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DSP在CCTV摄像机中的应用

http://www.secu.net.cn 中国安防产品网时间：2004-12-29 15:20:00

    数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10-50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。目前DSP在CCTV系统中已经广泛应用，它的应用大大改观了传统CCTV摄像机技术，它将彻底改变CCTV摄像机技术在自然环境中的应用。

     DSP的发展

    DSP发展历程大致分为三个阶段：20世纪70年代理论先行，20世纪80年代产品普及，20世纪90年代突飞猛进。

    在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到上世纪70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。

    随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世是个里程碑，它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步，到了上世纪90年代DSP技术不断应用在不同的领域里，其中包括CCTV闭路电视监控系统中。

    在现代CCTV摄像机中DSP技术也得到了广泛的应用，由于镜头、分光系统和摄像器件的特性都不是理想的，所以经过CCD光电转换产生的信号不仅很弱，而且有很多缺陷，如图像细节信号弱、亮度不均匀、彩色不自然等，必须经过视频信号处理放大器对图像信号进行放大和校正，否则所拍摄出来的图像就会质量不高。视频处理放大器包括：黑斑校正、增益控制和调节、自动白平衡、γ预校正、彩色校正、轮廓校正、γ校正、杂散光校正、黑电平控制、自动黑平衡、混消隐、白切割等，较先进的摄像机还有自动拐点，色度孔阑、超高带孔阑、软轮廓、黑扩展、黑压缩、超级彩色电路等。

    数字信号处理摄像机则由模拟处理部分和数字处理部分组成，CCD输出的图像信号经过预放后进入模拟处理部分，完成黑斑补偿、自动黑/白平衡、杂散光校正、白斑补偿、增益控制、γ预校正等，这些部分如果也采用数字处理，则要求信号量化数用13比特，否则将出现数/模转换中量化比特数低的问题。除以上部分外，后面部分用10比特量化进行数字处理，包括彩色校正、轮廓校正、γ校正、混消隐、白切割、色度孔阑、二维滤波、数据检测、编码矩阵、彩条发生器。其主控器由微型机和ROM、RAM、数/模转换电路等组成。

    数字信号处理器除了对摄像机图像的信号放大、信号校正等，还对摄像机的特殊功能的实现有更好的体现，目前discover公司和hitachi共同推出的VK-S454E摄像机是目前监控产品中DSP技术最好的体现，VK-S454E不光有先进的信号校正，自动聚集功能，还在宽动态范围（WDR）、数字慢快门（D.S.S）、通过对信号的识别进行彩色黑白转换及可移除红外滤光片功能、3D区域屏蔽功能等，这些功能都来自于日立第六代DSP数字信号处理器，再加上VK-S454E采用的是1：1逐行扫描的CCD及23倍高性能高耐用的视频变焦镜头，所以VK-S454E在目前数字监控摄像机中具有独一无二的图像采集效果，并广泛用于银行、交通、监狱、智能大厦等。

     数字信号处理摄像机的优点

    高稳定性和高可靠性，数字信号处理受温度影响小、干扰小，数字处理容易做成大规模集成电路，各种参数存储在存储器里，调节时采用数字设定、微机控制，取消了大量的调节电位器，减少了调节点，也减少了调节量，并可长时间保持不变，所以其稳定性和可靠性大大提高。

    图像质量提高，许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行，例如二维数字滤波、肤色轮廓校正、细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵、精确的γ校正等，这些处理都提高了图像质量。

    调节精确灵活，各种调节是通过数字设定，比用电位器调节准确而容易。各台摄像机的参数差别是难免的，对于模拟摄像机很难使各台摄像机调节得一致，而用数字处理可通过均衡各参数值的方法把各摄像机之间的差别缩减到最小。可以用一个调节卡调节各台摄像机，并且摄像机的许多参数都可以调节和设定。

    宽高比可变，可进行画面格式16∶9和4∶3变换

    DSP技术展望

     1、系统级集成DSP是潮流

    缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。TI公司的TMS320C80代表当今DSP领域中的最高水平，它在一块芯片上集成了4个DSP、1个RISC处理器、1个传输控制器、2个视频控制器。这样的芯片通常称之为MVP（多媒体视频处理器）。它可支持各种图像规格和各种算法，功能相当强，在CCTV数字监控系统中，这种系统集成的DSP摄像机也在不断涌现，特别是超小型一体化摄像机的面市，敏通1/4 英寸迷你型10倍一体化智能摄像机（MTC-54G10H）大小仅为59×40×38.5，而日立面世的10倍一体化智能摄像机（VK-U174）比它还要小，体积仅为54×40×34.6，重量仅仅为100G，在未来一体化摄像机的发展中，无论是从外形，使用或者是集成上讲，一体化的微型化发展是肯定的。枪型微型摄像机的发展也很快，美观，隐蔽性好是它发展的特点。

    2、可编程DSP是主导产品

     可编程DSP给生产厂商提供了很大的灵活性。生产厂商可在同一个DSP平台上开发出各种不同型号的系列产品，以满足不同用户的需求。同时，可编程DSP也为广大用户提供了易于升级的良好途径。

    3、追求更高的运算速度

    目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。但仍嫌不够快。由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（Very Long Instruction Word超长指令字）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS，计划今年年中批量生产，这是迄今为止的最高速度，在CCTV闭路电视监控系统中摄像机所应用的DSP技术的处理速度也相当快，由于对图形图像的处理，在摄像机的DSP处理中需要相当一部分用来处理对图形图像的分析和处理。当前DSP器件大都采用0.5μm--0.35μmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。

    4、定点DSP是主流

    从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。

来源：编缉：baoxiuli

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