目前將攝像機拍攝的圖像傳送到計算機中進行播放?處理主要有兩種方式：一是通過圖像采集卡;二是利用攝像機自帶的USB接口?第一種方式雖然可以保證圖像采集的實時性，但不能脫離計算機單獨工作，應用領域有局限性;后一種方式在圖像傳輸實時性和圖像播放質量上又不盡人意?隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使網(wǎng)絡接入技術直接嵌入到攝像機中成為可能?本文介紹一種基于DSP芯片和嵌入式微控制器的網(wǎng)絡數(shù)字攝像系統(tǒng)?該系統(tǒng)內部集成了圖像傳感芯片和數(shù)字圖像處理芯片，不需要借助計算機，直接連接到互聯(lián)網(wǎng)上（見圖1），向互聯(lián)網(wǎng)上的計算機傳輸高質量的實時視頻圖像，根據(jù)網(wǎng)絡通信狀況和計算機的命令改變傳輸圖像的分辨率和幀率等指標?該系統(tǒng)硬件集成度高?圖像傳輸實時性好?操作簡單?控制靈活?

該系統(tǒng)包括兩大部分：圖像處理模塊和NetMCU模塊?系統(tǒng)框圖見圖2?由圖像處理模塊負責對圖像進行采集和壓縮，先將模擬圖像信號轉變成YUV格式的數(shù)字信號，然后由DSP芯片按照JPEG標準進行圖像壓縮編碼?Ne tMCU模塊將接收到的壓縮圖像數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議打包，發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)的計算機上，并接收計算機傳來的控制命令，對系統(tǒng)進行配置?以下分別介紹各個模塊的工作原理和軟件設計方法?

1 圖像處理模塊

1.1 芯片介紹

圖像采集芯片采用OmniVision公司的CMOS彩色圖像傳感器OV6620?在它內部集成了一個356×292的彩色圖像陣列?該圖像傳感器能對所拍攝的圖像進行預處理，包括自動曝光控制?自動白平衡調節(jié)?gamma校正?自動圖像增強;并可通過與DSP芯片相連的串行通信接口，對傳感器內部的92個寄存器的參數(shù)進行設置?

圖像壓縮芯片采用TI公司的TMS320VC5416定點運算數(shù)字信號處理器（DSP），其內部采用一種改進型的哈佛總線結構（一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線），數(shù)據(jù)總線寬度為16bit?分開的數(shù)據(jù)和指令空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內允許指令和數(shù)據(jù)同時存取，再加上其高度優(yōu)化的指令集，使得該芯片具有很高的運算速度，最高可達160MIPS?

VC5416芯片的外部程序存儲空間為8M×16bits，外部數(shù)據(jù)存儲空間為64K×16bits?在芯片內部還集成了128K×16bits片上存儲器?該芯片具有多種片上外部設備單元，包括一個16位計時器，一個6通道DMA傳輸控制器，三個帶緩沖器的串行通信接口（McBSP）和一個8/16位的主機通信接口（HPI8/16）?

1.2 功能介紹

圖像處理模塊主要負責模擬圖像的采集?數(shù)字化?壓縮等工作?首先，在系統(tǒng)加電運行后，由NetMCU模塊對VC5416芯片復位，然后VC5416芯片運行固化在芯片內的BootLoader程序，將存儲在外部程序存儲器上的應用程序復制到內部存儲器中，并開始運行應用程序?應用程序的任務主要有以下三個方面：

（1）通過VC5416芯片的1號串行通信接口（McBSP1）對OV6620的內部寄存器進行參數(shù)配置?主要參數(shù)包括：將輸出圖像分辨率設置為352×288，將輸出圖像幀的速率設置為25幀/秒，將數(shù)字圖像的輸出格式設置為YUV分量4:2：2格式?

（2）將OV6620芯片輸出的圖像數(shù)據(jù)利用JPEG算法進行數(shù)字圖像壓縮?在本設計中采用一種改進的JPEG算法［4］?將二維DCT變換分解成兩次一維快速DCT變換?對8×8象素塊的DCT變換，共需176次乘法和464次加法，比標準DCT算法的1024次乘法和896次加法在運算速度上有極大提高?

（3）VC5416芯片通過與NetMCU模塊相連的0號串行通信接口（Mc BAP0），接收改變傳輸圖像的分辨率?幀速?曝光時間等參數(shù)的命令，并及時調整OV6620芯片的內部寄存器參數(shù)?

OV6620芯片和VC5416芯片之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，因此在系統(tǒng)中采用一片ALTERA公司的FPGA（FLEX10K20）芯片作為數(shù)據(jù)傳輸接口，代替VC5416芯片管理外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)?在FPGA芯片中集成了一個512×16bits的FIFO和一個存儲控制器?通過OV6620芯片輸出的圖像象素移位脈沖和圖像的行?場同步脈沖的控制，將原始圖像數(shù)據(jù)存入FIFO中?由于JPEG圖像壓縮以8×8象素塊基本運算單位，需要存儲控制器將FIFO中以行順序輸入的原始圖像數(shù)據(jù)進行存儲地址調整，變換成按8×8像素塊順序存入外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)?同時，由于受VC5416芯片的外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)容量的限制，存儲控制器將一幀原始圖像數(shù)據(jù)分成上下兩個半?yún)^(qū)，各占用一個64KB地址空間?當VC5416芯片讀數(shù)據(jù)時，存儲控制器會自動在這兩個半?yún)^(qū)之間切換，使得DSP芯片能夠處理一幀圖像?

2 NetMCU模塊

2.1 芯片介紹

本系統(tǒng)采用三星公司的S3C4510B芯片作為主控制器?芯片內部結構見圖3?S3C4510B芯片集成了ARM公司的32位精簡指令集處理器ARM7TDMI核?ARM7TDMI核采用馮?諾依曼體系結構，使用單-32位總線傳送指令和數(shù)據(jù)，使用三級流水線操作以提高處理器執(zhí)行速度?ARM7TDMI核可以使用兩種指令集：一種是32位ARM指令集;一種是16位Thumb指令集?Thumb指令集是ARM指令集的子集，但它能提供比16位體系結構更高的性能?比32位體系結構更高的代碼密度?因此，Thumb指令集使ARM7TDMI核非常適合有存儲器寬度和代碼密度限制的嵌入式場合? S3C4510B芯片的存儲空間最大可達16M×32bits（包括程序存儲區(qū)?數(shù)據(jù)存儲區(qū)和I/O設備區(qū)），它內部集成了一個存儲控制器，具有自動刷新存儲區(qū)數(shù)據(jù)和自動插入可編程等待周期的功能，可以支持多種類型的存儲芯片（包括ROM?SRAM?FLASH和DRAM）?在芯片內部還集成有8K×8bits的指令/數(shù)據(jù)Cache，采用pseudo-LRU（Least Recently Used）算法，大大提高了芯片的性能?

由于S3C4510B芯片面向網(wǎng)絡應用，因此在芯片內部集成了一個以太網(wǎng)控制器?該控制器工作于MAC層，完全兼容IEEE802.3協(xié)議標準?它能運行于10Mbps/100Mbps模式?該控制器包括一個接收/發(fā)送單元?一個流控制器?一個用于存放網(wǎng)絡地址的內容可尋址存儲單元和一系列命令/狀態(tài)寄存器?

2.2 功能介紹

S3C4510B芯片作為系統(tǒng)的主控制芯片，負責控制嵌入式網(wǎng)絡數(shù)字攝像系統(tǒng)的正常工作，包括將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)按照TCPIP協(xié)議發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)中的計算機上并接收計算機的命令修改系統(tǒng)工作參數(shù)等?

系統(tǒng)加電后，S3C4510B芯片自動從地址0x00處運行系統(tǒng)程序?系統(tǒng)程序首先初始化異常向量表，之后初始化1K×32bits的系統(tǒng)堆棧區(qū)，用于存放出現(xiàn)異常情況（中斷）時的寄存器值?然后，系統(tǒng)程序設置系統(tǒng)正常工作時的各個存儲區(qū)起始地址及存儲區(qū)容量，將地址0x00000~0x7FFFF共512K×32bits范圍作為程序存儲區(qū)（ROM），用于存放系統(tǒng)程序和用戶程序;將地址0x1000000~0x10FFFFF共1M×32bits作為程序/數(shù)據(jù)存儲區(qū)（RAM），又將該段存儲區(qū)分為用戶程序段?用戶堆棧段和用戶數(shù)據(jù)段;將片內存儲區(qū)地址映射到0x3FE0000~0x3FEFFFF;將特殊寄存器區(qū)地址映射到0x3FF0000~0x3FFFFFF?最后系統(tǒng)程序設置片內寄存器的值，初始化S3C4510BS3C4510B芯片的各個外部接口，包括異步串行通信接口（UART）?計時器?可編程I/O口?以太網(wǎng)控制器等?在系統(tǒng)初始化結束后，自動進入用戶模式，執(zhí)行用戶程序?

在用戶模式下，攝像系統(tǒng)作為網(wǎng)絡視頻服務器?根據(jù)用戶程序設置的MAC地址和IP地址，接收來自互聯(lián)網(wǎng)中計算機發(fā)出的請求信號?當系統(tǒng)收到請求信號后，用戶程序立即在本地與計算機建立TCP連接?將待傳輸?shù)囊粠瑝嚎s圖像數(shù)據(jù)首先按TCP協(xié)議封裝成TCP數(shù)據(jù)報，然后交付給IP層子程序封裝成IP數(shù)據(jù)報，最后由S3C4510B芯片內的MAC控制器將其拆分封裝成幀并發(fā)送到目的計算機上?當有多個計算機用戶發(fā)出請求信號時，用戶程序會在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中設置一個用戶列表，自動根據(jù)各個計算機的IP地址和建立連接時的端口號分別發(fā)送圖像數(shù)據(jù)?圖4顯示了用戶程序與一臺計算機發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)報的流程圖?目的計算機將接收到的TCP/IP數(shù)據(jù)報解封，恢復成JPEG壓縮圖像幀，再解壓縮，完成視頻圖像流的接收和播放?

用戶程序在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時，會根據(jù)圖像數(shù)據(jù)發(fā)送的速度及網(wǎng)絡的擁塞情況，自動通過異步串行通信接口（UART0）向VC5416VC5416芯片發(fā)送控制信號，及時改變圖像采集和壓縮的速率?本系統(tǒng)在發(fā)送視頻數(shù)據(jù)的同時，還能夠接收來自計算機的控制命令?根據(jù)不同的控制命令，系統(tǒng)也可以完成對圖像分辨率?圖像幀速率等指標的調節(jié)?

本文介紹的網(wǎng)絡數(shù)字攝像系統(tǒng)目前運行于評估板平臺上，下一步將繼續(xù)進行系統(tǒng)的集成和優(yōu)化并最終實現(xiàn)產品化?由于該設計方案采用高性能的32位微控制器和多個通用可編程器件（FPGA和DSP），因此該系統(tǒng)能夠支持VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)和更為復雜的應用程序?而且軟件和硬件設計只需稍加改進就能實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)，使得數(shù)字攝像系統(tǒng)能在移動中傳輸實時圖像?該網(wǎng)絡數(shù)字攝像系統(tǒng)具有硬件集成度高?圖像傳輸實時性好?操作簡單?維護方便等優(yōu)點?可以用于電視會議?電訊基站?智能樓宇?銀行的保安監(jiān)控以及交通違章和流量管理等?

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