高速圖像采集

如今，隨著數(shù)字相機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像采集技術(shù)主要就是采集數(shù)字相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，一般常見的有如下幾種系統(tǒng):

第一類是最常見的 PCI 圖像采集卡，圖像采集卡與主板間采用 PCI 接口連接，圖像數(shù)據(jù)流向是"相機(jī)-圖像采集卡-計(jì)算機(jī)"這樣的模式。圖像采集卡使用非常簡(jiǎn)單，成本也不高，其作用只是將數(shù)據(jù)直接上傳到計(jì)算機(jī)，所有的后續(xù)存儲(chǔ)和處理都是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。圖像采集卡采用 PCI 的理論帶寬峰值是 132MB/s，實(shí)際應(yīng)用中一般因?yàn)榕c其他 PCI 設(shè)備產(chǎn)生沖突等原因很難能達(dá)到峰值帶寬。這種圖像采集系統(tǒng)還有一大缺點(diǎn)是必須連接電腦，在很多戶外環(huán)境下使用極不方便。而且其百兆出頭的采集速度在先進(jìn)很多設(shè)備上難以滿足采集速度要求，所以一些此類圖像采集卡上都帶有數(shù)據(jù)壓縮功能，尤其是對(duì)于視頻采集上，不同檔次的采集卡具有不同檔次的壓縮性能。對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮在不太注重質(zhì)量的情況下可以不考慮，甚至壓縮之后還便于存儲(chǔ)，但另外一些有嚴(yán)格要求的情況就難以滿足使用需求了。

第二類系統(tǒng)是在硬件采集過(guò)程中加入控制芯片進(jìn)行一些相對(duì)簡(jiǎn)單的圖像處理，如灰度均衡、彩色圖像二值化或圖像重構(gòu)等。早期系統(tǒng)中，多使用單片機(jī)或者DSP 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，但隨著數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，這種方式已經(jīng)很難滿足要求。現(xiàn)在高速度的 FPGA 以及部分專用數(shù)字處理芯片的出現(xiàn)以及流行為這種圖像采集和處理系統(tǒng)帶來(lái)了新的解決方案。目前在圖像方面已經(jīng)有了很多成熟的IP Core，如濾波器、顏色空間轉(zhuǎn)換、圖像編碼器等[12]，利用 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的計(jì)算已經(jīng)比較普遍了。FPGA 具有高速、開發(fā)時(shí)間短、靈活性高、可并行處理等優(yōu)點(diǎn)。相比于純軟件的串行工作方式，F(xiàn)PGA 硬件的并行和流水線工作方式在速度上占有很大優(yōu)勢(shì)，而且同時(shí)可以利用 FPGA 進(jìn)行外部邏輯控制，在一定程度上也提高了系統(tǒng)的集成度。近年來(lái)就有非常多對(duì)基于 FPGA 集合圖像處理的圖像采集系統(tǒng)的研究。

第三類是實(shí)現(xiàn)圖像采集并把采集到的圖像數(shù)據(jù)直接進(jìn)行板載存儲(chǔ)，不必須連接計(jì)算機(jī)的方案。這種方案相較于直接連接計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上的方法有一個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)，就是使用方便。若要直接上傳至計(jì)算機(jī)，那么不論采集條件和環(huán)境如何，都必須要攜帶一臺(tái)計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行相關(guān)工作，這在戶外有些情況下是非常麻煩，甚至不可能達(dá)到的。如果是板載存儲(chǔ)，那么采集設(shè)備體積就很小，可以任意攜帶，環(huán)境適應(yīng)性大大加強(qiáng)。這種方式在早期，主要是限制于存儲(chǔ)器的速度和容量。早些時(shí)候小體積的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間有限，當(dāng)要求存放大容量的圖像信息時(shí)就要對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，這樣難免會(huì)丟失部分圖像信息。一些較好的方法可以在某些程度上帶來(lái)一些存儲(chǔ)上的優(yōu)化措施，例如存儲(chǔ)少量圖像時(shí)進(jìn)行高分辨率的原圖存儲(chǔ)，而需要繼續(xù)存儲(chǔ)更多圖像信息時(shí)，就把先前存入的高質(zhì)量圖像壓縮來(lái)空出存儲(chǔ)空間以存儲(chǔ)后來(lái)的圖像。這種彈性儲(chǔ)存法能在有限的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量高質(zhì)量的圖像，但存儲(chǔ)過(guò)程中需要大量的運(yùn)算，必然導(dǎo)致存儲(chǔ)速度降低。之前對(duì)于這方面的研究還比較少，現(xiàn)在由于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，高速度大容量小體積存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，鑒于板載存儲(chǔ)廣泛的適用性，對(duì)這種系統(tǒng)的研究具有很高的實(shí)用意義。

利用近年來(lái)提出的一些高速度、高性能的接口，采用現(xiàn)在應(yīng)用很廣的 Nand Flash大容量存儲(chǔ)芯片提出一種板載存儲(chǔ)的高速圖像采集系統(tǒng)。

利用高速接口和存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)出一種高速圖像采集系統(tǒng)方案。整個(gè)高速圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示，包括數(shù)據(jù)輸入采集模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊和核心控制芯片 FPGA。

FPGA 是系統(tǒng)的控制核心，所有模塊都由 FPGA 聯(lián)系起來(lái)，圖像數(shù)據(jù)每一步的流向都是由 FPGA 來(lái)控制的。

數(shù)據(jù)輸入采集模塊的作用是接收數(shù)字相機(jī)傳輸來(lái)的圖像視頻信號(hào)并且傳到FPGA 上以供后續(xù)操作。采集接口只有一種，就是當(dāng)下非常流行的高速相機(jī)接口Camera Link。Camera Link 接口接收相機(jī)傳輸來(lái)的 LVDS 信號(hào)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)內(nèi)部使用的 TTL 信號(hào)送給 FPGA。

顯示模塊是一種可選擇的輔助作用，用于在采集過(guò)程中觀察所采集到的圖像或者采集后重放存儲(chǔ)芯片內(nèi)儲(chǔ)存的圖像信息。顯示模塊的接口是 DVI 接口，使用時(shí)連接 DVI 顯示器方可工作。

存儲(chǔ)模塊是此高速圖像采集系統(tǒng)的核心，F(xiàn)PGA 接收到采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)高速緩存，最終儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)。使用DDR2 SDRAM 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，最終存儲(chǔ)在 NAND Flash 存儲(chǔ)器內(nèi)。 所存數(shù)據(jù)最終是要上傳到計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行處理或者存儲(chǔ)的，數(shù)據(jù)輸出模塊就是這個(gè)作用。

與計(jì)算機(jī)連接使用的是 USB3.0 接口，USB 接口是計(jì)算機(jī)上最常見的接口，新版本的 USB3.0 也在各方面性能有了很大的提高。

本 系 統(tǒng) 使 用 的 FPGA 是 Xilinx 公 司 生 產(chǎn) 的 Spartan-6 系 列 芯 片XC6SLX25-3FG484C。Spartan 系列是 Xilinx 公司面向普通工業(yè)、商業(yè)的領(lǐng)域的低成本系列芯片。新一代 Spartan-6 系列不僅擁有業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)集成能力，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)適用于大批量應(yīng)用的最低總成本。與上一代 Spartan 系列相比，該系列芯片功耗僅為其 50%，且速度更快，連接功能更加豐富全面。

電源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，如果電源不穩(wěn)定，就會(huì)對(duì)電路的正常工作造成影響，不但電路運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而且會(huì)影響器件的使用壽命。在電源設(shè)計(jì)上，為了保證每個(gè)器件都能正確獲得其所需電壓，就要考慮電源傳輸過(guò)程中的阻抗，也要顧及盡量消除電源噪聲等影響。

采集模塊就是 Camera Link 接收部分，使用的是 National Semiconductor 公司的 LVDS 接收芯片 DS90CR288A，此芯片接收四對(duì) LVDS 信號(hào)并轉(zhuǎn)化為 28 位LVTTL/LVCMOS 數(shù)據(jù)，最高支持 85MHz 像素時(shí)鐘，也就是 2.38Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速度。芯片典型應(yīng)用如圖所示，左半部分是相機(jī)內(nèi)的 TTL/CMOS 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 LVDS 信號(hào)輸出，右半部分是本系統(tǒng)接收連接線傳來(lái)的四對(duì)相機(jī) LVDS 信號(hào)和一對(duì)時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò) Camera Link 接口后，由 DS90CR288A 芯片轉(zhuǎn)化回 28 路LVTTL/LVCMOS 信號(hào)。

顯示模塊的視頻接口使用的是 DVI 接口，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中既包含 DVI 視頻輸入接口，也包含了 DVI 視頻輸出接口。其中輸入接口的目的是在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，利用 DVI 輸入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后面存儲(chǔ)功能的調(diào)試，就不詳細(xì)介紹了。而 DVI輸出接口的作用則是對(duì)采集模塊 Camera Link 采集來(lái)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以采集來(lái)實(shí)時(shí)顯示，也可以用來(lái)顯示之前存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的圖像信息以作驗(yàn)證之用。

存儲(chǔ)模塊是 FPGA 接收到 Camera Link 接口采集來(lái)的圖像數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò) DDR2 SDRAM 緩存，然后存入 NAND Flash 中。所以該模塊主要包含 DDR2 SDRAM 和NAND Flash 兩個(gè)部分。

圖像采集系統(tǒng)的作用是把采集到的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上，本設(shè)計(jì)雖然著重于使用方便的圖像采集板載存儲(chǔ)，但最后肯定要把圖像上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析等工作。USB 接口幾乎是現(xiàn)在最流行的計(jì)算機(jī)接口，USB3.0 的提出也解決了之前版本速度偏低的問(wèn)題，可以將圖像數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。

圖像指的是一切圖片和影像的總稱，是現(xiàn)代信息社會(huì)中最常見、最基本的一種數(shù)據(jù)信息。圖像在人們的生活和生產(chǎn)中無(wú)處不見，它在人類獲取的外部信息中占據(jù)著重要的地位。記錄圖像信息的手段從一開始的膠片技術(shù)一直發(fā)展到現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 CCD/CMOS 圖像傳感器。圖像采集系統(tǒng)是一種采集、獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并依據(jù)要求將其上傳至計(jì)算機(jī)、播放或者存儲(chǔ)起來(lái)的硬件設(shè)備。對(duì)于現(xiàn)在的普遍應(yīng)用來(lái)說(shuō)，圖像采集基本都是指采集 CCD/CMOS 相機(jī)輸出的圖像信號(hào)。采集精度、采集速度和采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)量是圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。尤其是高速圖像采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量普遍偏大，所以對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和傳輸有著更加嚴(yán)格的要求。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高速圖像采集技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，例如圖像處理、電視會(huì)議、治安監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)控、工業(yè)控制、軍事、醫(yī)學(xué)、航天等方面?？梢哉f(shuō)在我們生活的方方面面都能涉及到圖像采集技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域各不相同也就帶來(lái)了對(duì)技術(shù)的不同要求。最常見的圖像采集器件就是圖像采集卡，而目前市場(chǎng)大部分的圖像采集卡都對(duì)圖像數(shù)據(jù)傳輸格式有一定限制，而且采用的是"相機(jī)-圖像采集卡-計(jì)算機(jī)"這樣的連接傳輸模式，直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，這種方式功能單一、傳輸速度有限，并且需要直連計(jì)算機(jī)受工作環(huán)境限制較大。所以設(shè)計(jì)一種高速、使用方便的圖像采集系統(tǒng)將能符合許多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

就所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)看，高速圖像采集系統(tǒng)所做的就是保證圖像數(shù)據(jù)流可靠地按照預(yù)先安排好的路徑傳輸、顯示、存儲(chǔ)。其各模塊之間的速度匹配關(guān)系的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞，要盡量做到不過(guò)度浪費(fèi)某一模塊的數(shù)據(jù)傳輸能力，同時(shí)也要保證不能造成前面模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)量超過(guò)后面所能處理、存儲(chǔ)的能力導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或者丟幀現(xiàn)象。這在設(shè)計(jì)上必須要考慮到每一模塊的速度以及模塊之間的速度匹配問(wèn)題，這也是系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定工作的一個(gè)關(guān)鍵。

視頻圖像采集的方法較多，基本可分為2大類：數(shù)字信號(hào)采集和模擬信號(hào)采集。因此常見的圖像采集卡也有數(shù)字采集卡和模擬采集卡、AV+DV二合一采集卡幾種類型。

1、采集模擬視頻

1)建立模擬視頻采集環(huán)境

將模擬視頻源(如攝像機(jī),攝像頭,錄像機(jī),VCD機(jī),DVD機(jī)等)與裝有視頻采集卡的MPC(或者蘋果電腦PowerMac)相連接,構(gòu)成模擬視頻采集的硬件環(huán)境.

2)安裝視頻采集軟件

3)視頻采集

①設(shè)置要用的視頻源

②從視頻源設(shè)備播放視頻

③由視頻采集軟件完成視頻采集.

2、采集數(shù)字視頻

采集數(shù)字視頻是指利用可連接DV視頻信號(hào)的IEEE1394接口,完成將數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的DV信號(hào)采集到多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能.首先建立一個(gè)硬件環(huán)境，包括無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

安裝 IEEEl394(FireWire或i.Link)接口卡,并用連接電纜連接DV攝像機(jī).注意,DV連接電纜的兩端接口不同,一端為4 針端口,用于連接數(shù)字?jǐn)z像機(jī),另一端為6針端口,用于連接IEEE1394卡.

選裝調(diào)節(jié)DV攝像機(jī)的聲音

輸出的音頻混頻器.

安裝外部揚(yáng)聲器.

安裝視頻處理軟件.

還需要安裝或選配其他軟硬件:

圖像采集卡用來(lái)采集DV或其他視頻信號(hào)到電腦里進(jìn)行編輯、刻錄的板卡硬件。

圖像采集卡是圖像采集部分和圖像處理部分的接口。圖象經(jīng)過(guò)采樣、量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖象并輸入、存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器的過(guò)程，叫做采集。由于圖像信號(hào)的傳輸需要很高的傳輸速度，通用的傳輸接口不能滿足要求，因此需要圖像采集卡。圖像采集卡還提供數(shù)字I/O的功能。

由于通過(guò)高速PCI總線可實(shí)現(xiàn)直接采集圖象到VGA顯存或主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，這不僅可以使圖象直接采集到VGA，實(shí)現(xiàn)單屏工作方式，而且可以利用PC機(jī)內(nèi)存的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的序列圖象逐幀連續(xù)采集，進(jìn)行序列圖象處理分析。此外，由于圖象可直接采集到主機(jī)內(nèi)存，圖象處理可直接在內(nèi)存中進(jìn)行，因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高，因而使得對(duì)主機(jī)內(nèi)存的圖象進(jìn)行并行實(shí)時(shí)處理成為可能。

視頻(Video)是多幅靜止圖像(圖像幀)與連續(xù)的音頻信息在時(shí)間軸上同步運(yùn)動(dòng)的混合媒體,多幀圖像隨時(shí)間變化而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感,因此視頻也被稱為運(yùn)動(dòng)圖像。由此很多時(shí)候采集卡，被人們稱為視頻采集卡和圖像采集卡。

一般圖像采集卡和其他的1394卡差不多，都是一塊芯片，鏈接在臺(tái)式機(jī)的PCI擴(kuò)展槽上，就是顯卡旁邊的插槽，經(jīng)過(guò)高速PCI總線能夠直接采集圖象到VGA顯存或主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，此外不僅可以使圖象直接采集到VGA，實(shí)現(xiàn)單屏工作方式，而且可以利用PC機(jī)內(nèi)存的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的序列圖象逐幀連續(xù)采集，進(jìn)行序列圖象處理分析。此外，由于圖象可直接采集到主機(jī)內(nèi)存，圖象處理可直接在內(nèi)存中進(jìn)行，因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高，因而使得對(duì)主機(jī)內(nèi)存的圖象進(jìn)行并行實(shí)時(shí)處理成為可能。

圖像采集卡按照視頻信號(hào)源，可以分為數(shù)字采集卡（使用數(shù)字接口）和模擬采集卡。

圖像采集卡按照安裝鏈接方式，可以分為外置采集卡（盒）和內(nèi)置式板卡。

圖像采集卡按照視頻壓縮方式，可以分為軟壓卡（消耗CPU資源）和硬壓卡。

圖像采集卡按照視頻信號(hào)輸入輸出接口，可以分為1394采集卡、USB采集卡、HDMI采集卡、DVI/VGA視頻采集卡、PCI視頻卡。

圖像采集卡按照其性能作用，可以分為電視卡、圖像采集卡、DV采集卡、電腦視頻卡、監(jiān)控采集卡、多屏卡、流媒體采集卡、分量采集卡、高清采集卡、筆記本采集卡、DVR卡、VCD卡、非線性編輯卡（簡(jiǎn)稱非編卡）。

圖像采集卡按照其用途可分為廣播級(jí)圖像采集卡，專業(yè)級(jí)圖像采集卡，民用級(jí)圖像采集卡，它們檔次的高低主要是采集圖像的質(zhì)量不同。他們的區(qū)別主要是采集的圖像指標(biāo)不同。由于現(xiàn)在的VGA圖像采集卡一般都是內(nèi)置式板卡，也就是在安裝使用時(shí)，需要插在PCI擴(kuò)展槽中。

現(xiàn)在配置的臺(tái)式計(jì)算機(jī)主板中都帶有固定的擴(kuò)展插槽，其直接與計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線連接。用戶可以根據(jù)自身使用情況增加聲卡、顯卡、視頻采集卡等設(shè)備。視頻采集卡是連接視頻源和計(jì)算機(jī)的橋梁，所以在采集卡的板卡中都有兩個(gè)連接設(shè)備，一個(gè)是連接視頻源的視頻接口，比如VGA接口、DVI接口、USB接口、1394接口等。連接計(jì)算機(jī)采用與主板相連，一般采用插槽系列或USB接口，而板卡擴(kuò)展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽 、AGP插槽等。　

由于采用PCI和PCI-E標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在的VGA采集卡的采集速率更高，因此也常常被稱為PCI圖像采集卡，由于通過(guò)高速PCI總線可實(shí)現(xiàn)直接采集圖象到VGA顯存或主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，這不僅可以使圖象直接采集到VGA，實(shí)現(xiàn)單屏工作方式，而且可以利用PC機(jī)內(nèi)存的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)所需數(shù)量的序列圖象逐幀連續(xù)采集，進(jìn)行序列圖象處理分析。此外，由于圖象可直接采集到主機(jī)內(nèi)存，圖象處理可直接在內(nèi)存中進(jìn)行，因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高，因而使得對(duì)主機(jī)內(nèi)存的圖象進(jìn)行并行實(shí)時(shí)處理成為可能。