實時圖像採集是利用現代化技術進行實時圖像信息獲取的手段，在現代多媒體技術中占有重要的地位。在日常生活中、生物醫學領域、航空航天等領域都有著廣泛的套用。圖像採集的速度、質量直接影響到產品的整體效果。
基本介紹
- 中文名：實時圖像採集
- 外文名：real time image collection
- 感測器： CCD 和 CMOS
- 隨機存儲器：DRAM 和 SRAM
- 所屬學科：信息科學
- 採集系統：初始化、採樣控制、SRAM控制
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圖像採集及實時圖像採集
圖像信息是人類獲取的最重要的信息之一，圖像採集在數字圖像處理、圖像識別等領域套用十分廣泛。實時圖像的採集和處理在現代多媒體技術中占有重要的地位。日常生活中所見到的數位相機、可視電話、多媒體 IP 電話和電話會議等產品，實時圖像採集是其中的核心技術。圖像採集的速度、質量直接影響到產品的整體效果。
傳統圖像採集
目前，傳統的圖像採集是採用圖像採集卡或視霸卡將 CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）攝像機的模擬視頻信號經 A/D 後存儲，然後送計算機進行處理。這種方法使用較普遍，技術比較成熟，但是也存在一些問題。首先，CCD 攝像機的輸出已轉換為模擬的 NTSC 或 PAL 制式，並以SVideo 或混合視頻信號方式輸出，這樣採集卡的採樣點在輸出時序上很難與攝像機的象素點一一對應，造成數位化後的視頻圖像質量損失較大，圖像解析度也受到限制。其次，這種方法的硬體電路複雜、成本較高，不利於推廣和普及使用。
常用圖像感測器
常用的圖像感測器主要有 CCD 和CMOS（互補金屬氧化物半導體）兩種。目前市場上，CCD 仍占據主要地位，而隨著 CMOS 技術的發展，CMOS感測器也得到了廣泛的套用。 CCD 的優點是靈敏度高、象素小、讀取噪音低、動態範圍大，因此在固體成像領域占據主要地位。它的缺點是不能將圖像感測陣列和控制電路集成在同一晶片內，還需要外加脈衝驅動電路，信號放大，A/D 轉換等輔助電路，造成系統結構複雜，成本較高；而 CMOS 感測器則具有較小的幾何尺寸，解析度也逐漸接近 CCD 的水平，最重要的是 CMOS 感測器的製造技術與 CMOS工藝兼容，每個象素感測單元都有自己的緩衝放大器，可以非常方便的將 AD轉換器等輔助電路集成到晶片內部，其外圍電路簡單，功耗低，編程也很方便，很容易實現對幀頻、曝光時間、圖像尺寸等的控制，為視頻圖像採集提供了一種低成本高品質的解決方式。
隨機存儲器
在高速圖像採集和處理過程中，往往需要在片外使用隨機存儲器。常用的隨機存儲器主要有動態存儲器 DRAM 和靜態存儲器 SRAM 兩種。目前業界主流的SRAM 的存儲單元一般都是採用六電晶體的結構，而 DRAM 的存儲單元則一般是採用單電晶體加上一個無源的電容構成。由此，兩者的優點和缺點都比較明顯。SRAM 的訪問時間短，匯流排利用率高，靜態功耗相對較低，但是占用矽片的面積較大，容量小，價格較貴。它適用於存儲容量不大，性能要求較高的領域。而DRAM 的讀寫訪問過程比較複雜，訪問時間較長，匯流排利用率相對較低，而且由於電容器會不斷的漏電，需要周期性的去刷新，所以靜態功耗較大。其優點是存儲容量可以做的很大，價格便宜。
採樣控制
FPGA介紹
目前，隨著 VLSI 技術的發展，越來越多的算法可以用硬體來實現。同時，由於生產線的專業化，在同一環境下生成或傳輸的圖像，其受污染的噪聲類型有相似性和穩定性，這也使專用積體電路有很大的實用性。但是，由於圖像處理算法的複雜性、多樣性，一個系統只能採用一種結構，因而限制了其套用範圍。這是目前報導的圖像處理系統的共同特點。
針對圖像預處理階段運算結構的特點，FPGA 晶片是目標硬體的理想選擇之一。採用 FPGA 晶片，只需少數晶片和簡單的外圍電路，即可實現比較複雜的圖像預處理算法，而且只要改變 FPGA 晶片內部參數值就可以實現對不同尺寸、不同灰度級圖像的處理，具有一定的靈活性。目前，FPGA 已在圖像處理中得到廣泛的套用。
下圖為FPGA設計流程。
實時圖像採集系統
下面將針對利用FPGA實現的實時圖像採集系統做一簡單介紹。
在本設計中，在滿足設計要求，最主要的是圖像解析度和採樣速率的要求下，為了簡化電路結構，採用 CMOS 圖像感測器。具體選用美國 Omni Vision 公司生產的 130 萬象素的 CMOS 圖像感測器 OV9121。
本設計的圖像採集部分，包括 OV9121 初始化模組、採樣控制模組和 SRAM控制模組。初始化模組主要是根據設計要求，設定 OV9121的工作模式；採樣控制模組負責提供 OV9121 採集圖像需要的控制信號；SRAM 控制模組主要負責快取OV9121 輸出的圖像數據，並將圖像數據送 FPGA 濾波模組處理，本模組使用了兩片相同規格的 SRAM。
OV9121 初始化模組
根據設計要求，通過改變OV9121內部暫存器的值，使OV9121工作在設定好的模式，包括工作模式、圖像的解析度、象素輸出頻率和幀頻等參數。
採樣控制模組
在實際設計中，有兩種方法可以得到需要的控制信號。一是採用鎖相環。在很多設計中，往往需要多個頻率和相位的時鐘，於是各家 FPGA 廠商便在其 FPGA 內部設計了一些時鐘管理元件，鎖相環是其中一個有代表性的電路[35]。Altera 公司的許多系列的 FPGA 內都有鎖相環，在開發環境 Quartus II 里對鎖相環的參數作出修改，可以改變初始時鐘信號的分頻係數或倍頻倍數，並可調整時鐘相位。第二種方法是自己編寫分頻程式。
SRAM 控制模組
本設計採用兩片相同規格的 SRAM，在同一時間，只有一片 SRAM 接收圖像數據，也只有一片 SRAM 向 FPGA 輸出數據。SRAM 工作程式如下：首先 SRAM1 寫使能，OV9121 向 SRAM1 寫圖像數據，當向其寫完一幀圖像後，SRAM2 寫使能，OV9121 開始向 SRAM2 寫下一幀圖像，同時，SRAM1 寫禁止，讀使能，FPGA 開始讀取 SRAM1 中的圖像數據。然後，SRAM1 寫使能，開始向 SRAM1 寫圖像數據，同時 SRAM2 讀使能，從 SRAM2 讀數據，依次交替進行。這樣做，可以使 OV9121 輸出的圖像數據連續地存儲在片外存儲器中，同時，FPGA 也可以連續地從片外存儲器中讀取數據。同時，在同一時間，一個晶片只有讀或只有寫操作，可以避免對一個晶片同一地址的讀寫衝突。
套用
實時圖像採集有著廣泛的套用。在日常生活中，常用於數位相機、可視電話、多媒體 IP 電話和電話會議等產品；在工業生產中，圖像採集卡可用於材料分析、鍋爐火焰監測等；在生物醫學領域，圖像採集卡可以用於B超、CT、病理分析等；在金融領域，圖像採集卡可以用於票證處理，櫃員機自動檢測等；在航空航天領域，可以用於各種運動目標的自動制導、運動物體的經緯度測定以及夜間偵察等。
