《圖像檢測(cè)與處理技術(shù)》課件第2章

第2章圖像檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成2.1成像器件2.2圖像采集系統(tǒng)2.3實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)2.4序列圖像的獲取2.5特殊成像方式圖像處理工作是借助于圖像檢測(cè)處理系統(tǒng)來完成的。圖像檢測(cè)與處理系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分主要包括主機(jī)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)字化儀、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備；輸出設(shè)備包括打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等。

計(jì)算機(jī)及其必要的外圍設(shè)備是進(jìn)行圖像檢測(cè)與處理的物質(zhì)基礎(chǔ)。

早期的計(jì)算機(jī)圖像處理硬件均以大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主，配置字符終端、圖像終端、繪圖儀等外圍設(shè)備，構(gòu)成主從式系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代以后，以工程工作站加網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式系統(tǒng)成為主流。近年來，特別是隨著中央處理器性能的飛速提高，個(gè)人計(jì)算機(jī)逐漸成為一般圖像檢測(cè)與處理的主流，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1圖像檢測(cè)與處理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)示意圖

2.1成像器件

2.1.1CCD的工作原理和種類

CCD(ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件)自1970年問世以來，以其低噪聲等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。

1.CCD成像器件的工作原理

CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移，它存儲(chǔ)由光或電激勵(lì)產(chǎn)生的信號(hào)電荷，當(dāng)對(duì)CCD施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，其存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便開始定向傳輸。CCD的工作過程主要包括信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。CCD分為表面溝道和埋溝道兩類，首先介紹表面溝道類型。

CCD是在MOS晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本結(jié)構(gòu)是在P型或N型硅單晶襯底上生成一層二氧化硅(SiO2)，然后順序沉積n個(gè)金屬電極或多晶硅電極作為柵極，于是每個(gè)電極與其下方的二氧化硅和半導(dǎo)體間構(gòu)成金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即MOS結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)再加上輸入輸出就成為n位CCD。當(dāng)電極上加有適當(dāng)?shù)恼珘?或負(fù)偏壓)時(shí)，該電壓形成的電場(chǎng)穿過二氧化硅薄層，并排斥P型(或N型)硅中的多數(shù)載流子，在二氧化硅和硅的界面的電極下，產(chǎn)生一個(gè)只含有少數(shù)載流子的勢(shì)阱，所加的偏壓越大，該勢(shì)阱就越深。如果在柵極上施加按一定規(guī)律變化、超過閾值的電壓，則在P型硅表面形成不同深淺的勢(shì)阱，一方面可以存儲(chǔ)信號(hào)電荷，另一方面可以把信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬟f出去。按脈沖電壓相數(shù)的不同，可把電極結(jié)構(gòu)分為二相、三相和四相，下面以三相為例進(jìn)行說明。圖2-2是三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系圖。圖2-2三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系為了讀出存放于CCD中的電子圖像，在順序排列的電極上加入交替升降的三相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，該信號(hào)又稱為尋址轉(zhuǎn)移信號(hào)。三相驅(qū)動(dòng)電壓每作用一個(gè)周期，信號(hào)電荷就移動(dòng)一位，不斷重復(fù)此過程，這樣可把信號(hào)電荷移出器件，這就是自掃描。依次類推，每經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，電荷就完成轉(zhuǎn)移一個(gè)像素的全過程。因此，三相時(shí)鐘脈沖保證了電荷作定向轉(zhuǎn)移，也可以認(rèn)為CCD同時(shí)具有移位寄存器的功能。在CCD的末端連接反向偏置的PN結(jié)(二極管)來收集電荷，并經(jīng)放大器放大后輸出，就可獲得圖像信號(hào)。當(dāng)CCD用于攝像時(shí)，光學(xué)圖像通過光電變換變成電荷分布。這時(shí)，只有φ1是高電平，因此只有在φ1柵極下才形成深勢(shì)阱，光電子才能注入到勢(shì)阱中。這樣，光學(xué)圖像變成了電荷圖像，并通過上述自掃描過程輸出電信號(hào)。

在表面溝道器件中，信號(hào)電荷的存儲(chǔ)和傳輸都在氧化層和P型半導(dǎo)體界面處進(jìn)行，受表面態(tài)影響，轉(zhuǎn)移速度和效率均比較低。埋溝道器件的特殊結(jié)構(gòu)能夠保證信號(hào)電荷在半導(dǎo)體內(nèi)部傳輸，避免了表面態(tài)對(duì)信號(hào)的影響，并提高了轉(zhuǎn)移效率，脈沖驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)100MHz，從而降低了噪聲。圖2-3是一種二維CCD傳輸結(jié)構(gòu)圖，它由光敏區(qū)、暫存區(qū)和水平移位寄存器組成。光敏區(qū)由并行排列的m個(gè)電荷耦合溝道組成，各個(gè)溝道間用溝阻隔開，使溝道內(nèi)的電荷不能橫向移動(dòng)。水平驅(qū)動(dòng)電極橫貫各個(gè)溝道，每個(gè)溝道內(nèi)有n個(gè)光敏元，因此整個(gè)光敏區(qū)有m×n個(gè)光敏元。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與光敏區(qū)相同，不過，暫存區(qū)和水平移位寄存器是避光的。當(dāng)光敏區(qū)接收?qǐng)D像時(shí)，經(jīng)一定時(shí)間，光敏區(qū)勢(shì)阱內(nèi)就積累了一定數(shù)量的信號(hào)電荷，在光敏區(qū)和暫存區(qū)各自的轉(zhuǎn)移柵脈沖的作用下，電荷圖像完整快速地移動(dòng)到暫存區(qū)；緊接著，光敏區(qū)開始積累第二幀圖像信號(hào)電荷，與此同時(shí)，暫存區(qū)的信號(hào)電荷在移位脈沖的作用下，一行一行地移至水平移位寄存器，并向外輸出。第一幀信號(hào)輸出完畢后，接著輸出下一幀信號(hào)。圖2-3二維CCD傳輸結(jié)構(gòu)圖

2.CCD的種類

CCD按結(jié)構(gòu)分為面陣(AreaArrays)型CCD和線陣(LinearArrays)型CCD兩類，兩者的工作原理基本相同。

1)面陣型CCD

面陣型CCD可以在一次曝光中以任意的快門速度來捕捉動(dòng)態(tài)對(duì)象，創(chuàng)建二維的影像，其主要應(yīng)用在高階數(shù)碼相機(jī)、保安監(jiān)視器和攝錄像機(jī)等方面。

面陣型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖2-4所示。圖2-4面陣型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)

2)線型CCD

線型CCD是由排成一排的像素構(gòu)成，并以掃描方式來獲取圖像。為了分別得到紅、綠、藍(lán)三種顏色的信息，需要掃描三次，每次對(duì)應(yīng)一種顏色。線型CCD被廣泛應(yīng)用于掃描儀及復(fù)印機(jī)之類的處理靜態(tài)圖像的場(chǎng)合。線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)地構(gòu)成一個(gè)主體，在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，如圖2-5(a)所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極，并由一個(gè)P型溝阻實(shí)現(xiàn)絕緣。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上且梳狀電極施加高電壓時(shí)，光敏元件聚集光電荷，進(jìn)行光積分。光電荷與光照強(qiáng)度及光積分時(shí)間成正比，當(dāng)光積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵上的電壓升高(平時(shí)為低電壓)，與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后，降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。轉(zhuǎn)移完畢后，轉(zhuǎn)移控制柵上的電壓降低，梳狀電極電壓恢復(fù)到原來的高電壓狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí)，在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖，將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移并由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行就可得到相繼的行輸出，從而讀出電荷圖像。目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖2-5(b)所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號(hào)電荷的順序。

此外，還有一種線型CCD為三線結(jié)構(gòu)，其成像敏感元排成三排，每一排對(duì)應(yīng)一種顏色(紅、綠、藍(lán))，當(dāng)獲取三基色信息時(shí)，不用掃描三次。這種CCD圖像傳感器還可以用在高端的數(shù)碼相機(jī)上、影棚里那些商業(yè)靜物廣告的片子上等。這種CCD傳感器具有很高的分辨率和色域。圖2-5線型CCD圖像傳感器

3.CCD技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

隨著CCD技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。例如，市面上大部分消費(fèi)級(jí)別的數(shù)碼相機(jī)都采用隔行輸出CCD，其構(gòu)造如圖2-6所示。每行感光元件之間還設(shè)計(jì)了一行移位寄存器(ShiftRegister)，感光元件感光后將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，然后逐次逐行讀出，再將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后成為數(shù)字信息。這種感光元件的優(yōu)點(diǎn)在于感光和數(shù)據(jù)的讀取可以同時(shí)進(jìn)行，因而反應(yīng)速度較快，連拍能力強(qiáng)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可以方便地采用由軟件控制的電子快門方式來工作，而不需要機(jī)械快門。但是由于移位寄存器不能感光，也就減少了整個(gè)感光元件的有效感光面積(大概每個(gè)像素實(shí)際的感光面積只有該像素總面積的30%左右)，因而導(dǎo)致此類感光元件動(dòng)態(tài)范圍的減小。圖2-6隔行輸出CCD構(gòu)造圖

PSID是一種既具有較小像素面積又能獲得高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的高清晰固體攝像機(jī)。目前，200萬像素1英寸光面制式的PSID已經(jīng)研制成功，其器件總像素為1920(H)×1036(V)，像素尺寸為14.0(H)×7.8(V)mm，單元像素尺寸小，可達(dá)7.3(H)×7.6(V)μm，在整個(gè)可見光波長范圍內(nèi)的離子效率高達(dá)0.6×0.8，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)72dB。它完全適用于HDTV制式高分辨率的攝像。

CCD傳感器具有高量子效應(yīng)、優(yōu)良的電荷傳遞性能、高占空因數(shù)、低噪聲、小像素等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前圖像傳感器采用的主要技術(shù)。迄今為止，CCD技術(shù)也是主要的實(shí)用化的固體圖像傳感技術(shù)，如數(shù)碼相機(jī)中的圖像傳感器大多數(shù)以CCD為主。

CCD的最大問題是其經(jīng)濟(jì)性。CCD是采用特殊工藝生產(chǎn)的，其制造成本是相同功能的CMOS片的3倍。CCD的另一個(gè)問題是它不能和圖像采集系統(tǒng)的其它功能部件，如時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、定時(shí)邏輯及信號(hào)處理等集成在一起，故難以實(shí)現(xiàn)單片一體化。2.1.2CMOS的工作原理和像素結(jié)構(gòu)

CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)中文譯為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，用于保存系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。有研究者發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工后也可作為數(shù)碼相機(jī)中的圖像傳感器，緊跟著就由XirLink公司于1999年首次推向市場(chǎng)，2000年5月，美國Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(PassivePixelSensorCMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(ActivePixelSensorCMOS)。

CMOS曾經(jīng)被使用在數(shù)碼相機(jī)上，但是與CCD相比信噪比較差，敏感度不夠，因此沒能占據(jù)主流位置。當(dāng)然，CMOS也具備多種優(yōu)點(diǎn)，普通CCD必須使用三個(gè)以上的電源電壓，而CMOS在單一電源下就可以運(yùn)作，而且耗電量小，與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制作，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，不需額外投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢(shì)是售價(jià)比CCD便宜近1/3。

典型的CMOS圖像傳感器包括圖像傳感器核心、時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘、芯片內(nèi)的可編程功能、集成時(shí)間控制、A/D轉(zhuǎn)換器。與CCD相比，CMOS圖像傳感器具有低功耗、空間占用少、總體價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，并且隨著CMOS圖像傳感技術(shù)的發(fā)展，單芯片固態(tài)集成成像系統(tǒng)將成為可能。雖然在高檔成像系統(tǒng)方面，CCD尚未受到CMOS的任何挑戰(zhàn)，但目前，CMOS圖像傳感器可以在低檔和中檔成像系統(tǒng)方面與CCD相媲美。

1)工作原理

從技術(shù)角度分析成像原理，CMOS感受到的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負(fù)電和正電，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)(電流或者電壓)被CMOS從一個(gè)個(gè)像素當(dāng)中順次提取至外部的A/D轉(zhuǎn)換器上，最后再被處理芯片記錄解讀成影像。CMOS色彩還原原理與CCD有類似之處，也是通過彩色濾鏡來實(shí)現(xiàn)的。

2)CMOS像素結(jié)構(gòu)

COMS成像器件的像素電路分為無源像素型(PPS)和有源像素型(APS)。COMS像素結(jié)構(gòu)主要有光電二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)。

①光電二極管型無源像素結(jié)構(gòu)。

②光電二極管型有源像素結(jié)構(gòu)。

③光柵型有源像素結(jié)構(gòu)。2.1.3PSD半導(dǎo)體位置敏感檢出器

半導(dǎo)體位置敏感檢出器(PositionSensitiveDetector，簡稱PSD)是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件，即當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)，通過對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，可確定入射光點(diǎn)在器件感光面上的位置。

PSD為PIN三層結(jié)構(gòu)。表面P層為感光面，兩邊各有一信號(hào)輸出電極。底層的公共電極是用來加反偏電壓的。PSD的基本結(jié)構(gòu)仍為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖2-7所示，其工作原理基于橫向光電效應(yīng)。圖2-7PSD傳感器原理當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上的某一點(diǎn)時(shí)，會(huì)在PN結(jié)建立一個(gè)橫向電場(chǎng)。假設(shè)產(chǎn)生的總的光生電流為I0，由于在入射光點(diǎn)到信號(hào)電極間存在橫向電勢(shì)，若在兩個(gè)信號(hào)電極處接上負(fù)載電阻，則光電流將分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，即可從信號(hào)電極上分別得到光電流I1和I2。顯然，I1和I2之和等于總的光生電流I0，而I1和I2的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置與兩個(gè)信號(hào)電極之間的等效電阻R1和R2，R1和R2的值又取決于入射光點(diǎn)的位置。假設(shè)負(fù)載電阻R的值相對(duì)于R1和R2可以忽略，L為PSD中點(diǎn)到信號(hào)電極間的距離，x為入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)的距離，則

(2.1.1)(2.1.2)因此，我們可以用數(shù)字存儲(chǔ)示波器直接對(duì)PSD的電流差信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)PSD的工作原理，PSD的電流差信號(hào)是隨著被測(cè)單位移動(dòng)的幅度而變化的。數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠?qū)崟r(shí)讀取驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和PSD信號(hào)的幅值，并能對(duì)PSD的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析。另外，我們?nèi)魧蓚€(gè)信號(hào)電極的輸出電流檢出后作如下處理：(2.1.3)則得到的結(jié)果只與入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)x有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí)，PSD就成為僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。PSD提供給我們的是電流信號(hào)，為了得到只和幅值相關(guān)的信號(hào)，可以使用前置放大(光電流/電壓轉(zhuǎn)換)、加法器、減法器及除法器等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，然后使用A/D卡進(jìn)行采樣。和CCD等非連續(xù)(分割式)探測(cè)器相比，PSD的位置分辨率較高。PSD器件有一維和二維之分，一維PSD用于一維位置檢測(cè)，二維PSD用于二維位置檢測(cè)。二維PSD的原理如圖2-8所示，a，b極用于檢測(cè)x方向，a′，b′極用于檢測(cè)y方向。二維PSD還分為表面分割型和兩面分割型，后者的分辨率更高。

PSD主要用在相機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦及光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域，可以用在機(jī)械加工的定位裝置，還可作為機(jī)器人的眼睛等。圖2-8二維PSD傳感器2.1.4攝像管

攝像管主要利用了光電靶的作用和電子束的掃描來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光電靶的作用是將光學(xué)圖像變成電子圖像，然后通過電子束的掃描變成電信號(hào)。圖2-9光電靶結(jié)構(gòu)光電靶的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。攝像管的種類很多，應(yīng)用較廣的是光電導(dǎo)管。攝像管是一種電真空器件，在其圓柱形玻璃外殼內(nèi)主要包含了光電靶和電子槍兩個(gè)部分；在玻璃外殼外有偏轉(zhuǎn)線圈、聚焦線圈和校正線圈。電子槍的作用是產(chǎn)生一束聚焦很細(xì)的電子束，射向光電靶，在外加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下掃描光電靶上的電圖像，形成圖像信號(hào)電流輸出。電子槍由罩在真空玻璃管內(nèi)的燈絲、陰極、控制柵極、加速極、聚焦極、網(wǎng)電極等組成，如圖2-10所示。圖2-10攝像管結(jié)構(gòu)原理圖光電靶中的光敏材料在無光照時(shí)具有極高的電阻率，受光照以后電阻率會(huì)下降，而且電阻率的變化與光通量成正比。于是，當(dāng)被攝的光學(xué)景物成像于光電靶上時(shí)，由于光學(xué)圖像各部分的亮度不同，靶面上各處的電阻率也不同，圖像亮處電阻小，圖像暗處電阻大，這樣就在靶面上形成了一幅與被攝光學(xué)圖像明暗分布相對(duì)應(yīng)的電阻大小的分布圖案，即電子圖像。

管外的聚焦線圈用來對(duì)電子束進(jìn)行聚焦，使電子束不致沿徑向分散，從而保證攝像管有較高的分解力。偏轉(zhuǎn)線圈有兩對(duì)，分別用來產(chǎn)生水平偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和垂直偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使管內(nèi)的電子束在前進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向的掃描。校正線圈的作用是將電子束校正到沿管軸方向運(yùn)動(dòng)。攝像管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的基本工作原理如圖2-11所示。當(dāng)電子束沿水平方向在靶上一行一行地掃描時(shí)，相當(dāng)于將靶面分解成許許多多彼此獨(dú)立的靶單元，也就是像素單元。每個(gè)靶單元等效于一個(gè)光敏電阻R和一個(gè)電容C的并聯(lián)。當(dāng)電子束掃描到一個(gè)靶單元時(shí)，相當(dāng)于將這一單元與電子槍的陰極接通，于是，信號(hào)板、靶單元、陰極、靶電源及負(fù)載電阻就構(gòu)成了一個(gè)閉合回路。攝像時(shí)，外界的光學(xué)景物通過攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭成像于光電靶上，形成一幅電子圖像。當(dāng)電子束按一定順序在靶面上掃描時(shí)，就會(huì)輪流接通各個(gè)靶單元，形成閉合回路。于是，對(duì)應(yīng)于圖像上的亮點(diǎn)，靶單元的等效電阻小，電子束掃描此單元時(shí)，在回路中產(chǎn)生的電流大，在負(fù)載RL上產(chǎn)生的壓降就大，輸出電壓就??；反之，對(duì)應(yīng)于圖像上的暗點(diǎn)，靶單元的等效電阻大，電子束掃描此單元時(shí)，在回路中產(chǎn)生的電流小，在負(fù)載RL上產(chǎn)生的壓降就小，輸出電壓就大。這樣一來，輸出信號(hào)電壓的變化完全反映了圖像亮暗的變化，這一信號(hào)就稱為圖像信號(hào)。于是就完成了將電子圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的過程。圖2-11攝像管光電轉(zhuǎn)換基本工作原理圖2.1.5自掃描光電二極管陣列

自掃描光電二極管陣列(SelfScannedPhotodiodeArray，SSPA)又被稱為MOS型圖像探測(cè)器，它的自掃描電路由MOS移動(dòng)寄存器構(gòu)成。根據(jù)像元的排列形狀不同，SSPA又分為線陣列和面陣列。線陣列如不另加掃描機(jī)構(gòu)，則只能對(duì)一維的光強(qiáng)分布進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。但由于其成本低，且許多被測(cè)對(duì)象本身就在運(yùn)動(dòng)之中，自然形成了一維掃描，故在機(jī)器視覺檢測(cè)方面被大量采用。面陣列則可以直接對(duì)二維圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光電二極管光敏面積較小時(shí)，在一般強(qiáng)度的光照射下，產(chǎn)生的光電流很微弱，要讀取圖像信號(hào)，就要求光電流放大器的倍率很高；此外，把光電二極管做成陣列形式時(shí)，布線也比較困難。在自掃描光電二極管陣列中，采用電荷存儲(chǔ)方式可以獲得較高的增益，并能克服布線困難的問題。

與CCD相比，SSPA的量子效率高，每位信號(hào)獨(dú)立輸出，相互干擾小。但這種圖像傳感器存在開關(guān)噪聲大、視頻線輸出電容大、信號(hào)衰減大及成本較高等缺點(diǎn)。

2.2圖像采集系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)的基本組成

建立一套圖像采集系統(tǒng)必備的設(shè)備有：圖像采集硬件、驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件。硬件可提供圖像捕獲、定時(shí)和控制功能；驅(qū)動(dòng)軟件通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API接口對(duì)硬件進(jìn)行控制；應(yīng)用軟件可以將硬件和驅(qū)動(dòng)軟件結(jié)合到特定應(yīng)用的解決方案中，并大大縮短開發(fā)時(shí)間。

從硬件上講，圖像采集系統(tǒng)的原理如圖2-12所示，它可以分成照明系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)五個(gè)部分。圖2-12圖像采集系統(tǒng)原理框圖同步系統(tǒng)提供整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的時(shí)鐘同步信號(hào)，以使系統(tǒng)中的所有部件同步動(dòng)作。照明系統(tǒng)提供光源照射被采集對(duì)象(景物)，為光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供足夠亮度的光強(qiáng)度信號(hào)。掃描系統(tǒng)是圖像采集系統(tǒng)的固有部分，它通過對(duì)整幅圖像的掃描實(shí)現(xiàn)被采樣圖像空間坐標(biāo)的離散化，并獲得每一個(gè)采樣點(diǎn)的光強(qiáng)度值。掃描系統(tǒng)采用機(jī)械手段、電子束或者集成電路來完成。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)負(fù)責(zé)把掃描系統(tǒng)輸出的與采樣點(diǎn)屬性對(duì)應(yīng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并提供必要的放大處理以與A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相匹配。從光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的電信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，經(jīng)過采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號(hào)形式輸出，供存儲(chǔ)、顯示、傳輸和其它處理。2.2.2光源及照明系統(tǒng)

光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，因而針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。許多工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)以可見光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢姽馊菀撰@得，價(jià)格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的最大缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個(gè)100小時(shí)內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時(shí)間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中亟需解決的問題。另一個(gè)方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法來減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于某些要求高的檢測(cè)任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為背面照明、正面照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背面照明是將被測(cè)物放在光源和相機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像，如圖2-13(a)所示；正面照明是將光源和相機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，如圖2-13(b)所示，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)物的三維信息；頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，要求相機(jī)的掃描速度與光源的頻閃速度同步。圖2-13照明方式示意圖2.2.3光學(xué)系統(tǒng)

對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，圖像是惟一的信息來源，而圖像的質(zhì)量是由光學(xué)系統(tǒng)的恰當(dāng)選擇來決定的。通常，由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能直接用軟件來糾正，因而采用機(jī)器視覺技術(shù)，把光學(xué)部件和成像電子系統(tǒng)結(jié)合在一起，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來對(duì)正在通過自動(dòng)處理系統(tǒng)的對(duì)象進(jìn)行分辨、測(cè)量、分類和探測(cè)，以即時(shí)修正偏差，改善圖像質(zhì)量。機(jī)器視覺系統(tǒng)的速度通常能快到100%地探測(cè)所處理的對(duì)象而不會(huì)降低生產(chǎn)線的速度。由于越來越多的制造商需要“6Sigma”(小于百萬分之三的有效單位)結(jié)果，以便能夠在當(dāng)今質(zhì)量意識(shí)很強(qiáng)的市場(chǎng)中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統(tǒng)能夠與滿意過程控制非常理想地配合。圖2-14為三CCD彩色攝像光學(xué)系統(tǒng)組成示意圖，對(duì)象物反射的光通過透鏡和光學(xué)低通濾波器之后由棱鏡把光分為RGB三原色，再由三個(gè)CCD圖像傳感器把紅、綠、藍(lán)的光學(xué)信號(hào)變換為相應(yīng)的電信號(hào)。光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的光學(xué)格式有關(guān)，一般包括：光圈、視場(chǎng)、焦距、F數(shù)(光圈系數(shù))等。圖2-14三CCD彩色攝像光學(xué)系統(tǒng)組成2.2.4A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和顯示

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogDigitalConverter，ADC，A/D轉(zhuǎn)換器)是將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)的器件。A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換速度和量化精度。

轉(zhuǎn)換速度是指將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)所用的時(shí)間，由于高分辨率圖像的像素?cái)?shù)量龐大，因此對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求很高，當(dāng)然高速芯片的價(jià)格也相應(yīng)較高。量化精度是指可以將模擬信號(hào)分成多少個(gè)等級(jí)。如果說CCD是將實(shí)際景物在X和Y的方向上量化為若干像素，那么A/D轉(zhuǎn)換器則是將每一個(gè)像素的亮度或色彩值量化為若干個(gè)等級(jí)。這個(gè)等級(jí)在數(shù)碼相機(jī)中叫做色彩深度。數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)指標(biāo)中無一例外地給出了色彩深度值，那么色彩深度對(duì)拍攝的效果有怎樣的影響呢？其實(shí)色彩深度就是色彩位數(shù)，它以二進(jìn)制的位(bit)為單位，用位的多少表示色彩數(shù)的多少。常見的有24位、30位和36位。具體來說，一般中低檔數(shù)碼相機(jī)中每種基色采用8位或10位表示，高檔相機(jī)采用12位。三種基色紅、綠、藍(lán)總的色彩深度為基色位數(shù)乘以3，即8×3=24位、10×3=30位或12×3=36位。數(shù)碼相機(jī)色彩深度反映了數(shù)碼相機(jī)能正確表示色彩的多少。以24位為例，三基色(紅、綠、藍(lán))各占8位二進(jìn)制數(shù)，也就是說紅色可以分為28=256個(gè)不同的等級(jí)，綠色和藍(lán)色也是一樣，那么它們的組合為256×256×256=16777216，即1600萬種顏色，而30位可以表示10億種顏色，36位可以表示680億種顏色。色彩深度值越高，就越能真實(shí)地還原色彩。2.2.5機(jī)械掃描裝置

圖2-15顯示了用于圖像掃描的機(jī)械方法，這里的關(guān)鍵機(jī)械部件是滾筒和絲杠。一張照片(圖像)被部分或全部地卷曲在滾筒表面，滾筒旋轉(zhuǎn)以使圖像經(jīng)過一個(gè)固定的孔，形成一個(gè)方向上的掃描。掃描孔可以被固定在絲杠上，滾筒與絲杠被組合形成一個(gè)二維圖像掃描器。如果絲杠連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而不是采用步進(jìn)方式，那么掃描將是螺線型的，但通?？勺鳛橹本€型掃描的適當(dāng)近似。

諸如此類的機(jī)械掃描裝置，其工作速度容易受到限制，但用于大幅圖像時(shí)，能以相對(duì)較低的成本提供良好的幾何穩(wěn)定性。圖2-15機(jī)械掃描裝置2.2.6實(shí)際的圖像輸入設(shè)備

1)數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)是由鏡頭、CCD、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、MPU(微處理器)、內(nèi)置存儲(chǔ)器、LCD(液晶顯示器)、PC卡(可移動(dòng)存儲(chǔ)器)和接口(計(jì)算機(jī)接口、電視機(jī)接口)等部分組成的。它是一種能夠進(jìn)行拍攝，并通過內(nèi)部處理把拍攝到的景物轉(zhuǎn)換成以數(shù)字格式存放圖像的特殊照相機(jī)。與普通相機(jī)不同，傳統(tǒng)相機(jī)是利用膠片，而數(shù)碼相機(jī)主要是靠感光芯片及記憶卡。而且，數(shù)碼相機(jī)可以直接連接到計(jì)算機(jī)、電視機(jī)或者打印機(jī)上。相對(duì)于傳統(tǒng)相機(jī)而言，數(shù)碼相機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：數(shù)碼相機(jī)不需要用化學(xué)藥品沖洗膠卷，對(duì)環(huán)境無污染；不需要在暗室中進(jìn)行加工處理；拍攝后可直接連接到計(jì)算機(jī)上觀看檢查，圖像與文字可聯(lián)機(jī)編輯，圖文并茂，形式多樣；拍攝圖像可隨時(shí)處理，多樣、快捷、精確，按需復(fù)印，可保存性好；拍攝圖像可通過數(shù)字電路直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，省時(shí)快速；形像呈現(xiàn)方式多種多樣，得到照片的方式也多種多樣。但是，數(shù)碼相機(jī)的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在拍攝過程中感光延遲時(shí)間比傳統(tǒng)相機(jī)要長，數(shù)字?jǐn)z影價(jià)格高，數(shù)碼相機(jī)質(zhì)量良莠不齊等。分辨率是數(shù)碼相機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一，它的高低決定了相機(jī)掃描精度。數(shù)碼相機(jī)的分辨率用PPI(PixelPerInch)表示，它表示每英寸所具有的采集像素的數(shù)目。PPI的值越大，掃描精度就越高。數(shù)碼相機(jī)的另一種最高像素量的表示方法是756×504像素、2036×3060像素等。就同類數(shù)碼相機(jī)而言，分辨率越高，相機(jī)檔次越高，產(chǎn)生圖像的數(shù)據(jù)量就越大，所需的存儲(chǔ)空間也越大。

2)攝像機(jī)

攝像機(jī)是一種常用的圖像、視頻輸入設(shè)備，具有輸入速度快、靈敏度高、圖像質(zhì)量高、價(jià)格適中和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以面向照片、膠片、場(chǎng)景等多種對(duì)象，因而倍受廣大用戶的青睞。

攝像機(jī)通常由鏡頭、攝像器件、同步信號(hào)發(fā)生電路、偏轉(zhuǎn)電路、放大電路、電源等部分組成，如圖2-16所示。來自被攝物體的光通過光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)由攝像器件形成光學(xué)圖像，放大后變成視頻信號(hào)進(jìn)行記錄或輸出。圖2-16攝像機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)圖按照攝像機(jī)記錄信號(hào)的類型，可以把攝像機(jī)分為模擬攝像機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)兩大類。模擬攝像機(jī)以模擬信號(hào)的形式把圖像和視頻信號(hào)記錄在底片、膠片、干板等介質(zhì)上，要對(duì)它們進(jìn)行數(shù)字處理，必須先通過圖像和視頻采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再輸入到計(jì)算機(jī)中；數(shù)字?jǐn)z像機(jī)直接以數(shù)字信號(hào)的形式記錄和存儲(chǔ)圖像和視頻信號(hào)，可以直接通過與計(jì)算機(jī)的接口輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，而無需其它的轉(zhuǎn)換。

從攝像器件的組成出發(fā)，可以將攝像機(jī)分成電子管攝像機(jī)和固體器件攝像機(jī)兩類。電子管攝像機(jī)可以進(jìn)一步細(xì)分為外光電效應(yīng)攝像機(jī)和內(nèi)光電效應(yīng)攝像機(jī)。固體器件攝像機(jī)根據(jù)器件的不同分為CCD固體器件攝像機(jī)和BBD(BucketBrigadeDevice)固體器件攝像機(jī)。外光電效應(yīng)攝像機(jī)目前幾乎己不再使用，內(nèi)光電效應(yīng)攝像機(jī)應(yīng)用則比較廣泛，CCD固體器件攝像機(jī)由于耗電低、使用壽命長、可靠性高而得到了充分的重視。隨著通信技術(shù)及數(shù)字化的進(jìn)展，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)并迅速發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)正在逐步取代模擬攝像機(jī)。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的種類較多，常見的有三類。第一類是輸出ITU-R601標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，這類攝像機(jī)輸出的數(shù)字視頻質(zhì)量很高，但其價(jià)格昂貴，一般用于新聞宣傳、電視演播室等；第二類數(shù)字?jǐn)z像機(jī)輸出的是經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻，通常它們體積較小，價(jià)格便宜，這類數(shù)字?jǐn)z像機(jī)應(yīng)用較為廣泛；第三類是簡易型的數(shù)字?jǐn)z像頭，主要用于要求不高的辦公室環(huán)境等。最具代表性的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是DV標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(簡稱DV)。DV攝像機(jī)通過CCD轉(zhuǎn)換光信號(hào)得到視頻信號(hào)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字視頻信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)壓縮，最終輸出經(jīng)壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)。DV輸出的圖像質(zhì)量較高，水平清晰度可達(dá)500線。DV攝像機(jī)具有DV/IEEE1394輸出接口，這是一種和PC相連的接口協(xié)議。在PC上加入DV輸入/輸出接口卡，就可以和DV攝像機(jī)方便地進(jìn)行信息交互。

簡易的數(shù)字?jǐn)z像頭也可以直接輸出數(shù)字視頻信號(hào)，并且具有USB接口，可以方便地和PC相連，直接為計(jì)算機(jī)提供實(shí)時(shí)的圖像信號(hào)，而且其成本低，使用方便，不需要采集卡，非常適合于辦公室場(chǎng)合使用。最新的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)還可以直接將視頻信號(hào)壓縮成MPEG-1，MPEG-2，H263等視頻格式，并且可以封裝成符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)流。從本質(zhì)上講，這類攝像機(jī)本身就是一臺(tái)圖像通信設(shè)備，更加方便了用戶對(duì)圖像信息的傳輸。

3)掃描儀

掃描儀誕生于20世紀(jì)80年代中期，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一種較為流行的靜態(tài)圖形、圖像輸入設(shè)備。掃描儀內(nèi)部具有一套光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以把各種圖片信息轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)，并傳送給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理、編輯、存儲(chǔ)、打印輸出或傳送給其它設(shè)備。其工作過程如下：①掃描儀的光源發(fā)出均勻光線照射到圖像表面；②經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，把當(dāng)前“掃描線”的圖像轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)；③步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描頭移動(dòng)，讀取下一次圖像數(shù)據(jù)；④經(jīng)過掃描儀CPU處理后，圖像數(shù)據(jù)暫存在緩沖器中，為輸入計(jì)算機(jī)做好準(zhǔn)備工作；⑤按照先后順序把圖像數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)并儲(chǔ)存起來。按掃描原理可將掃描儀分為以CCD(電荷耦合器件)為核心的平板式掃描儀、手持式掃描儀和以光電倍增管為核心的滾筒式掃描儀；按色彩方式分為灰度掃描儀和彩色掃描儀；按掃描圖稿的介質(zhì)分為反射式(紙質(zhì)材料)掃描儀、透射式(膠片)掃描儀以及既可掃描反射稿又可掃描透射稿的多用途掃描儀。

手持式掃描儀體積較小、重量輕、攜帶方便，但掃描精度較低，掃描質(zhì)量較差。平板式掃描儀是市場(chǎng)上的主力軍，主要產(chǎn)品為A3和A4幅面掃描儀，其中又以A4幅面的掃描儀用途最廣、功能最強(qiáng)、種類最多，分辨率通常為600~1200dpi，高的可達(dá)2400dpi，色彩數(shù)一般為30位，高的可達(dá)36位。其掃描過程是將原圖放置在一塊干凈的有機(jī)玻璃平板上，原圖不動(dòng)，而光源系統(tǒng)(CCD)通過一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)，發(fā)射出的光線照射在原圖上，經(jīng)反射或透射后，由接收系統(tǒng)接收并生成模擬信號(hào)，通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，直接傳送至計(jì)算機(jī)，由后者進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成掃描過程。平板掃描儀的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小及售價(jià)低廉。滾筒式掃描儀一般用于大幅面圖像掃描，如大幅面工程圖紙的輸入，它通過滾筒帶動(dòng)圖像旋轉(zhuǎn)和掃描頭產(chǎn)生相對(duì)位移來實(shí)現(xiàn)掃描。工作過程是把原圖貼放在一個(gè)干凈的有機(jī)玻璃滾筒上，讓滾筒以一定的速率(通常是300～1500r/min)圍繞一個(gè)光電系統(tǒng)(常稱為“探頭”)旋轉(zhuǎn)。探頭中有一個(gè)亮光源，發(fā)射出的光線通過細(xì)小的錐形光圈照射在原圖上，逐個(gè)像素進(jìn)行采樣。如果原圖采用的是反射型介質(zhì)(如不透明的紙張等)，那么探頭從滾筒的外面照射，反射回來的光線通過一套分光濾色系統(tǒng)將其分成RGB三束光，再由接收系統(tǒng)接收并生成模擬信號(hào)。如果原圖是透射型介質(zhì)(如幻燈片、投影用的膠片等)，那么探頭是從滾筒的內(nèi)部照射，接收系統(tǒng)接收的是透射光。生成的模擬信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過滾筒式掃描儀內(nèi)的單板機(jī)處理后，將信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，完成掃描過程。由于滾筒式掃描儀的結(jié)構(gòu)特殊，其優(yōu)點(diǎn)非常明顯：光學(xué)分辨率很高(2500～8000dpi)、高色深(30～48bit)、很寬的動(dòng)態(tài)范圍、能處理大幅面的圖像、速度快、生產(chǎn)率高。滾筒式掃描儀輸出的圖像普遍具有色彩還原逼真、陰影區(qū)細(xì)節(jié)豐富及放大效果優(yōu)秀等特點(diǎn)。當(dāng)然，它的缺點(diǎn)也顯而易見：占地面積大、造價(jià)非常昂貴(是平板掃描儀的5～50倍)、市場(chǎng)上很少見到。

掃描儀一般都配有相應(yīng)的軟件，這些軟件可用來選擇掃描時(shí)的工作參數(shù)。如掃描區(qū)域、對(duì)比度、分辨率、圖像深度等。此外，有些掃描儀的配套軟件還具有平滑、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、編輯等功能。

4)電腦眼

電腦眼主要用于家庭娛樂。由于它攝像質(zhì)量差，攝入的畫面距離近，加之經(jīng)它采集到的圖像信息信號(hào)弱、衰減大，因此它的傳輸能力很差，通常傳輸距離不超過15米，此種攝像頭不能用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。2.2.7計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)

圖像處理的最基本工作是圖像采集完成信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像存儲(chǔ)。圖像采集一般由圖像采集卡完成，圖像采集卡要求衰減低、噪聲小、精度高(≥512×512)，盡可能降低A/D轉(zhuǎn)換過程中噪聲信號(hào)的干擾和有用信息的丟失。這里所講的圖像采集卡，專指那些將已生成的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)的設(shè)備，也稱做圖像捕獲卡。數(shù)字圖像信號(hào)在輸入計(jì)算機(jī)時(shí)不需要使用圖像采集卡來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖像采集卡一般以計(jì)算機(jī)中一塊插卡的形式出現(xiàn)，通常插于計(jì)算機(jī)的PCI插槽或ISA插槽中。圖像采集卡加上配套的軟件，就構(gòu)成一個(gè)視頻信號(hào)處理平臺(tái)，它可以對(duì)輸入的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行捕捉、數(shù)字化、定格、存儲(chǔ)、輸出等多種操作。圖像采集卡有多種類型，從圖像的活動(dòng)性來分，可以分為靜止圖像采集卡和活動(dòng)圖像采集卡；從轉(zhuǎn)換的數(shù)字圖像質(zhì)量來分，可以分為普通質(zhì)量的圖像采集卡和高質(zhì)量的圖像采集卡，普通質(zhì)量的圖像采集卡一般每通道顏色深度不超過8bit，而高質(zhì)量的圖像采集卡一般每通道顏色深度達(dá)到10bit以上；從應(yīng)用場(chǎng)合來分，可以分為采集普通場(chǎng)景的通用采集卡和應(yīng)用于專用領(lǐng)域的專用采集卡，如用于顯微圖像的采集卡、醫(yī)學(xué)圖像采集卡、遙感圖像采集卡、天體圖像采集卡等。個(gè)人應(yīng)用最多的是通用活動(dòng)圖像采集卡，也稱做視頻采集卡(VideoCaptureCard)。它的主要功能是從輸入的活動(dòng)圖像中實(shí)時(shí)捕捉一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)圖像，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并以文件的形式存儲(chǔ)于硬盤中，以便進(jìn)行后期的處理。一般來說，視頻采集卡捕捉外部輸入的連續(xù)圖像，但不做其它處理。它可以將攝像機(jī)、錄像機(jī)或影碟機(jī)中的模擬視頻信號(hào)錄入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，也可以通過攝像機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄像錄入到計(jì)算機(jī)中。

部分視頻采集卡還帶有用于視頻處理的專用芯片，可以進(jìn)行視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)壓縮等處理，如VideoBlasterFS200視頻采集卡等，這些專用芯片的核心部分是高速DSP芯片。視頻采集卡采集的圖像，PAL制式為每秒25幀，NTSC制式為每秒30幀。視頻采集以后以AVI、MPEG或非壓縮視頻的格式存儲(chǔ)在硬盤中。一般的視頻采集卡都支持NTSC、PAL視頻標(biāo)準(zhǔn)，并可以同時(shí)輸入2~4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的視頻以便切換選擇。部分視頻采集卡還可以提供S-Video信號(hào)輸入，以提高輸入圖像的質(zhì)量。視頻采集卡往往提供單幅圖像文件的讀/寫，支持的圖像文件格式包括BMP、GIF、JPEG、PCX、MPEG-1等。

視頻采集卡的性能優(yōu)劣直接影響圖像處理的質(zhì)量，衡量一塊視頻采集卡的性能，可以從數(shù)字化速度、采樣分辨率、數(shù)字化精度、視頻制式、查找表及幀存儲(chǔ)容量等幾個(gè)方面進(jìn)行比較。

2.3實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)

2.3.1傳統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)圖像處理算法主要是應(yīng)用傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)、圖像分割、特征提取等技術(shù)，但識(shí)別效果是有限的，對(duì)于圖像背景比較復(fù)雜的情況就很難正確識(shí)別，無法提供線性相位，從而不可避免圖像的邊緣變形和重影問題，并且產(chǎn)生了由于塊傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致的圖像傾斜及方塊效應(yīng)。因此，必須采取有效的技術(shù)手段來克服這一系列問題。2.3.2圖像并行處理的原理和實(shí)現(xiàn)方法

圖像處理正日益成為一門應(yīng)用廣泛、內(nèi)容豐富的綜合性學(xué)科。就目前的實(shí)際應(yīng)用情況而言，它在很大程度上主要依賴于兩個(gè)性質(zhì)不同但又自成體系的研究領(lǐng)域，即算法和處理器結(jié)構(gòu)，特別是超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的處理器結(jié)構(gòu)。未來的圖像處理，尤其在高度并行處理方面的進(jìn)展，將更依賴于在這兩個(gè)重要領(lǐng)域之間建立富有成效的聯(lián)系。在圖像處理和數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，許多任務(wù)要求有非常高的指令吞吐率。低層次的圖像處理一般要求每秒108~1010條指令的計(jì)算吞吐量。如此高的速率在常規(guī)的計(jì)算機(jī)(馮·諾依曼結(jié)構(gòu))上是無法實(shí)現(xiàn)的。仔細(xì)分析一些圖像處理算法后發(fā)現(xiàn)，同一指令序列實(shí)質(zhì)上以一種可分解的方式，對(duì)整幅圖像的各個(gè)像素逐個(gè)地、有規(guī)律地重復(fù)使用。這種固有的并行度對(duì)于極大地提高計(jì)算吞吐率十分有效。單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大成功，但必須采用新興的VLSI技術(shù)，才能使它成為既廉價(jià)又緊湊的實(shí)用系統(tǒng)。矩形圖像和數(shù)據(jù)處理機(jī)(GRID)就是這樣一種VLSI系統(tǒng)。2.3.3基于DSP的圖像處理系統(tǒng)

實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)航、輔助駕駛、智能交通監(jiān)控中都得到越來越多的應(yīng)用。由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，實(shí)時(shí)的應(yīng)用環(huán)境決定嚴(yán)格的幀、場(chǎng)時(shí)間限制，因此實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力。各種高性能DSP不僅可以滿足在運(yùn)算性能方面的需要，而且由于DSP的可編程性，還可以在硬件一級(jí)獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的極大靈活性。例如，為了獲得足夠的計(jì)算能力，采用兩片或多片DSP芯片作為系統(tǒng)的運(yùn)算中心來構(gòu)筑實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)；為了獲取最大的靈活性，在系統(tǒng)體系機(jī)構(gòu)上采用一種可重構(gòu)的FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型來提高計(jì)算機(jī)的處理能力。其中，TMS320C6x系列芯片就是目前使用較多的一種芯片。

1.功能強(qiáng)大的TMS320C6x

TMS320C6x系列DSP是TI公司TMS320家族中最新推出的產(chǎn)品之一。由于采用一種高性能的先進(jìn)VLIW(VeryLongInstructionWord，超長指令字)的VelociTITM體系結(jié)構(gòu)，因此可以更好地應(yīng)用在一些多通道多功能的系統(tǒng)中。

TMS320C6x系列的DSP芯片結(jié)構(gòu)不同于一般的DSP，屬于類RISC結(jié)構(gòu)，從而使它的C編譯器具有很高的效率，因此稱之為面向C語言結(jié)構(gòu)的DSP芯片。這使得其在絕大多數(shù)應(yīng)用中，可以采用C語言來編寫TMS320C6x程序，從而充分利用了大量用C語言描述的算法程序，并獲得遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)DSP程序的可維護(hù)性、可移植性及可繼承性，有效地縮短了開發(fā)周期。

2.FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型

FPGA是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的新型的大規(guī)模可編程器件，由邏輯單元和互連線網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，兩者均可編程。邏輯單元能完成一些基本操作。邏輯單元經(jīng)互連線網(wǎng)絡(luò)互連，通過對(duì)基本邏輯塊和互連線網(wǎng)絡(luò)編程，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯功能。由于FPGA是基于SRAM結(jié)構(gòu)的器件，所有的可編程邏輯加載在芯片內(nèi)部的SRAM上，因此可以通過一定的步驟在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行編程來改變?cè)撈骷墓δ?，從而?shí)現(xiàn)更大的靈活性。在通常的并行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，微處理器在空間維上是固定的，在時(shí)間維上是可變的；而連接的專用芯片在空間維和時(shí)間維上都是固定的。這樣的系統(tǒng)往往只能適用于特定應(yīng)用場(chǎng)合下的特定算法。為了使系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的性能和靈活性，隨著可編程器件FPGA應(yīng)用的深入，出現(xiàn)了一種新的通用處理模塊結(jié)構(gòu)的FPGA計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2-17給出了抽象的FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型，該模型由微處理器、FPGA以及存儲(chǔ)器三部分來構(gòu)成系統(tǒng)的核心。FPGA計(jì)算系統(tǒng)就是充分利用FPGA的高集成度和硬件可編程性，在系統(tǒng)中用FPGA實(shí)現(xiàn)必要模塊(如微處理器和存儲(chǔ)器等)之外的其它邏輯和硬件互連，從而使系統(tǒng)具有空間上的可編程性。系統(tǒng)的空間可編程性是FPGA計(jì)算系統(tǒng)引入的新特征。圖2-17FPGA系統(tǒng)模型

3.基于FPGA計(jì)算系統(tǒng)模型的雙DSP實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)

為了盡可能地獲得高性能，有研究者提出以兩個(gè)TMS320C62x為中央處理核心構(gòu)成雙DSP處理系統(tǒng)，由FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互連。雙TMS320C62x系統(tǒng)分為處理器模塊、FPGA組模塊和各總線接口模塊等，如圖2-18所示。圖2-18雙TMS320C62x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3.4基于計(jì)算機(jī)的圖像并行處理系統(tǒng)

數(shù)字圖像處理分為兩個(gè)層次：低層處理和高層處理。低層處理也稱為圖像預(yù)處理；高層處理則稱為圖像識(shí)別、圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺，屬于人工智能(AI)領(lǐng)域。圖像預(yù)處理和圖像識(shí)別之間的界限是不明顯的，然而，組合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分。低層圖像處理通常把一種圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成另外一種圖像數(shù)據(jù)(如對(duì)比度增強(qiáng)、噪聲縮減)或者計(jì)算輸入圖像的簡單特征(如輪廓、直方圖和變換等)。在低層處理中，圖像內(nèi)容的理解是不相關(guān)的。僅僅在圖像識(shí)別中，才試圖將預(yù)處理圖像的數(shù)據(jù)解釋為目標(biāo)識(shí)別。因?yàn)樵谒袑哟蔚膱D像處理中都有大量的數(shù)據(jù)要處理，所以對(duì)計(jì)算能力和處理時(shí)間要求很高。一幅具有1024×1024像素且每種顏色(即紅、綠、藍(lán))用8位顏色分辨率表示的彩色圖像需要3MB存儲(chǔ)空間。然而，當(dāng)多個(gè)處理器能夠有效利用，即圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理時(shí)，能夠大大減少處理時(shí)間，對(duì)于低層圖像處理更是如此。例如，當(dāng)基于像素級(jí)處理時(shí)，理想的情況是每一個(gè)像素與某一個(gè)處理器相對(duì)應(yīng)；又如，簡單的圖像運(yùn)算一般是高度重復(fù)且僅局部相關(guān)，濾波運(yùn)算常常對(duì)所有像素進(jìn)行相同運(yùn)算，而且處理的順序是任意的。這樣的處理實(shí)際上可以通過對(duì)每個(gè)像素執(zhí)行相同的指令來并行實(shí)現(xiàn)，即通過每個(gè)處理器執(zhí)行相同的指令來并行實(shí)現(xiàn)。由于每一個(gè)元素運(yùn)算在每個(gè)處理器上并行執(zhí)行，不需要對(duì)處理器間的任務(wù)進(jìn)行同步，因此這種處理稱為同步并行。并行圖像處理一般分成三種模型：流水線處理、異步并行處理和同步或數(shù)據(jù)并行處理。異步并行處理計(jì)算機(jī)稱為MIMD(MultipleInstructionMultipleData，多指令流、多數(shù)據(jù)流)系統(tǒng)，而同步并行處理計(jì)算機(jī)被稱為系統(tǒng)或數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)。在異步并行系統(tǒng)中，每個(gè)處理器有自己的控制流，執(zhí)行自己的程序。在數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)中，所有處理器或都從中央控制處理機(jī)接收命令，所有處理器在相同時(shí)間對(duì)可能是不同的局部數(shù)據(jù)執(zhí)行相同的命令，或處于停止?fàn)顟B(tài)。因此，在數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)中，只有一個(gè)連續(xù)的控制流而沒有獨(dú)立的異步處理，這就使編程簡化了許多。因?yàn)樗蠵Es是同步運(yùn)行的，即所有的PEs在每一步或多或少被同步，所以對(duì)于信導(dǎo)監(jiān)視器或消息傳送等過程來說，無需進(jìn)行大量的、易出錯(cuò)的同步處理。此外，一個(gè)SIMD系統(tǒng)的PEs比一臺(tái)MIMD計(jì)算機(jī)的處理器設(shè)計(jì)要簡單。MIMD計(jì)算機(jī)的每個(gè)處理器需要完整的命令-譯碼邏輯電路，這就意味著一個(gè)SIMD系統(tǒng)的處理元(SIMD-PEs)比MIMD處理器占用的芯片空間少得多，而且能以非常高的集成度集成。同樣地，設(shè)計(jì)SIMD系統(tǒng)可能要用大量的(低檔)處理器，比MIMD系統(tǒng)使用的處理器多得多。

大規(guī)模并行性的表示方式與一臺(tái)并行計(jì)算機(jī)中使用的處理器的數(shù)量有關(guān)，可以把一個(gè)大規(guī)模并行系統(tǒng)理解為一個(gè)具有1000個(gè)或更多處理器的并行系統(tǒng)。目前這樣的集成化程度僅能在數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。與經(jīng)典的異步并行處理相比，這樣的大規(guī)模并行性需要新的程序設(shè)計(jì)技術(shù)和不同的算法。大規(guī)模并行性在圖像處理中具有特別的優(yōu)勢(shì)——一個(gè)處理器可被每個(gè)像素所用。如果像素的數(shù)目超過了現(xiàn)有的實(shí)際處理器數(shù)目，就可以用虛擬處理元，虛擬處理元的概念與虛擬存儲(chǔ)器的概念類似。這種新觀點(diǎn)開辟了許多新的可能性，并在許多情況下簡化了圖像處理算法。一個(gè)(局部的)圖像運(yùn)算可以通過每個(gè)處理元的并行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，且每一個(gè)處理元獨(dú)立于其它處理元，所需的數(shù)據(jù)來自于它自身的像素值及與它相鄰的那些像素(也即相鄰PEs)的值。所有PEs執(zhí)行相同的運(yùn)算，而沒必要使各處理器同步。這種方法顯然比用異步并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的類似方法要容易。在異步并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，圖像必須被分成幾個(gè)塊(Sections，或稱為數(shù)據(jù)片Tiles)并由各個(gè)單獨(dú)的異步處理器來處理，接著每一個(gè)處理器對(duì)其數(shù)據(jù)片中的每一個(gè)像素按序循環(huán)處理。然而，問題出現(xiàn)在所處理的每個(gè)數(shù)據(jù)片的邊緣處，相鄰數(shù)據(jù)片的圖像數(shù)據(jù)要求存儲(chǔ)在局部鄰域內(nèi)不同的處理器上。為了解決這個(gè)問題，必須適當(dāng)?shù)刂丿B相鄰的數(shù)據(jù)片，或者必須通過處理器之間的數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步過程。當(dāng)所有被處理的圖像塊必須重新組合成一個(gè)新圖像時(shí)，在圖像運(yùn)算的最后階段顯然需要這樣的同步過程。由于異步并行系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換比算術(shù)運(yùn)算(如加法運(yùn)算)費(fèi)時(shí)數(shù)萬倍，所以應(yīng)當(dāng)在程序中盡可能少使用。而在數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)中情況就不同了，一次局部數(shù)據(jù)交換運(yùn)算(在一個(gè)快速網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)上)與一個(gè)單獨(dú)的算術(shù)運(yùn)算所需的時(shí)間相同，因此這樣的運(yùn)算可以頻繁使用。數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)與同步并行模型相對(duì)應(yīng)，如圖2-19所示。中央控制器是一個(gè)連接有外部設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)的順序型計(jì)算機(jī)(SISD，SingleInstructionSingleData，單指令流、單數(shù)據(jù)流)。PEs不執(zhí)行自身的程序，而是接受來自控制器的指令。由于PEs自身不包含指令譯碼器，因此它們不是完整的處理器，它們依賴于帶有局部存儲(chǔ)器和通信通道的ALUs(算術(shù)邏輯單元)。數(shù)據(jù)并行模型的限制帶來了這種簡化，即在任何時(shí)候，PEs只能執(zhí)行相同的命令，它們要么根據(jù)由控制器發(fā)送的命令來處理其局部數(shù)據(jù)，要么處于暫停狀態(tài)，因此每一個(gè)并行選擇必須分成兩步。圖2-19數(shù)據(jù)并行系統(tǒng)模型

1.并行處理器陣列的實(shí)現(xiàn)

GRID處理機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)并行處理器陣列。處理單元(PEs)組成的矩形陣列處于公共的控制狀態(tài)下，所有的PEs對(duì)存儲(chǔ)在各存儲(chǔ)器中的不同數(shù)據(jù)項(xiàng)同時(shí)執(zhí)行同一種運(yùn)算，每個(gè)處理器與其最鄰近的處理器互相連接，因此，每個(gè)PEs能從其附近的處理器中存取數(shù)據(jù)。微程序陣列控制器向處理器陣列傳送輸入/輸出數(shù)據(jù)及指令，并進(jìn)行排序。整個(gè)并行處理系統(tǒng)由兩個(gè)不同的處理機(jī)組成，一個(gè)是微計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是由處理器芯片陣列構(gòu)成的GRID處理機(jī)。無論是否需要并行結(jié)構(gòu)，微計(jì)算機(jī)總是通過執(zhí)行高級(jí)語言向GRID傳送控制命令，把陣列機(jī)作為它的協(xié)處理機(jī)來使用。系統(tǒng)硬件主要集中在處理機(jī)陣列，專用的VSLI的GRID處理機(jī)芯片可以經(jīng)濟(jì)而緊湊地實(shí)現(xiàn)這種陣列。采用雙層金屬2.5μm的COMS工藝，每個(gè)處理機(jī)芯片可以容納5萬多個(gè)晶體管，最高時(shí)鐘頻率為10MHz。如果將它們排列成由64個(gè)位串行處理單元構(gòu)成的矩形陣列，那么在GRID的64個(gè)處理器芯片中，每個(gè)PEs能包括64個(gè)寄存器，并且具有一個(gè)必要的與各個(gè)芯片互連的電路系統(tǒng)，因此可以形成一個(gè)緊湊的、高性能的陣列處理機(jī)。

2.數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)

GRID處理機(jī)芯片與陣列控制器之間最直接的數(shù)據(jù)傳送通道是“X總線”和“Y總線”，它們沿著陣列的兩個(gè)軸線方向，與各個(gè)PEs的每行(X)和每列(Y)都有線路相連。行和列分別由啟動(dòng)X總線和Y總線的PEs尋址線路來選擇?？偩€由陣列控制器通過啟動(dòng)整個(gè)芯片來向芯片上各行和各列傳送數(shù)據(jù)，而不是一行一列地傳送。這種能力對(duì)于矩陣轉(zhuǎn)置及矩陣乘法都非常有用。

3.圖像并行處理方式

圖像并行處理的方式有直方圖法、窗口映射法及棱錐型映射法等。

①直方圖法：該方法是一個(gè)頻繁使用的圖像處理算子，它常用于灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)或者計(jì)算周邊像素的數(shù)量。

②窗口映射法：用這種方法，陣列可以逐步掃描整個(gè)圖像，圖像的窗口區(qū)域(大小與陣列相同)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。

③棱錐型映射法：此法把一個(gè)p×p的圖像窗口存放在每個(gè)PEs的外存儲(chǔ)器中，從而克服了窗口法的缺陷。

2.4序列圖像的獲取

2.4.1多路視頻的采集與監(jiān)控

多路視頻的采集是指用一塊視頻采集卡來采集多個(gè)攝像頭攝入的圖像信號(hào)。在這種工作方式下，需要用到多頻卡這種硬件設(shè)備，該設(shè)備分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式可以插入到計(jì)算機(jī)主板的插槽中進(jìn)行工作；而外置式則是一個(gè)獨(dú)立的硬件設(shè)備。不論是內(nèi)置式還是外置式，它們完成的功能都一樣，即對(duì)多個(gè)攝像頭攝入的圖像信號(hào)進(jìn)行多路分時(shí)選通，即在某一時(shí)刻只能從多路輸入中選擇一路圖像信號(hào)進(jìn)行輸出。在使用“組態(tài)王”的視頻控件時(shí)，可以使用該控件對(duì)多頻卡的選通進(jìn)行直接控制；而對(duì)于外置式，則需要用計(jì)算機(jī)的串口和多頻卡進(jìn)行通訊(前提是該多頻卡支持串口通信)控制，在這種情況下需要為它的選通控制開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

視頻分割器是一個(gè)外置的獨(dú)立性視頻設(shè)備，主要用于多路視頻的矩陣排列和視頻合成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用是將多個(gè)攝像頭處理的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為一路圖像信號(hào)后送給視頻采集卡進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的一幅畫面上同時(shí)監(jiān)控多個(gè)場(chǎng)景。視頻分割器也分為內(nèi)置式和外置式，內(nèi)置式在市面上很少見，市面上多為外置式。視頻分割器有4畫面、9畫面、16畫面之分。云臺(tái)是一種可以全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)設(shè)備，多用在視頻監(jiān)控工程中。攝像頭可以固定在云臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)全視角和多角度的攝像。云臺(tái)的控制是由云臺(tái)控制器來實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)云臺(tái)控制器可以同時(shí)控制多個(gè)云臺(tái)。云臺(tái)控制器也分為內(nèi)置式和外置式，內(nèi)置式可以插到計(jì)算機(jī)主板的插槽中工作。當(dāng)使用“組態(tài)王”的視頻控件時(shí)，可以通過該控件向云臺(tái)控制器發(fā)送控制碼以實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的控制。而外置式的云臺(tái)控制器，則需要用計(jì)算機(jī)的串口和云臺(tái)控制器進(jìn)行通信(前提是該云臺(tái)控制器支持串口通行)控制，在這種情況下需要為云臺(tái)的控制開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。2.4.2運(yùn)動(dòng)物體跟蹤拍攝

運(yùn)動(dòng)物體跟蹤拍攝即運(yùn)動(dòng)捕捉(MotionCapture)，該技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于數(shù)碼電影的制作領(lǐng)域。目前，運(yùn)動(dòng)捕捉主要包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉、磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)捕捉和光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉以其靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中需要利用多個(gè)攝像機(jī)來采集圖像信息，然后跟蹤圖像信息中預(yù)先標(biāo)出的標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，利用這些標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息來實(shí)現(xiàn)三維重建，最后把獲得的這些數(shù)據(jù)輸入建立的人體模型，就可以得到滿意的動(dòng)畫效果。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括標(biāo)記點(diǎn)跟蹤(MarkerTracking)、攝像機(jī)標(biāo)定(CameraCalibration)和三維重建(3DReconstruction)等。要組成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，三者缺一不可，除此之外還有很多細(xì)節(jié)問題需要研究。

追隨拍攝又被稱為追蹤拍攝，是拍攝運(yùn)動(dòng)物體尤其是橫向直線運(yùn)動(dòng)物體所常用的拍攝方法。由于在曝光瞬間，運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的相機(jī)是靜止的，而靜止的背景相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的相機(jī)卻是移動(dòng)的，這樣就使得畫面上的運(yùn)動(dòng)物體比較清晰而背景則是強(qiáng)烈的線狀模糊，因而畫面的沖擊力和動(dòng)感效果也格外強(qiáng)烈。運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)是檢測(cè)、記錄運(yùn)動(dòng)對(duì)象在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運(yùn)動(dòng)”。到目前為止，常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時(shí)，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：定位精度，實(shí)時(shí)性，使用方便程度，可捕捉運(yùn)動(dòng)范圍的大小，成本，抗干擾性，多目標(biāo)捕捉能力等。

從技術(shù)的角度來說，運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

視頻圖像檢測(cè)功能是數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)所特有的，通過設(shè)定待檢測(cè)區(qū)域和靈敏度，一定意義下可以起到探測(cè)器的作用。檢測(cè)視頻圖像中運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，可以按照攝像機(jī)的狀態(tài)分為固定的背景和變化的背景兩種情況進(jìn)行討論。

1)固定的背景(靜止攝像機(jī))

攝像機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)背景相對(duì)固定，但會(huì)受到光照變化及噪聲的影響。這種情況下，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)可用兩種絕對(duì)差進(jìn)行處理，一種是當(dāng)前圖像與參考圖像(靜止的背景圖像)的絕對(duì)差，這種方式允許檢測(cè)與背景景物不相關(guān)的對(duì)象；第二種是連續(xù)兩幀圖像的絕對(duì)差，這種方式允許檢測(cè)景物中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的對(duì)象。在實(shí)際應(yīng)用中，視頻圖像每秒約為25幀左右，不需要對(duì)每一幀都做處理，只需按固定的間隔采樣并進(jìn)行檢測(cè)即可。

2)變化的背景(運(yùn)動(dòng)攝像機(jī))

攝像機(jī)也處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如航拍的道路交通狀況，或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤拍攝，背景不可避免地處于劇烈變化中，此時(shí)基于差值的方法就失去了檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，為了消除背景運(yùn)動(dòng)的影響，人們提出了各種方法，其中常見的有相機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)、光流法和幾何轉(zhuǎn)換法。相機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)是消除明顯背景運(yùn)動(dòng)的最佳方法，但是在許多應(yīng)用中無法直接估計(jì)出相機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；光流法建立在光流方程的基礎(chǔ)上，其龐大的計(jì)算量使之無法做到實(shí)時(shí)；幾何轉(zhuǎn)換方法計(jì)算開銷低，基本能夠滿足實(shí)時(shí)處理的要求。這些方法的前提都是假定背景的運(yùn)動(dòng)均衡統(tǒng)一。仿射運(yùn)動(dòng)模型是常用的運(yùn)動(dòng)模型，估計(jì)出背景明顯運(yùn)動(dòng)后，就可用來定位運(yùn)動(dòng)物體；或者通過二維參數(shù)運(yùn)動(dòng)模型及多次求解估計(jì)出的參數(shù)值來進(jìn)行建模，運(yùn)用多級(jí)馬爾可夫隨機(jī)場(chǎng)(MRF)來檢測(cè)視頻運(yùn)動(dòng)。使用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法不但可以檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體的位置，而且能夠獲取運(yùn)動(dòng)的方向和速度信息。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)采用較多的是運(yùn)動(dòng)估計(jì)，有基于平移的塊運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法，或通過圖像的光流場(chǎng)來估算圖像運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的算法。運(yùn)動(dòng)估計(jì)的匹配準(zhǔn)則有最大互相關(guān)函數(shù)、最小均方誤差函數(shù)、最小平均絕對(duì)差值函數(shù)、最大匹配像素統(tǒng)計(jì)、最小平均熵等方法。除了通過運(yùn)動(dòng)分析對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)跟蹤外，還可以通過目標(biāo)與背景的對(duì)比度差別來識(shí)別提取目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)跟蹤，或者通過提取圖像中待跟蹤物體的特征，并據(jù)此建立物體的模型作為識(shí)別和測(cè)定目標(biāo)的依據(jù)，通過模板匹配或者特征點(diǎn)匹配方式來實(shí)現(xiàn)跟蹤。以上方式都是通過分析像素的特征來進(jìn)行跟蹤的?；诓煌卣鞯母櫵惴ㄖ饕袇^(qū)域跟蹤、輪廓跟蹤和子特征跟蹤；還可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，計(jì)算能量最小化，采用等高線進(jìn)行區(qū)域劃分及分割運(yùn)動(dòng)物體，從分割處理的水平集結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，并可將這種運(yùn)動(dòng)估計(jì)用于跟蹤形變物體。2.4.3立體成像

立體成像技術(shù)的原理是使用具有微型凸透鏡的簡單光學(xué)系統(tǒng)，再現(xiàn)物體發(fā)出的散射光。為了能夠順利再現(xiàn)散射光，用由背照燈、記錄立體圖像的膠片以及用排列確定光線方向的微型凸透鏡陣列組成的立體顯示器，在凸透鏡背面的記錄膠片中，記錄不同視點(diǎn)位置產(chǎn)生的不同圖像，因此，即便移動(dòng)視點(diǎn)，也能夠表現(xiàn)出來自于顯示器前不遠(yuǎn)處的立體散射光，而物體看起來就好像在眼前一樣。雙目成像在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用比較多。雙目成像結(jié)構(gòu)可看做是由兩個(gè)獨(dú)立的成像單元組合，一般情況下為了模擬人的雙眼位置而平行排列，兩光軸的中心連線稱為系統(tǒng)的基線。由于攝像點(diǎn)位置不同，所以對(duì)于同一場(chǎng)景，就會(huì)在左、右像面上形成有差異(雙目視差)的圖像對(duì)。采用補(bǔ)色、分時(shí)及偏振等方法，可以使觀察者的左、右眼只能分別接受到對(duì)應(yīng)的圖像。由于左、右圖像之間存在雙目視差，所以經(jīng)過大腦融合處理后，觀察者就會(huì)產(chǎn)生立體感。多目成像是通過在多點(diǎn)攝像獲取不同方位的圖像(如繞中心旋轉(zhuǎn)一周)，然后將多張圖像拼接并投影在圓柱面或球面上，從而生成全景圖。這樣觀察者就可以在虛擬環(huán)境中平移、旋轉(zhuǎn)和俯仰觀察全景圖，但這種方法需要專業(yè)人員仔細(xì)地進(jìn)行離線拼接，不適用于實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。另外，可以在雙目成像基礎(chǔ)上增加一個(gè)成像單元，形成三目視覺，從而解決雙目成像匹配中的匹配歧義性問題。多目成像系統(tǒng)可分為平行成像系統(tǒng)和會(huì)聚成像系統(tǒng)。與人眼觀看三維景物時(shí)的情況相同，兩部用于形成立體圖像的攝像機(jī)，其光軸通常會(huì)聚在所拍攝的物體上，這時(shí)稱兩部攝像機(jī)光軸的交點(diǎn)為會(huì)聚點(diǎn)，會(huì)聚點(diǎn)到兩部攝像機(jī)透鏡中心連線中點(diǎn)的距離為會(huì)聚距離。在數(shù)學(xué)上會(huì)聚距離可以是有限值，也可以是無限值。當(dāng)會(huì)聚距離非常遠(yuǎn)時(shí)，兩部攝像機(jī)的光軸近于平行，可認(rèn)為會(huì)聚點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處，會(huì)聚距離為無窮大。會(huì)聚距離為無限遠(yuǎn)的立體成像系統(tǒng)被稱為平行立體成像系統(tǒng)，而會(huì)聚距離為有限值的立體成像系統(tǒng)則被稱為會(huì)聚立體成像系統(tǒng)。

基于圖像的多攝像機(jī)追蹤系統(tǒng)也是當(dāng)前研究運(yùn)動(dòng)追蹤的一個(gè)重要問題。由于多攝像機(jī)能夠從多個(gè)角度進(jìn)行工作，能夠比較好地解決單攝像機(jī)中的遮擋問題(被追蹤體上標(biāo)記點(diǎn)的平面法向量必須要朝向攝像機(jī))，同時(shí)由于多攝像機(jī)引入的約束，也使得標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量得到簡化。在多攝像機(jī)追蹤系統(tǒng)中，每個(gè)攝像機(jī)在同一時(shí)刻各獲得一幀場(chǎng)景圖像，將在時(shí)刻t所有攝像機(jī)得到的圖像叫做t時(shí)刻的圖像集合{i1，i2，…，iN}，通過圖像處理將特征提取出來并進(jìn)行匹配，得到各個(gè)特征點(diǎn)在每臺(tái)攝像機(jī)中的像平面坐標(biāo){(um,n，

vm,n)|m=1，2，…，M；n=1，2，…，N}，其中m為特征點(diǎn)序列標(biāo)號(hào)，n為攝像機(jī)的標(biāo)號(hào)，共有M個(gè)特征點(diǎn)，N臺(tái)攝像機(jī)。多攝像機(jī)追蹤系統(tǒng)就是利用坐標(biāo)序列{(um,n，vm,n)|m=1，2，…，M；n=1，2，…，N}和各個(gè)攝像機(jī)的焦距等參數(shù)根據(jù)透視投影幾何關(guān)系來建立約束關(guān)系，進(jìn)行特征估計(jì)及姿態(tài)估計(jì)，從而達(dá)到追蹤目的的。另外，多攝像機(jī)追蹤也會(huì)碰到單攝像機(jī)追蹤所遇到的幀內(nèi)延時(shí)問題。2.4.4單攝像機(jī)掃描拍攝

單攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)就是利用一臺(tái)攝像機(jī)連續(xù)捕捉被追蹤物體的圖像(在被追蹤物體上固定一些特征，這些特征之間的幾何關(guān)系設(shè)計(jì)已知)，通過對(duì)攝像機(jī)攝取的圖像進(jìn)行處理分析，解算出各個(gè)特征在圖像上的坐標(biāo)，通過深度估計(jì)與姿態(tài)估計(jì)解算出特征所構(gòu)成的坐標(biāo)系(被追蹤體坐標(biāo)系)相對(duì)于攝像機(jī)光心坐標(biāo)系之間的運(yùn)動(dòng)矩陣，從而獲得運(yùn)動(dòng)物體在攝像機(jī)光心坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)矩陣。由于攝像機(jī)的安裝位置與姿態(tài)相對(duì)于環(huán)境空間是可測(cè)的，因此也就獲得了被追蹤物體相對(duì)于環(huán)境空間的運(yùn)動(dòng)描述。

2.5特殊成像方式

2.5.1紅外或熱成像

紅外線就是紅外光，又稱紅外輻射，是指波長為0.78~1000μm的電磁波。其中，波長為0.78~2.0μm的部分稱為近紅外線，波長為2.0~1000μm的部分稱為熱紅外線。紅外光是太陽光譜的一部分，其最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，能夠輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光位于光譜中可見光之外，它是一種不可見光。紅外光與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，它在金屬中傳播衰減很大，但其輻射能夠透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料。大部分液體對(duì)紅外輻射吸收非常強(qiáng)，氣體對(duì)其吸收程度各不相同，大氣層對(duì)不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。根據(jù)研究分析證明，波長為1~5μm和8~140μm區(qū)域的紅外光具有比較高的“透明度”，即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中的任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的，熱能強(qiáng)度也不一樣，例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能被紅外輻射全部穿透的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴(yán)格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。

照相機(jī)成像得到照片，電視攝像機(jī)成像得到電視圖像，都是可見光成像。在自然界中，一切物體都可以輻射紅外線，因此利用探測(cè)儀測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，就能得到不同目標(biāo)的熱圖像。該熱圖像與目標(biāo)的可見光圖像不同，它不是人眼所能看到目標(biāo)的可見光圖像，而是目標(biāo)表面的溫度分布圖像。2.5.2微波成像

微波輻射計(jì)可用于記錄目標(biāo)的亮度溫度。將微波輻射計(jì)放在地面平臺(tái)上時(shí)，它可以記錄一個(gè)觀測(cè)單元的亮度溫度；如果將它安裝在飛行器上，則可以記錄沿飛行方向的一條亮度溫度曲線；如果將輻射的天線設(shè)計(jì)成掃描方式，則可以獲得一個(gè)掃描區(qū)域的亮度溫度數(shù)據(jù)，或一條沿著飛行方向具有一定寬度的帶狀區(qū)域的亮度溫度圖。天線掃描有兩種方式，一種是機(jī)械方式，譬如使天線擺動(dòng)，或者使天線的反射器擺動(dòng)；另一種是電控方式，它并不像散射計(jì)、高度計(jì)那樣發(fā)射雷達(dá)波束，其工作方式如同紅外掃描儀，僅接收地物目標(biāo)發(fā)射的微波信號(hào)。微波輻射計(jì)天線的兩種不同掃描方式中，天線在每一瞬間接收來自地面一個(gè)近乎圓形或橢圓形地塊內(nèi)地物的微波輻射信號(hào)，通過天線來回掃描，在飛行器的前進(jìn)過程中獲得掃描地帶上各種地物的信號(hào)，并形成圖像?？梢哉J(rèn)為，雷達(dá)成像的基本原理是采用各種方法來提高雷達(dá)的諸維分辨率，使其分辨單元的尺寸與被成像的目標(biāo)尺寸相比小得多，從而可得到目標(biāo)不同部位的信息，以構(gòu)成雷達(dá)圖像。一般情況下，成像雷達(dá)是利用發(fā)射寬帶信號(hào)來獲得高的徑向(即距離向)分辨率，利用雷達(dá)的大直徑天線或雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等效的極大孔徑來獲得高的方位向(和/或仰俯向)分辨率，從而獲得高分辨率的目標(biāo)像。這時(shí)的成像雷達(dá)系統(tǒng)在徑向上表現(xiàn)為帶通特性，而在方位向(或高低向)上則表現(xiàn)為低通特性。由此造成雷達(dá)所成的目標(biāo)像與普通的光學(xué)像有一定差別。成像雷達(dá)與常規(guī)雷達(dá)相比在系統(tǒng)構(gòu)成上有其自身的特點(diǎn)。像常規(guī)雷達(dá)一樣，成像雷達(dá)也有天線子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)(發(fā)、收和頻綜)、控制子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)、跟蹤子系統(tǒng)(跟蹤雷達(dá))和顯示子系統(tǒng)。除此之外，對(duì)于空載成像雷達(dá)，根據(jù)需要還會(huì)有數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)下傳子系統(tǒng)和地面站子系統(tǒng)等。成像雷達(dá)最大的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)率高、數(shù)據(jù)量大、信號(hào)處理(含輔助數(shù)據(jù)處理和成像處理)復(fù)雜、處理的實(shí)時(shí)性很難保證。目前，隨著大容量、高速并行計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理實(shí)時(shí)性問題的研究獲得了很大的進(jìn)展。在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，已在某些成像雷達(dá)信號(hào)處理速度方面實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性。輻射計(jì)天線接收的輻射能量來自地面物體的發(fā)射輻射和反射輻射。如果溫度一定，物體發(fā)射功率的最大值等于相同溫度下黑體所發(fā)射的功率。如果將天線放進(jìn)一個(gè)由理想吸收材料制成的暗箱內(nèi)，由于這種理想吸收材料幾乎沒有反射，是理想的發(fā)射材料，其絕對(duì)溫度為Tb，因此被天線所接收的功率P為

P=kTbB(2.5.1)

其中k為玻耳茲曼常數(shù)，B為輻射計(jì)帶寬。這里實(shí)際上將暗箱作為黑體，由式(2.5.1)引出了輻射測(cè)量溫度的定義，它表征了從實(shí)際地物發(fā)射的功率。一般說來，物體的發(fā)射特性用輻射測(cè)量亮度溫度TB來表征，即(2.5.2)

PB為物體在整個(gè)帶寬B內(nèi)發(fā)射的功率，TB通過測(cè)量PB而獲得。如果與物體處于同一環(huán)境下的黑體具有恒定的溫度Tb，則該物體的發(fā)射率為e=TB/Tb。e的變化范圍在0~1之間，對(duì)于理想的無發(fā)射物體，e=0；對(duì)于理想的發(fā)射物體即黑體，e=1。

對(duì)于實(shí)際輻射計(jì)天線接收到的功率PA，同樣可以定義天線的輻射測(cè)量溫度TA。(2.5.3)在一般情況下，TA表示入射到天線的所有方向上按天線方向圖加權(quán)的全部輻射的積分，它還包括大氣的影響和天線自身發(fā)射的影響。2.5.3工業(yè)X射線、γ射線、CT等成像

成像的一個(gè)共同特點(diǎn)是需要有傳遞物特征量的信息載子。成像的信息載子有光子、各種頻帶的電磁波、能量波和粒子束等，如射頻波、紅外(微米波)、可見光、紫外光、X射線、γ射線、中子、電子、離子、質(zhì)子及聲子等。信息載子攜帶需要成像的景物特征量信息，通過成像系統(tǒng)成像。

X射線與微波或光束一樣，是電磁輻射。該光譜上限包含γ射線，下限包含宇宙射線，這將使其常用的現(xiàn)代光譜置于約1022~1024Hz的范圍。一般X射線透視成像系統(tǒng)都盡可能