基于Matrox Meteor-Ⅱ／Digital的圖像采集系統(tǒng)研究

摘要：針對(duì)Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡配套軟件不具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能的問(wèn)題，根據(jù)項(xiàng)目需要提出了一個(gè)基于Matrox Meteo r-Ⅱ／Digital圖像采集卡的圖像采集系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)搭建及軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由CCD、Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡及計(jì)算機(jī)組成；軟件部分基于Matrox圖像采集卡的模式識(shí)別庫(kù)函數(shù)(Matrox Imaging Library)，用VC++多線程編程來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)圖像采集和單幀存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)處理等功能。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、方便，且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：圖像采集卡；連續(xù)圖像采集；單幀存儲(chǔ)；采集處理系統(tǒng)；多線程編程

簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)由攝像頭、微機(jī)及圖像采集卡構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)的圖像顯示、處理比較，利用圖像采集卡軟件基本控制庫(kù)對(duì)攝像機(jī)攝取的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，提供計(jì)算機(jī)處理所需的數(shù)字圖像信號(hào)，對(duì)現(xiàn)有的圖像文件的讀取、處理，都具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、原理清晰、通用性好的優(yōu)點(diǎn)。
在眾多的圖像采集產(chǎn)品中，加拿大Matrox公司的圖像采集卡，別具特色。它用RS-422或LVDS差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，采集黑白／分量RGB，面陣／線陣信號(hào)，是一種PCI或PC／104-Plus格式視頻采集卡。并且將極具價(jià)值且功能強(qiáng)大的函數(shù)擴(kuò)展性能集成到了采集卡上，可以實(shí)時(shí)采集且將采集到的圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存進(jìn)行處理或顯存以實(shí)時(shí)活動(dòng)視頻窗口進(jìn)行顯示，速率可達(dá)130MB／s。
正因?yàn)槿绱?，使得Matrox Meteor-Ⅱ／Digital圖像采集卡脫穎而出。但是，由于其連續(xù)圖像采集不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的功能，所以就對(duì)研究連續(xù)圖像的變化、圖像實(shí)時(shí)處理和分析帶來(lái)了極大的不便。于是，根據(jù)項(xiàng)目需要，文中提出了基于Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡的硬件平臺(tái)以及其圖像識(shí)別庫(kù)函數(shù)(MIL)的圖像采集系統(tǒng)，主要是在CCD攝像機(jī)的采集速率比較低(例如：在圖片大小為1 024x1 024像素下，采集速率為4幀／秒)的情況下，調(diào)用MIL函數(shù)庫(kù)里的單幀采集函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)圖像實(shí)時(shí)采集、顯示及處理，并且把實(shí)時(shí)采集到的每幀圖像及處理結(jié)果都分別存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
針對(duì)實(shí)驗(yàn)室中某航天項(xiàng)目中需要進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集處理的需求，結(jié)合Matrox Meteor-Ⅱ／Digital圖像采集卡的硬件平臺(tái)以及其圖像識(shí)別庫(kù)函數(shù)(MIL)，經(jīng)過(guò)分析得到需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1所示：CCD捕捉外界的光信息并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)傳輸?shù)綀D像采集卡采集，然后通過(guò)圖像采集卡的PCI接口將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中內(nèi)存中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及存貯，并同時(shí)顯示。

要想完如上功能，必須做好如下事情。圖像采集卡要開(kāi)辟卡上臨時(shí)存貯單元，以完成圖像數(shù)據(jù)的臨時(shí)存貯及處理；CCD采集速率不能太高，需要滿足下一幅圖像信息到來(lái)之前，本副圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)完成處理及存貯，這里選擇CCD采集速率為4幀／秒，符合試驗(yàn)要求；在計(jì)算機(jī)種開(kāi)辟內(nèi)存，編寫相應(yīng)的圖像處理程序。

2 采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)
該采集系統(tǒng)采用的CCD為非標(biāo)準(zhǔn)單色相機(jī)，實(shí)驗(yàn)室自行購(gòu)置并經(jīng)過(guò)改進(jìn)，采集速率為4幀／秒，每幀圖片大小為1024x1024像素。計(jì)算機(jī)為Windows XP系統(tǒng)平臺(tái)，1G內(nèi)存，160G硬盤，CPU頻率為2．7GHz。
圖像采集卡為Matrox Meteor-Ⅱ／Digital圖像采集卡，該卡的主要特點(diǎn)如下：
a．采集數(shù)字面陣／線陣信號(hào)，包括多抽頭配置
b．32-bit寬RS-422或LVDS接口(可配置4x8-bit，2x16-bit，1x32bit)
c．采樣率RS-422下達(dá)到25MHz，LVDS下達(dá)到40 MHz
d. 可配置LUT(4個(gè)256x8-bit或2個(gè)4 k×16-bit)
e．觸發(fā)輸入，時(shí)鐘輸出(分離的RS-422／LVDS像素時(shí)鐘(入和出)，行／場(chǎng)同步(入和出)，有效輸出和兩路計(jì)時(shí)器(曝光)輸出)
f. PCI總線主模式32-bit／33 MHz
g．實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)或顯卡
h．?dāng)U展板上緩存，確保采集
i．RS-232串口
j．軟件包括Matrox Imaging Library(MIL)／ActiveMIL，MIL-Lite／ActiveMIL-Lite和Matrox Inspector

3 軟件實(shí)現(xiàn)
Matrox公司圖像采集卡帶有豐富的程序庫(kù)-MIL-LITE(基本控制庫(kù))和MIL(Matrox Imaging Library模式識(shí)別庫(kù))，具有易于使用的特點(diǎn)。它通過(guò)引入“函數(shù)驅(qū)動(dòng)層”，使源代碼具有硬件無(wú)關(guān)性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)Matrox不同圖像采集卡以及不同CCD配置的操作和使用。在VC中調(diào)用圖像采集卡的圖像采集處理函數(shù)，就可以做到集成性好，信息獲取直觀，編程方便，實(shí)現(xiàn)圖像采集任意存儲(chǔ)的目的。故軟件系統(tǒng)采用WindowsXP操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件運(yùn)行平臺(tái)，在Windows XP下，利用VC++語(yǔ)言編程通過(guò)調(diào)用MIL庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖像采集。
利用MIL庫(kù)首先必須分配一個(gè)應(yīng)用對(duì)象，相當(dāng)于創(chuàng)建一個(gè)圖像處理的控制和執(zhí)行環(huán)境，在應(yīng)用對(duì)象下可以建立多個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)下可以建立多個(gè)數(shù)據(jù)緩存、數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)顯示，將圖像文件讀入數(shù)據(jù)緩存，將緩存內(nèi)容放到指定的文件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)圖像的任意存儲(chǔ)和顯示。其軟件組織結(jié)構(gòu)和流程圖如圖2所示。