高码率数字图像采集和信号处理技术综述

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摘要

  一、前言

  当前,图像采集和处理技术的发展十分迅速,它和计算机技术一起,在很大程度上帮助了我国进入数字化时代,越来越多的场合需要用到数字图像技术,多样化的图像和视频应用,形象生动的表达了传统的媒体所不能传递的信息,结合强大的通讯网,很大程度上丰富了人民的业余文化生活。

  同时由于很多行业需要使用高清图像的实时监测和数据分析,高码率的图像采集方法也已经成为工业中的重要技术之一。在监控、高清电视转播、卫星图像传送等领域,传统的压缩严重、码率较低的图像已经不能满足当前社会发展的需求,由于软硬件技术的飞速发展和市场的需求,高码率甚至是无损的图像以及视频数据已经不是硬件资源的瓶颈所在。

  发展先进的高码率数字图像采集和信号处理技术,成为目前科研院所和企业研究的热点。

  二、研究现状

  我国电子技术的发展滞后于西方国家,体现在核心技术上专利和技术积累的不足,近年来国家层面上对集成电路等技术的支持力度十分显着,标志着我国芯片技术的从无到有,从弱到强。而这些硬件技术的发展,对高码率数字图像在内的新兴行业带来了蓬勃的生机。

  成像设备的是数字图像技术发展的基础,我国当前生产CMOS 以及 CCD 模块的厂家数量逐年增加,例如中安视讯公司采用 PCIe x1 接口的视频采集卡,在两路模拟视频信号采集下已经可以实现 720x576x24bit 的速率,达到的水平也逐渐跻身国际前列[1].

  但是,我们应该看到,在高清成像技术的高端市场上,索尼、尼康、苹果、Coreco 等老牌的图像厂商无论是在硬件核心器件,还是在后期图像的算法处理上,都处于绝对的领先地位。Coreco 的一款图像采集卡系列甚至达到了 1GB/s 的高速数据量吞吐。但是,中国市场的巨大带来的研发热潮是其他国家和地区所不能比拟的,处于高速发展时期的中国,无论是在高清电影拍摄等民用或者工业市场,还是在国防、勘探等关系到国家利益的重大层次,都对高码率的图像采集和处理技术保持着研发的热情。

  三、高码率图像采集处理的技术实现要求

  全高清时代的到来,使得硬件设备更新换代的速率不断提高。传统的低码率图像传输使用场合受到的限制越来越多,而对传统设备和技术的改进是一项巨大的工程,特别是我国这样庞大的一个基数量级。设计和研究高码率的图像采集和处理技术,需要注意以下几点:1、系统的开放性以及兼容性:众多的老设备不可能在很短的时间内迅速更换,要最大程度的保留兼容的解决方案,同时,采用开放的系统接口,满足不同设备的最低开销的使用;2、技术实现下的经济效益最优化:在满足技术指标的同时,尽可能使用性价比高的设备以及容易实现的软件方案,保证系统的实用性和经济性;3、灵活的框架以及维护的便捷性:高码率图像采集和处理技术的核心部件价格昂贵,用户可以根据需求选择外部组件的配合使用,保证了物尽其用。同时,灵活的框架允许维护的过程更加简单,节约了人力物力;4、安全性和稳定性:图像数据大部分存储在机器本地,需要进行严格的分级加密保存和提取。但是涉及到需要使用网络进行远程传输的信号,需要算法加密,防止信息截取。

  四、高码率图像采集处理技术的方法研究

  随着电子技术和大数据时代的激发,图像以及视频处理领域对更大的数字信号数据量的存储和处理需求提出了更高的诉求。一般的,高码率数字图像的采集涉及到很大的数据带宽,这就需要很高的信号处理芯片级别,传统的单片机肯定是无法满足要求的,多数情况下,使用 ARM 处理器,嵌入式的Linux 系统以及高速的 DSP+FPGA 方案实现[2].

  硬件方面,高码率的图像信号采集和处理技术主要基于FPGA 和高速并行 DSP 处理器完成数字信号的检测和处理,同时对硬件的设计加以优化,对程序控制中的时序进行严格把控,使系统的稳定度和处理效果达到较好的水准。在高速信号处理过程中,信号的传输质量始终关系到整个系统的运行。

  传统的单端信号传输方式,功耗和速度都已经难以适应芯片的发展。采用高速差分信号传输,是一种抗共模干扰能力很强的新型数据传输方案。LVDS 是满足 FPGA和 DSP 之间高速高效数据传输的常见的差分接口,主要用于诸如高清视频转发、遥感数据采集等高速数据传输连接之中,是一种低压、差分信号的传输[3].LVDS 规定了驱动器和接收器的电气特性。使用 LVDS 的模数转化器,不仅可以保证其高性能的转化,并且能够实现高速数据传输。

  在高清电影拍摄、高清视频实时转播、卫星图片传输等系统采用的高码率传输设备,数据量可以达到甚至是超越Gbps,这就需要除了控制硬件采集信号的质量之外,对软件算法不断加以优化。在视频压缩与编码部分,不同的压缩算法决定了图像的质量和编码效率。在 DSP+FPGA 的高码率图像数据采集和处理方案中,软件系统采用合适的无损 / 有损压缩,配合优化的通讯协议和存储规则。[4]

  在 FPGA 上实现实时的高速算法,确保成像质量。

  五、结语

  数字图像技术的诞生是人类历史上值得纪念的一项伟大技术,伴随着图像采集和存储的发展,特别是随着计算机技术的突飞猛进,高码率图像信号采集和处理技术不断发展。现代工业测控领域很多应用中需要将高码率的图像数据信号实时地接收、处理并存储,如工业监控图像数据采集、雷达视频回波信号数据采集 , 以及卫星图像数据信号的采集等。

  本文研究了高码率图像采集处理的关键技术,具有一定的现实指导意义。

  参考文献:
  [1] 吴振锋 . 基于 FPGA 的 Camera Link 相机图像采集及处理技术研究 [D]. 哈尔滨工业大学,2013.
  [2] 曾霞霞,张小进 - 嵌入式系统视频图像压缩技术的研究,《唐山学院学报》,[J]2010
  [3] 彭加进 . 基于 JPEG 图像压缩的嵌入式视频采集处理系统 [D]. 河海大学 ,2007.
  [4] 匡炎 . 基于 FPGA 和 DSP 的图像采集处理系统的研究与实现 [D]. 华南理工大学 ,2010.

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