摘 要： 目前使用的图像传感器主要有CMOS和CCD两类。CMOS器件功耗低、集成度高，但成像质量不如CCD器件好。因此该多摄像头视频采集系统采用了CCD和CMOS两种器件，以满足多种需求。提出了一种基于TI公司TMS320DM365处理芯片、采用CCD和CMOS器件的摄像头软硬件切换设计方案。
0 引言
近年来，随着移动终端的快速发展，计算能力增强，移动网络传输速度大幅提高，移动视频监控技术发展迅速。目前国内外视频监控业务主要应用在公共领域、行业用户和个人用户。特别是在公共场所，国外设置了众多监控设备，以加强对公共领域安全的控制能力[1]。嵌入式视频采集系统具有高效、体积小、实时稳定、低成本等优点[2]，自然而然地成为了视频监控设备的良好载体。
目前使用的图像传感器有CMOS（互补金属氧化物半导体）和CCD（电荷耦合器件）两类。与CCD相比，CMOS器件具有功耗低、集成度高等优点，但是在噪点和成像质量方面不如CCD器件[3]。而CCD器件则刚好相反。所以在本设计中，采用了CCD与CMOS搭配的设计。其中CCD器件搭配TVP5151视频解码芯片，外置的CCD摄像头能够提供更灵活、更清晰的视频图像。CMOS则是采用了OV5640的模组，利用其集成度高、体积小的特点，作为内置的视频采集摄像头，满足视频聊天等一般成像需求。
1 硬件框架设计
整个视频采集系统终端以TMS320DM365芯片作为处理器芯片，基本模块有DDR2、SDRAM、NAND Flash、网口、串口以及负责进行信令和视频数据传输的3G模块等。TI公司的基于DaVinci技术的TMS320DM365芯片，集成了一颗ARM926EJ-S内核，一个图像处理子系统（VPSS），一个H.264高清编码器协处理器HDVICP和一个MPEG-4/JPEG高清编码器协处理器MJCP，支持多格式编解码[4]，所以特别适用于图像处理。视频采集部分主要由DM365的VPFE（视频处理前端）、一个多路转换器和两个视频数据采集芯片（OV5640和TVP5151）组成。摄像头硬件切换由DM365的GPIO口对多路转换器进行控制，选择输入到VPFE的数据源。
系统硬件框架设计图如图1所示。
DM365的VPFE采集驱动是一个V4L2设备驱动，可以对RGB和YUV数据进行采集。VPFE的简单框架如图2所示[5]。
视频采集前端在接收到原始的YUV视频数据后，可以对数据进行存储，同时又将视频数据通过内部的数据总线传输到图像处理模块。此时可对图像数据进行裁剪、缩放等，以适应本地存储或者网络上传的需求。
视频采集前端在接收到原始的YUV视频数据后，可以对数据进行存储，同时又将视频数据通过内部的数据总线传输到图像处理模块。此时可对图像数据进行裁剪、缩放等，以适应本地存储或者是网络上传的需求。
2 软件设计
2.1 VPFE模块驱动
TMS320DM365数字多媒体芯片包含一个视频处理模块用来处理视频数据，减轻主处理器的负担。它支持大多数主流的外置视频采集设备。而与外置视频采集设备直接相连的就是视频处理前端子系统（VPFE）。
VPFE采集驱动通过标准的V4L2接口将底层硬件的功能暴露给了上层应用程序，在应用程序和设备驱动之间建立起了桥梁[6]。VPFE驱动初始化开始后，首先通过imp_get_hw_if函数和ccdc_get_hw_interface函数绑定imp和CCDC的接口函数组，随后对CCDC模块进行初始化。初始化CCDC模块之后，驱动会分配需要的内存用来存储采集上来的视频数据。最后，便是调用driver_register（&vpfe_driver）函数和platform_device_register（&_vpfe_device）函数注册驱动和平台设备。系统启动时，检测到其驱动和设备都存在后，就会调用vpfe_prob函数，这个函数做的最重要的事情就是调用video_register_device函数绑定了file_operations结构体，提供给应用程序访问内核与设备驱动的接口。同时生成一个设备文件节点（/dev/Video0），这样，应用程序就能通过访问/dev/Video0设备文件节点，配合Ioctl函数调用VPFE驱动中file_operations结构体成员函数来进行视频的采集。
VPFE初始化流程图如图3所示。在此设计中采用了两种视频采集芯片，分别为德州仪器的TVP5151和豪威科技的OV5640。这两种芯片的驱动程序中，在完成标准的I2C设备注册的工作后，都会调用vpif_register_decoder（&ov5640_dev[i]）或是vpif_register_decoder（&TVP5151 _dev[i]）函数将采集芯片的各种操作函数接口封装成一个struct decoder_device结构体注册到前面提到的VPFE模块中。这样，应用程序就可以通过VPFE的设备文件节点（/dev/Video0）来调用VPFE的操作函数，进而再间接地调用采集设备的操作函数，完成视频采集芯片的配置工作，使得其能够正常工作。
2.2 摄像头软切换
此设计中使用了两种视频采集芯片TVP5151与OV5640，因此会有两个decoder_device结构体注册到VPFE模块中。摄像头的软切换，也就是对VPFE模块中注册的decodor_device结构体进行重新选择，决定该调用哪个采集芯片，并对CCDC模块进行相应的配置。于此同时，对多路选择器也要进行相应的配置，使其选择正确的通路。摄像头切换流程如图4所示。
首先自然是通过3个GPIO口来配置多路选择器选择正确的通路，使得DM365可以获取到来自正确的采集芯片的视频数据。VIDIOC_ENUMINPUT命令会通过VPFE模块调用到注册到VPFE模块中的采集芯片驱动的操作函数enuminput，从而依次检索注册到VPFE中的各个decoder_device结构体中是否有需要的input_info，并返回对应的decoder_device的序号。所以只需要在调用VIDIOC_ENUMINPUT命令时传入与所需要采集芯片驱动中相同的input类型，便可以找到对应的decoder_device，从而切换到对应的摄像头。得到正确的decoder_device序号后，即可用VIDIOC_S_INPUT命令，调用到采集芯片驱动中的initialize函数，完成其初始化。
切换到正确的视频数据源以后，还要对CCDC模块进行对应的设置。这时需要调用命令VIDIOC_S_STD：ioctl（fd，VIDIOC_S_STD，&std），它会调用到视频采集芯片驱动中的setstd函数，进而对驱动中的struct v4l2_standard结构体数组进行便利，找到其中数据成员ID与VIDIOC_S_STD命令传入参数std相同的项，返回其name成员，并将其作为ccdc_hw_if->setstd函数的参数执行，便可以对CCDC模块的分辨率、帧率等信息进行设置。例如，当检索到的name值为“VGA-30”时，CCDC模块分辨率便会被设置成640×480，帧率为30 FPS。
2.3 扫描方式的切换
此设计方案中用到的两种视频采集芯片的扫描方式是不同的。TVP5151是隔行扫描，一帧分为奇偶两场，而OV5640是逐行扫描。VPFE模块对于这两种扫描方式的处理方式是不同的，所以完成摄像头的切换后，还要把CCDC模块扫描方式设定成与对应的视频采集芯片一致。在VPFE驱动中，有一个标志位frame_format就是用来表示扫描方式的，frame_format为0时表示隔行扫描，即使用TVP5151；为1时就表示逐行扫描，即使用OV5640。原本ccdc_hw_if->setstd函数还可以对扫描方式进行设定，但是由于本设计所使用的内核版本的缺陷，设定无法生效，所以添加了一个小补丁：在内核VOFE驱动中声明了一个变量scanmode，并使用EXP ORT_SYMBOL（scanmode）使之成为内核全局变量。然后分别在TVP5151和OV5640驱动的intialize函数中对其进行赋值。TVP5151为隔行扫描，故对其赋0，OV5640则相反。这样，每次切换摄像头后，在初始化采集芯片的同时也会对CCDC的扫描方式进行选择。
3 测试结果
测试在实验室的单兵设备上进行。在后置的OV5640摄像头模组和外置的TVP5151摄像头模组之间进行了切换，外置摄像头更清晰，也更灵活。而内置的则胜在方便、小巧。设计达到了预期目标。测试效果图如图5所示。
4 结论
嵌入式芯片技术的快速发展，使其在视频监控设备总的应用越来越广泛。同样发展迅速的还有视频采集芯片。本文设计实现了基于TMS320DM365硬件平台的多摄像头软硬件切换方案，采用了CMOS和CCD两种器件，实现了不同厂家型号、不同扫描方式的视频采集芯片模组之间的顺畅切换。这在视频采集芯片发展越来越多样化的今天，有一定的意义。
参考文献
[1] 苗润生.3G移动视频监控业务的应用与发展[D].北京：北京邮电大学，2010.
[2] 李佳林，刘永春.基于S3C2440网络视频采集系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2014（6）：1314-1316， 1325.
[3] 王旭东，叶玉堂.CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势[J].电子设计工程，2010（11）：178-181.
[4] 徐凯，钱燕，魏宗群，等.基于TMS320DM365的3G实时视频传输系统设计与实现[J].浙江农业科学，2012（7）：1056-1059.
[5] Texas Instruments. Davinci Linux VPFE Capture Driver [EB/OL]. [2015-07-15]. http：//www.ti.com/lit/an/sprs566a/ sprs566a. pdf.2015.2.
[6] 潘力策，孟利民.基于DM365的双码流视频监控设备的设计与实现[J].微型机与应用，2015，34（10）：41-43，47.