覺圖象技術(shù)縱談近年來，隨著多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，利用多媒體計(jì)算機(jī)處理視頻影象已成為現(xiàn)實(shí)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)就是利用視頻/圖象采集卡與CCD攝像機(jī)所構(gòu)成的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的設(shè)計(jì)。因此有必要先介紹一下有關(guān)視頻的基本知識(shí)和視頻/圖象采集卡的情況。有關(guān)視頻的基本知識(shí)根據(jù)三基色原理，在視頻領(lǐng)域利用R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三色不同比例的混合來表現(xiàn)豐富多采的現(xiàn)實(shí)世界。首先，通過攝像機(jī)的光敏器件像CCD（電荷耦合器件），將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGB三路電信號(hào)；其次，在電視機(jī)或監(jiān)視器內(nèi)部也使用RGB信號(hào)分別控制三支電子槍轟擊熒光屏以產(chǎn)生影象。這樣，由于攝像機(jī)中原始信號(hào)和電視機(jī)、監(jiān)視器中的最終信號(hào)都是RGB信號(hào)，因此直接使用RGB信號(hào)作為視頻信號(hào)的傳輸和記錄方式會(huì)獲得極高的信號(hào)質(zhì)量。但這樣做會(huì)極大地加寬視頻帶寬從而增加設(shè)備成本，且這也與現(xiàn)行黑白電視不兼容，因此，在實(shí)際應(yīng)用中不這樣做，而是按亮度方程Y=0.39R+0.5G+0.11B（PAL制）RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成亮度信號(hào)Y和兩個(gè)色差信號(hào)U（B-Y）、V（R-Y），形成YUV分量信號(hào)。此種信號(hào)利用人眼對(duì)亮度細(xì)節(jié)分辨率高而對(duì)色度細(xì)節(jié)分辨率低的特點(diǎn)，對(duì)U、V信號(hào)帶寬壓縮。U、V信號(hào)還可進(jìn)一步合成一個(gè)色度信號(hào)C，進(jìn)而形成Y/C記錄方式。由于記錄時(shí)對(duì)C信號(hào)采取降頻處理，因此也稱彩色降頻方式。Y和C又可進(jìn)一步形成復(fù)合視頻（Composite），即彩色全電視信號(hào)，這種方式便于傳輸和電視信號(hào)的發(fā)射。將RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成YUV信號(hào)、Y/C信號(hào)直至composite信號(hào)的過程稱為編碼，逆過程則為解碼。由此可看出，由于轉(zhuǎn)換步驟的多少，視頻輸出質(zhì)量由YUV端口到Y(jié)/C端口到Composite端口依次降低。因此，在視頻捕捉或輸出時(shí)選擇合適的輸入、輸出端口可提高視頻質(zhì)量。另外，還應(yīng)提供同步信號(hào)以保證傳送圖象穩(wěn)定再現(xiàn)。視頻影像是由一系列被稱為幀的單個(gè)靜止畫面組成。一般幀率在24-30幀/秒時(shí)，視頻運(yùn)動(dòng)非常平滑，而低于15幀/秒時(shí)就會(huì)有停頓感。在PAL制中，規(guī)定25幀/秒，每幀水平625掃描行（分奇數(shù)行、偶數(shù)行，即奇、偶兩場(chǎng)，因采用隔行掃描方式）。在每一幀中，電子束由左上角隔行掃至右下角后再跳回至左上角有一個(gè)逆程期，約占整個(gè)掃描時(shí)間的8%，因此625行中有效行只有576行，即垂直分辨率576點(diǎn)。按現(xiàn)行4:3電視標(biāo)準(zhǔn)，則水平分辨率為768點(diǎn)，這就是常見的一種分辨率768*576。另外，還有一種遵循CCIR601標(biāo)準(zhǔn)的PAL制，其分辨率為720*576。對(duì)于NTSC制，規(guī)定30幀/秒，525行/幀，隔行掃描，分奇、偶兩場(chǎng)，圖像大小720*486。由于PAL制與NTSC制處理方式不同，因此互不兼容。確定視頻每一幀時(shí)間位置及視頻片段持續(xù)時(shí)間，使用的是專門的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間編碼格式SMPTE時(shí)間碼，表示為"H：M：S：F"，即"時(shí)：分：秒：幀"。PAL制與NTSC制一般都是模擬信號(hào)，視頻捕捉卡可完成對(duì)它的A/D轉(zhuǎn)換。視頻捕捉卡先對(duì)輸入視頻信號(hào)以4:2:2格式進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行量化，一般對(duì)YUV（也即對(duì)RGB）各8bit量化，因而產(chǎn)生24位真彩。由于一幀圖象數(shù)字化后數(shù)據(jù)量很大，為節(jié)省存儲(chǔ)空間，還要對(duì)其進(jìn)行壓縮處理。壓縮處理可分為有損壓縮和無損壓縮，而前者是以犧牲圖象細(xì)節(jié)為代價(jià)的。壓縮可由軟、硬件實(shí)現(xiàn)，后者可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓縮，而前者往往要在分辨率、顏色深度、幀率等方面做出一些犧牲。選擇壓縮比時(shí)，壓縮比越高，圖象質(zhì)量越差。經(jīng)過上述過程，模擬視頻即變成數(shù)字視頻，而這一過程的逆過程即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的解壓縮與回放。另外，利用某些視頻捕捉卡的輸入、輸出設(shè)置，能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PAL制與NTSC制的轉(zhuǎn)換。數(shù)字視頻經(jīng)解壓縮后，可送入顯示卡并在計(jì)算機(jī)的顯示器上顯示出來。為在計(jì)算機(jī)的顯示器上精確顯示數(shù)字視頻，必須使視頻顯示模式與數(shù)字視頻的類型相匹配。由于顯象管存在著顯示亮度信號(hào)的非線形，因此送入的圖象信號(hào)必須預(yù)先補(bǔ)償，這就是^ 校正，它只對(duì)中間色調(diào)產(chǎn)生影響。計(jì)算機(jī)顯示器的^ 一般為1.8，而PAL制圖象的^ 值大約也是1.8，影響不大；但NTSC制圖象的^ 值為2.2，如果不經(jīng)調(diào)整，顯示圖象就會(huì)發(fā)白。視頻/圖象處理硬件的發(fā)展、分類與特點(diǎn)視頻/圖象處理硬件的發(fā)展歷史圖象與視頻是兩個(gè)既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念：靜止的圖片稱為圖象（Image），運(yùn)動(dòng)的圖象稱為視頻（Video）。圖象的輸入要靠掃描儀、數(shù)字照相機(jī)或攝象機(jī)；而視頻的輸入只能是攝象機(jī)、錄象機(jī)、影碟機(jī)以及電視接收機(jī)等可以輸出連續(xù)圖象信號(hào)的設(shè)備。圖象與視頻處理系統(tǒng)包括：圖象與視頻的輸入、輸出設(shè)備，通用的計(jì)算機(jī)和附加的 專用處理硬件卡。不同的應(yīng)用環(huán)境，所需要的硬件設(shè)備、軟件環(huán)境也不同。數(shù)字圖象處理技術(shù)與圖象處理系統(tǒng)是七十年代末期形成的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科，當(dāng)時(shí)只能 處理靜止圖象，主要用于軍事、科研醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。圖象處理系統(tǒng)是為了加快處理速度而 設(shè)計(jì)的專用系統(tǒng)，在中小型計(jì)算機(jī)控制下運(yùn)行。這些系統(tǒng)的規(guī)模大，價(jià)格昂貴。面向PC機(jī)的圖象處理系統(tǒng)是八十年代中后期開始出現(xiàn)的。它價(jià)格便宜，易于擴(kuò)充， 軟件豐富，因此很快得到推廣，帶動(dòng)了圖象處理技術(shù)的普及。近年來多媒體技術(shù)又使視 頻處理有了新的用武之地。由于現(xiàn)代的視頻處理系統(tǒng)也具有圖象處理功能，因此有時(shí)就 不再嚴(yán)格區(qū)分視頻與圖象處理硬件了。概括起來，面向PC機(jī)的圖象、視頻處理系統(tǒng)的發(fā)展歷史已經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代產(chǎn)品（1990年之前）：專用圖象處理系統(tǒng)。八十年代中期，PC機(jī)上開始有圖象卡。但由于當(dāng)時(shí)主機(jī)和總線主頻低，磁盤速度、容量有限，因而限制了圖象卡的發(fā)展。這一時(shí)期的圖象卡功能單一，基本上只有圖象采集和簡(jiǎn)單的處理功能。主要用于科學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究。這一代圖象系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是一定要有一個(gè)專用的圖象顯示器與圖象卡相連，用于顯示圖象，而圖形是通過顯示卡輸出到圖形顯示器的，因此不便實(shí)現(xiàn)圖形/圖象的同屏顯示。這一時(shí)期圖象處理硬件價(jià)格昂貴，性能又不能滿足多媒體系統(tǒng)的要求（主要是沒有 壓縮功能），因此不能為多媒體系統(tǒng)所用。第二代產(chǎn)品（1991-1995年）：圖形/圖象顯示合一的多媒體系統(tǒng)。在理論上，從位圖角度看，圖形與圖象是統(tǒng)一的，完全可以采用同一個(gè)顯示器；而在多媒體中包含視頻媒體也是多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最初目標(biāo)。在技術(shù)上，推動(dòng)這一進(jìn)程的動(dòng)力有兩個(gè)：一方面由于各種增強(qiáng)型VGA顯示控制器 和顯示卡的性能提高，使得PC機(jī)有了較高顯示分辨率，可以直接處理視頻信息了；同 時(shí)，顯示存儲(chǔ)器容量增加，價(jià)格下降，使得高分辨率圖形顯示卡迅速普及。另一方面是各種可編程的視頻控制芯片使視頻信號(hào)與圖形疊加變得非常容易。這些芯片有效地解決 了多制式彩色全電視信號(hào)的數(shù)字式鎖相和解碼技術(shù)，以及視頻信號(hào)與圖形信號(hào)的窗口控 制，從而使視頻信號(hào)的輸入/輸出變得簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和調(diào)試變得容易。利用這些芯片推出的視頻卡，實(shí)現(xiàn)了VGA圖形與視頻信號(hào)的疊加。另外，這類卡上一般都有聲音輸入/輸出功能，沒必要再單獨(dú)配置聲卡了。這一時(shí)期是多媒體視頻硬件發(fā)展最迅速的階段，圖形與圖象疊加問題的解決使圖象 系統(tǒng)真正為多媒體系統(tǒng)所用。各種采集卡、字幕疊加卡、壓縮/解壓縮卡、電影卡、電視卡層出不窮，迅速普及；各類標(biāo)準(zhǔn)如Video for Windows、MPEG-1、VCD1.1和VCD2.0的出臺(tái)，使得在PC機(jī)上看影音文件甚至電影成為現(xiàn)實(shí)；還有通過計(jì)算機(jī)收看電視節(jié)目的電視調(diào)諧卡（TV Tuner）、將VGA輸出信號(hào)編碼為電視信號(hào)的TV Coder等。第三代產(chǎn)品（1996年之后）：多種功能集成化的多媒體系統(tǒng)。系統(tǒng)集成是現(xiàn)代技術(shù)的主要趨勢(shì)，多媒體本身就是技術(shù)集成的產(chǎn)物。近年來，多媒 體視頻硬件主要在兩個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。第一是與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合，由視頻采集卡附加網(wǎng)絡(luò) 通信卡構(gòu)成的多媒體視頻會(huì)議、S可視電話、視頻郵件、多媒體通信終端等。到本世紀(jì)末和下世紀(jì)初，基于寬帶多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的交互式電視（ITV）、點(diǎn)播電視（VOD）以及遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電子圖書館等新技術(shù)將付諸實(shí)施，通過交互電視的機(jī)頂盒（STB）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電視購物、收看VOD節(jié)目等，最終走向電視、電腦與電信的三電合一的目的。第二方面是與影視制作技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成集壓縮/解壓縮、合成輸出、特技效果為一體的影視制作非線形編輯系統(tǒng)。視頻處理硬件最終將從高檔系統(tǒng)的選件轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的組件。視頻/圖象處理硬件的分類與特點(diǎn)采集功能是各種視頻卡的基本功能，對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)充，可構(gòu)成各種檔次的視頻處理卡：從簡(jiǎn)單視頻采集卡到專業(yè)圖象采集卡以及非線形編輯系統(tǒng)。視頻采集卡模擬圖象經(jīng)過采樣、量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖象并輸入、存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器的過程，叫做采集、數(shù)字化、獲取、捕獲、捕捉、抓取、抓幀等，因此視頻采集卡也稱捕獲卡、獲取卡、視頻輸入卡等。視頻采集的模擬視頻信號(hào)源可以是錄象機(jī)、攝象機(jī)、攝錄機(jī)、影碟機(jī)等，通過視頻采集卡可將錄象帶、激光視盤等上的圖象或現(xiàn)場(chǎng)的圖象輸入計(jì)算機(jī)。視頻采集卡的工作方式可以是單幀采集或連續(xù)采集；可將采集的圖象序列放在內(nèi)存或磁盤上；可對(duì)圖象進(jìn)行壓縮或不壓縮。視頻輸出卡對(duì)計(jì)算機(jī)的VGA顯示卡輸出的以RGB形式表示的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成可供錄象機(jī)和電視機(jī)輸入和顯示的組合視頻信號(hào)的接口卡叫視頻輸出卡或編碼卡（TVCoder）。視頻輸出卡有三種：外置式VGA到TV視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換器：其典型實(shí)例即為臺(tái)灣圓智Grand系列產(chǎn)品；內(nèi)置式視頻信號(hào)編碼輸出卡：這類卡已經(jīng)很少見；將編碼輸出與采集功能集成在一塊板上，構(gòu)成具有頻輸入/輸出功能的多功能卡：這類卡是當(dāng)前的主流，主要用于各種非線性編輯系統(tǒng)。壓縮/解壓縮卡解壓卡：解壓卡主要指能看VCD的MPEG解壓卡，俗稱"電影卡"。這種卡大都有音/視頻輸出端，具有動(dòng)態(tài)視頻交互功能。壓縮卡：壓縮卡主要是為制作影視節(jié)目和電子出版物用的。前者采用Motion-JPEG標(biāo)準(zhǔn)，壓縮比為5:1到7:1；后者采用MPEG壓縮，壓縮比為150:1到200:1。此外還有針對(duì)彩色或黑白靜止圖象壓縮的JPEG卡。電視接收卡電視卡有兩種：將高頻接收/調(diào)諧電路和視頻采集卡的功能集成在一塊板上，板上有外接天線插孔，插上天線就可收看電視；在視頻采集卡視頻輸入端接一個(gè)"高頻頭"。高檔視頻卡（非線性編輯卡）這種卡集成了視頻輸入/輸出、特技、壓縮及編輯加工等多種功能，主要用于影視節(jié)目后期制作的非線性編輯系統(tǒng)。