任瀟瀟

【摘要】高碼率圖像采集和處理涉及到的技術(shù)眾多，屬于近年來(lái)國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。在諸如高清電視轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖像傳送等應(yīng)用中都需要實(shí)時(shí)傳輸高碼率圖像數(shù)據(jù)，需要對(duì)硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化和匹配。與高碼率圖像技術(shù)相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)也是市場(chǎng)和社會(huì)大量需求的內(nèi)需增長(zhǎng)點(diǎn)。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€(gè)過(guò)程，對(duì)當(dāng)前高碼率圖像的處理技術(shù)進(jìn)行了深入分析，具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】高碼 率圖像 處理

一、前言

當(dāng)前，圖像采集和處理技術(shù)的發(fā)展十分迅速，它和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起，在很大程度上幫助了我國(guó)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要用到數(shù)字圖像技術(shù)，多樣化的圖像和視頻應(yīng)用，形象生動(dòng)的表達(dá)了傳統(tǒng)的媒體所不能傳遞的信息，結(jié)合強(qiáng)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(shí)由于很多行業(yè)需要使用高清圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shù)之一。

在監(jiān)控、高清電視轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖像傳送等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的壓縮嚴(yán)重、碼率較低的圖像已經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的需求，由于軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)的需求，高碼率甚至是無(wú)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(jìn)的高碼率數(shù)字圖像采集和信號(hào)處理技術(shù)，成為目前科研院所和企業(yè)研究的熱點(diǎn)。

二、研究現(xiàn)狀

我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展滯后于西方國(guó)家，體現(xiàn)在核心技術(shù)上專利和技術(shù)積累的不足，近年來(lái)國(guó)家層面上對(duì)集成電路等技術(shù)的支持力度十分顯著，標(biāo)志著我國(guó)芯片技術(shù)的從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)。而這些硬件技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高碼率數(shù)字圖像在內(nèi)的新興行業(yè)帶來(lái)了蓬勃的生機(jī)。

成像設(shè)備的是數(shù)字圖像技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，我國(guó)當(dāng)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(hào)采集下已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)720x576x24bit的速率，達(dá)到的水平也逐漸躋身國(guó)際前列。

但是，我們應(yīng)該看到，在高清成像技術(shù)的高端市場(chǎng)上，索尼、尼康、蘋(píng)果、Coreco等老牌的圖像廠商無(wú)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(duì)的領(lǐng)先地位。

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

三、高碼率圖像采集處理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)要求

全高清時(shí)代的到來(lái)，使得硬件設(shè)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(chǎng)合受到的限制越來(lái)越多，而對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)的改進(jìn)是一項(xiàng)巨大的工程，特別是我國(guó)這樣龐大的一個(gè)基數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)和研究高碼率的圖像采集和處理技術(shù)，需要注意以下幾點(diǎn)：

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

2、技術(shù)實(shí)現(xiàn)下的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化：在滿足技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，盡可能使用性價(jià)比高的設(shè)備以及容易實(shí)現(xiàn)的軟件方案，保證系統(tǒng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性；

3、靈活的框架以及維護(hù)的便捷性：高碼率圖像采集和處理技術(shù)的核心部件價(jià)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(shí)，靈活的框架允許維護(hù)的過(guò)程更加簡(jiǎn)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(chǔ)在機(jī)器本地，需要進(jìn)行嚴(yán)格的分級(jí)加密保存和提取。但是涉及到需要使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘?hào)，需要算法加密，防止信息截取。

四、高碼率圖像采集處理技術(shù)的方法研究

隨著電子技術(shù)和大數(shù)據(jù)時(shí)代的激發(fā)，圖像以及視頻處理領(lǐng)域?qū)Ω蟮臄?shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)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(hào)處理芯片級(jí)別，傳統(tǒng)的單片機(jī)肯定是無(wú)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(shí)現(xiàn)。

硬件方面，高碼率的圖像信號(hào)采集和處理技術(shù)主要基于FPGA和高速并行DSP處理器完成數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)和處理，同時(shí)對(duì)硬件的設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，對(duì)程序控制中的時(shí)序進(jìn)行嚴(yán)格把控，使系統(tǒng)的穩(wěn)定度和處理效果達(dá)到較好的水準(zhǔn)。在高速信號(hào)處理過(guò)程中，信號(hào)的傳輸質(zhì)量始終關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

傳統(tǒng)的單端信號(hào)傳輸方式，功耗和速度都已經(jīng)難以適應(yīng)芯片的發(fā)展。采用高速差分信號(hào)傳輸，是一種抗共模干擾能力很強(qiáng)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?jiàn)的差分接口，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(hào)的傳輸。LVDS規(guī)定了驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播、衛(wèi)星圖片傳輸?shù)认到y(tǒng)采用的高碼率傳輸設(shè)備，數(shù)據(jù)量可以達(dá)到甚至是超越Gbps，這就需要除了控制硬件采集信號(hào)的質(zhì)量之外，對(duì)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(wú)損/有損壓縮，配合優(yōu)化的通訊協(xié)議和存儲(chǔ)規(guī)則。在FPGA上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高速算法，確保成像質(zhì)量。

五、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字圖像技術(shù)的誕生是人類歷史上值得紀(jì)念的一項(xiàng)偉大技術(shù)，伴隨著圖像采集和存儲(chǔ)的發(fā)展，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，高碼率圖像信號(hào)采集和處理技術(shù)不斷發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域很多應(yīng)用中需要將高碼率的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)地接收、處理并存儲(chǔ)，如工業(yè)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)采集、雷達(dá)視頻回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集，以及衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)信號(hào)的采集等。本文研究了高碼率圖像采集處理的關(guān)鍵技術(shù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。