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)品通常需要對動態(tài)圖像進行實時采集和處理，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，處理圖像時需讀寫幀存，對于動態(tài)畫面還需“凍結(jié)”圖像，同時由于數(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)字視頻信號只需經(jīng)過一個簡單的緩存器即可直接存到計算機內(nèi)存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內(nèi)存的圖像信號傳送到計算機顯示卡顯示;甚至可將a/d輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)pci總線直接送到顯示卡，在計算機終端上實時顯示活動圖像。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）代替了幀存儲器，這個緩存是一片容量小、控制簡單的先進先出（fifo）存儲器，起到圖像卡向pci總線傳送視頻數(shù)據(jù)時的速度匹配作用。將圖像卡插在計算機的pci插槽中，與計算機內(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，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對總線的控制，在數(shù)據(jù)傳輸時根據(jù)數(shù)據(jù)源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guān)系，完成對數(shù)據(jù)的存取，這樣可以大大減輕數(shù)據(jù)傳輸時cpu的負擔。

　　4.2 scatter/gather table

　　scatter/gather table實際上就是一張供dma傳輸時邏輯地址與物理地址的動態(tài)映射表。根據(jù)不同的板卡設(shè)計，這張表可直接位于采集卡的某個buffer模塊內(nèi)，稱為硬件式的scatter/gather，它在pci傳輸時的最高速度可達120m/s;此表也可位于主機的某段內(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pc系列采集卡都屬于硬件式的scatter/gather。

        4.3 lut（look-up table）

　　對于圖像采集卡來說，lut（look-up table）實際上就是一張像素灰度值的映射表，它將實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、對比度調(diào)整、線性變換等，變成了另外一個與之對應的灰度值，如右圖為一個8位的對應表。這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強圖像的光對比度的作用。很多pc系列卡具有8/10/12/16甚到32位的lut，具體在lut里進行什么樣的變換是由軟件來定義的。如圖2所示。#p#分頁標題#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傳輸時分別送到主機內(nèi)存中三個獨立的buffer中，這樣可以方便在后續(xù)的處理中對彩色信息的存取。在有些采集卡（如pc2vision）中，它也可用于在三個黑白相機同步采集時將它們各自的象素值存于主機中三個獨立的buffer中。

　　如下圖3所示：

　　4.5 decimation

　　decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，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，同時也降低了分辨率，有點類似于相機的binning。如下圖4所示：

　　4.6 pwg

　　pwg （programmable window generator）指在獲取的相機原始圖像上開一個感興趣的窗口，每次只存儲和顯示該窗口的內(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、起始點和終了點坐標的有關(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64k×64k，最小可為1×1。如下圖5所示：

#p#分頁標題#e#

　　4.7 resequencing

　　resequencing可以認為是一種對多通道或不同數(shù)據(jù)掃描方式的相機所輸出數(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時間，又會在實時顯示時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：相機向采集卡提供a/d轉(zhuǎn)換的時鐘信號，此時鐘信號來自于相機輸出的video信號，hs和vs同步信號可以有三種來源：composite video，composite sync， separate sync;

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

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