[科普中国]-图像采集处理系统

定义

图像采集是指图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器。图像处理是指，用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的处理，又称影像处理，一般是指数字图像处理。图片采集处理系统主要功能包括单片机控制ISP-PLD器件，实现对摄像头的图像高速采集与存储，单片机图像压缩与PC机串行通信实现图像数据的传输，在PC机端实现图像处理和显示等。

硬件PC图像采集卡：图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，在基于PC机的机器视觉系统中，图象采集卡是控制摄像机拍照，完成相机输出的视频信号的实时数据采集，并提供与PC的高速接口，是协调整个系统的重要设备。

PC图像处理卡：它是在图像采集卡的基础上，增加了图像分析、处理等功能。目的是提高图像信号的实时处理能力、降低主控系统在图像处理过程中对资源的要求，从而提高系统整体处理能力。

嵌入式板卡及设备：嵌入式板卡在功能上和PC图像采集卡类似，嵌入式从一开始就是针对具体应用的，因此嵌入式板卡的设计原则是在实现图像采集的基础上针对具体应用作相应调整。对应的嵌入式视觉系统也是完成的是较为具体的功能，并不要求全能，但必须能够依据系统设计规格，有效率的发挥出硬体的运算能力，使得产品达到效率/价格比的最佳化，同时要求自动完成所设定的工作。

智能相机：智能相机实际上是嵌入式视觉系统的集成化，它通过提高机器视觉系统的集成度，删减一些部必要的接口和电路，大幅度缩小系统体积，在提高系统稳定性的同时，大幅度降低生产的成本。

系统设计在图像采集处理系统中，系统设计通常遵循三种设计模式：硬件采集一软件处理模式、分离式硬件采集和处理模式以及一体化硬件采集和处理模式，三种方案具有各自特点，适用于不同场合。

硬件采集软件处理设计方案所谓“硬件采集软件处理”是指由专用硬件采集的图像信息首先保存到内存中，在需要的时候通过软件对图像进行处理，处理过程既可以在所有图像采集结束后进行，也可以与采集过程同步选择性进行，系统工作原理如下图所示：

分离式硬件采集和处理设计方案“分离式硬件采集和处理”是指图像采集和处理任务均由专用硬件完成，但采集和处理模块相对独立，采集任务由通用图像采集卡完成，处理任务通过专用DSP图像处理板实现，采集和处理硬件之间通过一定总线进行数据交换，系统工作原理如下图所示：

一体化硬件采集和处理设计方案“一体化硬件采集和处理”是指图像采集和处理任务通过同一块硬件板卡实现，两者间的数据交换通过板内总线(或其他数据通信方式，如FIFO、双RAM交替等)实现，图像采集由专用的数字转换模块完成，图像处理通过专用DSP(或DSP阵列)模块实现，模块间采用紧耦合一体化设计，系统工作原理如下：

核心技术图像处理的时间消耗与处理任务的复杂程度密切相关，如果处理仅限于图像显示等简单工作，无论采用软件或是硬件处理所消耗的时间均很少，不会对系统实时性产生明显影响；但是，若处理工作复杂，涉及大量的数值运算(特别是浮点运算)，如：图像旋转、图像匹配、目标识别等，此时消耗的处理时间与处理方式密切相关，硬件方式(上述方案二和三)由于采用支持数字运算的专用处理器结构设计，能大大提高数值运算速度和图像处理效率，与软件处理方式相比，速度和效率优势非常明显。

数据传输贯穿图像采集和处理任务全过程，是整个任务流程的关键关节之一。数据传输的时间耗费与传输数据量及传输路线有关，对于简单处理工作，由于传输的图像及控制数据量非常少，不同方案对数据传输时问影响不大，但当图像处理工作复杂，需要进行大量数据交换时，不同方案的数据传输时间差异很大，会对系统效率产生极为重要影响。

图像处理是影响系统效率的核心环节，由于在上述方案二或三中，采用基本DSP技术的独立图像处理单元，提高了图像旋转过程中的坐标及像素变换运算速度，缩短了处理时间，提升了系统效率。对于不同复杂程度的处理应用，该环节对系统效率的影响不同，对于简单的运算处理，软硬件处理没有明显差别，但是，随着图像处理运算复杂度的增加，采用DSP处理对系统个帧存储大小，帧内预测的过程节省大约75.6%的运行时间，对 整个1帧的转码过程能提高32.1%的处理速度1。