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车载低端图像数据采集压缩存储及传输系统的实现

我爱方案网| 车载,低端,图像数据,压缩存储| 2010-11-07
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概述

在某些需要无人控制自动监视的场合,采用常规的图像监视系统具有一些不可避免的弊端,例如:设备体积于庞大、采购费用高、需要足够的电源供应、无法重复录制等等。尤其在不需要连续图像采集的场合,常常无法采用常规的图像监视系统。根据长途汽车对上车人员进行记录的应用要求,开发了一套基于EZ-USB的低端图像数据采集存储及传输系统。

本系统采用OmniVision公司的CMOS图像传感器OV7620作为采集芯片,Zoran公司的ZR36060作为数据压缩芯片,Cypress的带USB接口的单片机AN2131QC作为总控制芯片和USB数据传输芯片。由于长途汽车的乘客上下车是非连续的过程,对图像数据的保存要求就相对较低,因而采用Hynix的NAND闪存芯片HY27UA082G1M对图像数据进行保存。这样不但减小功耗,还可以实现重复存储,系统还包括用于图像数据缓存的FIFO。

该图像数据采集系统具有集成度高、传输速度快的优点,能够弥补常规图像监视系统的缺点,可望在低端的视频图像领域(如便携式图像系统)填补空白。

CMOS彩色图像传感器OV7620将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起,具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能,能够消除噪声、灯光闪烁等光电干扰,输出清晰、稳定的彩色图像。OV7620的功能特点包括:单芯片1/3寸镜头,最大664×492像素分辨;I2C控制,标准SCCB接口;开窗功能,局部图像输出;输出RGB/RawRGB/YCbCr视频信号;自动曝光控制/自动白平衡/自动增益控制/自动亮度控制;图像质量控制,包括颜色饱和度、锐度、伽马校正等。

如图1是OV7620的内部框图,视频图像采集以后,通过模数转换电路和控制处理后转换为数字视频信号输出,视频的控制时序由时序产生电路来生成,对外输出的数字信号为图像数据Y[7:0]和UV[7:0]。定时信号包括图像时钟PCLK、奇偶场信号FODD、行同步CHSYN、有效像素HREF、场同步VSYNC。由于它采用I2C的标准SCCB控制,可以采用单片机模拟SCCB总线,对图像帧频、曝光时间、增益控制、伽马校正等进行控制,还可以预设图像的分辨率、采集区域等。

JPEG编解码芯片ZR36060是专为视频采集与编辑应用而设计的,可以方便地实现对视频信号的实时压缩和解压缩,其内部框图如图2所示。在进行压缩时,ZR36060接受YUV4:2:2数字视频信号,将其编码为JPEG码流输出;在解压缩时,ZR36060接受JPEG码流,将其解码为YUV4:2:2数字视频信号输出。 

ZR36060具有以下特点:视频压缩和扩展功能,对像素块和CCIR视频信号可实现高达25~30帧/秒的压缩;灵活的数据接口,支持三种YUV视频接口模式,即8位主模式、16位从模式和8位从模式;提供同步主模式和同步从模式两种视频同步方式,前者是芯片内部产生所有的定时信号,后者则是芯片自己同步于一个外部的视频源;3种不同的比特率控制模式用于静止和运动视频的压缩;可以和多种常用视频解码器实现无缝连接。

由于视频图像文件的数据量非常大,一副没有经过压缩的8级灰度黑白视频图像的大小为664×492=327KB。如果不对图像进行压缩,其占用Flash存储器的空间将非常大。因而利用ZR36060的特点以及可以很方便地进行设置的特点,在本视频采集设备上采用了该芯片。

AN2131QC是Cypress公司开发的USB1.1协议的单片机,可以非常方便地开发USB外设。AN2131QC具有51单片机的所有特点,而且速度更快,可以使用51单片机的通用指令集。采用EZ-USB芯片的系统设计无需考虑端点数量、缓冲区尺寸和传输速度的限制。每个芯片内嵌一个EZ—USB核,能处理绝大多数USB事务,大大简化了程序代码,加速了开发进程。

如图3所示,整个图像数据系统由采集、压缩、存储、传输几个部分组成。OV7620的设定是通过基于图像的数码相机串行总线SCCB,在AN2131单片机中不能直接产生控制信号,所以必须利用AN2131QC的两个引脚进行模拟,图4所示是其读写传输的时序。为了节省空间,将OV7620的输出方式设定为16位视频总线,但只取其中[Y7:0]的灰度图像数据、采集视频的同步和图像时钟送往ZR36060。

 

图像压缩ZR36060使用视频同步从、8位代码主和8位视频总线模式,即由单片机通过8位数据总线[DATA7:0]对其内部寄存器进行工作方式设定(初始化),视频时钟和同步由OV7620产生,ZR36060采样同步信号与之同步,接受[Y7:0]的视频灰度信号进行压缩,压缩后的JPEG图像由[CODE7:0]输出直接送入FIFO中缓存。

NAND式FLASH有可能存在坏块,这就要考虑物理地址和虚拟地址的对应问题,所以建立了一个对应关系表,并存在FLASH的头几个块中,该表不断更新,随坏块的增加而变化,同时还记录了数据的保存位置。这样在初始化时,可以直接读取图像数据分配情况。为了记录FIFO的数据,采用类DMA的存储方法。单片机先从[D7:0]口输入命令和计算的地址的串行信号,然后发出命令使能FIFO的RE输出并计数,当到达一页的数量512个字时,重新上述输入过程。

对采集和压缩芯片初始化以后,就进入对图像数据压缩的控制阶段,并确保图像数据保存在完好的FLASH数据块中,延时时间到达时,将FLASH的图像数据最旧的那个块擦除,以确保下次保存时使用。图像采集部分程序框图如图5所示。

系统功能介绍

将本系统安装在长途客车的上客处,当有人员经过时,图像和采集过程启动,并延时3s后停止采集,同时将采集的数据压缩后送入FLASH中保存。经过设定,图像的分辨率为640×480,刷新率为15帧/秒,压缩后每帧图像为15KB左右的MJPG的图像数据。每次采集的图像为15K×3×15=675KB,这样两块256M×8Bit的FLASH可以记录700~800人次的图像数据,可以满足本车载图像采集系统的需要。

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