傳送到視頻處理后端VPBE，VPBE將此數(shù)字視頻信號通過MPEG－4標準編碼壓縮，TMS320DM6437系統(tǒng)將編碼后的信號轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號，并經(jīng)驅(qū)動芯片OPA361放大后通過視頻電纜輸出，最終將放大后的視頻信號送給顯示屏顯示。

4路視頻系統(tǒng)能以直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

2　硬件系統(tǒng)設計

2．1達芬奇技術(shù)

達芬奇技術(shù)是一項新型數(shù)字化技術(shù)，突破了傳統(tǒng)視頻方案的限制，提供包含數(shù)字視頻評估模塊在內(nèi)的一整套軟件系統(tǒng)、開發(fā)工具等部件，具有靈活、高性能、低成本優(yōu)勢，縮短了軟件代碼的開發(fā)周期。

2．2核心DM6437模塊

TMS320DM6437是一種功耗低、功能性強、資源豐富，并能針對較高性能系統(tǒng)進行復雜及快速運算的視頻處理芯片［7］，該芯片是基于達芬奇技術(shù)的32位處理器，時鐘頻率可達600 MHz，支持8個8位或4個16位并行MAC運算，峰值處理能力高達5 600 MIPS［8］。多路視頻采集系統(tǒng)由DM6437處理器及其外圍電路組成，DM6437具有豐富的外圍輔助擴展接口，處理器外圍可擴展4路視頻輸入和1路視頻輸出接口，可以方便的實現(xiàn)與外部視頻輸入端口無縫連接、視頻編碼芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及顯示設備顯示;串行通信接口支持半雙工或全雙工的10/100 Mb/s傳輸速率，同時它還提供硬件流控制［7］。完善的通信接口，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與通信功能。

DM6437運行過程中，只能識別數(shù)字信號，而攝像頭采集的信號為模擬信號，在系統(tǒng)設計過程中，需要對視頻前端的信號進行處理。

2．3視頻模塊

2．3．1視頻解碼模塊

視頻解碼模塊主要是對攝像頭采集的模擬視頻信號進行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換成DM6437能夠識別的數(shù)字信號。視頻輸入解碼模塊由1個TVP5150型視頻解碼器及外圍輔助電路組成，其功能是將每一路CCD攝像頭采集輸入的標準PAL制電視模擬信號發(fā)送到視頻解碼器，完成視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預處理、模擬數(shù)字化轉(zhuǎn)換及亮度/色度、水平/垂直同步等信號的分離，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字并行信號BT．656碼流格式［9］。

圖2　視頻解碼模塊與主處理器連接示意圖

TMS320DM6437視頻接口VP0/A、VP1/A、VP2/A、VP3/A分別連接1個TVP5150，視頻采集的數(shù)據(jù)輸出格式是8位YUV 4∶2∶2或8位ITU－R BT．656與嵌入式同步，分辨率為CIF(352× 288)。視頻輸入解碼模塊與主處理器DM6437連接如圖2所示。圖形視頻的色調(diào)、對比度、亮度、飽和度及清晰度可以使用I2C串行接口，控制系統(tǒng)將2路電路的I2C總線接口SCL和SDA分別互連，視頻解碼芯片TVP5150的視頻輸出口YOUT［0－7］與主處理器DM6437 VPORT口的VPOD［9－2］相連，TVP5150的系統(tǒng)時鐘SCLK與DM6437 VPORT口的VPOCLK0相連。由于采用ITU－RBT．656碼流格式，圖像的水平同步、垂直同步、場同步等同步信號已內(nèi)嵌在視頻數(shù)據(jù)流中，連接線路只采用了1路VPOCTL［0－2］。

視頻解碼芯片TVP5150的數(shù)據(jù)通訊配置是通過I2C標準總線來完成的。I2C標準總線由時鐘輸入/輸出線(SCL)和串行數(shù)據(jù)輸入/輸出線(SDA)組成。TVP5150完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理任務，配合主處理器DM6437工作。DM6437作為I2C總線的數(shù)據(jù)主處理器，在初始化TVP5150配置的寫操作時，執(zhí)行的步驟如下:

1) DM6437產(chǎn)生一個起始條件;

2) DM6437發(fā)出一個TVP5150的地址(0x5C)，并標明寫操作，等待TVP5150響應;

3)接收到TVP5150的響應后，DM6437發(fā)出要配置的寄存器的地址，等待TVP5150響應;

4)接收到TVP5150的響應后，發(fā)送要配置的數(shù)據(jù)，等待TVP5150響應;

5)接收到TVP5150的響應后，發(fā)送停止位，結(jié)束一次配置。

處理器DM6437將處理后的視頻信號通過輸出端口輸出，輸出的信號比較微弱，需要對信號進行放大處理。

2．3．2視頻信號驅(qū)動電路

4路攝像頭采集車輛周圍的視頻圖像信號，并通過視頻電纜，將模擬信號送給視頻解碼芯片TVP5150完成AD轉(zhuǎn)換功能，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過電路板線路傳送給DM6437的視頻處理前端VPFE，處理器程序收到TVP5150的超級幀之后，重新分解合并為1路復合視頻信號。合并后的復合視頻信號通過電路板線路傳送給視頻處理后端VPBE，通過VPBE將此數(shù)字視頻信號編碼輸出并轉(zhuǎn)換成模擬信號。轉(zhuǎn)換后的模擬信號DAC_IOUT_D通過驅(qū)動放大電路和濾波電路，通過視頻電纜將最終的復合視頻信號送給顯示器顯示。視頻信號驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3　驅(qū)動電路

3　軟件設計

圖像平滑往往會使圖像邊界、輪廓變得模糊，為了使圖像變得更加清晰，在進行軟件設計時，需要對視頻處理前端處理后的圖像進行圖像銳化處理［10］。圖像的模糊實質(zhì)就是圖像受到平均或積分運算造成的，因此可以對圖像進行逆運算如微分運算來使圖像清晰化［11］。微分銳化方法有很多種，拉普拉斯銳化法是屬于比較常用的一種方法，拉普拉斯運算是偏導數(shù)運算的線性組合［12］。

設Δ2f為拉普拉斯算子，則

對于離散數(shù)字圖像f(i，j)，其一階偏導數(shù)為［13］

二階偏導數(shù)為

所以，拉普拉斯算子Δ2f為

對于擴散現(xiàn)象引起的圖像模糊，可以進行圖像銳化，有［14］

式中g(shù)(i，j)為銳化后的圖像; kτ為與擴散效應有關(guān)的系數(shù)，設定該參數(shù)時要合理，如果kτ過大，圖像輪廓邊緣會產(chǎn)生過沖，反之kτ過小，銳化效果會不明顯［15］。

如果令kτ=1，則銳化后的圖像為

式(1)可以利用系數(shù)模板矩陣表示為

由此，拉普拉斯銳化運算就可以完全轉(zhuǎn)換成模板運算，使得運算變得簡便。銳化程序流程如圖所4示。

進入主程序后，調(diào)用構(gòu)造圖像的函數(shù)生成圖像，然后調(diào)用銳化子程序生成檢測圖，循環(huán)5次以后返回到調(diào)用圖像函數(shù)處，重新生成圖像。在進入銳化子程序時，首先完成工作變量的初始化，然后針對圖像中每一個像素點用拉普拉斯算子進行運算，最后完成圖像銳化［16］。

圖4　銳化程序流程圖

4　試驗結(jié)果及分析

為驗證設計的視頻采集系統(tǒng)的性能，開發(fā)了圖像銳化程序，即拉普拉斯變換程序。圖5為黑白圖像銳化前的測試結(jié)果，圖6為黑白圖像銳化后的測試結(jié)果。

圖5　圖像銳化前

圖6　圖像銳化后

由圖5的測試結(jié)果可知，在進行灰度變換時，程序抓取到視頻的逐個像素點，將亮度大于＞127的設為全白，其它亮度的設為全黑，顯示屏中看到只有黑白2色的圖像。由于沒有加入相應的運算算法，圖像有模糊現(xiàn)象，不是很清晰。

在圖5灰度變換的基礎上，加入拉普拉斯變換程序，對圖像進行銳化處理，得到圖6的測試結(jié)果，從圖6中可以明顯觀察到銳化處理后的圖像變得比較清晰。

5　　結(jié)論

針對視頻采集的需求，介紹了多路視頻采集硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設計了硬件采集系統(tǒng)的核心電路。在此基礎上，針對信號布線完整性進行分析，對設計的硬件電路板開發(fā)了拉普拉斯銳化處理算法，試驗結(jié)果表明:

1)基于拉普拉斯變換的程序測試，設計的視頻采集硬件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻圖像采集、數(shù)字信號處理、數(shù)字信號傳輸和數(shù)據(jù)存儲功能，能夠應用于車輛行駛過程中路況圖像信息采集。

2)結(jié)合拉普拉斯變換算法，有效的實現(xiàn)了黑白圖像的銳化處理功能，處理后的圖像變得清晰可見。

參考文獻:

［1］曹鳳萍，于明進，何心慧．我國汽車制動電子控制輔助系統(tǒng)性能檢測的不足及完善措施［J］．山東交通學院學報，2012，20(2) : 12－16．

［2］朱東輝．智能交通系統(tǒng)的發(fā)展［J］．山東交通學院學報，2002，10(4) : 9－14．

［3］操虹．車載環(huán)視顯示系統(tǒng)設計［D］．合肥:合肥工業(yè)大學，2009．

［4］趙凱．全景可視化輔助泊車系統(tǒng)研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學，2011．

［5］金良，周樹道，黃峰，等．基于DM642的實時視頻處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］．裝備制造技術(shù)，2008，10(1) : 87－89．

［6］黃勇，蔣工亮，孫聯(lián)，等．基于圖像處理技術(shù)的高速公路彎道車速預警系統(tǒng)的研究［J］．山東交通學院學報，2009，17(4) : 23－27．

［7］王旭光，管志光，張吉衛(wèi)．基于DSP與PIC單片機的CAN總線系統(tǒng)［J］．山東交通學院學報，2008，16(3) : 83－86．

［8］許俊．基于DSP的視頻處理開發(fā)平臺的硬件設計［D］．太原:太原理工大學，2010．

［9］高浩然．數(shù)字化攝像經(jīng)緯儀的研究［D］．南京:南京理工大學，2009．

［10］任浩．基于Bayer格式數(shù)字圖像傳感器顏色插值及圖像銳化的算法研究［D］．杭州:浙江大學，2012．

［11］郭闖．視覺伺服平臺視覺跟蹤技術(shù)的研究［D］．天津:河北工業(yè)大學，2012．

［12］盧允偉，陳友榮．基于拉普拉斯算法的圖像銳化算法研究和實現(xiàn)［J］．電腦知識與技術(shù)，2009，6(4) : 1513－1515．

［13］張海青．基于FPGA圖像處理系統(tǒng)的關(guān)鍵算法研究及硬件實現(xiàn)［D］．重慶:重慶大學，2010．

［14］楊曉飛．人臉識別系統(tǒng)研究［D］．北京:北京化工大學，2005．

［15］蔣運輝．SAR圖像中的道路檢測技術(shù)研究［D］．成都:電子科技大學，2005．

［16］許樂，王兵．圖像銳化處理算法及其軟硬件實現(xiàn)［J］．科海故事博覽·科技探索，2012，7(3) : 26－30．

(責任編輯:楊秀紅)

Development of Multi-Channel Video System Based on
Da Vinci Technology

GU Qingguang1，LUO Wenguang1，YU Jingmei2
(1．School of Electrical and Electronic Information，Guangxi University Of Technology，Liuzhou 545006，China; 2．College of Environment and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)

Abstract:This paper introduces a multi-channel video hardware acquisition system based on Da Vinci technology．Firstly，according to the working principle of image acquisition system，the four-way video hardware acquisition module，one-way video output module and communication interface module are developed，which can realize the transmission of video images and data．Then，the multi-channel video software processing system which can implement the processing of video image data is developed，and the data-processed signal is sent to the display．After a long test，the multi-channel video acquisition system has a better digital processing capability reliability，and practicability．

Key words:Da Vinci technology; four-way video acquisition system; video image processing; digital signal

作者簡介:谷慶廣(1987—)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要研究方向為智能控制與智能自動化．

基金項目:廣西汽車零部件與整車技術(shù)重點實驗室基金項目(13－051－38，14－045－44)

收稿日期:2014－10－27

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．01．016

文章編號:1672－0032(2015) 01－0078－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:TP317．4