基于DSP/ARM图像采集原理和器件选型

组成一套图像与视频应用系统包括两部分：图像成像单元和后端处理单元。首先讨论图像成像单元，除了一些特殊应用外，市场上常见的图像成像部件基本可分为CCD和CMOS两种。

　　CCD 即电荷耦合器件，使用一种高感光度的半导体材料制成，包括线*和矩阵两种。CCD的特点是灵敏度高，噪声小，色彩饱和度好，但是价格较高。CCD传感器正 在得到CMOS传感器的挑战，CMOS（Comple-mentary Metal-Oxicle-Semiconductor，互补金属氧化物半导体集成电路影像传感器）主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，其优点是 功耗小，宜于批量生产，价格比CCD低很多。但是CMOS传感器对照度要求比较高，当光线较暗时噪声明显加大，成像质量比CCD差。目前手持应用市场的火 爆带动了CMOS的需求大大增加，图像质量逐步提供，相信CMOS会得到越来越多的市场空间。

　　CCD传感器基本被日本厂家垄 断，CMOS生产厂家则有很多，比较知名的有Micron、OmniVision、Hynix、Sharp、Toshiba等。我们使用过多家的产品，感 觉不同厂家的CMOS传感器大同小异，结构上一般包括感光阵列、模拟处理、A/D转换、时序电路、寄存器控制电路、图像质量控制等部分。早期的传感器不包 括DSP电路，即“sensor only”。现在的传感器都可以说是SOC了，包括DSP电路，可以实现自动增益、自动曝光、自动白平衡等控制。

　　CMOS传感器接口信号包括主时钟信号、象素时钟、水平同步/参考、垂直同步和象素数据信号，如下所示：

　　MCLK ――  后端DSP/arm提供给传感器的时钟，也可以由晶阵提供

　　PIXELCLK ―― 传感器输出的象素时钟，所有数据与该时钟同步

　　HSYNC/HREF ―― 水平参考信号，表示一行数据(包括有效数据和Blank)

　　VSYNC ―― 垂直同步信号，表示一帧数据(包括有效数据和Blank)

　　Data[7:0] ―― 8位象素数据，有的传感器是输出10位或者更高精度

　　CMOS 传感器的输出信号格式一般有几种：Raw RGB（Bayer）、RGB565、YUV422、ITU656。Raw RGB输出原始的RGB数据，通常是每个象素仅输出一个数据，偶数行RG RG RG…，奇数GB GB GB…，需要进行插值才可以得到每个象素点的RGB数据。RGB565是每个象素点输出两个字节，共16bits，由R(5bits)、G(6bits) 和B(5bits)组成。因为人眼对绿色更敏感，所以G分量由6bits代表。YUV422也是每个象素点输出两个字节，每行由序列UY VY UY VY…组成，其输出顺序一般可以控制。同样由于人眼对亮度更敏感，所以每个象素输出一个Y值，而色差则是各一个象素输出一个。RGB565和YUV422 都是需要时序信号配合的，而ITU565格式本身包含帧头和帧尾，因而可以不需要HSYNC和VSYNC信号的配合。

　　前面讨论了 前端传感器部分，下面讨论一下后端处理单元。随着ARM的普及，越来越多的工程师开始使用ARM作为后端处理单元。常见的ARM如2410、9200、 44b0等，没有视频输入接口，需要增加CPLD/FPGA电路控制时序和读入传感器输出的图像数据。另外一类ARM由于具有视频输入接口从而大多简化了 电路，直接可以输入CMOS传感器的输出。这一类的arm处理器包括Freescale mxl/mx21/mx27/mx31、Samsung 2440、Intel PXA270等。我们在为自己的应用选型时，除了考虑处理器的功耗、价格、主频、外频外，还应该考虑处理器的内部处理能力，比如DMA能力、是否有硬件加速能力等因素。通常图像采集后都会用到颜色空间变换、放大缩小等功能，所以如果处理器具有硬件加速能力则可以大大提高运算效率。在这方面 Freescale MX21应该是不错的，其预处理和后处理模块通过硬件实现颜色变换和插值变换，大大提高运算速度。如果使用DSP作为后端处理器，那就比较简单了。无论是 TI系列还是ADI Blackfin系列，都具备视频输入接口，可以直接输入传感器的输出信号。

　　另外一类重要的应用是视频编解码，主要用于安防领域。当前流行的编解码算法是MPEG-4，而H.264也正在迅速的占领市场，传统的M-JPEG则在交通监控领域继续发挥作用。经常看到网友在论坛上讨论基于ARM实现视频编解码算法，结果可能大多是让您失望。我们曾经试图做这个工作，最后是在Freescale MXL处理器上实现QCIF分辨率的准实时MPEG-4编码，而且使用MXL的硬件DCT加速、汇编优化和半象素搜索优化算法。很明显基于传统ARM处理 器实现视频编码算法是很有难度的和不太现实的。不过您也别太失望，有一类arm处理器内部集成编解码CODEC，算法基本不占用CPU时间，所以还是可以用的。这一类主要有Freescale MX21/MX27/MX31、海思Hi3510，好像还有上海杰得。Mx21内嵌Hantro的CODEC，可以做到CIF@30fps，MX27可以 做到H.264@D1，海思3510也可以做到H.264的D1编码。相对使用DSP处理视频算法，SOC的优点是开发简单，直接调用编解码API就可以 了。随着市场竞争的加剧，相信会出现越来越多的具备视频编解码能力的arm处理器。

　　相对于arm处理器，目前更多的工程师使用 DSP处理器完成编解码算法。适合视频处理的DSP也有很多，比较知名的有TI系列、ADI系列和Philips系列。TI自不必说，大家都很熟悉。 Philips（NXP）的Trimedia系列DSP是老牌的视频处理芯片，应用也非常广泛。ADI的Blackfin系列视频处理器则是较新一点的， 相对于传统DSP，Blackfin的最大优势在于其MSA体系结构，是DSP与RISC处理器的结合体。这一优点使得Blackfin既可以运行操作系 统，又可以高效的运行算法，从而可以实现单芯片视频应用系统。我们知道单芯片系统一般成本会比双处理器系统低，这在对成本控制越来越严格的今天的确比较有诱惑力