3 采集卡基本原理

　　采集卡有多種種類、規格。但盡管其設計和特性不同，大多數采集卡的基本原理相同。在此，將基於(yu) pci總線的模擬圖像采集卡為(wei) 例加以說明。

　　近年來，數字視頻產(chan) 品取得了顯著發展。數字視頻產(chan) 品通常需要對動態圖像進行實時采集和處理，因此產(chan) 品性能受圖像采集卡的性能影響很大。由於(yu) 早期圖像采集卡以幀存為(wei) 核心，處理圖像時需讀寫(xie) 幀存，對於(yu) 動態畫麵還需“凍結”圖像，同時由於(yu) 數據傳(chuan) 輸速率的限製，因此圖像處理速度緩慢。90年代初，intel公司提出了pci（peripheral component interconnect）局部總線規範。pci總線數據傳(chuan) 寬度為(wei) 32/64位，允許係統設備直接或間接連接其上，設備間可通過局部總線完成數據的快速傳(chuan) 送，從(cong) 而較好地解決(jue) 了數據傳(chuan) 輸的瓶頸問題。

　　由於(yu) pci總線的高速度，使a/d轉換以後的數字視頻信號隻需經過一個(ge) 簡單的緩存器即可直接存到計算機內(nei) 存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內(nei) 存的圖像信號傳(chuan) 送到計算機顯示卡顯示;甚至可將a/d輸出的數字視頻信號經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。基於(yu) pci總線的圖像采集係統框圖如圖1所示。圖中的緩存（數據鎖存器）代替了幀存儲(chu) 器，這個(ge) 緩存是一片容量小、控製簡單的先進先出（fifo）存儲(chu) 器，起到圖像卡向pci總線傳(chuan) 送視頻數據時的速度匹配作用。將圖像卡插在計算機的pci插槽中，與(yu) 計算機內(nei) 存、cpu、顯示卡等之間形成調整數據傳(chuan) 送。

　　由於(yu) pci總線的上述優(you) 點，許多圖像板卡公司陸續推出了基於(yu) pci總線的圖像采集卡。

4 與(yu) 圖像采集卡相關(guan) 技術名詞

　　4.1 dma

　　dma（ direct memory access）是一種總線控製方式，它可取代cpu對總線的控製，在數據傳(chuan) 輸時根據數據源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guan) 係，完成對數據的存取，這樣可以大大減輕數據傳(chuan) 輸時cpu的負擔。

　　4.2 scatter/gather table

　　scatter/gather table實際上就是一張供dma傳(chuan) 輸時邏輯地址與(yu) 物理地址的動態映射表。根據不同的板卡設計，這張表可直接位於(yu) 采集卡的某個(ge) buffer模塊內(nei) ，稱為(wei) 硬件式的scatter/gather，它在pci傳(chuan) 輸時的最高速度可達120m/s;此表也可位於(yu) 主機的某段內(nei) 存中，稱為(wei) 軟件式的scatter/gather，傳(chuan) 輸的最高速度一般為(wei) 80bps。大部會(hui) pc係列采集卡都屬於(yu) 硬件式的scatter/gather。

        4.3 lut（look-up table）

　　對於(yu) 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過一定的變換如閾值、反轉、二值化、對比度調整、線性變換等，變成了另外一個(ge) 與(yu) 之對應的灰度值，如右圖為(wei) 一個(ge) 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係列卡具有8/10/12/16甚到32位的lut，具體(ti) 在lut裏進行什麽(me) 樣的變換是由軟件來定義(yi) 的。如圖2所示。#p#分頁標題#e#

　　4.4 planar convertor

　　planar convertor能從(cong) 以4位表示的彩色象素值中將r、g、b分量提取出來，然後在pci傳(chuan) 輸時分別送到主機內(nei) 存中三個(ge) 獨立的buffer中，這樣可以方便在後續的處理中對彩色信息的存取。在有些采集卡（如pc2vision）中，它也可用於(yu) 在三個(ge) 黑白相機同步采集時將它們(men) 各自的象素值存於(yu) 主機中三個(ge) 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據量，同時也降低了分辨率，有點類似於(yu) 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(ge) 感興(xing) 趣的窗口，每次隻存儲(chu) 和顯示該窗口的內(nei) 容，這樣也可以在一定程度上減少數據量，但不會(hui) 降低分辨率。

　　一般采集卡都有專(zhuan) 門的寄存器存放有關(guan) 窗口大小、起始點和終了點坐標的有關(guan) 數據，這些數據都可通過軟件設置。pc係列卡的窗口可在很大範圍內(nei) 變化，如pc-dig最大可達64k×64k，最小可為(wei) 1×1。如下圖5所示：

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　　4.7 resequencing

　　resequencing可以認為(wei) 是一種對多通道或不同數據掃描方式的相機所輸出數據的重組能力，即將來自ccd靶麵不同區域或象素點的數據重新組合成一幅完整的圖像。

　　4.8 non-destructive overlay

　　overlay是指在視頻數據顯示窗口上覆蓋的圖形（如彈出式菜單，對話框等）或字符等非視頻數據。non-destructive overlay，即“非破壞性覆蓋”是相對於(yu) “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於(yu) 顯存中的同一段存儲(chu) 空間內(nei) ，而“非破壞性覆蓋”指視頻信息與(yu) 覆蓋信息分別存放於(yu) 顯存中兩(liang) 段不同的存儲(chu) 空間中，顯示窗口中所顯示的信息是這兩(liang) 段地址空間中所存數據的迭加。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(hui) 在實時顯示時由於(yu) 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(wei) 模擬采集卡的三種不同工作模式

　　（1） pll（phase lock loop）模式：相機向采集卡提供a/d轉換的時鍾信號，此時鍾信號來自於(yu) 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;

　　（2）xtal模式：圖像采集卡給相機提供時鍾信號以及hd/vd信號，並用提供的時鍾信號作為(wei) a/d轉換的時鍾，但同步信號仍可用相機輸出的hs/vs;

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