【正文】 哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 18 第 4 章 系統(tǒng)的硬件設計。有的卡帶有三個輸入端，可以連接不同的信號源，但是采集卡每次只能由軟件控制選擇其中的一個輸入。建議你不但要拿到全套開發(fā)工具 ,還應該和供貨商的技術支持人員直接聯(lián)系 ,以確定在配置系統(tǒng)出現(xiàn)問題時 ,有人能真正幫助你。 市場上大部分產(chǎn)品功能較為單一，而集靜態(tài) /動態(tài)采集于一身的視頻卡，無論是在實際應用還是系統(tǒng)集成方面都具有明顯優(yōu)勢。而采用速度高達 100M 的 PCI 總線，則實時性問題將得以解決，所以視頻卡采用 PCI 總線已成為當前的潮流。 視頻卡采用的總線類型同樣至關重要。這就導致了明顯的鋸齒現(xiàn)象。如 320240 像素。 靜態(tài)捕獲緩沖區(qū)的大小，它決定了用戶捕獲的靜態(tài)圖像是否能真正符合攝像鏡頭的分辨率。在圖像質量方面以下兩個參數(shù)比較重要。 隨著微機速度的不斷提高，在屏幕上顯示高彩色、高分辨率的圖像已是輕而易舉的事。 RT300 是一種單純的捕捉卡，不具備視頻疊加和視頻編碼功能。由于它支持視頻實時硬件壓縮，所以視頻捕捉與壓縮可在一步內完成。 (3)RT300： RT300 是高性能的視頻捕捉卡。 FS200 可以將視頻圖像序列從最初大小放大成微機全屏幕的多媒體圖像。 (2)FS200： FS200 可以將來自攝像機、錄像機和視盤機等多種來源的視頻圖像 引入計算機中。 (1)SE100： SE100 具有視頻疊加和視頻捕捉能力，可以通過攝像機在顯示器上實時顯示視頻，捕捉單個幀，或者將實時視頻序列保存為 AVI 文件。除此之外，Intel 公司的 ISURPRO(靈巧型視頻錄像機 )是一塊性 能穩(wěn)定的視頻采集卡，由于板上裝有Inteli750 壓縮芯片。視霸卡是一個系列產(chǎn)品，用于視頻采集卡的主要有 SE1O0、 FS200、 RT300 等型號，其中 RT300 主要用于運動圖像的采集，它采用 Inteli750 壓縮芯片，可以在 320240 分辨率下實時采集運動圖像并壓縮存儲成 AVI 文件。視頻采集卡的工作方式可以是單幀采集或者連續(xù)采集，也可以將采集的圖像序列放在內存和直接存儲到 磁盤，還可以經(jīng)過壓縮以后存儲或不經(jīng)壓縮存儲。視頻采集卡的模擬視頻信號源可以是攝像機、錄像機、攝錄機、影碟機等，原來保存在錄象帶、激光視盤等介質上的圖像信息可以利用視頻采集卡轉錄到計算機內部。因此視頻采集卡也稱捕獲卡。從最低檔的簡單采集卡，一直到性能很好的非線性編輯卡。模擬視頻信號經(jīng)過采樣、量化、壓縮后，就形成了我們所說的數(shù)字視頻，而這一過程實際上是可逆的，就是說經(jīng)過上述相反的步驟，同樣可將數(shù)字視頻轉換成模擬視頻輸出錄制。壓縮處理可通過硬件和軟件來實現(xiàn)，硬件壓縮一般可實現(xiàn)較高質量的視頻影像實時壓縮，而軟件壓縮則往往要在分辨率、顏色深度、幀率等方面作出一些犧牲。 壓縮分為有損壓縮和無損壓縮。因此產(chǎn)生了 24 位深度的顏色數(shù)，即 1670 萬種顏色，一般這就稱為真彩。一般采用 4： 2： 2 格式，即 Y 信號的采樣頻率為 U、 V 信號的兩倍。這一數(shù)字化過程通常由計算機上的視頻采集卡來完成。為了疊加，兩種信號必須同步，同步的 RGB 與 VGA 卡的同步信號驅動，交替切換兩路信號，實現(xiàn)兩路信號疊加。 A/D 轉換后的數(shù)字視頻可以加以壓縮，也可以不壓縮，按指定的格式存放到內存 (如硬盤 )上去。另一路進行彩色空間轉換，以便數(shù)字化處理，即采樣和量化，也就是模數(shù)轉換 (A/D 轉換 )。 RGB 空間的彩色信號到 YUV 空間的轉換可以是一個簡單的矩陣變換，根據(jù) Y、 U、 V比例的取值不同，這個矩陣變換會變化。 RGB 彩色空間是最常見的彩色空間，RGB 彩色空間把任一顏色看成是 RGB 三色的合成。通常，視頻采集的第一步 A/D 轉換就是彩 色空間轉換，從 RGB 彩色空間轉換到 YUV/YIQ 彩色空間。諸如，可以存盤、加工、配音等等。從幀存儲器取一個像素，經(jīng)過數(shù)模轉換 (D/A)，變成模擬的 RGB 信號。解碼的結果是 YUV信號數(shù)據(jù) (見圖 32)。 圖 32 視頻采集卡原理示意圖 視頻信號一般情況下都是模擬信號 ,視頻采集卡的第一步就是對模擬視頻信號數(shù)字化 .視頻信號的數(shù)字化過程稱為模數(shù)轉換 (A/D 轉換 ),共分兩步完成 ,第一步是采樣 ,即把連續(xù)的視頻信號離散化 ,按時間分區(qū)形成一個個樣本 .第二步則將一個個樣本按幅度大小轉換成數(shù)哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 15 值 ,稱為量化。不但能把視頻 圖像以不同的視頻窗口大小顯示在計算機的顯示器上，而且還能提供許多特殊效果，諸如凍結、淡出、旋轉、鏡像以及透明色等。許多視頻采集卡能在捕捉視頻信息的同時獲得伴音，使音頻部分與視頻部分在數(shù)字化時同步保存、同步播放。 視頻采集卡 視頻采集卡原理概述 計算機視頻采集需要專門設備 ,目前常用的方式是在計算機擴展槽中加上視頻采集卡。真正的數(shù)字攝像機為數(shù)不多，原因是與數(shù)字攝像機配套使用的相關數(shù)字視頻設備有待進一步開發(fā)。 在三片式 CCD 的攝像機取代三管攝像機的過程中，攝像機的控制電路采 用了數(shù)字處理電路。單片式 CCD 攝像器件輸出的信號電荷受到其上的濾色片的調制，順序輸出與被攝景物色彩對應的已調圖像信號。被攝物體經(jīng)光學系統(tǒng)成像于 CCD 攝像器件上。在 FITCCD 器件中，像素電荷轉移到垂直移位寄存器和垂直移位寄存器到場存儲器都實現(xiàn)了高速度，故這種器件為雙高速轉移 CCD 攝像器件。 在 ITCCD 器件的基礎上，增加了一個場存儲器作為存儲器，這樣圖像電荷就可以從垂直移位寄存器上高速轉移到存儲器。垂直移位寄存器用于電荷的存儲與轉移。 器件 ITCCD 攝像器件不同于 FTCCD，其成像部和轉移存儲部是分開隔列配置的。在成像部和存儲部，利用擴散工藝在垂直方向分成獨立的 CCD 線陣列，防止信號電荷在垂直轉移時發(fā)生橫向擴散。 器件 FTCCD 由成像、存儲和讀出寄存器三部分構成。這樣，不僅將弱信號放大，且減少電容性負載對信噪比的影響。 的電荷輸出 由于移位寄存器傳遞的電荷數(shù)量較小，在輸出端輸出的信號很弱。光 敏部在電荷累積期間，產(chǎn)生與入射圖像相應的電荷像。 攝像器件電視信號的形成 哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 13 CCD 攝像器件由光敏部和轉移部組成。 加在 MOS 電容器上的電壓越高 ,其下面形成的電位阱 (勢阱 )越深 .如果在鄰近的兩個MOS 電容的電極加不同的電壓，兩個電極下面就形成不同的電位阱，存儲在阱內的電荷在 圖 31 單個 MOS 電容器 電場作用下 ,按能量最小原則，從淺阱向深阱轉移。在 P 型硅基片上用氧化法生成二氧化碳硅薄層作為絕緣層，在絕緣層上用多晶硅做成電極，構成一個具有 MOS 結構的電容器，在電極上加正電壓，在 P 型硅基片上的電極下面形成可存儲電荷的勢阱。 CCD 器件是一種 MOS 結構的集成電路器件，用于電荷的存儲、轉移和電視攝像。 CCD 器件具有工藝簡單、集成度高、成本低等特點?，F(xiàn)在家用攝像機普遍采用 CCD 攝像器件，但在廣播電視系統(tǒng)中攝像管攝象機仍有廣泛的應用。 CCD 攝像機 CCD 攝像器件的工作原理 攝像機按攝像器件可分為攝像管攝像機和固體攝像機。我們稱圖像各像素的灰度分布情況為圖像的直方圖。 由于光照過強或過弱，導致數(shù)字圖像各像素的灰度只在很狹窄的區(qū)域中取值，不能完全利用圖像系統(tǒng) 本身所能表達的所有灰度等級。 對于圖像中摻雜的噪聲，必須首先加以分離和消除；某些信息雖然不是噪聲，但是這哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 12 些信息對于圖像檢測和識別并沒有任何好處，反而增加了處理的工作量，這種信息往往也需要在處理之前加以分離和消除；由于光照不均勻，在景物本身的外觀基礎上又糅合了光源的因素，這種不均勻性必然會導致分析上的誤差，也必須采取一定的方法加以消除。為了提高圖像檢測和識別的精度和速度，必須首先對輸入模塊得到的數(shù)字圖像進行預處理，使系統(tǒng)關心的特征更加明顯，而對其他有害特征則加以抑制。因此，不能指望數(shù)字圖像完全真實的刻畫景物的外觀特征。我們所希望的理 想情況是，數(shù)字圖像同所關心的景物的外觀和色彩是完全一致的。 圖像預處理 通過圖像輸入設備獲得的數(shù)字圖像，往往不能滿足圖像檢測和識別的需要。 數(shù)字圖像處理的變換域處理方法是首先對圖像進行正交變換，得到變換域系數(shù)陣列，然后施加各種處理，處理后再變換到空間域，得到處理結果。空域處理法主要有下面兩大類： ① 領域處理法，包括：梯度算法 (Gradient Algorithm)，拉普拉斯算子運算 (Laplacian Operator)， 平滑算子運算 (Smoothing Operator)和卷積運算 (Convolution Algorithm)。 圖像處理的基本方法 數(shù)字圖像處理方法大致可分為兩大類，即：空域法和變換域法。 圖像處理的 6 個重要特性是設計圖像處理系統(tǒng)的基本出發(fā)點，這一點對于設計圖像并行處理系統(tǒng)尤為重要。它的一個含義是指某些過程和圖像信源在時間上具有一致性，這個圖像信源常指視頻圖像。針對二維數(shù)據(jù)的并行處理，可以采用不同的并行結構，既可以對鄰域的象素做并行處理，也可以在更大的區(qū)域做并行的點處理。視頻數(shù)據(jù)流具有行順序性，圖像的多種數(shù)據(jù)哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 11 格式也具有行順序性，這種行順序性正是流水線處理的出發(fā)點。領域處理是在對單一象素進行處理時，需要該象素的相鄰象素參加運算才能完成，或者；該算法要求一個數(shù)據(jù)塊共同參加運算。 圖像處理的分層性是指對于許多問題的求解，常常不是一種算法就 能夠解決的，而要依次使用多種不同的算法，這些算法具有順序性，而且上一步的處理結果會直接影響下一步的處理。 圖像處理的特性 圖像處理的算法具有復雜性和多樣性。圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展過程，無疑向我們展示了速度的重要性。 面對圖像數(shù)據(jù)如此鮮明的特點，如何采取相應的圖像處理，是圖像界一直努力探索的問題，例如在圖像處理的最初階段，要解決的問題是圖像的數(shù)字化，早期由于計算機水平的限制，我們采用的面向圖像幀存的圖像系統(tǒng)結構，隨著計算機總線的發(fā)展，面向計算機內存的圖像系統(tǒng)結構成為圖像系統(tǒng)結構新的主流形式。 哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 10 第 3 章 圖像處理技術 圖像處理的特點 圖像數(shù)據(jù)的特點 圖像數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、規(guī)律性強、相關性強、視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點。 ⑤ 具有 在片濾波功能，能除去數(shù)據(jù)總線上的尖峰脈沖，增加數(shù)據(jù)可靠性。 ③ 多主總線，多個主設備同時啟動數(shù)據(jù)傳送時，會自動進行沖突檢測及仲裁，確保數(shù)據(jù)正確。 I2C 總線有如下主要特點 ① 二條連線構成的總線結構：一條串行數(shù)據(jù)線和一條串行時鐘線。它通過對器件進行軟件尋址，避免硬件片選尋址，節(jié)約了通信線數(shù)目，簡化了硬件設計并縮小了印刷板哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 9 空間，在進行數(shù)字控制電路的設計中解決了許多接口問題，因此受到越來越多的用戶青睞，并被世界上許多 半導體廠商接受，已逐漸發(fā)展成為一種新的工業(yè)標準。 C32 與 8 位存儲器接口時，用 STRB1_B0\作選通線， C32 的內部地址右移兩位后呈現(xiàn)在外部地址引腳上，因此 STRB1_B3\/A_1 和STRB1_B2\/A_2 作為額外的地址線，其余地址線的連接 如 圖 21 所示。圖 21 是采用兩種存儲器寬度的接口示意圖，一組是 32K32 位，用 STRB0\選通，控制寄存器設置為 000F0000H，即物理存儲器寬度為 32 位，數(shù)據(jù)類型為 32位；另一組是 32K8 位，用 STRB1\選通，控制寄存器設置為全 0，即物理寄存器寬度為 8 位，數(shù)據(jù)類型為 8 位。但在需要高性能的場合，一般不采用降低性能的方法來減少存儲芯片的數(shù)量。對于 8 位數(shù)據(jù)類型，用三種寬度的存儲器都可以在單周期內完成；對于 16 位數(shù)據(jù)類型，用 16/32 位存儲器可在單周期內完成， 8 位存儲器需要 2 個周期；對于 32 位數(shù)據(jù)類型， 3 1 8 位存儲器分別需要 4 個指令周期完成。 C32 對這些引腳的特性是根據(jù)每組選通哈爾濱理工大學遠東學院學士學位論文 8 線對應的總線控制寄存器確定的，通過設置這個控制寄存器中的某些比特位，可以指定數(shù)據(jù)類型和外部存儲器寬度。每組選通信號由四個引腳組成，作為字節(jié)使能和額外的地址線。 C32 的外部存儲器接口可以存取 8/16/32 位三種寬度的數(shù)據(jù)存儲器。采用 32 位時，需要 1 個指令周期完成取指，采用 16 位零等待存儲器接口時，需要 2 個指令周期來完成一個 32 位指令取指。由于 C32 內部是 32 位結構，因此本身是 32 位器件，指令集與 C30/C31 完全兼容。 TMS320C3X 系列是針對 32 位指令和數(shù)據(jù)操作而設計的， TMS320C32 卻采用了增強型的外部存儲器接口，可靈活方便地存取 8/16/32 位數(shù)據(jù)，從而克服了要求外部程序和數(shù)據(jù)存儲器寬度必須是 32 位的局限。 值得指出的是，混用 SRAM 和 DRAM