高碼率圖像采集處理技術研究

任瀟瀟

【摘要】高碼率圖像采集和處理涉及到的技術眾多，屬于近年來國際國內(nèi)的研究熱點。在諸如高清電視轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖像傳送等應用中都需要實時傳輸高碼率圖像數(shù)據(jù)，需要對硬件和軟件進行優(yōu)化和匹配。與高碼率圖像技術相關的計算機軟硬件技術也是市場和社會大量需求的內(nèi)需增長點。本文研究了高碼率數(shù)字圖像從采集到處理和傳輸?shù)恼麄€過程，對當前高碼率圖像的處理技術進行了深入分析，具有一定的指導意義。

【關鍵詞】高碼 率圖像 處理

一、前言

當前，圖像采集和處理技術的發(fā)展十分迅速，它和計算機技術一起，在很大程度上幫助了我國進入數(shù)字化時代，越來越多的場合需要用到數(shù)字圖像技術，多樣化的圖像和視頻應用，形象生動的表達了傳統(tǒng)的媒體所不能傳遞的信息，結合強大的通訊網(wǎng)，很大程度上豐富了人民的業(yè)余文化生活。同時由于很多行業(yè)需要使用高清圖像的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，高碼率的圖像采集方法也已經(jīng)成為工業(yè)中的重要技術之一。

在監(jiān)控、高清電視轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖像傳送等領域，傳統(tǒng)的壓縮嚴重、碼率較低的圖像已經(jīng)不能滿足當前社會發(fā)展的需求，由于軟硬件技術的飛速發(fā)展和市場的需求，高碼率甚至是無損的圖像以及視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)不是硬件資源的瓶頸所在。發(fā)展先進的高碼率數(shù)字圖像采集和信號處理技術，成為目前科研院所和企業(yè)研究的熱點。

二、研究現(xiàn)狀

我國電子技術的發(fā)展滯后于西方國家，體現(xiàn)在核心技術上專利和技術積累的不足，近年來國家層面上對集成電路等技術的支持力度十分顯著，標志著我國芯片技術的從無到有，從弱到強。而這些硬件技術的發(fā)展，對高碼率數(shù)字圖像在內(nèi)的新興行業(yè)帶來了蓬勃的生機。

成像設備的是數(shù)字圖像技術發(fā)展的基礎，我國當前生產(chǎn)CMOS以及CCD模塊的廠家數(shù)量逐年增加，例如中安視訊公司采用PCle xl接口的視頻采集卡，在兩路模擬視頻信號采集下已經(jīng)可以實現(xiàn)720x576x24bit的速率，達到的水平也逐漸躋身國際前列。

但是，我們應該看到，在高清成像技術的高端市場上，索尼、尼康、蘋果、Coreco等老牌的圖像廠商無論是在硬件核心器件，還是在后期圖像的算法處理上，都處于絕對的領先地位。

Coreco的一款圖像采集卡系列甚至達到了1GB/s的高速數(shù)據(jù)量吞吐。但是，中國市場的巨大帶來的研發(fā)熱潮是其他國家和地區(qū)所不能比擬的，處于高速發(fā)展時期的中國，無論是在高清電影拍攝等民用或者工業(yè)市場，還是在國防、勘探等關系到國家利益的重大層次，都對高碼率的圖像采集和處理技術保持著研發(fā)的熱情。

三、高碼率圖像采集處理的技術實現(xiàn)要求

全高清時代的到來，使得硬件設備更新?lián)Q代的速率不斷提高。傳統(tǒng)的低碼率圖像傳輸使用場合受到的限制越來越多，而對傳統(tǒng)設備和技術的改進是一項巨大的工程，特別是我國這樣龐大的一個基數(shù)量級。設計和研究高碼率的圖像采集和處理技術，需要注意以下幾點：

1、系統(tǒng)的開放性以及兼容性：眾多的老設備不可能在很短的時間內(nèi)迅速更換，要最大程度的保留兼容的解決方案，同時，采用開放的系統(tǒng)接口，滿足不同設備的最低開銷的使用；

2、技術實現(xiàn)下的經(jīng)濟效益最優(yōu)化：在滿足技術指標的同時，盡可能使用性價比高的設備以及容易實現(xiàn)的軟件方案，保證系統(tǒng)的實用性和經(jīng)濟性；

3、靈活的框架以及維護的便捷性：高碼率圖像采集和處理技術的核心部件價格昂貴，用戶可以根據(jù)需求選擇外部組件的配合使用，保證了物盡其用。同時，靈活的框架允許維護的過程更加簡單，節(jié)約了人力物力；

4、安全性和穩(wěn)定性：圖像數(shù)據(jù)大部分存儲在機器本地，需要進行嚴格的分級加密保存和提取。但是涉及到需要使用網(wǎng)絡進行遠程傳輸?shù)男盘枺枰惴用?，防止信息截取?/p>

四、高碼率圖像采集處理技術的方法研究

隨著電子技術和大數(shù)據(jù)時代的激發(fā)，圖像以及視頻處理領域?qū)Ω蟮臄?shù)字信號數(shù)據(jù)量的存儲和處理需求提出了更高的訴求。

一般的，高碼率數(shù)字圖像的采集涉及到很大的數(shù)據(jù)帶寬，這就需要很高的信號處理芯片級別，傳統(tǒng)的單片機肯定是無法滿足要求的，多數(shù)情況下，使用ARM處理器，嵌入式的Linux系統(tǒng)以及高速的DSP+FPGA方案實現(xiàn)。

硬件方面，高碼率的圖像信號采集和處理技術主要基于FPGA和高速并行DSP處理器完成數(shù)字信號的檢測和處理，同時對硬件的設計加以優(yōu)化，對程序控制中的時序進行嚴格把控，使系統(tǒng)的穩(wěn)定度和處理效果達到較好的水準。在高速信號處理過程中，信號的傳輸質(zhì)量始終關系到整個系統(tǒng)的運行。

傳統(tǒng)的單端信號傳輸方式，功耗和速度都已經(jīng)難以適應芯片的發(fā)展。采用高速差分信號傳輸，是一種抗共模干擾能力很強的新型數(shù)據(jù)傳輸方案。LVDS是滿足FPGA和DSP之間高速高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ姷牟罘纸涌?，主要用于諸如高清視頻轉(zhuǎn)發(fā)、遙感數(shù)據(jù)采集等高速數(shù)據(jù)傳輸連接之中，是一種低壓、差分信號的傳輸。LVDS規(guī)定了驅(qū)動器和接收器的電氣特性。使用LVDS的模數(shù)轉(zhuǎn)化器，不僅可以保證其高性能的轉(zhuǎn)化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

在高清電影拍攝、高清視頻實時轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖片傳輸?shù)认到y(tǒng)采用的高碼率傳輸設備，數(shù)據(jù)量可以達到甚至是超越Gbps，這就需要除了控制硬件采集信號的質(zhì)量之外，對軟件算法不斷加以優(yōu)化。

在視頻壓縮與編碼部分，不同的壓縮算法決定了圖像的質(zhì)量和編碼效率。在DSP+FPGA的高碼率圖像數(shù)據(jù)采集和處理方案中，軟件系統(tǒng)采用合適的無損/有損壓縮，配合優(yōu)化的通訊協(xié)議和存儲規(guī)則。在FPGA上實現(xiàn)實時的高速算法，確保成像質(zhì)量。

五、結語

數(shù)字圖像技術的誕生是人類歷史上值得紀念的一項偉大技術，伴隨著圖像采集和存儲的發(fā)展，特別是隨著計算機技術的突飛猛進，高碼率圖像信號采集和處理技術不斷發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)測控領域很多應用中需要將高碼率的圖像數(shù)據(jù)信號實時地接收、處理并存儲，如工業(yè)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)采集、雷達視頻回波信號數(shù)據(jù)采集，以及衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)信號的采集等。本文研究了高碼率圖像采集處理的關鍵技術，具有一定的現(xiàn)實指導意義。