图像采集与处理基础课件.ppt

1、主要内容 v 模拟视频信号v 数字视频信号v 图像采集卡介绍重点及难点 v 模拟视频信号的表示 v 数字图像的处理方法v数字视频信号的表示及接口 模拟信号和数字信号 信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等 从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。 模拟信号指幅度的取值是连续的，幅值可由无限个数值表示 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内 幅度UA(t)0t模拟信号(a)幅度UA(t)0t数字信号(b) 视频制式 由视频模拟数据和视频同步数据构成 NTSC（National Television

2、Standards Committee，北美及日本） PAL（Phase Alternate Line，欧洲及亚洲大部分国家） SECAM（Sequential Couleur Avec Memoire，法国） 我国目前采用的标准是PAL-D 行频行频(KHz)：每秒钟扫描多少行；行频分别与场频、分辨率成正比，场频越高或者水平线数越多，要求的行频也越高。反过来说，行频越高，则允许显示器分辨率可变范围越大，场频也越高，显示器越好。 行频=场频*电子束水平扫描线数0.93 场场(帧帧)频频(Hz，fps)：场频又称为帧频或刷新频率，即显示器的垂直扫描频率，指显示器每秒所能显示的图象次数，单位为赫兹

3、(Hz)。 分辨率：分辨率：习惯上我们说的分辨率是指图像的高/宽像素值，严格意义上的分辨率是指单位长度内的有效像素值ppi。 帧和场 (隔行信号和逐行信号) 标准的模拟视频信号是隔行信号，一帧分成两场 偶数场包含所有的偶数行(0, 2, . . . ) 奇数场包含所有的奇数行(1, 3, . . . ) 标准模拟视频在采集和传输的过程中使用的是场，而不是帧 一帧图像的两场之间有时间差(造成运动模糊) 帧和场 (隔行信号和逐行信号) 隔行(帧)奇场偶场帧帧(场场)特性：特性：v 帧(场)同步(B)v 帧(场)后肩(C)v 帧(场)有效信号(D)v 帧(场)前肩(E) 行特性：行特性：v 行同步(

4、B)v 行后肩(C)v 行有效信号(D)v 行前肩(E) HS/HD(Horizontal synchronisation) VS/VD (Vertical synchronisation)VoltageTimeHDVideoVoltageTimeVDVideo 复合视频和S-Video 复合视频的彩色视频信号是这样构成的：首先有一个基本的黑白视频信号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一个颜色脉冲和一个亮度信号。因为彩色信号是由多种数据“叠加”起来的，故称之为“复合视频”。 S -Video是一种信号质量较高的视频接口，它取消了信号叠加的方法，可有效避免一些无谓的质量损失。它的功能是将RGB三

5、原色和亮度进行分离处理。 颜色空间 对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”(Color Space)。 RGB(16位/24位/32位) YUV(YCbCr) 其他(HSV、CMYK、数码相机自定义格式等) Alpha通道 颜色空间 RGB32（8:8:8:8） RGB24（8:8:8） 颜色空间 RGB16（5:6:5） RGB15（5:5:5） 颜色空间 YUV16（4:2:2） Y8二、模拟信号二、模拟信号接口接口 连续图像用连续图像用f(x,y)表示表示 x,y表示空间的坐标，f表示图像在点(x,y)处的某种性质F的数值，如亮度（灰度值）或间接表示温度、压力、高度等。 f

6、、x、y可以是任意实数 数字图像数字图像把连续图像在坐标空间和性质空间都进行离散化，把连续图像在坐标空间和性质空间都进行离散化，便于计算机进行加工处理，这种图像称为数字图像。便于计算机进行加工处理，这种图像称为数字图像。用I（r,c）表示， r 代表图像的行 c 代表图像的列 I,r,c 都是整数 I（r,c）表示（r,c）行列交点处的图像值。三、图像的表示三、图像的表示RCOXYO(a)(b)f(x,y) I(r,c)屏幕显示中采用屏幕显示中采用图像计算中采用图像计算中采用 图像处理的图像处理的信号来源，信号来源，主要问题是主要问题是输入噪声，输入噪声，医用设备要医用设备要求极高，灰求极高，

7、灰度分辨率为度分辨率为2048级级因图像信息量大，因图像信息量大，因而大容量、快因而大容量、快速存储器是必不速存储器是必不可少的可少的将图像数据压缩，远距离传送将图像数据压缩，远距离传送图像档案（高保真度）例如：图像档案（高保真度）例如：远程医疗诊断，可以在几千公远程医疗诊断，可以在几千公里外由专家指导手术。里外由专家指导手术。速度、内存、功能速度、内存、功能要求高要求高通信通信联联网网计算机主机计算机主机（处理和分（处理和分析）析）输出显输出显示设备示设备输入部件输入部件采集和量采集和量化化激光扫描仪激光扫描仪CCD摄摄像机像机图像存图像存储设备储设备1、显示中间和、显示中间和最后结果，以最

8、后结果，以供分析、识别供分析、识别和解释用和解释用如：如：CRT显像显像设备设备2、记录下来永、记录下来永久保存久保存如：打印机或如：打印机或录像录像灰 度 分 辨 率空 间 分 辨 率 图像信息的获取图像信息的获取（ （Image Information acquisition） ） 将一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号，这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。 图像信息的存储（图像信息的存储（Image Information storage） ） 图像信息的突出特点是数据量巨大，一般作为档案存储主要采用磁带、磁盘或光盘。为解决海量存储问题主要研究数据压缩图像格

9、式及图像数据库技术等。 图像信息的传送图像信息的传送（ （Image Information transmission） ） 可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用DMA技术以解决速度问题，外部远距离传送主要解决占用带宽问题。 数字图像处理数字图像处理（ （Digital Image Processing） ） 多采用计算机处理。包括几何处理、算术处理、图像增强、图像复原、图像重建、图像编码、图像识别、图像理解等。 图像的输出与显示（图像的输出与显示（Image Output and Display） ） 图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像，因此图像输出也是图

10、像处理的重要内容。图像输出有两种，一种是硬拷贝，一种是软拷贝。其分辨率随科学技术的发展从256256、 512512、10241024越来越高。1 1、数数字字图图像像获取数字图像的设备即采集装置。获取数字图像的设备即采集装置。扫描仪扫描仪数码照相机数码照相机数码摄像机数码摄像机 采集装置都包括下面两个部件：采集装置都包括下面两个部件：光敏感应器件光敏感应器件模模/数转换装置数转换装置2 2、图图像像 电视摄像机（Video Camera） 飞点扫描器（Flying point scanner） 扫描鼓 扫描仪 显微光密度计 遥感用图像获取设备光学摄影：摄像机、多光谱像机红外摄影：红外辐射计、

11、红外辐射仪、多通道红外扫描仪MSS：多光谱扫描仪微波：微波辐射计、侧视雷达、真实空孔径雷达， 合成孔径雷达 电视摄像机（电视摄像机（Video Camera）：）：目前使用最广泛的图像获取设备，早期主要有光电摄像管等，主要采用CCD摄像设备。特点：设备小巧，速度快，成本低、灵敏度高。缺点：灰度层次较差，非线性失真较大，有黑斑效应，在使用中需要校正。目前，CCD摄像机在分辨率、灵敏度等方面已做到较高水平。 摄像机参数有空间分辨率、灰度扥变绿、颜色数、快门参数、最低照明度等。 根据传感器的有效工作范围：可见光、近红外、红外、X射线等CCD摄像机。 根据快门速度：静止、实时摄像机飞点扫描器（飞点扫描

12、器（Flying point scanner）：）：这是一种以光源做扫描的图像获取设备，其特点是：精度较高、图像清晰，可投射成像亦可反射成像，但是其体积略显庞大。 飞点扫描系统一般用在电视传送方面，特别是传送透明画和影片。 在飞点扫描系统中，扫描光点的光源是一种形成光栅的显象管，通称为飞点扫描管。从飞点扫描管发出的光被聚焦到影片上，逐点地受到影片透光度的调制，然后被光电倍增管接收，发出视频信号。因为在任何给定的瞬间，达到光电倍增管上的光，理想的应当只是透过影片相应象元的光，所以要求飞点扫描管荧光屏用的磷光体余辉要短。 在黑白飞点扫描系统中，对磷光体只在余辉和亮度上有所选择,而对光谱发射特性不大

13、考虑。 在彩色系统中，光束透过影片之后，通过分色镜被分成彩色成分。为了达到精确的彩色再现，要求扫描光点的光谱能量分布要包括光谱整个可见区域。 现在的做法是把两种磷光体混合起来，以获得较宽的白场。 扫描鼓：扫描鼓：一种高精度的滚筒式图像摄取设备。特点：精度 高、分辨率高，可输入也可输出，缺点：价钱昂 贵、速度低，维护要求高，多用于静止图像的的 输入输出设备。扫描仪：扫描仪：特点：精度和分辨率中等。应用广泛。缺点：速 度慢，非实时设备。显微光密度计：显微光密度计：精度较高，速度较低。 3、 图像显示的主要形式：图像显示的主要形式： 软拷贝形式软拷贝形式 硬拷贝形式硬拷贝形式 常用硬盘、软盘、常用硬

14、盘、软盘、U盘、活动硬盘、光盘、磁带等盘、活动硬盘、光盘、磁带等 在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、在海量图像存储备份系统中，采用磁盘阵列、磁带库、光光 盘塔等存储设备。盘塔等存储设备。 4、硬拷贝：照相、激光拷贝、彩色喷墨打印硬拷贝：照相、激光拷贝、彩色喷墨打印软拷贝软拷贝CRT显示（显示（Cathode Ray Tube）液晶显示器（液晶显示器（LCD）场致发光显示器（场致发光显示器（FED） 计算机内存，帧缓存：计算机内存，帧缓存：提供快速存储功能的存储器 固定硬盘和固定硬盘和35英寸的软磁盘：英寸的软磁盘：小型和微型计算机的必备外存储器 闪存盘（闪存盘（u盘）：盘）：是以

15、USB为接口的一种存储方式 移动硬盘移动硬盘 大容量的大容量的Zip磁盘：磁盘：应用于多台电脑的数据传送网络下载数据、文件临时保存 MD (Magneto-Optical Disk)：传统磁盘技术与激光技术结合的产物 CD-R（CD Recordable）:一种允许对CD进行一次性刻写的特殊存储技术 CD-RW(CD ReWritable)：一种重复写入技术 PD：Phase Change ReWritable Optical Disk:相变光方式存储的可重复擦写的存储设备，是比CD-RW盘片性能更好、更稳定的光盘介质。 DVD(Digital Video Disk):DVD-R、 DVD-R

16、AM、 DVD-RW图像通信就是把图像传送到远方终端。图像通信就是把图像传送到远方终端。按传输图像种类分为按传输图像种类分为 静止图像通信静止图像通信: 如电报、传真和图文电视等；如电报、传真和图文电视等； 活动图像通信活动图像通信: 如电视、可视电话等。如电视、可视电话等。 以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型以微机或工作站为主，配以图像卡和外设构成微型图像处理系统。图像处理系统。 向大型机方向发展，具有并行处理功能，以解决数向大型机方向发展，具有并行处理功能，以解决数据量大、实时性与处理能力之间的矛盾。据量大、实时性与处理能力之间的矛盾。9 9、数数字字图图像像图像处理系统平台：图

17、像处理系统平台：Microsoft Windows开发主流工具：开发主流工具：VC+其他图像处理软件其他图像处理软件uMATLAB的图像处理工具箱的图像处理工具箱uAVS (Application Visualization System)uSPIDER Viewer (Subroutine Package for Image Data Enhancement and Recognition)uIUE (Image Understanding Environment)I IB BMMR R- -从从照照片片中中 算法面部复制求特征点求其3D位置修改通用人头修改嘴和眼纹理映射(Image-Bas

18、ed Modeling and Rendering) I IB BMMR R- -从从照照片片中中 算法躯干复制几几种种常常见见的的 脸形脸部热量图指纹几几种种常常见见的的手形手部血管分布 虹膜视网膜 签名 声音 图像处理：图像处理：对图像进行一系列的操作，以达到预期的目的的技术，满足人的视觉心理和实际应用的要求。例子：调整了亮度和对比度1 1、数字图像处理的主要方法、数字图像处理的主要方法 空域法：把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接空域法：把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接 对这个二维函数进行相应的处理。对这个二维函数进行相应的处理。u邻域处理法：包括梯度运算（邻域处

19、理法：包括梯度运算（Gradient AlgorithmGradient Algorithm），拉普拉），拉普拉斯算子运算斯算子运算(Laplacian Operator)(Laplacian Operator)，平滑算子运算，平滑算子运算(Smoothing (Smoothing Operator)Operator)和卷积运算（和卷积运算（Convolution AlgorithmConvolution Algorithm）u点处理法：灰度处理（点处理法：灰度处理（Grey processingGrey processing），面积、周长、体），面积、周长、体积、重心运算等积、重心运算等 变

20、换域法：首先对图像进行正交变换，得到变换域阵列，然变换域法：首先对图像进行正交变换，得到变换域阵列，然 后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域，后再施行各种处理，处理后再反变换到空间域， 得到处理结果。得到处理结果。包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。图像数字化图像数字化几何处理几何处理算术处理算术处理图像增强图像增强图像复原图像复原图像重建图像重建图像编码图像编码图像分析图像分析模式识别模式识别图像理解图像理解 模拟图像处理：利用光学、照相方法对模拟图像的处理模拟图像处理：利用光学、照相方法对模拟图像的处理 光学处理（透镜），电子处理（电视光学处理（

21、透镜），电子处理（电视) ) 特点：并行速度快，精度稍差，欠灵活特点：并行速度快，精度稍差，欠灵活 数字图像处理：利用计算机对数字图像进行系列操作，从而数字图像处理：利用计算机对数字图像进行系列操作，从而获得某种预期的结果的技术获得某种预期的结果的技术 就是利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对就是利用数字计算机或其它高速、大规模集成数字硬件，对从图像信息转换来的数字电信号进行某些数字运算或处理，从图像信息转换来的数字电信号进行某些数字运算或处理，以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。以期提高图像的质量或达到人们所要求的某些预期的结果。 特点：精度高，灵活，处理速度受限

22、。特点：精度高，灵活，处理速度受限。 2022-6-250 . 数字化一幅图像 ( 将连续图像转化为数字图像) . 增强一幅图像 ( 使一幅图像能更好地适应于某个特定的应用) . 恢复一幅图像 ( 让一幅被损坏的图像尽可能恢复到原貌) . 压缩一幅图像 ( 用更少的字节数来存储它 ) . 分割一幅图像 ( 将一幅图像从背景中提出来并分成若干个目标 ) . 识别一幅图像 ( 让机器说出图像的目标或物体是什么 ) 数字图像处理系统能做些什么？数字图像处理系统能做些什么？图图像像 将一幅光学图像表示成一组数字，既不失真又将一幅光学图像表示成一组数字，既不失真又便于计算机分析处理。主要包括的是图像的采

23、样便于计算机分析处理。主要包括的是图像的采样与量化。与量化。它是数字图象处理系统工作的第一步2022-6-252xF(x,y)YX. 采样 ( 如图中的网格). 量化数字化一幅图像几几何何 主要包括坐标变换、图像的放大、缩小、主要包括坐标变换、图像的放大、缩小、旋转、移动，多个图像配准、全景畸变校正，扭曲校旋转、移动，多个图像配准、全景畸变校正，扭曲校正，周长、面积、体积计算等。正，周长、面积、体积计算等。 主要对图像施以、主要对图像施以、等运算，虽然等运算，虽然该处理主要针对象素点的处理，但非常有用，如医该处理主要针对象素点的处理，但非常有用，如医学图像中的减影处理就有显著的效果。学图像中的

24、减影处理就有显著的效果。图图像像 突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要突出图像中感兴趣的信息，而减弱或去除不需要的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。的信息，从而使有用信息得到加强，便于区分或解释。主要方法有直方图增强、伪彩色（主要方法有直方图增强、伪彩色（pseudo colorpseudo color）增强）增强法、灰度窗口等技术。法、灰度窗口等技术。 主观主观2022-6-256. 原始图像增强后的图像增强一幅图像图图像像主要目的是去除干扰和模糊，恢复图像的本来面目。主要目的是去除干扰和模糊，恢复图像的本来面目。2022-6-258 当图像损坏了，我们可以恢复它裂痕部分撕

25、破了恢复一幅图像2022-6-259 皱折原始图像 恢复后的图像 恢复一幅图像2022-6-260 破损部分 原始图像恢复后的图像恢复一幅图像图图像像几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像。而重建是从数据到图像的处理。输入的也是图像。而重建是从数据到图像的处理。输入的是某种数据，处理得到的是图像。是某种数据，处理得到的是图像。典型应用：医学诊断用（典型应用：医学诊断用（CTCT）断层成像。）断层成像。主要算法：代数法、迭代法、傅立叶反投影法、卷主要算

26、法：代数法、迭代法、傅立叶反投影法、卷积反投影法、三维重建算法。积反投影法、三维重建算法。图像编码的目的：图像编码的目的：u减少数据存储量；减少数据存储量；u降低数据率以减少传输带宽；降低数据率以减少传输带宽；u压缩信息量，便于特征提取，为识别做准备。压缩信息量，便于特征提取，为识别做准备。 图像编码法的特点：图像编码法的特点：u充分考虑人的视觉特性；充分考虑人的视觉特性；u恰当地考虑对图像信号的分解与表述；恰当地考虑对图像信号的分解与表述；u采用图像的合成与识别方案压缩数据率。采用图像的合成与识别方案压缩数据率。2022-6-263 原始图像 257kb 压缩后的图像 147kb 冗余信息压

27、缩一幅图像2022-6-264 原始图像 分割后的图像分割一幅图像2022-6-265 原始图像 分割后的图像分割一幅图像2022-6-266 分割一幅图像( 咖啡豆分离咖啡豆分离)模模式式 统计识别法：侧重于特征统计识别法：侧重于特征 句法结构识别法：侧重于结构和基元句法结构识别法：侧重于结构和基元 模糊识别法：把模糊数学的一些概念和理论用于识别处模糊识别法：把模糊数学的一些概念和理论用于识别处理理对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、解释对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、解释模板匹配示例模板匹配示例图图像像信信 近程图像通信主要指在不同设备间交换图像数据，现已有许多用于

28、局域通信的软件和硬件以及各种标准协议；内部传送多采用DMA（Direct Memory Acess）解决速度问题。 远程图像通信主要指在图像处理系统间传输图像；长距离图像通信遇到的首要问题是图像数据很大而传输通道通常比较窄。例如目前常用的电话线的速率为9600bit/s，如果以这样的速率传输一幅5125128 bit图像就需要300s。利用中继站的无线传输速率比较高，但费用更高。远程传送主要解决占用带宽问题。图图像像工工程程图像工程的内涵图像工程的内涵图像理解图像理解图像分析图像分析图像处理图像处理语语义义高高层层中中层层低低层层操操作作对对象象符符号号目目标标象象素素高高低低抽抽象象程程度度

29、小小大大数数据据量量 图像工程是一门系统地研究各种图像理论。技术和应用的交叉学科。从它的研究方法来看，它可以与数学、物理学、生理学、心理学、电子学、计算机科学等许多学科相互借鉴，从它的研究范围来看，它与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等多个专业互相交叉。另外，图像工程的研究进展与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术都有密切的联系，它的发展应用与医学、遥感、通信、文档处理和工业自动化等许多领域业是密不可分的。 计算机图形学研究的是用计算机技术生成图形的理论、方法和技术，即由非图像形式的数据描述来生成逼真的图像。它可以生成现实世界已经存在的物体的图形，也可以生成虚构物体的图形，它和

30、图像分析的对象和输出结果正好对调。 图像模式识别与图像分析则比较相似，只是模式识别试图把图像分解成可用符号较抽象的描述的类别。 计算机视觉主要强调用计算机实现人的视觉功能，要用到图像工程三个层次的许多技术，但目前的研究内容主要是和图像理解相结合。 图像处理图像处理 图像处理的重点是图像之间进行的变换：尽管人们常用图像处理泛指各种图像技术，但比较狭义的图像处理主要是对图像进行各种加工，以改善图像的视觉效果并为自动识别打基础，或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间； 图像分析图像分析 图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量以获得它们的客观信息。从而建立对图像的描述。如果说图像处理是一个从

31、图像到图像的过程，则图像分析就是一个从图像到数据的过程；这里的数据可以是目标特征的测量结果，或是基于测量的符号表示它们描述了目标的特点和性质。 图像理解图像理解 图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解释，从而指导决策；如果说图像分析主要是以观察者为中心研究客观世界，那么图像理解在一定程度上就是以客观世界为中心，借助知识经验等来把握整个客观世界(包括没有直接观察到的事物）。 可见，图像处理、图像分析和图像理解是处在三个抽象程度和数据量各有特点的不同层次上，图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级上

32、进行处理，处理的数据量非常大，图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图像形式的描述。图像理解主要是高层操作，基本上是对从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人的思维推理有许多类似之处。输入的是图像，输出的是一种描述。利用客观世界的输入的是图像，输出的是一种描述。利用客观世界的知识使计算机进行联想、思考及推论，从而理解图像知识使计算机进行联想、思考及推论，从而理解图像所表现的内容所表现的内容这是一辆敞车这是一辆敞车这是一辆罐车这是一辆罐车图图像像对图像中的不同对象进行分割、分类、特征提取和对图像中的不同对象进行分割、分类、特征提取和表示，从而有利于

33、计算机对图像进行分类、识别和表示，从而有利于计算机对图像进行分类、识别和理解。理解。轮廓提取示例轮廓提取示例二值图像灰度图像彩彩色色图图像像数据数据图像图像图像图像人人符号符号图像理解图像理解计计算机图形算机图形 学学图像图像分析分析X X光照片光照片图像质量的改善图像质量的改善图像处理图像处理对复杂图像的对复杂图像的组成进行说明组成进行说明图像理解图像理解计 算计 算机 视机 视觉觉用计算机实现用计算机实现人的视觉功能，人的视觉功能，它是其它几门它是其它几门学科的综合应学科的综合应用。用。图像分割，边缘图像分割，边缘提出输出简单的提出输出简单的图像和数据图像和数据模式识别模式识别将图像进行将

34、图像进行区别分类区别分类数据、符号数据、符号描述了图像描述了图像目标的特点和性质，变成比目标的特点和性质，变成比较简单的非图形式的描述。较简单的非图形式的描述。计算机图形学（计算机图形学（Computer Graphics）模式识别（模式识别（Pattern Recognition）计算机视觉（计算机视觉（Computer Vision） 就是将图像或视频(模拟信号)转换成计算机软件可以“理解”的数字格式(数字信号)。 图像采集卡的工作原理图A/D转换格式转换缓冲PCI接口采样A/D转换转换 视频信号量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信

35、号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。模拟采集卡的数字化精度：模拟采集卡的数字化精度：像素抖动像素抖动 像素抖动是由图像采集卡的A/D转换器的采样时钟的误差产生的像元位置上的微小的错误从而导致对距离测量的错误。传输速率：传输速率：指图像由采集卡到达内存的速度。图像格式（像素格式）：黑白图像图像格式（像素格式）：黑白图像：通常，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。彩色图像彩色图像：彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成。模拟采集卡的数字化精度模拟采集卡的数字化精度 v 像素抖动像素抖动v 帧图像大小(Image Size)：

36、 WidthHeight(长宽) v 颜色深度(Depth，比特数)： 8/16/24/32Bitv 帧率(Fps) ： 标准PAL制是25帧/s，标准NTSC制是30帧/s v 数据量Q(MB) ： 图像信号每秒的数据量Q = WHfd/8 例：PAL单路视频最大数据量： Q = 7685762532/8 = 42.1875(MBytes/s) v 单路采集传输速率（全分辨率）：8位黑白方式：15Mbyte/s；16位方式：30Mbyte/s24位方式：45Mbyte/s；32位方式：60Mbyte/s v 多路采集时传输速率成倍增加 如QP300在24位颜色深度时，传输数据量达到454=1

37、80Mbyte/s，远大于PCI总带宽v 图像出现拉道现象，主要是主板带宽不够一个关键的指标是：主机板的桥路与DMA通道的速度，在这方面的表现，INTEL芯片组一般要好于VIA芯片组，且与CPU速度无关。相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区域，区域中的每一点的数值黑白图像黑白图像灰度值（灰度值（Gray Level）某一点的灰度值，也是物理世界上这一点的光强弱信息的表示。灰度值为真实世界图像量化的表现方法。通常灰度值从最黑到最白为0255。光线进入CCD后，如果光强达到CCD感应的极限，此像素为纯白色。对应于内存中该像素灰度值为255。如果完全没有光线进入CCD像素，此像素为纯黑色

38、。对应于内存中该像素灰度值为0。视觉系统图像表达视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区域，区域中的每一点的数值黑白图像黑白图像灰度值（灰度值（Gray Level）8bit10bit16bit8bit：灰阶范围25610bit：灰阶范围1024灰阶越高图像的细节更多，层次更分明。视觉系统图像表达视觉系统图像表达模拟信号经A/D转换，传输至内存的图像相机“看”到的图像视觉系统图像表达视觉系统图像表达由于windows目前的限制，能够显示的灰度最多为256个，显示10bit或更高的灰度图像可以通过：v 软件软件LUT的方式，和医疗影像中的窗宽窗位的概念类似v 显示高显示高

39、8位位的方式视觉系统图像表达视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区域，区域中的每一点的数值彩色图像彩色图像RGB值值视觉系统图像表达视觉系统图像表达PCIX86结构常见总线32位总线标准理论极限带宽133MBytes/s平均带宽90-100MBytes/s左右多个PCI设备共享带宽可以扩展为64位PCI总线PC-104/Plus紧凑型PCI总线32位总线标准理论极限带宽133MBytes/s平均带宽90-100MBytes/s左右多至三个PC-104/Plus设备共享带宽与PC-104总线（16位）差别极大，不能通用PCI-E64位总线标准1x的理论极限带宽266MB

40、ytes/s平均带宽220MBytes/s左右每个PCI-E设备独占带宽可以有x1, x2, x4, x8, x16 , x32等扩展方式，提高传输带宽x2, x4, x8, x16 , x32等扩展向下兼容Mini PCI紧凑型PCI总线32位总线标准理论极限带宽133MBytes/s平均带宽90-100MBytes/s左右多个Mini PCI设备共享带宽Camera LinkChannel LinkLVDSRS-422GigEIEEE1394USB 数字信号数字信号接口接口v传统数字信号（传统数字信号（RS-422, LVDS)vCameraLinkvIEEE1394(Firewire)v

41、USBvGigabit Ethernet数字信号数字信号接口接口vLVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。vLVDS采用很低的电压350mV降低了噪声，提高了速率，低辐射，低功耗0.93W，最重要的是差分信号可以使接收机滤除噪声。这是因为依靠同时用两根线来传信号，两条线的电压相反。通过两根线上的强度差来得到最终的数据。如果出现噪声，那么噪声会同时出现在这两根线上，而信号信息并不受其影响。因为信号的抗噪声能力的提高，电压随之降低而速度得到提高。v每线对最大传输率为655Mb/s。 数字信号数字信号LVDS优点：高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。缺点：管脚定义不统一，兼容性差，

42、电缆成本高。 数字信号数字信号LVDSv DATA(8，10，12，14)：多通道数据输出例：12位数据总线。 DATA 011是相机输出的、分别对应目标某个像元灰度的12位图像数据。v STROBE/PLCK像元时钟信号。 STROBE是图像数据的像元时钟。它的频率与数据速率相同，即使数据无效， STROBE仍然连续交变。为了获得有效的图像数据，采集卡一般在FVAL和LVAL为高电平时，在STROBE的下降沿进行数据锁存。v FVAL帧同步信号。一般FVAL高电平表明相机正输出一帧有效数据。v LVAL行同步信号。当FVAL为高电平时， LVAL高电平表明相机正输出一个有效的像元行。 数字信

43、号数字信号LVDS 数字信号数字信号CameraLinkv 13对线（其中有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更加的小巧。允许相机设计的体积更小。v 更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。v 集成有串口通讯协议。 数字信号数字信号CameraLink 数字信号数字信号USBv 接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多媒体数据的传送模式，连接方便。v USB 2.0向下兼容USB 1.1、USB 1.0，数据的传 输率可以达到120Mbps480Mbps。v 传输

44、距离短，0.6米。 数字信号数字信号IEEE1394v 两种接口标准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的产品提供电源。v 1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。v 不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大于4.5米可采用中继设备。v 支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。 数字信号数字信号Gigabit Ethernetv 带宽可达到1000 Mbps，图像可以无损失实时传输。v 最远可传输100米。v 标准的网络连接器，电缆线成本低。v 带宽易于升级，包括10M,100M,1000M 等

45、，在工业机器视觉中将被广泛应用。 数字信号数字信号Gigabit Ethernet 数字信号数字信号比较比较 图像采集卡附加功能v触发功能 (Trigger)v灯源控制功能 (Strobe)v基本I/O功能 (I/O)v相机复位功能 (Asynchronous Reset)v时序输出功能 (Timing Out)v串口通讯功能 (RS232)v电源输出功能 (Power out)图像采集卡基本概念图像采集卡基本概念Matrox 的的 Odyssey XCL图像采集卡基本概念图像采集卡基本概念Matrox 的的 Odyssey XA图像采集卡基本概念图像采集卡基本概念MUX：通道选择Decode

46、r：视频解码器A/DVRGB,YUVVIA：视频接口芯片 BridgeControls图像采集卡基本概念图像采集卡基本概念图像采集卡基本结构硬件图视野（FOV）或视场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。CCD芯片将光能转化为电能。相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。A/D转换器将模拟信号转换成8位（或多位）的数字信号。每个像素独立地把光强以灰度值（Gray Level）的形式表达。这些光强值从CCD芯片的矩阵中被转移存储在内存的矩阵数据结构中。 图像采集卡原理及过程图像采集卡原理及过程标准信号(标准模拟信号)非标准彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非标准模拟信

47、号数字：LVDS/1394/RS422/Camera Link/USB/GigaBit如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡v依据信号标准信号标准可以分为: 视频信号分类视频信号分类依据输入信号类型输入信号类型可以分为:v模拟图像采集卡v数字图像采集卡板卡分类板卡分类模拟图像采集卡Morphis数字图像采集卡Solios-XCL依据功能功能可以区分为:v单纯功能的图像采集卡v集成图像处理功能的采集卡板卡分类板卡分类图像采集处理卡 Matrox的 Odyssey XCL如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡原始信号 RGBYUV分量信号Y/C信号(彩色降频方式)复合视频Composite(彩色全电视

48、信号)Y=0.39R+0.5G+0.11B(PAL)U、V进一步合成色度信号CY、C进一步合成画面质量依次下降画面质量依次下降亮度 Y,色差 U(B-Y),饱和度V(R-Y)v依据信号记录方式信号记录方式可以分为: 视频信号分类视频信号分类v 相机速度(Frame Rate or Line Rate)v 相机像素分辨率(Pixel Size)v 面阵或线阵(Area Scan or Line Scan)v 颜色（Mono,Color)v 相机视频信号类型与硬件连接接口Analog( BNC )Digital( LVDS/CameraLink/1394/USB/Ethernet ) 相机的各项参

49、数相机的各项参数如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡v 视频信号接口视频信号接口 模拟信号接模拟采集卡；数字信号接数字采集卡。如：CameraLink- CameraLink；1394-1394 采集卡选择的主要因素采集卡选择的主要因素如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡要求相机与采集卡的视频信号类型一致v 数据采集能力数据采集能力(MHz)要求采集卡的数据采样频率大于或等于相机信号数据输出频率。采集卡的数据率必须满足的要求可按下式计算：Data Rate(Grabber)为采集卡的数据率；Data Rate(Camera)为相机的数据率；R为相机的分辨率； f为相机的帧频。 采集卡选择的主要

50、因素采集卡选择的主要因素如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡模拟模拟 Data Rate (Grabber) 1.2R*f数字数字 Data Rate (Grabber) Data Rate (Camera)v 软件开发包(SDK)：稳定、简单、易用功能强大移植性好v 技术支持能力（Support)：快速完成系统的开发便于系统的维护v 品牌及产品线(Product Line)：保证采集卡的质量产品升级换代 采集卡选择的其它因素采集卡选择的其它因素如何选用图像采集卡如何选用图像采集卡传统图像采集卡(A/D转换)最终将被淘汰；CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采