（机械设计及理论专业论文）大容量便携式图像采集系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机多媒体的发展特别是图像处理应用领域的日益广阔，图像数据的 采集变得异常重要。图像作为一种重要的信息，具有信息大、一目了然的特点， 最容易被大众所接受，对其进行数据采集，即将图像采集到计算机中是非常有意 义及普遍的问题。 图像采集包括图像的数字化，图像数字信息的存储、显示及通信等方面。本 论文论述了一种图像采集系统的软硬件设计，能够实现视频图像的输入及数字 化，图像的液晶显示及存储，系统和计算机通信传送采集图像的功能。系统以 a t 8 9 ( 2 5 1 为主处理芯片，主要包括a d 电路，液晶显示及触摸屏电路，c f 卡存 储电路，串行口通信电路等。 本文分三个大的方面对图像采集系统进行了论述，即图像视频信号的采集， 图像的液晶显示及存储，图像采集系统与p c 机的通信。主要论述了p a l 制式电 视信号的原理，液晶显示原理，触摸屏工作原理，芯片s a a 7 1 1 1 、$ 1 d 1 3 5 0 3 、 a d s 7 8 4 3 等的工作原理，然后进行了具体电路的硬件及软件设计。本课题研究 的一个重要方法和思路是先弄清楚原理，从整体上进行分析和设计，然后进行具 体的设计，这种研究方法始终都贯穿在我们的设计之中。 此图像采集系统具有重要的应用价值，它能实现许多场合下，个人计算机所 不能进行的图像采集，能够实现便携式采集，在工业中的图像采集等方面具有广 泛的应用前景。 关键词：图像采集系统，图像采集，图像存储，液晶显示，传送图像 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o l l e c t i n go fi m a g ed a t ab e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr e c e n t l yw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n de s p e c i a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n o fi m a g em a n i p u l a t i o n c h a r a c t e r i z e d b yi t sv i v i d n e s sa n dl a r g ec a p a c i t yo f i n f o r m a t i o n ，i m a g ec a nb ea c c e p t e db yt h ep u b l i cm o s te a s i l ya sak i n do fi m p o r t a n t j n f o r m a t i o n ，t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oc o l l e c ti m a g ed a t ea n ds t o r et h e m j n t oc o m p u t e r i m a g ec o l l e c t i n gi sc o m p o s e db yi m a g ed i g i t a l i z a t i o n ，s t o r a g e ，d i s p l a ya n d c o m m u n i c a t i o no fd i g i t a li m a g e s ，t h ep a p e rc o n c e r n sb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fi m a g ec o l l e c t i n gs y s t e m ，a i m i n ga tt h ei n p u ta n dd i g i t a l i z a t i o no fv i d e o i m a g e ，t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) a n ds t o r a g eo fi m a g e ，a sw e l la st h e t r a n s f e r r i n go fc o l l e c t e di m a g e sb yc o m p u t e r ，w i t ht h ec h i pa t 8 9 c 5 1a st h ec h i e f p r o c e s s i n gc h i p ，t h es y s t e m m a i n l yi n c l u d e sa dc o n v e r tc i r c u i t ，l c da n dt o u c h s c r e e nc i r c u i t ，c o m p a c tf l a s h ( c ns t o r a g ec i r c u i ta n ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n c i r c u i t n e p a p e ri n t e n d st od i s c u s st h ei m a g ec o l l e c t i n gs y s t e mi nt h r e ep a r t s ，i e ，t h e c o l l e c t i n go fi m a g e si nv i d e o ，l c dd i s p l a ya n ds t o r a g eo fi m a g e s ，a sw e l la st h e c o m m u n j c a t i o nb e t w e e nt h ei m a g ec o l l e c t i n gs y s t e ma n dp c ，t h ep a p e ri si n v o l v e d w i t hs u c hp r i n c i p l eo fp a lt e l e v i s i o ns i g n a l ，l c d ，t o u c hs c r e e nw o r k i n g ，a sw e l la s t h ec h i po fs a a 7 1 1 1 ，s 1 d 1 3 5 0 3 ，a d s 7 8 4 3 ，a n ds oo n ，f i n a l l y ，t h et h e s i sm a k e sa d e s c r i p t i o no ft h ec i r c u i t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h em o s ts i g n i f i c a n tm e t h o d g o i n gt h o u g ht h ew h o l ed e s i g ni st om a k ead e s c r i p t i o no fs o m ee l e m e n t a r y d e s c r i p t i o n a tf i r s t ，t om a k ea a n a l y s i so ft h e ma n dd e s i g nt h es y s t e ma saw h o l et h e n ， a n dj nt h ee n dt om a k et h ed e s i g nc o n c r e t ei nd e t a i l s 1 1 l i si m a g ec o l l e c t i n gs y s t e mc a nb ea p p l i e di nm a n yo c c a s i o n s i n c l u d i n gt h o s e t h a tc a n tb ed o n eb yc o m p u t e r , i ti se x p e c t e dt ob ea p p l i e di np o r t a b l ea n di n d u s t r i a l i m a g ec o l l e c t i n g k e yw o r d s ：i m a g ec o h e c t i n gs y s t e m ，i m a g ec o l l e c t i n g ，i m a g es t o r a g e ，l c d ， c o m m u n i c a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的及意义 随着计算机科学的迅猛发展，个人计算机的处理能力变得日益强大，成为许 多领域不可缺少的工具。各种各样数字化信息都可以在计算机中利用功能强大的 软件进行处理，来满足生产生活的需要。计算能够进行处理的信息都是数字信号， 而现实生活中的信息大多都是以模拟量的形式存在的，如电流、电压、视频信号 等，不能直接被计算机接收和处理，但是我们可以通过适当的方法将这些信息转 换为计算机能够处理的数据。各种信息的获取、数字化、存储、显示以及传送等 是重要的研究内容，这就是数据的采集问题。 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据 的采集、存储、处理以及控制等方面的问题，在智能仪器、信号处理以及工业自 动控制等领域，都存在着数据的测量、传输与控制闯题。将外部世界存在的温度、 压力、流量、位移及角度等模拟量( a n a l o g s i g n a l ) 转化为数字信号( d i g i t a l s i g n a l ) ， 再收集到计算机中并进一步以显示、处理、传输与记录的过程，被称为数据采集。 相应的系统称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 简称d a s ) 。 在我们的感觉器官所能直接感受到的各种信息中，视觉信息具有特别重要的 意义。一般认为，在我们每天获得的信息中至少有一半以上来自我们的视觉。由 于眼睛捕获的信息最为丰富和生动，用图像记录和传播信息，不但具有信息大、 一目了然的特点，而且这种方式不受观众文化程度和阅读能力的限制，符合人们 “眼见为实”的审美习惯，信息表达明了，最容易被大众所接受。因此随着计算 机多媒体应用领域日益广阔，图像数据的输入变得异常重要。图像作为一种重要 的信息，对其进行数据采集，即将图像采集到计算机中的过程是非常普遍的问题。 图像的采集包括图像的数字化，图像数字信息的存储、显示及传送等方面。主要 涉及成像技术、模数转换( a dc o n v e r t e r ) 技术、大容量图像数字信息的存储技 术、图像的显示技术、通信技术等方面。 本课题的研究目的便是为了设计一种图像采集系统，具备将各种各样的图像 采集到计算机中的功能。课题所设计的图像采集系统实际上就是一块将各种功能 的芯片集成在一起的电路板，电路板上有一个视频采集头用来采集图像的视频信 号，还集成有将视频信号转换为数字信号的高速a ，d 转换电路、存储图像数字 信息的存储器、查看图像采集效果的液晶显示屏、触摸屏以及用来和计算 _ l 进行 一1 一 武汉理工大学硕士学位论文 通信的串口等。此系统具有广泛的应用价值，所研制的图像采集系统有以下几个 主要特点： ( 一) 功能齐全 此图像采集系统具有一整套完善的功能。具各图像视频信号的采集及数字 化、大容量数字化图像信号的存储、触摸屏输入控制、采集图像的液晶显示以查 看效果、串口通信等各种功能。 ( 二) 经济性 本课题设计的图像采集系统制造成本低廉，具有一定的应用前景。在各种功 能都能较好实现的前提下，选用的芯片成本较为低廉。各种主要的芯片价格一般 为几十元钱左右。 ( 三) 便携式 这是此种图像采集系统重点考虑的一个方面。设计的图像采集系统具有重量 轻、体积小，便于携带的特点，能够实现许多特殊场合的图像采集，使得此系统 具有较好的应用价值。 概括来说，本课题研究的目的是为了研制出一种功能齐全、造价低廉、便携 式的图像采集系统，最终能将采集到的图像数字信息方便地传送给个人计算机， 从而能够利用计算机强大的处理能力对图像进行后续的处理。 目前，图像的采集设备大都是以个人计算机为核心来进行处理的。利用计算 机强大的处理能力和通用的接口，设计专用的图像采集卡来采集图像，应用非常 广泛。但是个人计算机的体积庞大、成本也较高，携带不方便，以至于在许多场 合个人计算机并不适合于图像的采集，在这种背景下，希望设计一种便携式的采 集系统来采集、存储所需的图像，并最终可以把采集到的数字图像传送到计算机 中进行处理，本文便是基于这种思想来设计一种便携式的图像采集系统。 本系统所使用的c p u 是通用的5 1 单片机，通过5 1 单片机来控制液晶的显 示及存储等功能。应该指出，5 1 单片机的处理功能是很有限的，这也是系统需 要改进的地方，因此系统可以根据实际的需要选用功能较强大的c p u ，如；d s p 、 a r m 等处理芯片。 基于这些思想所设计的这种图像采集系统具有重要的应用价值，它能实现了 许多场合下，个人计算机所不能进行图像采集的场合，能够实现便携化采集，在 工业应用中的图像采集等方面具有广泛的应用前景。数字相机虽然也具各这种功 能，但由于其价格较高，而且人的参j 较多等方面的原因，在一些工业应用的场 合是不太适用的。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本课题研究的内容 图像采集系统是一个较大的系统。它包括很多方面的研究内容，如前所述， 包括图像的视频采集、a ，d 转化、图像数字信息的存储、显示、传送等方面。具 体来讲，本课题研究以下几方面的内容： ( 一) 图像视频信号的采集及a d 转化电路的软硬件设计。 图像视频信号的采集过程实际上是一个光电转换过程，将图像信息的光信号 转化为模拟电流量图像视频信号是通过c c d 摄像头或c m o s 摄像头获得的， 通过摄像头摄得的是图像光信号光电转换后的模拟电流信号，此信号是标准的 p a l 制式的电视信号，再经过高速a d 转化，将模拟的电信号转化为数字信号， 从而得到图像上各点像素的灰度值，最终可以在显示设备上还原图像。这部分主 要是研究数字化p a l 制式电视信号的电路的软硬件设计。 ( 二) 图像的液晶显示、触摸屏及c f 卡存储接口电路的软硬件设计。 在采集图像信息时，我们希望采集到的图像合乎自已的要求，比如在图像的 内容、图像的清晰度等方面。因此将采集到图像进行显示，以查看其显示效果是 本课题研究很重要的内容。本采集系统是使用液晶显示屏来显示采集来的图像 的，并在液晶屏上配有触摸屏，用来控制图像的采集及存储，同时使用f l a s h 闪 存c f 卡来存储数字化的图像信息。 ( 三) 数字图像信息的传送及在p c 机下的读取。 通过此采集系统采集到的图像数字信息最终是要传送给个人计算机进行处 理豹。因此涉及到该系统和计算机的通信问题以及传到计算机后图像的正常读取 和显示的问题。这里要研究的主要是图像的存储格式问题，使采集到的图像数字 信息能够在计算机上以标准的图像格式显示出来，图像的存储格式一般为b m p 格式即位图文件格式，本系统所采用的图像存储格式也是b m p 格式。 1 。3 本课题研究的主要技术难点 在这个采集系统的设计过程中，主要有以下一些技术难点。在视频采集部分， 涉及到很多电视方面的知识及专业术语，造成分析这厅面资料的困难，如：色调、 亮度、带宽、场频等等概念，这也为设计带来了困难。在a d 电路方面，由于 视频信号输入的频率很高，单片机控制不过来，需要另夕1 - 自1 1 可编程逻辑器件 c p l d 来控制采集的逻辑，这也是本课题研究的一个准点。而在液晶显示屏的显 自：、触摸屏的工作、c f 卡的存储等方面都涉及到底? ；驱动程序的设计，没有通 3 武汉理工大学硕士学位论文 用的驱动程序可以直接安装，因此，开发起来具有一定的难度。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统整体设计方案 2 1 一般数字图像采集系统的构成 数字图像采集的过程分为视频图像输入、视频信号处理( 编码、存储) 、数 字图像输出( 显示) 。视频图像输入由摄像头扫描光信号转变为电信号( 标准信 号、非标准信号) ；视频信号处理主要是将模拟电信号转换为数字信号并以数字 方式进行编码和存储；图像输出( 显示) 与传输主要是图像的传送及显示。 一般的数字图像采集系统是由数字视频输入设备、a d 转换电路、图像显示 及存储设备、输出设备等组成的。 数字视频输入设备具有视频图像输入功能，其主要任务是把需要处理的模拟 视频图像转换成电信号；a d 转换电路将模拟电信号数字化：显示存储设备用来 显示图像及存储数字化图像；输出设备用来输出图像。 2 2 本图像采集系统的硬件组成及功能 本图像采集系统的主处理器为a 胍m l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机。视频输入 设备为黑白c c d 摄像头。主要的工作芯片有：高速d 转换芯片s a a 7 1 1 1 ，控 制高速模数转换的可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 ，暂存图像数字信号的f i f o 存储芯 片a j , 4 2 2 b ，液晶显示控制芯片s i d l 3 5 0 3 ，液晶显示屏s g 3 2 2 4 0 0 ，触摸屏 a m t 9 5 0 2 ，触摸屏控制芯片a d s 7 8 4 3 ，数字图像大容量存储器件c f 卡，扩展 单片机a 1 8 9 c 5 1 外部r a m 的s r a m 芯片6 2 6 4 。 黑白c c d 摄像头用来摄取图像视频信号，将图像光信号转换为模拟电信号， 输出p a l 制式的黑白电视信号。 高速a d 转换芯片s a a 7 1 1 1 、可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 及f i f o 存储芯片 a l 4 2 2 b 组成a i d 转换电路。此电路主要功能是完成黑：白电视信号的数字化并暂 存数字化后的结果，即暂存图像各个像素的灰度值。 液晶显示控制芯片s 1 d 1 3 5 0 3 、液晶显示屏s g 3 2 二4 0 0 用来显示采集图像， 以查看采集效果。 触摸屏a m t 9 5 0 2 ，触摸屏控制芯片a d s 7 8 4 3 及液晶显示屏s g 3 2 2 4 0 0 组成 一 武汉理工大学硕士学位论文 触摸屏系统用来控制系统功能的执行。 大容量存储器件c f 卡与单片机接口用来保存采集到的数字图像。 其硬件结构框图如图2 - i 所示。 图2 - 1 图像采集系统的硬件结构 2 3 系统工作过程及软件设计 2 3 1 单片机a t 8 9 c 5 1 的功能特点 衄8 9 c 5 1 是本采集系统的主处理器，具有成本低、功能全的特点。它是a t e m l 公司生产的8 位单片机，属于5 1 系列单片机，其内部有4 k b 的程序存储器f l a s h r o m ，1 2 8 字节的数据存储器r a m 。它由8 个部件组成，即中央处理器( c p u ) 、 时钟电路、程序存储器( r o m e p r o m 压e p r o m ) 、数据存储器( r a m ) 、并行 i o 口( p o p 3 口) 、串行口、定时器计数器及中断系统。它们都是通过单一总 线连接，并被集成在一块半导体芯片上，即为单片微型计算机( s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ) 。 中央处理器c p u 是单片机的核心部件，其功能是产生控制信号，把数据从存 储器或输入口送到c p u 或反向传送，还可对输入数据进行算术逻辑运算，故 c p u 内包含了迳算器和控制器，还包含了一个布尔处理器，专门处理l 位二进 武汉理工大学硕士学位论文 制数，即进行位操作。 a t 8 9 c 5 1 单片机共有2 个1 6 位的定时器计数器，每个定时器计数器既可 以设置成计数方式，也可以设置成定时方式，并以定时或计数结果对计算机进行 控制。 a t 8 9 c 5 1 共有四个8 位并行i 0 ( 输入输出) 接口( p o p 3 ) ，以实现数据 的并行输入输出。 a t 8 9 c 5 1 中断功能较强，共有5 个中断源，即外中断2 个、定时计数器中 断2 个、串行中断1 个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。 本图像采集系统中由于控制的需要，使用了两个外部中断。设计的软件是存 储在a t 8 9 c 5 1 的r o m 中的，下面着重阐述a t 8 9 c 5 1 单片机程序存储器r o m 的存储结构。 程序存储器用来存放程序代码和数据，分成片内、片外两大部分，即片内 r o m 和片外r o m 。其中，a t 8 9 c 5 1 内部有4 k b 的r o m ，地址范围为0 0 0 0 h 0 f f f h ，片外用1 6 位地址线扩充6 4 k b 的r o m ，两者统一编址。单片机执行程 序，是从片内r o m 取指令，还是从片外r o m 取指令，由c p u 引脚e a 的电平 高低来决定。当c p u 的引脚e a 接高电平时，p c 在0 0 0 0 h o f f f h 范围内，c p u 从片内r o m 取指令；而当p c o f f f h 后，则自动转向片外r o m 去取指令。 当引脚e a 接低电平时，a t 8 9 c 5 1 片内r o m 不起作用，c p u 只能从片外r o m 取指令，地址可以从0 0 0 0 h 开始编址。本系统没有对a t 8 9 c 5 1 进行外部r o m 的扩展，仅使用其内部r o m ，因此c p u 的引脚e e t 接高电平，以保证上电后c p u 从片内r o m 地址的0 0 h 单元开始执行程序。 在程序存储器中有些特殊单元，其中一组特殊单元是0 0 0 0 h 0 0 0 2 h 。系统 复位后，p c = 0 0 0 0 h ，单片机从0 0 0 0 h 单元开始取指令执行程序。如果程序不 从0 0 0 0 h 单元开始，应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转 去执行用户程序。还有一组特殊单元是0 0 0 3 h 0 0 2 0 h ，共4 0 个单元。这4 0 个 单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址区： 0 0 0 3 h 0 0 0 a h 肼r o 中断地址区 0 0 0 b h 0 0 1 2 ht c o 中断地址区 0 0 1 3 h 0 0 1 a h 肼丁1 中断地址区 0 0 1 b h 0 0 2 2 ht c i 中断地址区 0 0 2 3 h 0 0 2 a h 串行口中断地址区 中断响应后，按中断种类，e i 动转到各中断区的首地址去执行程序。在中断 地址区存放中断服务程序。通常。隅况下，8 个单元难以存下完整的中断服务程序， 武汉理工大学硕士学位论文 因此可以在该地址区的开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后转到中断 服务程序去执行。 2 3 2 本系统软件的结构 此图像采集系统的软件结构如图2 - 2 所示： 图2 - 2 采集系统软件框图 2 3 3 系统工作过程及软件的设计 系统上电后，首先执行初始化程序，初始化a f d 转换芯片s a a 7 1 1 1 、液晶 显示控制芯片$ 1 d 1 3 5 0 3 ，然后执行液晶显示程，卜在液晶屏上显示控制菜单。此 时便可通过触摸屏输入来控制采集的工作，当点击采集菜单时，a d 转换芯片 武汉理工大学硕士学位论文 s a a 7 1 1 1 在可编程逻辑芯片e p m 7 1 2 8 的控制下进行高速模数转换，转换完一帧 图像后，结果存放在f i f o 存储芯片a i a 2 2 b 中，并向单片机a t 8 9 c 5 1 发送中断 请求，a t 8 9 c 5 1 响应中断请求执行中断服务程序将f i f o 存储芯片中存储的数字 图像读到外部r a m 6 2 6 4 中，读完后在液晶屏上显示提示信息表示已经有一帧图 像在外部r a m 中。此时，便可通过触摸屏系统的控制菜单来控制该帧图像的液 晶显示、存储( 存储在c f 卡中) 及传送，当点击触摸屏系统相应菜单时，向单 片机发送一个中断请求，单片机响应后调用相应程序执行其菜单所示功能。这就 是系统工作的整个过程。 可以看到，系统使用了两个外部中断，相应的中断服务程序为读取f i f o 存 储芯片中的数字图像到外部r a m 6 2 6 4 中的程序以及触摸屏系统控制程序。触摸 屏系统控制程序包括a d s 7 8 4 3 模数转换控制程序、采集图像的液晶显示程序、 c f 卡存储采集图像程序、传送采集图像到p c 机的程序等四个子程序，对应液 晶显示屏菜单区的四个控制菜单。后面章节将详细阐述这些子程序的软件设计方 法。 系统上电后从地址0 0 0 0 h 开始执行程序，前面已分析了a t 8 9 c 5 1 程序存储 器的结构，由于有两个中断服务程序，因此，0 0 0 0 h 0 0 0 2 h 中存放一条跳转指 令，跳过中断服务程序入口地址区0 0 0 3 h 0 0 2 0 h 。依次执行s a a 7 1 1 1 初始化程 序、$ 1 d 1 3 5 0 3 初始化程序及控制菜单显示程序，然后等待中断的发生。中断发 生后，转向相应的程序入口地址，执行相应的中断服务程序完成相应的功能，前 面已述各类中断区仅有8 个单元空间，因此，中断入口地址所存放的依然是一条 跳转指令，真正的中断服务程序存放在主程序的后半部。 这些就是此图像采集系统的总体设计结构。下面将从三个大的方面对图像采 集系统的设计进行详细阐述。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章图像视频信号的采集 3 1 视频信号采集原理 视频即可视的信息或图像信息，可以把运动的或静止的图像转换成电信号。 图像视频信号采集也就是图像的数字化，即将图像采集到处理器中的过程，主要 涉及成像和模数转换( dc o n v e r t e r ) 技术。成像技术，实际上就是光电转换技 术，也就是说，以光形式存在的图像信号，经过光电转换装置把光信号转换为电 信号。由光电转换装置得到的电信号属于模拟信号，是不能直接被处理器c p u 处理的，因此，需要对其进行模数字转换，即将模拟信号转换为数字信号。 目前，最广泛使用的光电转换装置大致可分为两大类：一类就是近年来快速 普及的用于数字相机和图像扫描仪的c c d ( c h a r g ec o u p l e d l d e v i c e ) 另一类就 是具有代表性的电子摄像管。随着半导体、i c 技术的发展，前者即c c d 在尺寸、 重量、耗电量、稳定性、价格等方面已经优胜于后者，近年来被广泛地应用于摄 像机等图像输入设备。 图像采集的方法主要是利用p c 机和图像采集卡来实现的。以c c d 技术为核 心，目前图像获取设备可分为两类，一类是使用图像采集卡或通过图像卡将模拟 制式的视频信号( r s l 7 0 c c 瓜黑白电视信号，p a i 小盯s c 彩色电视信号，s v i d e o 视频信号等) 采集到计算机，另一类是摄像机本身带有数字化部件可以直接将数 字图像通过计算机端口( 如并口、u s b 接口) 或标准设备( 如磁盘驱动器) 传 送到计算机。图像卡仍是是目前专业中常用的图像数字化设备，现在低端的图像 采集卡一般不具有图像帧存体，而是直接将图像采集到计算机的内存中以供处 理，如加拿大m a t r o x 公司的m e t e r o 系列。高端的图像采集卡是集采集和处理于 一身的昂贵的非标准配件，如m a t r o x 公司的g e n e s i s 图像采集号，具有帧存体和 数字处理器d s p 及邻域处理加速器n o a ，用于开发高速或实时处理应用。此外， 还有一类普及型的多媒体视频采集卡，如宝狮b o s e r 6 0 2 ，主要用于视频会议、视 频邮件等电用。最后，还应提到的是一类多媒体应用中使用的压缩卡，如 a v 8 m p e gj 压缩卡，可以用于v c d 制作和视觉保安系统中，当然也具有图像采集 功能。 使用p c 机作为主处理器需占用较大的体积，在很多场合足不适用的，本课 武汉理j 大学硕士学位论文 题研究的图像采集系统的主处理器选用a t 8 9 c 5 1 单片机，通过c c d 摄像头和高 速a 采样电路来完成的。通过a v 接头的c c d 摄像头将图像光信号转换为电 信号，在c c d 摄像头的a v 端输出标准p a l 制式的电视信号，此电视信号是一 个模拟的电压量。然后通过高速a d 采样电路将a v 端输出的模拟电信号转换为 数字信号。这个转化过程是一个较为复杂的过程，涉及到图像的一些知识和原理 以及p a l 制式电视信号等方面的内容，下面就各自的原理分别给予阐述。 3 1 1c c d 摄像头的工作原理及主要参数 视频图像输入由摄像头扫描光信号转变为电信号来完成的，我们选择c c d 摄像头来采集图像，c c d 图像传感器是c c d 摄像头的核心部分。现场景物经 摄像头在摄像机内的c c d 图像传感器靶面上成像，使c c d 图像传感器输出反 映现场图像内容的电信号。该电信号经摄像机内部电路处理后，即可输出能为监 视器所接受的视频信号。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，中文译为电荷耦合器件，又称为c c d 摄像 器件或c c d 图像传感器，是七十年代初发展起来的新型半导体器件，它是美国 贝尔实验室的w s b o y l e 和c x e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的。后来很快被a m a l l o 等人的实验所证实。c c d 是一种集光电转换、存贮、自扫描转移、输出于一体 的半导体非平衡功能器件，它可以直接将光学信号转化为电信号，实现图像的获 取。c c d 被制造在一片光敏捷结晶硅片上，一个矩形的光电探测器( 势阱) 阵 列被制造在硅片中，在局部区域产生的光电子被受容在最近的势阱中，并作为一 个电荷包沿一串势阱移动直到外部引出端。c c d 可分为两种：一种是像素排列 在一条直线上的线阵式c c d ，另一种是像素排列在二维平面上的面阵式c c d 。 下面以线阵c c d 为例说明其结构及工作原理。 线阵c c d 主要部件及工作原理如下： 1 像敏和电荷存储单元：在信号栅电压作用下，各单元感受光照，产生光生电 荷并储存。各存储单元之间相互隔离，防止储存电荷向邻近单元渗漏。 2 c c d 读出寄存器：在转移栅电压作用下，各存储单元在一行周期内存储的电 荷全部送入读出寄存器，读出寄存器受时钟信号控制，依次将存储电荷转移到输 出端输出，产生视频图像信号。读出寄存器通常分成两路，交错排列，使相邻存 储单元的电荷分别送两路寄存器两路寄存器分别由两路时钟信号控制。在线 阵c c d 里，像感和存储单元呈纯状排列，可以摄取和读出一维图像信号，如果 加上光机扫描，可摄取缓变或固定的二维图像，因此常用于实物或图形尺寸的精 武汉理工大学硕士学位论文 确检测、图像传真和航空摄像等。 面阵式c c d 原理和线阵式c c d 基本类似，只是其像素排列在二维平面上。 本课题所采用的摄像头是黑白c c d 摄像机，以面阵c c d 图像传感器为核 心部件。外加同步信号产生、视频信号处理及电源等外围电路。摄像机以现行电 视标准输出p a l 制式的电视视频信号，c c d 图像传感器的扫描规律与电视扫 描制式相同，也就是说，加于c c d 传感器上的时钟脉冲与视频信号同步。 黑白c c d 摄像机的主要参数有：分辨率、最低照度和信噪比等。 ( 1 ) 像素数 像素数指的是摄像机c c d 传感器的最大像素数，有些给出了水平和垂直的 像素数，如5 0 0 h x 5 8 2 v ：有些则给出了前两者的乘积值，如3 0 万像素。对于 一定尺寸的c c d 芯片，像素数越多则意味着每一个像素单元的面积越小，因而 由该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。 ( 2 ) 分辨率 分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，指的是摄像机摄取等间隔排列的 黑白相间条纹时，在监视器( 应比摄像机的分辨率高) 上能够看到的最多线数， 当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不能分辨出黑白相间的线 条。 ( 3 ) 最低照度 最低照度也是衡量摄像机优劣的个重要参数，有时省掉“最低”两个字而 直接简称“照度”。最低照度是当被摄景物的光亮度低到定程度而使摄像机输 出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别 注明镜头的最大相对孔径。 ( 4 ) 信噪比 信噪比也是摄像机的一个重要参数。当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示 的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点；而当摄像机摄取较暗 场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中的雪花状 干扰噪点。干扰噪点的强弱( 即干扰噪点对画面的影响程度) 与摄像机信噪比指 标的好坏有直接关系，即摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。 3 1 2p a l 制式电视信号 由于从摄像头里面出来的是p a l 制式的信号，因此，必须对p a l 制式的信 号有充分的理解才能进行模数转换，以完成所需电路的软硬件系统的设计。下面 武汉理工大学硕士学位论文 将详细阐述p a l 制式信号。 p a l 指的是一种视频或电视信号。目前世界上主要的制式为鼢山和n t s c 。 m r s c 即n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ( 国家电视系统委员会) ，是北美、 日本、南美的一些国家的电视标准，n t s c 有5 2 5 行的分辨率与6 0 h z 的刷新率。 p a l 目p p h a s e a l t e r n a t el i n e ( 相位交替行) ，是西欧、亚洲、澳大利亚、非洲和南 美的一些国家的电视标准，我国采用的电视信号也是属于i a l 伟j j 式的，因此在我 国销售的摄像器件摄取的信号大多是p 札伟0 式的。 下面将从几个方面来阐述p a l 制式信号。 3 1 2 1 图像的颜色及光电转化 在自然界中绝大多数的彩色光，都能分解为互相独立的红、绿、蓝三种基色 光，就是红( r e d ) 、绿( g r e e n ) 、蓝( b l u e ) 。 人眼对任何一种颜色的光引起的视觉反应，可用亮度、色调和色饱和度三个 参量来表示，通常把彩色的亮度、色调和色饱和度称为彩色三要素。 1 色调表示颜色的种类，取决于该种颜色的主要波长。 2 ，饱和度表示颜色的深浅( 浓淡) 的程度，按该种颜色混入白光的比例来 表示： 1 ) 没有混入白色光的单色光的饱和度为1 0 0 。 2 ) 混入白光使饱和度降低，使颜色变淡，但色调并不改变( 因为基本色不 变) 。 3 ) 混入白光应该理解成，在基本色中混入反射白光的物质。在彩色电视技 术中，常把色调和饱和度统称为色度。 3 亮度反射光明暗的强度称为亮度，它表示不同照度下，反射出来的光量 有多少。 在光电转换中，光信号( y r g b ，以y 表示图像像素的亮度信号) 与电信号 ( e y 、e r e d 、e g r e e n 、e b l u e ，以下简称为e r ，e g ，e b ) 是成正比的线性关系， 所以亮度信号e y 也可以由e r 、e g 、e b 按亮度方程的规律合成：( e y 是r g b 的线性组合) e y = 0 3 e r + 0 5 9 e g + 0 1 l e b 当e r = e g = e b = 满幅度1 v 时，e y = 满幅度1 v 为f 7 f 色光的亮度平： 当1 v e r = e g = e b 0 v 时，1 v e y 0 v 为灰色的亮度电平： 当e r = e g = e b = 0 时，e y = 0 为黑色的亮度电平； 当e r e g e b 时，e y 对应各种彩色的亮度电平。 现行的三大制式都是选用两个色差信号作为调制侄；号。 武汉理工大学硕士学位论文 色差信号就是基色信号与亮度信号之差，即e v e y 、e g e y 和e b e y ，通常 分别记作e r e y 、e g - e y 和e b e y 。由于e g e y 的幅值比e r - e y 和e b e y y 的幅 值都小，在传送过程中易受杂波干扰，所以，为了提高信噪比，三大制式都选 用e r - y 和e b y 来传送色度。 3 1 2 2 视频信号形式 在视频图像的传送中，是将一帧图像的每一个像素按从左到右，从上到下的 顺序逐点扫描传送的，采用合适的装置可以生成标准制式的视频信号。根椐实际 的需要，从摄像头出来的视频信号一般有以下几种形式： 1 s - v i d e o 信号 把信号分为颜色信号和亮度信号，分两路输入视频采集卡。s v i d e o 信号有 二条线，一条是亮度信号y ，一条是u 和v 正交调制后的混合彩色信号c 。 这种方案也是一种分量输入方式，在摄像机内没有将灰度信号y 和彩色信号c 混合，所以在视频采集卡内不需要用滤波器将彩色信号从全电视信号中分离出 来；也不要用陷波器将全电视信号中的彩色部分去除，获得纯黑白视频信号等处 理。由于目前技术上的局限性，滤波器和陷波器不可能达到理想的水平，会影响 图像的分辨率。由于s v i d e o 信号不需要上述的分离处理，所以s v i d e o 信号 输入方式可大大提高灰度图像的分辨率，减少了解码器分解r 、g 、b 分量的不 准确性。这种信号源是一种既经济又能获得较高图像质量的方案。 2 信号 把信号分为亮度、色温、色差信号，分三路输入视频采集卡。 y = r + g + b 3 u = r y v = b y y 就是黑白( 或者称灰度) 电视信号，u 和v 是彩色信号。y 的带宽是 6 m h z ：由于人眼对颜色敏感度低于灰度( 黑白) ，可以把u 压缩到1 5 m h z ， v 压缩到5 0 0 k h z 的带宽，由于这种压缩，在保证彩色电视与黑白电视兼容的 情况下，将彩色信息混合到黑白电视信号中去成为可能。黑白电视信号是一个有 变化规律的波形，乓频谱有很多空隙：将u 和v 二个波形作正交调制并混合， 形成所谓的s 信 ，使s 信号的频谱正好处在黑自信号频谱的空隙处，将黑白 信号和s 信号混f i ，加上同步信号形成了全彩色电视信号，这样巧妙地在黑白 电视信号不变的情i 兄下形成了彩色电视信号，完成了黑白和彩色电视的兼容性。 3 r g b 信号 这是一种分量弋输入方式由于视频采集卡没有对输入信号作任何处理， 武汉理工大学硕士学位论文 r g b 三路信号输入后直接用三个a d 转换成数字信号，所以对图像的损失最 少，能获得高质量的彩色数字图像。如果信号源采用r g b 摄像机，采用具有 r g b 输入的采集卡就可形成一套高质量的彩色图像处理系统。当然，r g b 摄像 机的价格大大高于普通摄像机。r g b 信号源还可能来自于医疗设备、计算机 v g a 输出等。 4 复合视频信号 这种信号进入采集卡后首先将彩色信号用滤波器从全电视信号中取出来，再 用解码器把灰度信号和彩色信号解码形成r 、g 、b 信号。彩色视频信号的解码 有二种方式，一种方式是彩色全电视信号用模拟解码器分解成r 、g 、b 模拟信 号，用三个a d 作模数转换形成数字信号：另一种方式是彩色全电视信号输入 后，用一个d 先作模数转换，形成数字的全电视信号，再在数字域对彩色信 号作同步分离、彩色分离和解码，分解成r g b 信号。模拟解码动态范围大，所 获得的图像透亮；数字解码后的彩色准确，由于解码是在数字域中进行的，动态 范围有限，图像看起来没有模拟式透亮。 3 1 2 3 黑白p a l 制式电视信号 我们是采用黑自摄像机来摄取图像，从黑白摄像机出来的是p a l n 式的电视 视频信号。最复杂的信号莫过于视频信号，视频信号中除了包含图像信号之外， 还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、 前均衡脉冲、后均衡脉冲等。因此，下面着重阐述黑白p a l 制式电视信号的频率、 波形等这些对我们进行模数转化有用的方面。 从理论上说，c c d 摄像机的扫描制式与摄像管摄像机及监视器的扫描制式 相同，c c d 摄像机的扫描制式仍然沿用了广播电视的扫描制式。我国的电力网 频率为5 0 h z ，因此，我国广播电视的场扫描频率也为5 0 h z ，为了避免电视信 号在传输时占用过宽的频带宽度，实际的电视扫描采用了隔行扫描方式，即将一 幅图像画面分成两场来扫描，第一场( 奇数场) 扫描1 、3 、5 等奇数行，第二 场( 偶数场) 扫描2 、4 、6 等偶数行。两场合起来才构成一幅完整的图像( 称 为帧) 。这样，每秒钟内光的重复次数是5 0 次，可以消除人眼的不适，而实 际显示的画面只有2 5 幅，即电视扫描的场频为5 0 h z ，而帧频为2 5 h z ，p a l 制式电视信号有6 2 5 行的分辨率。 我国现行电视标准中规定，电视扫描的行周期t h 为6 4us ，其中行正程时 间为5 2 us ，行逆程时间为1 2 p5 ；场周期t v 为2 0 m s ，其中场正程时间为 1 8 4 m s ，场逆程时间为1 6 m s 。此外，为了保证在监视器上显示的图像与摄像机 摄取的图像完全一致，必须在视频信号中包含有同步信息，并使这些同步信息以 武汉理工大学硕士学位论文 同步脉冲的形式加在行、场消隐期间传送。图3 - 1 显示出了黑白全电视信号的波 形。 图3 - 1 黑白全电视信号波形 我们最终是要把p a l 制式的电视信号转化为图像像素的数字信息，因为采 集到的图像是黑白的，实际上就是通过p a l 制式的电视信号得到图像每点像素 的灰度值，存在着一个采样及模数转化的过程。这就是整