4种实时视频采集处理系统的设计与实现

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叶 " 青 !周文远 ! ! !宋 " 宇 !田建国
! 南开大学物理科学学院光子学中心 " 天津 : # $ $ $ ; ! 摘要 $ 介绍了一种基于 R O ( 视 频 采 集 系 统 进 行 设 计 的 新 方 法% 采 用 , 0公 司 低 端 R O (芯片 ! # 实现了对 通过帧积分的实时处理方 法 ,[ O : " $ L " % ! " " % ! " R 输出的标准视频信号的实时采集处理 " 提高了采集图像的信噪比 " 系统具有结构简单 & 可 靠 性 高& 使 用 灵 活 和 性 价 比 高 等 优 点%详 细 地 描 述 了 硬件设计 & 软件流程和 " % ! " 全速 ) R 转换的实现方法 % 关键词 $ R O (’视频采集 ’ R 中图分类号 ! ! # ,* 3 ! !# ;"" 文献标识码 ! )"" 文章编号 ! ! $ $ < + $ $ % ? " $ $ ? $ ? + $ ; & " + $ &
光 电 子 ・ 激 光
第! G U # ! ;* G # ?"Q E A # " $ $ ? ; 卷 第 ? 期 "" $ $ ? 年 ? 月 """"" ! " # $ % & ’ " + " , ’ , + $ " % . /*0 & / , $"""""""= () *
一种实时视频采集处理系统的设计与实现 ! !
" $ $ < + $ 3 + $ < ! 收稿日期 ! """ 天津市科技攻关培育资助项目 ! # $ : : ! $ & : ! ! "!" 基金项目 ! $ , % 1 ( # Z 9 P G E#A @ A a @ K # M 4 E# 5 A "!! * H
K" 视频采集方式分析
"" 视频信号的采集可分为 & 个部分 $ #视频 信 号 前 置 处 理 % 用 于 进 行 阻 抗 匹 配 & 调 ""! 整电压等 " 并输出 ) R 转换前的信号 % #视频 分 离 % 分 离 出 行 同 步 信 号 & 场同步信号 """
’( 可以实现采集 频率为 ! 指令周期为 ?# < $ [! ? ;A W? !
过程中 帧 积 分 等 的 实 时 处 理 " 它 内 部 有 ! %D 的 可以不必使用外扩程序 / )[ 和 ! " %D 的 L C ) O 8! 存储器 ! 简化了电路 ! 降低了成本 "" % ! " 内部集成 ! ? 路! 速度高达! 可以满足 " \ K S的 ) R 转换器 ! "# < [! 带宽为 ? [ 的视频信号 的 采 集 " 选 用 集 成 的 ) R转 换可以省去外部 ) 且电路 R 转换的复杂的逻辑控制 ! 的实现极为简单 " 芯片 具 有 ! &个 ( F 内 核 中 断% : 个外部 中 断 ! 和 3 为视频采集逻辑 ? 个 外 部 中 断 "! 控制提供了极 大 的 便 利 "" % ! "可扩展高达! ?[ \ K S 的外部存储器 ! 帧存 储 作 为 它 的 扩 展 存 储 器 ! 省去了 用复杂可编程逻辑器件实现复杂地址信号的生成 ! 根 据程序可以自己寻 址 ! 并 控 制 数 据 的 传 输! 无需外部 干预 ! 得到的数据 准 确 可 靠 " 由 此 可 见 ! 它丰富的内 部资源为实现视频 采 集 和 简 单 的 实 时 处 理 操 作 提 供 了基础 " 该芯片还具有"个事件管理器 1 =) 和 "" 此外 ! 包 括 通 用 时 钟% 1 = ’! (.[ 信 号 发 生 器 % g 1 (和 这些使得它在实现视频采集的同时进行电机等 ) (! ’ ;( 控制 " 它的 O % % 0 O ( 0 [’ O (和 1 )* 等接 口 可 以方便与其它 这样它的内部 ( F 进 行 通 信 或 控 制! 资源会被更加充分的利用 " 芯片 ! $ 几美元的售价使 系统获得更高的性价比和更为广泛的用途 " 输入 "" 视频预处理后的信号变为 $$: = 的信号 ! R O ( 的其中一路 ) R 转换输入口 "f 0 *, ! 脚输入为 复合同步信号 ! 这种中 f 0 *, " 脚输入为奇偶场信号 ! 断响应实现逻辑控 制 的 方 式 可 以 通 过 软 件 编 程 而 灵 活地实现 ! 从而增强了系统采集非标准视频信号的适 应性 " L# M" 图像和数据的传输 帧存中 % ! " 存 储 到 帧 存 储 器 中! "" 采集的图像 经 " 的数 据 可 以 通 过 F O ’ 接口送入 ( -" 采 用 了 改 进 的 利用无外部缓冲区的结构实现 F O ’ 数据采集 系 统 !
!! " " O I*7 J E" , 0 )*Q K @ A + E G J 1g K A Y 8IF . M A + E @ A B B H
! " " " # ( P G S G A K 5 WM A S M V G U U M MG T( P W K 5 W * @ A a @ KF A K X M V W K S , K @ A K A: $ $ $ ; !" P K A @ B H H N
L# K" 视频分离 需要对视频信号中行 % O ( 控制时序信号 ! "" 为使 R 场同步信号 进 行 提 取 " 选 用 * 0公 司 的 视 频 同 步 分 ’ <( 离芯片 C[ ! % % ! 来 完 成 视 频 分 离" 复 合 视 频 信 号 经 C[ 输出的复合同步信号包含行同步信 ! % % !后! 号与场消隐时的均 衡 脉 冲 ! 与" % ! "的外部中断!相 连) 输出的奇偶场信号与 " % ! " 的 外 部 中 断 " 相 连" " % ! " 根据捕捉同步信号进行时序和逻辑控制 " L# L" 视频采集 采集控制和帧存储等通过 R 转换 % "" 视频信号的 ) 最高 " % ! " 实 现 的 "" % ! "为: " \ K S定 点 处 理 器 芯 片 !
S & 2 ( 61 6 /b % # & % & 6 + 1 + ( " 6" A1T " 3 , ) " 2 +E 2 + & %A " ’P & 1 # , + ( % &‘ ( / & "; ) 0 ( 2 ( , 9 $ C
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J" 引 " 言
R 摄像机作为光电探测和图像采集的传感 " "器" 具有灵敏度高 & 精度高和光谱响应宽等优点 " 在军 事& 科研 & 工业生产及 医 学 成 像 等 领 域 有 着 广 泛 的 应 用 %因此实现视 R 摄 像 机 输 出 的 是 视 频 信 号" 频信号的数字化处理显得尤为重要 %
万方数据
第 ? 期 " 叶 " 青等 + 一种实时视频采集处理系统的设计与实现 """"""""""""""""""" * ; & :*
等! 便于进行时序逻辑控制 " #视频采集 " 视频信 号 实 现 高 速 ) R 转换的同 "": 时进行必要的实时 处 理 ! 然 后 被 存 入 帧 存 储 器! 在这 个过程中需要对 时 序 逻 辑 信 号 进 行 精 确 的 控 制 " 这 部分是实现视频数字化的关键 ! 决定了被采集图像的 灰度精度和分辨率等参数 " #视频图像的帧存储和传输 " ""& 0公 司 集 成 ) R 转换的低端 R O ( 芯片 "" 采用 , $ 以下简称 " # 实现最关键的 ) ,[O : " $ L " % ! " % ! " R转 换和视频图像的实时处理 ! 并通过中断的方式完成时 序控制 " 集成 ) R 的结构使得 R O ( 不必花更多时 间读 取 外 部 ) 用R R 转 换 后 数 据! O ( 中断进行时序 控制的方式 使 得 电 路 设 计 简 单 可 靠 " 使 用 " 只 % ! "! 需附 加 少 量 外 围 器 件 ! 使 得 成 本 极 大 降 低" 采 用 可 以 实 现 数 据 高 速 传 输" F O ’接口和 ( - 进 行 通 信! 利用本系统实现黑白格图像采集 ! 完成帧积分实时处 理! 对比未处理和处理后的图像 ! 信噪比明显提高 ! 图 像灰度精度可达 ! ! 图像分辨率为 ? " \ K S & $b& % $"
L" 硬件设计原理
O ( 的视频信号采集原理框图如图!所 "" 基 于 R 示! 经过 视 频 预 处 理 电 路 后 直 R 输出为视频信号 ! 接输出 到 " 同时另一路视 % ! "的 ) R 转 换 输 入 通 道! 频信号经过视频信 号 分 离 电 路 后 ! 输 出 的 行% 场同步 信号输出到 " % ! " 的 外 部 中 断 口 "" % ! "响应中断采 集数据并存入帧 存 储 器 ! 数据经处理后通过 F O ’接 口传入 ( 它 -" 由 图 可 以 看 出 ! " % ! " 是 系 统 的 核 心! 集成的模块被充分利用 ! 使整个硬件系统更为简单 "
( !)
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算量大的实时处 理 算 法 的 实 现 " 如 8# " ? !采集编码 ( :) 缺点 同 样 是 系 统 复 杂 & 成 本 高%本 文 采 用 的实现 ’ , 0公司的低端 R O ( 芯片 组 成 的 视 频 采 集 处 理 系 统 " 充分利用了 R 实现了系统的 O ( 处 理 器 的 内 部 资 源" 高度集成化 " 且系统结构简单 & 可靠性高 & 使用灵活以 及性价比高 %
"" 传统的视频图 像 采 集 系 统 一 般 采 用 专 门 的 图 像 ") " 对处理器占用的 采集 芯 片 " 自 动 完 成 图 像 的 采 集( 时间少 ’ 缺点是电路复杂 & 成本高 " 且其灰度精度制约 于专用图像采集芯片 " 对非标准视频适应性不好 % 一 些基于 , 0 ? $ $ $系列的图像采集系统则主要用于运