基于C54x DSP的数码相机和相关产品设计

1983年，美国TI公司的TMS32010 DSP上市。32010采用了3mm线宽的工艺，运算速度为5MIPS，功耗为0.9W，即180mW/MIPS，价格约500美元/片。当时的主要用途是做简单的语音编码，如ITU-G.711和ITU-G.721；还有做低速的Modem，如ITU-V.21。

1989年，TI公司推出了TMS320C50，采用0.8mm线宽工艺，速度为40MIPS，功耗降至12.5 mW/MIPS，价格降至15美元/片。C50大大扩展了DSP的应用范围，如低码率声码器、回声抵消器、中速Modem、音频编码等。

1997年，TI开始推出全新一代的定点DSP TMS320C54x，采用0.18mm线宽工艺，速度达到100～200MIPS，功耗降至0.5 mW/MIPS。

2000年春季TI又推出了最新一代的定点DSP C55x系列，采用0.15mm线宽工艺，速度为320/400MIPS，功耗降至0.25 mW/MIPS。C54x DSP不仅可作语音、音频处理和通信、特别是移动通信应用，更可以用于图象编码，当前主要是用于做数码相机和数字图像监控系统。

最近数码相机(DSC)已成为非常普通的消费类电子产品。它已经被摄影爱好者、网页开发者、地产开发商、保险评定员、摄影记者等广泛使用。与传统的胶卷相机相比，数码相机具有数据存储、处理和传输的功能。数码相机可以当场看到拍摄效果，当场决定是否需要存储或重拍，又可将图像数据直接输给计算机进行校正、变换和修饰，还可以通过Internet传送到各地。

图1是采用C549定点DSP的数码相机的系统功能框图。绝大多数DSC都采用CCD光电变换器获取景物的图像信息。CCD传感器需要驱动电路和定时电路。CCD将光信号转换成电信号，然后通过双取样校正电路和AGC后得到高质量的图像信号，再经过10～12bit的A/D变换为数字信号。A/D变换器输出的是线性PCM信号，数据量很大，例如对于一幅640×480分辨率(30万像素)的彩色照片，数据量为7.37Mbit，对于一幅1024×768（80万像素)的彩色照片，数据量达到18.87Mbit。如果直接将这些数据寄存到半导体存储器中，需要非常大容量的存储器。为减少存储器的容量，必须采取压缩处理。在数码相机中现在大多采用JPEG编码算法。

在进行JPEG压缩编码前，还须对图像数据进行一系列预处理。包括：

黑电平箝位 因为每个CCD单元起始电流不一定在零状态，会有失调，一定要箝位在同一起始电流上。

透镜畸变补偿 因为透镜的非线性引起图像中心区和边缘区的亮度差，要根据每个像素的空间位置调节其亮度。

缺损像素内插 因为CCD阵列像素很多，不可避免会有不好的像素。可以采用将该缺损像素临近像素的数据进行内插计算，算出该缺损像素的亮度值。

彩色滤波阵列CCD原始图像是经过彩色滤光器得到的，对任何像素只有一种颜色信息(R、G、B中的一种），但在处理时需要全彩色信息。所以要通过临近像素的内插重建另两种丢失的颜色。

r-矫正 由CCD传感器产生的图像与显示器显示或打印机打印的图像之间总有不同，要采用Gamma矫正。

彩色空间转换 JPEG算法要求的彩色空间是亮度(Y)和色差（Cb、Cr)信息，所以要将R、G、B转换成Y、Cb、Cr。

其他预处理还有边缘的增强、伪彩色抑制、自动聚焦、自动曝光。以上所有的预处理工作都由DSP完成。

预处理工作结束后数据流又由同一块DSP进行JPEG压缩处理。压缩的目的是减少图像的数据量，从而降低存储的存储量，或在一定的存储容量下存放更多的照片。JPEG是一种极其通用的静止图像压缩算法。在DSC典型应用中压缩倍率为10:1至15:1，在这个压缩倍率范围内，能保持优良的重建图像质量,使其基本可与原始图像质量一致。当然还可增大压缩倍率到20:1甚至30:1。但重建的图像质量明显变差，不适用于DSC。JPEG的压缩算法由数据组块、离散余弦变换(DCT)、量化、可变长编码（Huffman编码)等部分组成。

上述图像预处理和JPEG压缩编码都由C549 DSP完成。TMS320C549 是TI在1999年推出的定点高性能低功耗DSP。其运算速度为100MIPS。片内RAM为32K×16bit。ROM为16K×16bit。功耗0.45mA/MIPS。在进行预处理和压缩编码时毋需外接昂贵的高速存储器。表1详细列出了进行上述一系列处理时所需的指令数。由于C549的指令集和结构的效率高，所以整个预处理和JPEG压缩编码只开销150周期/像素，所以对于100万像素的CCC图像，用100MHz的C549处理时只需1.5s就可以完成。所以两次拍摄的时间间隔只需2s左右。经过压缩后的图像数据存入Flash卡。照片回放时可以通过RS232或USB串口进入计算机,用软件做JPEG的解压缩。数码相机本身的DSP也具有解压缩功能，由C549回放。解压缩的软件开销为100周期/像素，所以100万像素的照片只需1s就完成解压缩了。

表2列出了完成所有处理任务所需的程序存储器和数据存储器的容量，该容量远小于C549片内提供的存储器容量，所以毋需外扩高速存储器，也省去了对外部存储器存取的要求，降低了DSC的系统成本和功耗。

在图1所示的DSC总体框图中还有一些周边电路，如LCD显示器，可作为取景和照片回放；有NTSC/PAL电视编码器，可以在电视机上观看照片回放。

目前市场上很多图像监控系统都是以PC机为平台。但在PC机中插入图像采集卡或图像压缩卡，完全要依靠PC机工作，在许多场合不是很方便。

我们所研制的图像采集压缩系统是不需PC机的便携式数字图像传输系统。由DSP完成图像压缩处理，再通过通信接口与MODEM连接进入公用电话网。只要电话能通的地方都可以运用，接收端采用PC软件解压缩，由计算机控制、存储、建立数据库，以及与Internet连接。

考虑到成本要低，所以采用定点的C54xDSP芯片。而100MIPS的DSP要做活动图像处理几乎是不可能的，况且还有MODEM和通信线路传送数据率的瓶颈问题，所以像数码相机一样采用JPEG压缩方式，传送静止图像。其实在很多场合静止图像传输也是很有用的，例如事故发生的现场、商品广告和实样展示、无人机房、机器仪表面板或控制开关位置的监视等等。

图2为图象发送端的硬件方框图，图像的采集与数字化由摄像头和A/D芯片完成，可以通过软件灵活地控制数字图像的输出大小和格式，可以有176×144、353×288、704×576等彩色图像。场缓存是片外高速RAM，完成暂存图像的功能。正常工作时摄像头与A/D芯片处于常开状态，原始图像数据不断地写入场缓存，但场缓存处于常关状态，只有收到来自C54X的取图命令时，才取出一幅图像数据储存起来。C54X芯片将原始图像按JPEG压缩，生成的码流经过信道传送到接收点。发送和接收方(PC机)都接有MODEM，通过控制8251芯片，设定传送速率，发送AT指令，以及Modem和DTE之间的信息握手，从而实现拨号、连接、摘机等电话的基本功能。

作为监控用的图像传输系统对重建图像质量要求可比DSC低，故采用20：1的压缩倍率。对于352×288×2字节/像素，共计198kb，经过20：1的压缩将数据量降至10kb左右。如用33.6kb的Modem传送，约需2. 4s，而实际压缩时间小于1s，所以瓶颈的原因在于信道带宽窄。

最近我们又在图2所示系统的基础上进行了改进，采用CMOS摄像头，DSP采用廉价的C5409。增加了Flash存储器，可以存储10幅左右的图像。如果与其他安保探头相连，经触发就可以自动拨号告警，并将当时记录的几幅图象发送给监控中心。系统按照小型化设计，体积仅90mm(L)×70mm（W)×35mm(H），便于隐蔽和伪装。

目前数码相机也有专用芯片，如TI公司的TMS320DSC21 和TMS320DSC24具有强大的音视频编码功能，可以与话筒、喇叭、耳机等接口，并已植入MP3回放功能的软件。HP公司采用此芯片的数码相机已经上市，不久市场上就可以看到Kodak公司采用TI方案的、可以播放MP3音乐的Kodak mc3数码相机了。

无论是TMS320DSC21还是TMS320DSC24，其核心均为C54X并集成一个ARM核。采用DSP的最大优点就是极其灵活。因为DSC和ISS目前都没有标准，需要不断地修改、升级。采用DSP后修改和升级只需改动软件，硬件平台不必更换，即可不断地增加新的功能。因此在现阶段，基于DSP平台开发数码相机和图像监控系统（ISS)还是大有可为的，特别是针对一些的特殊应用和需求。未来的DSC系统会具有许多新的功能，如用文字或声音做照片注解，可以包括Modem和TCP/IP接口，直接与Internet连接。 新的JPEG2000图像压缩算法标准已经出来，压缩倍率比JPEG高10倍以上，相信DSP将发挥越来越重要的作用。■