3 采集卡基本原理

　　采集卡有多種種類、規(guī)格。但盡管其設(shè)計(jì)和特性不同，大多數(shù)采集卡的基本原理相同。在此，將基于pci總線的模擬圖像采集卡為例加以說明。

　　近年來，數(shù)字視頻產(chǎn)品取得了顯著發(fā)展。數(shù)字視頻產(chǎn)品通常需要對(duì)動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，因此產(chǎn)品性能受圖像采集卡的性能影響很大。由于早期圖像采集卡以幀存為核心，處理圖像時(shí)需讀寫幀存，對(duì)于動(dòng)態(tài)畫面還需“凍結(jié)”圖像，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，因此圖像處理速度緩慢。90年代初，intel公司提出了pci（peripheral component interconnect）局部總線規(guī)范。pci總線數(shù)據(jù)傳寬度為32/64位，允許系統(tǒng)設(shè)備直接或間接連接其上，設(shè)備間可通過局部總線完成數(shù)據(jù)的快速傳送，從而較好地解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。

　　由于pci總線的高速度，使a/d轉(zhuǎn)換以后的數(shù)字視頻信號(hào)只需經(jīng)過一個(gè)簡(jiǎn)單的緩存器即可直接存到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，供計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理也可將采集到內(nèi)存的圖像信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)顯示卡顯示;甚至可將a/d輸出的數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)pci總線直接送到顯示卡，在計(jì)算機(jī)終端上實(shí)時(shí)顯示活動(dòng)圖像。基于pci總線的圖像采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中的緩存（數(shù)據(jù)鎖存器）代替了幀存儲(chǔ)器，這個(gè)緩存是一片容量小、控制簡(jiǎn)單的先進(jìn)先出（fifo）存儲(chǔ)器，起到圖像卡向pci總線傳送視頻數(shù)據(jù)時(shí)的速度匹配作用。將圖像卡插在計(jì)算機(jī)的pci插槽中，與計(jì)算機(jī)內(nèi)存、cpu、顯示卡等之間形成調(diào)整數(shù)據(jù)傳送。

　　由于pci總線的上述優(yōu)點(diǎn)，許多圖像板卡公司陸續(xù)推出了基于pci總線的圖像采集卡。

4 與圖像采集卡相關(guān)技術(shù)名詞

　　4.1 dma

　　dma（ direct memory access）是一種總線控制方式，它可取代cpu對(duì)總線的控制，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guān)系，完成對(duì)數(shù)據(jù)的存取，這樣可以大大減輕數(shù)據(jù)傳輸時(shí)cpu的負(fù)擔(dān)。

　　4.2 scatter/gather table

　　scatter/gather table實(shí)際上就是一張供dma傳輸時(shí)邏輯地址與物理地址的動(dòng)態(tài)映射表。根據(jù)不同的板卡設(shè)計(jì)，這張表可直接位于采集卡的某個(gè)buffer模塊內(nèi)，稱為硬件式的scatter/gather，它在pci傳輸時(shí)的最高速度可達(dá)120m/s;此表也可位于主機(jī)的某段內(nèi)存中，稱為軟件式的scatter/gather，傳輸?shù)淖罡咚俣纫话銥?0bps。大部會(huì)pc系列采集卡都屬于硬件式的scatter/gather。

        4.3 lut（look-up table）

　　對(duì)于圖像采集卡來說，lut（look-up table）實(shí)際上就是一張像素灰度值的映射表，它將實(shí)際采樣到的像素灰度值經(jīng)過一定的變換如閾值、反轉(zhuǎn)、二值化、對(duì)比度調(diào)整、線性變換等，變成了另外一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的灰度值，如右圖為一個(gè)8位的對(duì)應(yīng)表。這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強(qiáng)圖像的光對(duì)比度的作用。很多pc系列卡具有8/10/12/16甚到32位的lut，具體在lut里進(jìn)行什么樣的變換是由軟件來定義的。如圖2所示。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　4.4 planar convertor

　　planar convertor能從以4位表示的彩色象素值中將r、g、b分量提取出來，然后在pci傳輸時(shí)分別送到主機(jī)內(nèi)存中三個(gè)獨(dú)立的buffer中，這樣可以方便在后續(xù)的處理中對(duì)彩色信息的存取。在有些采集卡（如pc2vision）中，它也可用于在三個(gè)黑白相機(jī)同步采集時(shí)將它們各自的象素值存于主機(jī)中三個(gè)獨(dú)立的buffer中。

　　如下圖3所示：

　　4.5 decimation

　　decimation實(shí)際上是對(duì)原始圖像進(jìn)行子采樣，如每隔2、4、8、16行（列）取一行（列）組成新的圖像。decimation可以大大減小原始圖像的數(shù)據(jù)量，同時(shí)也降低了分辨率，有點(diǎn)類似于相機(jī)的binning。如下圖4所示：

　　4.6 pwg

　　pwg （programmable window generator）指在獲取的相機(jī)原始圖像上開一個(gè)感興趣的窗口，每次只存儲(chǔ)和顯示該窗口的內(nèi)容，這樣也可以在一定程度上減少數(shù)據(jù)量，但不會(huì)降低分辨率。

　　一般采集卡都有專門的寄存器存放有關(guān)窗口大小、起始點(diǎn)和終了點(diǎn)坐標(biāo)的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可通過軟件設(shè)置。pc系列卡的窗口可在很大范圍內(nèi)變化，如pc-dig最大可達(dá)64k×64k，最小可為1×1。如下圖5所示：

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　4.7 resequencing

　　resequencing可以認(rèn)為是一種對(duì)多通道或不同數(shù)據(jù)掃描方式的相機(jī)所輸出數(shù)據(jù)的重組能力，即將來自ccd靶面不同區(qū)域或象素點(diǎn)的數(shù)據(jù)重新組合成一幅完整的圖像。

　　4.8 non-destructive overlay

　　overlay是指在視頻數(shù)據(jù)顯示窗口上覆蓋的圖形（如彈出式菜單，對(duì)話框等）或字符等非視頻數(shù)據(jù)。non-destructive overlay，即“非破壞性覆蓋”是相對(duì)于“破壞性覆蓋”來說的，“破壞性覆蓋”指顯示窗口中的視頻信息和覆蓋信息被存放于顯存中的同一段存儲(chǔ)空間內(nèi)，而“非破壞性覆蓋”指視頻信息與覆蓋信息分別存放于顯存中兩段不同的存儲(chǔ)空間中，顯示窗口中所顯示的信息是這兩段地址空間中所存數(shù)據(jù)的迭加。如果采用“破壞性覆蓋”，顯存中的覆蓋信息是靠cpu來刷新的，這樣既占cpu時(shí)間，又會(huì)在實(shí)時(shí)顯示時(shí)由于不同步而帶來閃爍，如果采用“非破壞性覆蓋”則可消除這些不利因素。

        4.9 pll、xtal和vscan此為模擬采集卡的三種不同工作模式

　?。?） pll（phase lock loop）模式：相機(jī)向采集卡提供a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)，此時(shí)鐘信號(hào)來自于相機(jī)輸出的video信號(hào)，hs和vs同步信號(hào)可以有三種來源：composite video，composite sync， separate sync;

　?。?）xtal模式：圖像采集卡給相機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)以及hd/vd信號(hào)，并用提供的時(shí)鐘信號(hào)作為a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，但同步信號(hào)仍可用相機(jī)輸出的hs/vs;

　?。?） vscan模式：由相機(jī)向分別卡提供pixel clock信號(hào)、hs和vs信號(hào)。