基于DM6446的变焦成像系统设计

摘要：提出了一种基于DM6446的变焦成像系统，进行了硬件系统设计和软件设计。该系统由镜头部分、图像采集部分、微处理器以及存储显示部分组成，通过变焦距光学镜头和CMOS图像传感器获取图像信息，再通过DM6446处理器的视频处理子系统完成图像的存储与显示。该系统结构简单、功能强大，具有良好的扩展性，应用价值好。
关键词：DaVinci；DM6446；成像系统；镜头控制

    随着数码相机技术的快速发展，数字成像系统已经广泛应用于工业检测、公共安全以及生活的各个方面。数字成像系统利用图像传感器获取图像信息，经过处理之后形成数字图像和视频。数字成像系统通常可分为定焦成像系统和变焦成像系统，变焦成像系统使用变焦距镜头，从而通过对镜头的控制实现对不同物距下的景物成像。

1 系统设计
    变焦成像系统由镜头部分、图像采集部分、微处理器以及存储显示部分组成，整个系统的结构原理框图如图1所示。景物通过镜头成像在CMOS图像传感器上，像素单元的电荷信号经处理并A／D转换后成为数字信号。本系统采用DaVinci系列DM6446微处理器，CMOS获取的图像信号通过视频输入接口进入视频处理前端，在DM6446处理后由视频处理后端将图像显示在TFT_LCD上。系统的镜头部分采用变焦距光学镜头，通过对镜头中电机的控制改变其组合焦距。

2 系统硬件设计
2．1 图像采集部分
    成像系统的图像采集由图像传感器实现，而图像传感器分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。本系统的图像采集部分采用OmniVision公司的彩色CMOS传感器OV7620，该芯片高度集成了全部摄像功能，感光阵列大小为664x492，其内部结构如图2所示。

    OV7620能够在分辨率664x492下以60帧／s的速度捕捉图像，它集成了帧(行)控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、A／D转换电路、数字信号输出电路及IIC编程接口。其中感光阵列得到原始的彩色图像信号；模拟处理电路完成诸如颜色分离与均衡、增益控制、白电平调整等信号的处理工作；输出电路根据需要输出多种标准的视频信号；视频时序产生电路用于产生行／场同步、混合视频同步等同步信号以及像素时钟信号。
    本系统利用OV7620主模式，该模式下芯片提供HSYNC、VSYNC输出，同时设置数据输出格式为RGB原始数据。当OV7620采集启动之后，场同步信号VSYNC上升沿的到来表示一场的开始，当水平同步信号HREF处于有效状态时，图像数据在像素时钟PCLK的上升沿不断地送到输出端口上。
2．2 变焦距镜头
    变焦距镜头是指焦距在一定范围内连续改变而像面保持不变的光学系统，它是变焦成像系统中不可或缺的一部分。本系统采用的变焦距镜头能够实现3倍光学变焦，其内部的镜头单元可分为变焦镜头和对焦镜头，如图3所示。除此以外，镜头中还包含微型马达电机、光电传感器、凸轮机构、齿轮传动机构等组成单元。微型马达与齿轮、凸轮机构控制镜头单元在中心轴线上运动，其中控制变焦镜头的叫做变焦电机，控制对焦镜头的叫做对焦电机。变焦电机和对焦电机在镜头中的位置状态通过光电传感器获得，从而使得处理器能对镜头单元进行位置控制。本系统利用MSP430单片实现对镜头的电机控制、传感器信号读取。

2．3 DM6446微处理器
    本系统采用DM6446微处理器，其内部集成TMS320C64+DSP核和ARM926EJ-S核，同时它还包含一个视频处理子系统。DM6446的视频处理子系统分为视频处理前端(VPFE)和视频处理后端(VPBE)，VPFE完成视频／图像信号的采集，VPBE负责视频／图像信号的显示，结构原理框图如图4所示。

    VPFE由CCD控制器(CCDC)、预览引擎、图像大小调整器、硬件3A(H3A)统计发生器以及柱状图模块组成。所有这些模块组成了一个强大而灵活的前端接口。VPBE由屏幕显示(OSD)模块、视频编码器(VENC)和数字LCD控制器(DLCD)组成。本系统中CMOS输入图像数据格式为Raw格式，显示输出数据为RGB格式。
2．4 TFT-LCD模块
    本系统采用SHARP公司的LQ057Q3DC02液晶显示模块实时显示图像，它包含一个彩色TFT-LCD面板、驱动电路、控制单元、电源以及一个背光板单元。LQ057Q3DC02显示的图像大小为320x240，数据信号的宽度为18 bit。VPBE为TFT-LCD模块提供时钟信号、行／场同步信号、RGB图像信号及其他控制信号。
2．5 电平转换模块
    由于DM6446处理器的接口电平为1．8 V，而A／D转换后的图像信号电平和TFT-LCD接口电平都为3．3 V，因此需要对信号输入接口和输出接口进行电平转换。电平转换通常采用专门的电平转换芯片，但本系统中1．8 V与3．3 V之间的电平转换利用CPLD来实现。由于CPLD的可编程阵列逻辑为B1和B2两部分，因此对这两个部分分别供1．8 V和3．3 V，这样就实现了B1和B2两部分的I／O输入／输出电平为1．8 V和3．3 V。通过对CPLD的编程，就能够实现本系统中1．8 V与3．3 V之间的电平转换。

3 系统软件设计
3．1 CMOS图像传感器配置
    利用SCCB总线接口可以对CMOS图像传感器提供的内部寄存器进行参数配置，从而实现对OV7620工作方式的有效控制。本系统利用MSP430单片机完成OV7620的配置工作，采用单片机的普通I／O口模拟串行总线来实现工作参数的配置。
    在MSP430单片机P1口的两个端口设置为输出，其中一个用于模拟串行时钟SIO-1，另一个用于模拟串行数据SIO-1。在编程实现时，通过延时操作改变SIO-1端口输出电平模拟串行时钟，同时在SIO-1为高电平时，将配置数据写到SIO-1端口上。这样通过先写寄存器地址再写寄存器数据，就能够实现对OV7620的参数配置。
3．2 图像采集与显示
    VPFE接收像素时钟信号，同时根据图像传感器的工作时序配置HD_VD_WID寄存器，从而接收行／场同步信号HD和VD。CCDC模块完成图像采集工作，它提供了一个连接图像传感器和数字视频源的接口，数据通过CCDC送入后续处理模块或者异步外部存储器接口进行存储。为了使CCDC能够进行图像采集，在SYN_MODE寄存器中将数据接口配置成隔行扫描的8 bit宽度的RAW格式数据。本系统中将CCDC采集到的图像数据直接放入DDR中存储，因此将SYN_MODE，WEN设置为1，同时在SDR_ADDR中设置图像数据的存储地址。
    VPBE中OSD模块将视频数据和显示／位图数据整合后，以YCbCr形式提供给VENC，它提供两个视频窗口和两个OSD窗口用以显示图像。本系统将OSD的视频窗口0作为图像实时显示窗口，VIDWINOADR寄存器配置成图像数据的存放地址，使得OSD从DDR中获取图像数据。DLCD控制器为TFT-LCD提供工作时序，通过VMOD寄存器将数字视频输出格式配置成逐行扫描的并行RGB模式，从而满足TFT-LCD的数据接口要求。
3．3 镜头控制
    本系统在图像传感器上采用变焦距光学镜头，当变焦镜头从广角端向远角端移动时，变焦镜头的组合焦距发生改变，为了在图像传感器上成清晰的像，需要移动对焦镜头到对焦位置。本系统中镜头的控制包括变焦镜头的控制和对焦镜头的控制，其中变焦镜头通过按键的方式实现镜头的伸缩，对焦镜头则通过图像的清晰与否来进行精确控制。镜头控制流程图如图5所示。

4 结论
    利用DM6446处理器进行变焦成像系统设计，给出了系统的硬件和软件设计。该系统由变焦距镜头、CMOS图像传感器电路、DM6446处理器以及TFT-LCD组成。同时，系统在图像传感器上采用变焦距光学镜头进行成像，通过对镜头的控制能够实现对不同物距下景物的清晰成像。本系统可应用于视频监控、数码成像等领域，具有广泛的应用性。