視頻圖像處理系統

視頻圖像就是連續的靜態圖像的序列，是一種對客觀事物更為形象，生動地描述。視頻圖像處理系統即基於圖像處理算法對視頻圖像進行處理的系統。

視頻圖像處理系統跟當代科學技術的發展是密不可分的。一個方面隨著計算機技術的發展，CPU計算能力的不斷提高，存儲空間的大幅度提升，硬體支持方法的多樣化極大的推動了視頻圖像處理系統的發展。另外一個方面，半導體器件和大規模積體電路技術的迅猛發展，以其處理器能力的提升和存儲能力的提高也促進了視頻圖像處理系統的發展。

基本介紹

• 中文名：視頻圖像處理系統
• 外文名：video image processing system
• 類別：計算機視覺
• 典型系統：使用微處理器來處理
• 分類：基於PC的視頻圖像處理系統等
• 套用：通信工程方面等

發展及現狀

圖像處理的發展依賴於計算機的套用和發展，它是計算機套用領域中非常活躍的一部分，所以有時圖像處理和計算機圖像處理是等同的。圖像處理系統的發展極其迅速，最主要是因為計算機的超高速發展，此外，半導體器件的快速發展也加快了圖像處理系統的發展速度。同時，越來越多的人開始從事圖像處理的研究工作，理論研究的發展又反過來推動了圖像處理系統的發展。至今，圖像處理系統的發展勢頭依然非常強勁。

圖像處理系統分為通用圖像處理系統和專用圖像處理系統兩大類。通用圖像處理系統是以計算機為基礎，如微機，小型機，工作站，大型機等;專用圖像處理系統是指最終用戶使用的系統，它是隨著嵌入式套用而產生和發展起來的，通常是以ASIC ( Application Specific Integrated Circuit，專用積體電路)，DSP ( DigitalSignal Processing，數位訊號處理)，FPGA等硬體為基礎，這種系統無需二次開發。目前，隨著多媒體技術和半導體技術的不斷發展，採用嵌入式圖像處理系統逐漸成為主流。嵌入式圖像處理系統主要是採用專用處理晶片的硬體解決方案，數位訊號處理器DSP或現場可程式邏輯門陣列FPGA。

目前，可程式邏輯器件的發展速度特別快，FPGA的容量己超過百萬門級，而且在FPGA上可以實現SOPC。FPGA主要有以下優點：可重複，編程系統級升級方便易行;速度和容量穩步提高，系統內部的軟體和硬體可以根據需要靈活配置，此外，很多廠家還提供許多通用的IP核，使設計變得相當的模組化，在短時間內就能夠設計出複雜的系統。軟硬體設計可以在同一個平台下進行，可以方便的實現系統功能。上邊種種原因，使現場可程式門陣列FPGA成為解決圖像處理系統的重要首選方案之一。

處理技術

傳統的視頻圖像處理技術主要用PC機來做實時圖像處理，由於PC機的結構是基於馮諾依曼的複雜指令計算機，本質上是順序執行指令，不能實現並行處理，故實時性很差；用DSP專用晶片來做實時圖像處理，由於其採用數據與程式空間相分離的哈佛結構，可以實現一定的並行處理和複雜算法，但無法實現一些更為複雜的邏輯運算和高速處理；隨著半導體工藝的不斷進步，FPGA不僅價格低廉，而且性能也顯著提升，同時硬體資源集成度高，可程式邏輯單元容量大，速度較PC機和DSP晶片快，開發周期也大大縮短，還可實現SOPC(片上可程式系統)，越來越多地被運用到視頻圖像處理技術中。

典型視頻圖像處理系統

典型的視頻處理系統使用一個微處理器來控制一個視頻流水線，該視頻流水線包括一個視頻源和宿，一個用於存儲視頻數據的大型存儲器，和一個視頻算法函式，實現些算法處理功能。如圖所示。

視頻圖像數據的特點是數據量大，計算量大，非常耗費時間。在視頻圖像處理系統中，一般採用PC機的CPU用於對圖像數據作運算或處理。由於PC機是基於馮·諾依曼架構的，本質上是順序執行的。對於大數據量的圖像處理，處理速度慢，實時性不好。

隨著數字融合的進一步發展，系統的設計和實現需要更大的靈活性，以解決將完全不同標準和要求的產品，集成為同類產品時引發的諸多問題。人們迫切要求實現高速圖像處理系統的新思路。大規模現場可程式門陣列FPGA是當今套用極為廣泛的方法，使用FPGA作為視頻圖像處理平台可以充分利用硬體上的並行性，從本質上改善圖像處理的速度，使對大數據量的圖像處理達到實時性。

分類

視頻圖像處理系統以其種類和綜合特點來說可以分為基於PC的視頻圖像處理系統和基於DSP或FPGA的圖像處理系統。

基於PC的視頻圖像處理系統

基於PC的視頻圖像處理系統是架構在基於馮·諾依曼架構計算機平台上的，套用廣泛且適用性強。一般情況下，由視頻採集卡完成視頻圖像的採集，視頻採集卡以PCI接口與PC機相連。視頻信號進入PC機後，由架構於作業系統之上的軟體負責圖像的處理和顯示。PC機的記憶體和硬碟則用於存儲圖像數據。隨著視頻採集卡性能的提升和計算機處理能力的提高，越來越多的基於PC的多媒體開發技術得以在PC上實現如Direct X系列，同時更多豐富的套用也在不斷的湧現。基於PC的視頻圖像處理系統大致經過了以下幾個發展階段：

第一階段大體上是20世紀60年代末到80年代中期，主要以體積較大，功能強大，價格也比較昂貴的機箱式的圖像計算機以及圖像分析系統為主。主要的代表產品有美國和英國的一些公司推出的各種圖像計算機以及圖像分析系統。

第二階段是從80年代中期到90年代初期，主要以小型化的插卡式系統為主。通過把採集卡插到計算機內，即可和計算機構成圖像採集系統。這個時期主流機型都採用PC，計算機匯流排採用ISA匯流排。視頻採集卡大都是採用大規模積體電路或是專用積體電路。

第三階段是從90年代初開始，這個階段的系統結構並沒有發生變化仍是採用插卡式。隨著PCI匯流排技術的成熟，因為其性能的優越性而採用PCI匯流排的產品逐步取代採用ISA匯流排接口的產品。國內為都出現了很多相關產品，本文採用的Decklink的非線性編輯卡就是其中的佼佼者。該類產品的特點是：視頻採集卡採用PCI匯流排與PC相連，在Windows作業系統上運用相關多媒體技術平台，開發視頻圖像處理軟體。

基於DSP或FPGA的視頻圖像處理系統

伴隨著數位訊號處理器(DSP)和現場可程式門陣列(FPGA)晶片集成度，運算性能的迅猛提高，大規模積體電路和專用積體電路的造價大幅度降低，這些晶片成為脫機圖像系統的主流處理器。在DSP技術發展較早的國家如美國TI公司在DSP市場上的主導地位使得TI公司的視頻圖像處理平台一直在世界上處於領先地位。國內的DSP技術雖然起步較晚，但近些年發展很快。90年代末就有相當套用水平的產品出現。

採用DSP晶片如TI的DSP系列來構建處理系統是運用其數學運算單元(MAC)，同時在硬體上配備不同等級的流水結構和哈佛結構來實現高速實時的數位訊號處理。但由於固定的硬體結構，流水線等級以及編程指令集的差異性使得DSP在開發過程中仍存在一些缺陷。

採用可程式邏輯器件FPGA來構建處理系統相比DSP就顯得較為靈活。因為其較好的邏輯器件的基礎，可以用來定製各種專用電路，擺脫了專用晶片的束縛。開發人員在開發過程中可以靈活的使用其強大的邏輯資源和暫存器資源來實現自己的設計理念。同時，FPGA擁有比DSP更為強大的計算速度，並行執行硬體的方式可以應對大量的高速電子線路的設計需求。隨著半導體工藝的進步加速了FPGA成本的降低，並使其性能顯著提高，進一步縮短設計周期，減少了開發成本。

從目前的發展現狀來看，在沒有特殊限制的場合中，通用的視頻圖像處理系統的構建仍然以計算機+視頻採集開為主流配置，主要是因為視頻採集卡和計算機硬體性能的不斷提升以及PCI匯流排的高速吞吐能力。專用的視頻圖像處理系統將主要構建於大規模積體電路之上，主要代表仍然是DSP和FPGA平台。隨著半導體技術的迅速發展，專用的視頻圖像處理系統的開發與套用將會發展到更加細分更高的水平。

套用

(1)航天航空方面。主要運用在太空成像、飛機遙感和衛星遙感技術中。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須採用圖像處理方法。現在世界各國都在利用衛星所獲取的圖像進行資源調查，災害檢測，資源勘察，農業規劃和城市規劃等。在氣象預報和對太空其它星球研究方面，圖像處理技術也發揮了相當大的作用。

(2)生物醫學工程方面。主要用於CT技術和對醫用顯微圖像的處理分析，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析，癌細胞識別等。此外，在X光肺部圖像增晰、超音波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫學診斷方面都有廣泛的套用。

(3)通信工程方面。主要用於聲音、文字、圖像和數據結合的多媒體通信，具體地講是將電話、電視和計算機以三網合一的方式在數字通信網上傳輸。其中以圖像通信最為複雜和困難，因圖像的傳輸數據量十分巨大，要高速率地將數據實時傳送出去，必須採用圖像處理技術中的編碼技術來壓縮信息的比特量。

(4)工業工程方面。主要用於如自動裝配線中檢測零件的質量、並對零件進行分類，印刷電路板疵病檢查，彈性力學照片的應力分析，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環境內識別工件及物體的形狀和排列狀態，工業視覺等。還有智慧型機器人的研發。

(5)軍事公安方面。主要用於飛彈的精確制導，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統，飛機、坦克和軍艦模擬訓練系統等；公安業務圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑑別，不完整圖片的復原，以及交通監控、事故分析等。目前己投入運行的高速公路不停車自動收費系統中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處理技術成功套用的例子。