基于Matrox Meteor-Ⅱ／Digital的圖像采集系統研究

摘要：針對Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡配套軟件不具有實(shí)時(shí)數據處理功能的問(wèn)題，根據項目需要提出了一個(gè)基于Matrox Meteo r-Ⅱ／Digital圖像采集卡的圖像采集系統，并完成了系統搭建及軟件設計。該系統的硬件平臺由CCD、Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡及計算機組成；軟件部分基于Matrox圖像采集卡的模式識別庫函數(Matrox Imaging Library)，用VC++多線(xiàn)程編程來(lái)實(shí)現連續圖像采集和單幀存儲及實(shí)時(shí)處理等功能。試驗表明，該系統操作簡(jiǎn)單、方便，且已經(jīng)在實(shí)驗室正常運行。
關(guān)鍵詞：圖像采集卡；連續圖像采集；單幀存儲；采集處理系統；多線(xiàn)程編程

簡(jiǎn)單的計算機圖像處理系統由攝像頭、微機及圖像采集卡構成，其結構簡(jiǎn)單，應用廣泛。與傳統的圖像顯示、處理比較，利用圖像采集卡軟件基本控制庫對攝像機攝取的模擬圖像信號進(jìn)行數字轉化，提供計算機處理所需的數字圖像信號，對現有的圖像文件的讀取、處理，都具有實(shí)現簡(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差分信號標準，采集黑白／分量RGB，面陣／線(xiàn)陣信號，是一種PCI或PC／104-Plus格式視頻采集卡。并且將極具價(jià)值且功能強大的函數擴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到系統內存進(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130MB／s。
正因為如此，使得Matrox Meteor-Ⅱ／Digital圖像采集卡脫穎而出。但是，由于其連續圖像采集不能實(shí)現實(shí)時(shí)存儲的功能，所以就對研究連續圖像的變化、圖像實(shí)時(shí)處理和分析帶來(lái)了極大的不便。于是，根據項目需要，文中提出了基于Matrox Meteor-II／Digital圖像采集卡的硬件平臺以及其圖像識別庫函數(MIL)的圖像采集系統，主要是在CCD攝像機的采集速率比較低(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，調用MIL函數庫里的單幀采集函數來(lái)實(shí)現連續圖像實(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果都分別存儲。

1 系統整體設計
針對實(shí)驗室中某航天項目中需要進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集處理的需求，結合Matrox Meteor-Ⅱ／Digital圖像采集卡的硬件平臺以及其圖像識別庫函數(MIL)，經(jīng)過(guò)分析得到需要設計的系統如圖1所示：CCD捕捉外界的光信息并轉換為電信號，該電信號經(jīng)傳輸到圖像采集卡采集，然后通過(guò)圖像采集卡的PCI接口將采集到的圖像數據傳送到計算機，在計算機中內存中進(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，以完成圖像數據的臨時(shí)存貯及處理；CCD采集速率不能太高，需要滿(mǎn)足下一幅圖像信息到來(lái)之前，本副圖像數據已經(jīng)完成處理及存貯，這里選擇CCD采集速率為4幀／秒，符合試驗要求；在計算機種開(kāi)辟內存，編寫(xiě)相應的圖像處理程序。

2 采集系統硬件平臺
該采集系統采用的CCD為非標準單色相機，實(shí)驗室自行購置并經(jīng)過(guò)改進(jìn)，采集速率為4幀／秒，每幀圖片大小為1024x1024像素。計算機為Windows XP系統平臺，1G內存，160G硬盤(pán)，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．采集數字面陣／線(xiàn)陣信號，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下達到25MHz，LVDS下達到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)，有效輸出和兩路計時(shí)器(曝光)輸出)
f. PCI總線(xiàn)主模式32-bit／33 MHz
g．實(shí)時(shí)傳輸到系統或顯卡
h．擴展板上緩存，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
Matrox公司圖像采集卡帶有豐富的程序庫-MIL-LITE(基本控制庫)和MIL(Matrox Imaging Library模式識別庫)，具有易于使用的特點(diǎn)。它通過(guò)引入“函數驅動(dòng)層”，使源代碼具有硬件無(wú)關(guān)性，可實(shí)現對Matrox不同圖像采集卡以及不同CCD配置的操作和使用。在VC中調用圖像采集卡的圖像采集處理函數，就可以做到集成性好，信息獲取直觀(guān)，編程方便，實(shí)現圖像采集任意存儲的目的。故軟件系統采用WindowsXP操作系統作為系統軟件運行平臺，在Windows XP下，利用VC++語(yǔ)言編程通過(guò)調用MIL庫函數實(shí)現圖像采集。
利用MIL庫首先必須分配一個(gè)應用對象，相當于創(chuàng )建一個(gè)圖像處理的控制和執行環(huán)境，在應用對象下可以建立多個(gè)系統，一個(gè)系統下可以建立多個(gè)數據緩存、數字轉換器和數據顯示，將圖像文件讀入數據緩存，將緩存內容放到指定的文件，這樣就可以實(shí)現圖像的任意存儲和顯示。其軟件組織結構和流程圖如圖2所示。