图像采集 (image acquisition)

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1 图像采集 (image acquisition)
小组成员： 李泽江，丁强，马勇德, 金玉振

2 1.什么是图像采集及分类 2.图像采集基本知识 3. 图像采集原理及技术参数 4. 图像采集卡的技术参数 5.图像采集各种技术及应用

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4 人类获取的外界信息约有60％来自于视觉图象，如何获取和处理视觉信息是
非常重要的。多媒体通信、高清晰度电视以及图像处理、模式识别和计算机视觉 等众多领域都对视频图像的采集与处理提出了越来越高的要求。显然视频图像采 集技术的研究具有重要的意义。 图像采集(image acquisition)是指摄像机摄取图像增强器的光学图像转换为视 频信号,传送至图像采集卡进行数字化,形成数字图像数据,供计算机进行处理和 保存的过程.图像采集有两个指标即灰度等级和采集分辨率 :将通过视觉传感器 采集的光信号转或全电视换成电信号，在空间采样和幅值量化后，这些信号就 形成了一幅数字图像。 通常，图象采集可以分成两类：一类是静态图象采集，也就是拍摄照片，以 得到某个时刻的图象为目的；另外一类是动态图象采集，也就是拍摄视频，以获 得某个时段的连续图象为目的 。 静态图象采集可以通过普通的相机拍摄，而后通过扫描把图象数据转化成数 字信息存储，而这些年数码相机的快速发展，使得数码相机在快速的普及，数码 相机直接把拍摄的图片以数字方式存储在相机的存储卡中，用数码相机拍摄照片 后，可以把存储卡里的照片直接拷贝、传输到电脑上，做备份和后期处理。 使用数码相机得到图象数据，然后传输到电脑上处理，这个过程图象拍摄和 图象处理分析是分离的，使得如果系统需要对图象的分析结果做实时快速响应， 变得不可能。

5 1)通过直接连接到电脑USB口／1393口的电脑眼。 2)摄像头+图象采集卡
动态图象采集实现方式较多，可以使用现有的摄像机，把拍摄的图象存储在 磁带上，后期通过磁带采集设备把存储在磁带上的模拟图象数据转换成数字图象 数据，做后期处理分析。现在也有可以把拍摄图象，以数字方式直接存贮在摄像 机上的硬盘，或者实时刻录到摄像机上的DVD盘上，然后直接把数字图象导出 到电脑上处理。这两种方式的图象处理分析是非实时的。要想实现实时处理，需 要得到实时图象数据，有两种常见方式： 1)通过直接连接到电脑USB口／1393口的电脑眼。 2)摄像头+图象采集卡 在第一种方式中的电脑眼以CMOS图象传感器获得图象，目前已经能做到分辨率 640x480每秒30帧的采集速度，可以在电脑上直接存储，处理，分析图象。但这 静电脑跟通常可以调节的焦距不是很大，而且由于USB电缆长度的限制，仅仅能 把电脑眼布置在电脑附近。用于视频监控的摄像头普遍是以电视信号做为输出， 这样可以直接连接到监视器上查看。而且通过同轴电缆，可以把电视信号传输到 很远的地方。在电脑上可以用来图象采集卡采集电视信号，从而得到摄像头拍摄 的图象。 图像采集卡的作用就是把图像信号经过采样，量化为图像的数字信号，也就是把 一幅连续的图像信号离散、数字化过程，然后把数字式视频信号送到帧存储器 或计算机存储器中。在电脑上可以直接对图象做处理和分析。电视信号可以通过 同轴电缆远程传输，因此摄像头的布置不再受限于电脑的位置。

6 如今，在视频监控，人脸识别，机器人的视觉系统等领域均需要图象采集部分， 而市面上大部分适用于PC系统的图象采集卡，多半基于PCI插槽或者USB接口方式。当图象的处理平台不再是PC，而变成了DSP，32B“MCU或者专用图象处理芯片，这些系统的多半不再带有PCIUSB接口，故基于这些接口的图象采集卡不再适用于这些非PC平台系统。 事实上，这些由DSP或者32位MCU或者专用图象处理芯片构成的系统便是嵌入式系统。带有一定的硬件，和一些软件代码，来实现特定功能的系统——这就是嵌入式系统的基本内涵。 所以当我们需要为这些嵌入式系统提供图象采集功能的时候，我们的接口不 再是基于PCI或者USB的了。而是基于总线方式，丽事实上在不一样的嵌入式系统中，开放给外设的总线也是可能不一样的。故此在为嵌入式系统提供图象采 集卡的时候，需要考虑提供给图象处理平台的接口方式的多样性，或者可以定制 该接口的时序。 图像采集卡是将视频信号经过A/D转换后，将视频转换成电脑可使用的数字格式，经过PCI总线实时传到内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst方式，图像传送速度高达40MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。

7 图像采集示意图 coms图像采集系统原理. coms图像采集系统原理.

8 图像采集基本知识 视频采集 即将视频转换成PC机可使用的数字格式。 微视专业图象采集卡是将视频信号经过AD转换后，经过PCI总线实时传到内存和显存。 在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst方式，图象传送速度高达33MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。 图象速率及采集的计算公式 帧图像大小（Image Size）：W×H（长×宽）---您必须首先了解：需要采集多大的图象尺寸？ 颜色深度∶d（比特数）---希望采集到的图象颜色（8Bit灰度图象还是16/24/32Bit真彩色） 帧 速∶f---标准PAL制当然就是25帧，非标准就没准了！ 帧都有可能 数 据 量∶Q（MB）---图象信号的数据量

9 采 样 率∶A（MB）---采集卡的采样率，通过其产品手册可知
计算公式∶ Q=W×H×f×d/8 判断标准∶如果A>Q×1.2，则该采集卡能够胜任采集工作。 视频源 使用各种图象采集卡，首先需要您提供采集或压缩用的视频源。视频源可以是∶ VCD影碟机、已有的录像带、摄录机、LD视盘、CCD摄像头、监视器的视频输出等等。 ● 一台摄录机和使用摄录机录制的录像带. ● 一台盒式录像机或磁带录像机和已录制的录像带. ● LD光盘播放机LD光盘或VideoCD播放机和VCD ● 摄录机或CCD摄像机 ● 在医疗影像中，视频源常常是CT、X光机、B超、内窥镜、甚至MRI核磁共振等等。 ● 各种工业、军事上的高速非标准视频信号，如每秒200帧、500帧、甚至上千帧… （如用DALSA、PULNIX等高档数字像机作为视频源）

10 图像采集原理及技术参数 视频采集原理简介 视频(Video)是多幅静止图像(图像帧)与连续的音频信息在时间轴上同步运动的混合媒体，多帧图像随时间变化而产生运动感，因此视频也被称为运动图像。按照视频的存储与处理方式不同，可分为模拟视频和数字视频两种。 视频采集就是将视频源的模拟信号通过处理转变成数字信号（0和1），并将这些数字信息存储在电脑硬盘上的过程。这种模拟/数字转变是通过视频采集卡上的采集芯片进行的。 　　在电脑上通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频。 大多数视频卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后再通过PCI接口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的PC视频采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高档一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG-1格式的文件。 由于模拟视频输入端可以提供不间断的信息源，视频采集卡要采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入PC系统。因此，实现实时采集的

11 关键是每一帧所需的处理时间。如果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧
之间的相隔时间，则要出现数据的丢失，也即丢帧现象。采集卡都是把获取 的视频序列先进行压缩处理，然后再存入硬盘，也就是说视频序列的获取和 压缩是在一起完成的，免除了再次进行压缩处理的不便。不同档次的采集卡 具有不同质量的采集压缩性能。 由视频采集芯片将模拟信号转换成数字信号，然后传至板卡自带的临时存储 器中，再由卡上自带视频压缩芯片执行压缩算法，将庞大的视频信号压缩变 小，最后这些压缩后的直接或通过PCI桥芯片进入PCI，存储到硬盘。后者采 用通用视频A/D转换器实现图像的采集，其特点是数据采集占用CPU的时 间，对处理器的速度要求高，成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系 统的需要。 　

12 在高清视频采集录制方面，VGA图像采集卡是数字信息化行业快速发展，
在工业行业上机器视觉系统应用，还是在教学上，都应用十分广泛，它综合 许多计算机软硬件技术，更涉及到图像处理、人工智能等多个领域。而视频 图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，其主要功能是对相机所输出的 视频数据进行实时的采集，并提供与PC的高速接口。 视频采集卡是我们进行视频处理必不可少的硬件设备，是视频数字化合数字 化视频编辑后期制作中必不可少的硬件设备。通过视频采集卡，可以把摄像 机拍摄的视频信号从摄像带上转存到计算机中，利用相关的视频编辑软件 ， 对数字化的视频信号进行后期编辑处理，比如剪切画面，添加滤镱，字幕和 音效，设置转场效果以及加入各种视频特效等等，最后将编辑完成的视频信 号转换成标准的VCD，DVD以及网上流媒体等格式，方便传播和保存

13 二、图像采集卡的技术参数主要有以下几方面： 、图像传输格式：格式是视频编辑最重要的一种参数，图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。大多数摄像机采用RS422或EIA644(LVDS)作为输出信号格式。在数字相机中，IEEE1394，USB2.0和Camera Link几种图像传输形式则得到了广泛应用。 2、图像格式(像素格式)：(1)黑白图像：通常情况下，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；(2)彩色图像：彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8-8-8， 等格式。 3、传输通道数：当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1路，2路，4路，8路输入等。随出现着科技的不断发展和行业的不需求，路数更多的采集卡也出现在市面上。 4、分辨率：采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576点阵，而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达64K*64K。单最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。 、采样频率：采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高度图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。 6、传输速率：主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速du132MB/S。 随着数字化信息的快速发展，图像采集卡在监控、远程教学、大屏拼接、医疗等众多行业中都有着广泛的应用。

14 图像采集各种技术及应用 1.嵌入式系统技术，尤其是最新的SOC技术在图像采集处理 中的应用，提出系统解决方案并验证其可行性。基于嵌入式系统的图像采集单元 能够实现传统计算机图像采集处理系统的大部分功能，如图像数据的采集、传输 和简单的图像处理，但是体积小、功耗低、成本低、集成度高，更适合大规模的 工业应用。 将嵌入式系统应用到图像的采集处理中可将信号处理、人工智能、控制电路 和TCP/IP网络通信协议等集成到前端的CCD图像采集单元中，这样做不仅大 大提高了图像采集系统的性能，而且扩展了系统的功能。与传统的图像采集处理 系统相比，基于嵌入式系统的传感器更加可靠、便宜、扩展性更好。与传统的

15 CCD相机直接输出模拟信号不同，由于采用嵌入式系统设计的图像传感器具有
微处理器，可以在传感器内部完成图像的采集并将所采集的图像进行简单处理。 此外，传感器可还将处理过的数据通过以太网和外界实行交换，由于传送的为数 字信号并且使用以太网进行传输使测量系统的抗干扰能力得到加强、信号的最大 2. 虹膜 MJRLIN 技术实现智能虹膜图像采集终端设计位于人眼表面黑色瞳孔和 白色巩膜之间的可见的环状组织，在一定频率的近红外光下， 可呈现出丰富的 纹理信息，如斑点条纹、细纹、冠状、隐窝等生理细节特征。人眼虹膜的可 见 生物组织结构依赖于婴儿胚胎期中胚层的初始条件， 在人群中的分布可能是随 机的或是混 沌的，但一出生就终生稳定，而且每个人的虹膜纹理绝对地不同。 统计表明，虹膜纹理有几 百个自由度，即使是同样的基因型，其虹膜的表现型 表达是不相关的。正因为人眼虹膜独特 的纹理图像适合用于自动身份识别，所 以其具有高效、准确、不可复制等特点。基本原理主 要是通过对比虹膜纹理图 像特征之间的相似性来确定人体的身份， 其核心是经计算机

16 进行大 量的多种算法，使用模式识别、图像处理等方法对人眼的虹膜纹理特征进行描述和匹配，从而实现自动的 人体身份鉴别。
1 虹膜识别系统的构成 虹膜识别系统由软件系统和硬件系统组成， 其中软件系统即虹膜信息处理系统， 用以实 现虹膜图像处理、用户登记、用户识别、虹膜图像存储管理、虹膜特征存储管理等功能。。 硬件系统包括虹膜图像采集系统以及支持虹膜信息处理系统运行的硬件 环境。 目前市场上较成熟的计算机核心算法有英国剑桥大学的 Daugman 技术、英国巴斯大学 的 MJRLIN 技术以及中国科学院的技术。本文实验系统采用英国巴斯大学的 MIRLIN 技术。 2 受限条件下的虹膜纹理图像采集技术分析 国际人眼安全标准协会要求虹膜图像采集装置为实时自动无侵害的虹膜光学成像装置。 目前世界上主流的虹膜镜头采用 640×480 像素以上的 CMOS 逐行扫描摄像头，其中在人眼 虹膜直径范围内要求至少有 100 个像素采集点以上， 尽可能地保留原始虹膜图像的特征。 根 据 ISO／IEC 图像标准，同时确保黑暗环境下拍摄的需要，光源选择波长为 720～ 900nm 的近红外光源，辐照功率<0．5mW／cm2，对眼睛无伤害。摄像头的传输速率设为 251 帧／s，保证视频流的实时传输。拍摄过程中，中央处理模块对每帧图像作实时分析， 直至该帧图像满足判别标准， 同时该数据帧被传输到虹膜识别处理器核心模块做相应的判别 处理。在共计 次试验中我们发现，实际系统虹膜图像采集成功与否的几个重要限制因 子包括人机的交互配合、光强度

17 等系统外界限制。因此系统的适用性设计十分重要。为达到 全自动智能化虹膜
采集，通过数万次的实验，我们总结出系统设计有如下几方面的考虑： 1 距离感应 首先， 摄像头模块须外置用户距离感应传感器用以监测个体的存在 。 传感器的选型可为 接触式(如读卡器或密码开关模块等)和非接触式模块(如红 外感应或双肩探头模块等)，考虑 到系统今后的兼容性，与 CPU 的接口设计建 议使用 GPIO 连接.2 人机交互 摄像头内置应用软件可以使用多国语言指导用户 作相应的上机操作。 根据内嵌的距离感 应传感器模块将用户的距离反馈到中央 处理器， 然后以语音输出的形式指导用户调整头部位 置直至进入合适的成像区 域。或者使用视觉上的多色指示灯也可以满足这个效果。

18 3 可调成像深度 摄像头的成像深度是另外一个限制条件。 为减少该限制因子的影响， 提高系统的使用性 能，摄像头应该有一定范围的成像深度。在这个范围内，光学镜头可以自动调节焦距实时成 像。本试验系统的成像深度在 22～36cm 范围内均可正常成像。减小了系统对用户操作的限 制。 4 头部倾斜检测 摄像头同时需要具有“头部倾斜检测”功能模块， 来检测用户的头部是否倾斜超过一 定范围导致无法正常进行后续的匹配判别。消除用户因头部位置不当导致认证失败的限制， 确保系统的稳定性。 5 眼镜／墨镜检测 眼镜镜片会对摄像头入射的闪光灯进行反射， 从而导致采集的虹膜图像有强烈的反 射亮斑。 如果该亮斑位于虹膜区域内， 将导致匹配误差。 因此摄像头需要有特制的偏光性能， 消除反光，同时使色彩更鲜艳，增强图像的对比度以及图像特征的提取。 6 高度可调 不同用户高矮差异是制约虹膜采集系统的另外一个限制因素。 本系统使用滑道工业 设计允许摄像头升降，从而达到普适性。 7 其他限制因素 本研究的所有虹膜采集方式均是静态或半静态的， 即要求用户在采集虹膜的过程中

19 保持相对静止的状态。 这对人体在行进中的动态图像采集存在一定的技术困
难。 在行动中实 时采集虹膜图像方面美国有较成熟的技术， 但产品价格相对比 较昂贵， 广泛应用还有待改进。 采用先进技术的同时还要大大降低硬件成本， 才有望实现在我国广泛应用。 本文针对目前虹膜识别系统实际应用过程中遇到 的几点限制因素进行了相应的分 析以及提出了解决方案。 对现有虹膜识别终端 系统的工业设计和自动化开发具有广泛的指导 意义。生物识别技术有很多种 类，而逐步应用的虹膜识别技术其应用前景十分明显。中国目 前在电子和信息 产品领域的制造实力在全球处于领先地位。 中国生物识别技术制造企业在虹 膜 识别产品的生产方面也正在赶超世界先进。

20 THE END 谢谢观赏