| |
Цифровая обработка видеоизображений
Всеволод Кисилев
В эпоху компьютерных технологий для решения многих прикладных
задач в самых различных областях человеческой деятельности (наука,
промышленное производство, медицина, кинематография и т.д.) требуется
провести оцифровку видеосигнала, т.к. изображение, представленное
в цифровом виде, проще и быстрее обрабатывать (редактировать)
и легче хранить.
Контроллеры оцифровки (грабберы) видеоизображения позволяют произвести
захват и анализ сигнала, несущего визуальную информацию. Как правило,
они представляют собой встраиваемые платы, подключающиеся к одной
из компьютерных платформ, например ПК. Платы видеозахвата преобразует
исходное изображение источника видеосигнала в поток данных, которые
могут храниться в цифровом виде, а также обрабатываться, анализироваться
и отображаться на экране монитора. Видеосигнал может поступать
от самых различных источников: видеокамеры, видеомагнитофона,
телевизионного тюнера, рентгеновского оборудования, электронных
сканирующих микроскопов, ЯМР-спектрометров и многих других. Эти
источники могут давать композитный (полный) видеосигнал, содержащий
яркостную и цветоразностную (в случае цветного видео) составляющие,
а также сигналы синхронизации или компонентный видеосигнал, когда
различные составляющие сигнала передаются по отдельным линиям
(как, например, в случае S-Video, когда яркостный и цветоразностный
сигналы передаются раздельно). Кроме того, цветные видеосигналы
могут иметь одну из трех принятых в мире стандартных систем кодирования
цвета, - NTSC, PAL, SECAM, или их разновидности.
Оцифрованное изображение, полученное в результате видеозахвата,
приобретает дополнительно следующие параметры:
- разрешение, которое определяет количество элементов изображения
и выражается количеством точек (пикселей) по горизонтали и вертикали
(256x256, 640x480, 768x576 и др.);
- отношение ширины пикселя к его высоте (обычно это 1:1, но бывают
и другие, например, 4:3);
- глубина представления цвета; определяет количество цветов или
оттенков одного цвета, измеряется в битах (8 бит - 256 цветов
(оттенков серого для монохромного изображения), 10 бит - 1024,
16 бит - 65.536);
- частота кадров (Frames Per Second - FPS), скорость с которой
кадры сменяют друг друга за единицу времени, обычно за секунду.
25 кадров в секунду хватает для того, чтобы изображение было плавным,
без скачков.
 Рис.
1. Обобщенная блок-схема граббера
Контроллеры оцифровки видеоизображения бывают различных типов,
различаются по размерам и форме, но, несмотря на разницу в дизайне
и характеристиках, они, с небольшими исключениями, имеют общие
принципы функционирования. Их приблизительная схема работы представлена
на рис.1
Прием видеосигнала
"Передний край" платы - это блок, на который приходит
сигнал с подключенного устройства. Большинство контроллеров видеооцифровки
имеют встроенный мультиплексор - электронный переключатель, который
позволяет выбирать один из нескольких видеовходов. Таким образом,
к некоторым платам можно подключить до четырех источников видеосигнала.
Вдобавок, для выполнения определенных задач многие монохромные
грабберы имеют так называемый "цветовой барьер" или
фильтры цветности. Необходимость получения монохромного изображения
от цветного источника обосновывается тем, что цветная составляющая
сигнала может являться причиной интерференционных узоров, которые
снижают качество картинки. Фильтры цветности удаляют цветовую
составляющую для более качественного приема сигнала и более точного
его анализа.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой
Аналого-цифровой (АЦ) преобразователь превращает входящий видеосигнал
(имеющий аналоговый вид) в цифровые данные, с которыми может работать
компьютер. Так как преобразование происходит в режиме реального
времени, используются конвертеры, работающие на частоте 20 МГц
и выше. Надо учесть, что их производительность сильно зависит
от блока хронометража и синхронизации (timing & synchronization
circuitry), ибо именно этот блок отвечает за точное выполнение
конверсии.
Некоторые контроллеры имеют возможность программной настройки
параметров диапазона приема сигнала (изменение заданных по умолчанию
значений), это помогает получить лучшую по качеству картинку при
обработке сигнала малой мощности. Возможность тонкого тюнинга
порта приема точно под характеристики входящего сигнала позволяет
добиться более точной оцифровки.
Синхронизация
Этот блок состоит из схем хронометража, синхронизации и управления
приемом изображения. Вместе с блоком конверсии они составляют
"сердце" контроллера оцифровки. Схема хронометража может
работать, как на фиксированной частоте (в случае контроллеров,
которые принимают видеосигналы стандартных форматов), так и на
частотах, задаваемых программно (в случае контроллеров, принимающих
нестандартные видеосигналы, - сигналы малораспространенных кодировок).
Работа схемы хронометража жестко связана с работой схемы синхронизации,
которая согласует такты схемы хронометража и импульсы входящего
видеосигнала.
 Видеокамера
и плата для видеозахвата
Платы оцифровки могут иметь дополнительную схему синхронизации
на случай видеосигналов, имеющих малое отношение сигнал/шум и/или
не жестко зафиксированную, меняющуюся со временем, частоту. Эти
схемы восстанавливают поврежденную/измененную частотность импульсов
путем добавления пропущенных импульсов и игнорируя дополнительные.
Такие схемы чрезвычайно полезны для получения чистого изображения
от сильно "шумящих" источников сигнала, таких как видеомагнитофоны
или камеры, передающих сигнал по очень длинному кабелю.
Схема управления приемом изображения позволяет внешним сигналам
включать и подготавливать плату для захвата входящего сигнала.
Подобные сигналы зачастую связаны с какими-либо процессами, такими,
как движение объектов съемки по конвейеру, или другими промышленными
ситуациями. Эта схема необходима там, где нужна только периодическая
работа платы, а не постоянная.
Обработка изображения
Блок обработки изображения формирует данные после того, как картинка
была оцифрована АЦ-конвертером. Таблицы перекодировки (Look-Up
Tables - LUTs) используются для обработки данных изображения и
обычно бывают двух типов: входные (Input LUTs - ILUTs) и цветовые
(Palette-matching LUTs). Входные таблицы перекодировки используются
для изменения цифровых данных изображения в реальном времени,
а также для инверсии и изменения значений шкалы полутонов (шкалы
оттенков серого цвета). Конечно, после того, как изображение будет
передано в компьютер, все эти операции можно осуществить, используя
программное обеспечение, но с помощью аппаратных средств платы
это будет сделано намного быстрее. Цветовые таблицы перекодировки,
которые часто присутствуют в монохромных контроллерах оцифровки,
используются для управления цветовой палитрой компьютера для того,
чтобы запущенные программы не отображали монохромные изображения
с цветовыми аберрациями.
Схема масштабирования и выделения позволяет уменьшить цифровое
изображение (а в некоторых случаях - увеличить) как по оси x,
так и по оси y перед тем, как переслать его в компьютер. Выделение
позволяет выбрать интересующий участок изображения, например,
штрих-код на упаковке, и не учитывать все оставшиеся данные. Управление
размером и выделение нужной части изображения уменьшает время
обработки и передачи информации. Это необходимо для приложений,
которые критичны ко времени, когда требуется обработать много
объектов, например, изделий на конвейерной ленте или автоматизированной
линии.
Взаимодействие с шиной PCI
Блок взаимодействия с шиной PCI управляет передачей цифровых
данных по шине PCI, которая имеет разрядность 32 бита и является
стандартным внутренним интерфейсом для большинства современных
компьютеров. При работе с видеоприложениями для управления большим
объемом данных и обеспечения наибольшей из возможных полосы пропускания
обычно требуется технология bus master, которая позволяет передавать
данные со скоростью до 132 Мб/с. После того, как данные пересланы
в системную память, они могут быть обработаны и проанализированы.
Управление камерой
Блок управления генерирует сигналы, необходимые для настройки
и контроля работы камеры, с которой снимается изображение. Сигналы
могут содержать информацию о горизонтальной и вертикальной синхронизации,
частоте обновления изображения или команду о сбросе текущих настроек.
Таким образом, этот блок позволяет устанавливать такие параметры
работы камеры, которые требуются для различных приложений.
Цифровой ввод/вывод
Блок цифрового ввода/вывода позволяет контроллеру ввода/вывода
обмениваться данными с внешними устройствами, используя транзисторно-транзисторную
логику (Transistor-Transistor Logic - TTL). В большинстве случаев
задачи управления промышленными процессами требуют именно данного
типа совместимости. Платы оцифровки, которые имеют блок цифрового
ввода/вывода, экономят затраты и силы, которые в противном случае
были бы потрачены на покупку, инсталляцию, программирование и
подсоединение отдельного контроллера цифрового ввода/вывода.
Некоторые аспекты работы контроллеров
оцифровки видеоизображения
Точность или эстетика
В зависимости от целей производителя при создании платы могут
быть использованы различные технологии, поскольку создано большое
количество схем, которыми она может комплектоваться. Контроллеры
оцифровки бывают двух типов: предназначенные для промышленных
и научных приложений или для работы в области мультимедиа. Грабберы,
использующиеся в научных целях или для контроля процесса производства,
конвертируют видеосигнал с наибольшей возможной точностью, внося
минимальные искажения. Мультимедийные контроллеры сначала конвертируют
сигнал, а затем в эстетических целях изменяют его так, чтобы картинка
была более привлекательной. Из-за совершенно различных областей
применения контроллеры двух разных типов не могут быть взаимозаменяемыми,
хотя некоторые производители мультимедийных плат подают их, как
"универсальное" решение для всех видов приложений. Мультимедийный
контроллер компонуется таким набором микросхем, которые значительно
изменяют видеоинформацию, тем самым внося большое количество артефактов
и шума. Эти изменения, которые не присутствуют в изначальном сигнале,
могут привести к ошибкам измерения на последующих стадиях обработки
и анализа информации. При использовании таких контроллеров в приложениях,
которые требуют высокой точности (технологические измерения, микроскопия,
инспектирование целостности поверхностей), внесенные изменения
могут привести к ложным результатам.
Входное сопротивление канала
Некорректное значение входного сопротивления может привести
к отражению сигнала, что приведет к искажению входящей видеоинформации
(ее дублированию на экране). Чтобы такого не произошло, нужно
убедиться, что входной импеданс составляет 75 Ом. Это значение
совпадает с выходным сопротивлением видео источников, и поэтому
не будет являться причиной появления дефектов изображения.
Фильтрование входящего сигнала
Фильтры цветности, которые используются в монохромных грабберах
для удаления цветовой составляющей из видеосигнала, позволяют
произвести качественный прием и более точный анализ информации.
Однако, если данные фильтры спроектированы неверно, они удалят
и дополнительную информацию, которая необходима для получения
детализированного изображения. Поэтому нужно удостовериться, что
плата оснащена высококачественными фильтрами, которые не сужают
полосу пропускания и удаляют только цветовую информацию.
Уровень вносимых ошибок
Если блоки приема и конверсии сделаны с ошибками, то они вносят
помехи, сильно искажающие видеоданные. Самыми важными являются
две характеристики вносимого платой шума: суммарная нелинейность
и среднеквадратичное отклонение, которые измеряются в единицах,
называющихся lsb (Least Significant Bit - младший значимый разряд).
Lsb характеризует точность цифрового представления серых тонов.
Суммарная нелинейность характеризует отклонение серого цвета,
полученного контроллером, от серого цвета исходного изображения,
а среднеквадратичное отклонение - помехи, вносимые схемами платы.
Чем меньше величины обеих характеристик, тем выше качество работы
контроллера. Если они не превы-шают 0,5 lsb, то это значит, что
данный граббер является превосходным инструментом для оцифровки
изображения.
Время отклика и точность оцифровки
При конверсии входящих видеоданных контроллеры оцифровки должны
синхронизировать свои тактовые импульсы с импульсами входящего
видеосигнала. Величина, которая характеризует несогласованность
схемы хронометража с тактированием потока данных, называется временным
сдвигом и обычно измеряется в наносекундах. Наличие несогласованности
приводит к неправильному выстраиванию горизонтальных линий (и,
следовательно, к неверному позиционированию пикселей), что в свою
очередь нарушает целостность всего изображения. Неточность расположения
пикселей приводит к неточным результатам измерений. Чем больше
временной сдвиг, тем больше искажения. У высококачественных грабберов
он составляет ±4 нс. максимум ( ±2,5 нс. в среднем).
Соотношение сторон пикселя
У разных видов кодировок сигнала соотношение длины пикселя к
его высоте может различаться. Так в формате RS-170 стороны соотносятся,
как 4:3. Отношение сторон пикселя тесно связано с процессом обработки
изображения. У многих контроллеров оцифровки, работающих с частотой
60 Гц, это соотношение равно 5:4, тогда у большинства грабберов,
работающих с частотой 50 Гц, оно равно 3:2. Остальные платы захвата
видеоизображения позволяют задавать отношение сторон пикселя программным
путем. В том случае, когда картинка принимается и отображается
с одинаковым соотношением сторон пикселя, оно не играет большой
роли, форма объектов не искажается, квадраты остаются квадратами,
а окружности - окружностями. Соотношение сторон пикселя следует
принять во внимание при выполнении некоторых специальных операций,
таких как определение площади участка изображения путем подсчета
элементов, его составляющих, или изгиб выбранной области картинки.
Кроме того, отношение длины и высоты пикселя важно, когда конечное
изображение должно удовлетворять графическим стандартам, поэтому,
если приложение требует точного "попиксельного" измерения,
следует убедиться, что графические элементы изображения являются
квадратными (имеют соотношение сторон 1:1).
Программное обеспечение для работы с грабберами
Демо-программы и мини-приложения
В большинстве случаев вместе с контроллерами оцифровки поставляются
сопутствующие программы. Обычно это демо-версии или мини-приложения.
Демо программы помогают быстро запустить и настроить под конкретную
задачу контроллер оцифровки. В дополнение к основным функциям
обработки изображения они позволяют произвести полную диагностику
функционирования платы. Функции мини-приложений отличаются от
функций демо-программ. Они позволяют задействовать многие функции
платы видеозахвата и сохранять оцифрованное изображение в разных
файловых форматах. При выборе контроллера оцифровки стоит узнать,
каким программным обеспечением он комплектуется и определить,
насколько оно будет полезно для решения стоящих задач.
Программы для разработчиков приложений
При разработке программных приложений время является очень важным
фактором (особенно, когда требуется тесное взаимодействие программ
и аппаратных средств), т.к. надо не только быстро написать программу,
для начала эффективной работы, но в некоторых случаях и не опоздать
с ее выходом на рынок. Чтобы интеграция платы видеозахвата прошла
как можно легче, нужны поддержка требуемых функций операционной
системой и соответствующие программные инструменты. Ниже приведен
список примеров, освещающих тему упрощения интеграции граббера
и приложения.
- при разработке программных приложений на С нужно узнать о наличии
драйверов под выбранную ОС и комплектов средств разработки (Software
Development Kit-SDK) для программистов;
- для создания приложений под Visual Basic или Visual C++ необходимы
драйверы для выбранной ОС и управление потоками ActiveX;
- в случае модернизации системы или изменения типа контроллера
(на цветной или цифровой), а также использования нескольких грабберов
разных типов в одном компьютере одновременно, нужно, чтобы драйверы
для всех плат поддерживали один и тот же модульный, не привязанный
к конкретным аппаратным средствам, протокол или API (API - Application
Programming Interface). Это позволит использовать одни и те же
команды и функции для всех контроллеров, что значительно облегчит
переход с одного типа грабберов на другой, т.к. не придется переписывать
программный код. Кроме того, драйверы должны поддерживать одновременную
работу нескольких контроллеров.
На этом обзор общих принципов работы плат видеозахвата закончен.
Ниже мы приведем несколько конкретных примеров решения различных
прикладных задач с помощью контроллеров оцифровки видеоизображения,
произведенных компанией Data Translation, - одного из лидеров
на рынке грабберов и программного обеспечения для них.
Немного о компании Data Translation. Она уже достаточно давно
(более 20 лет) занимается разработкой, производством и продвижением
широкого спектра продуктов, служащих для оцифровки как аналогового
видеосигнала, так и других. Все контроллеры различаются по производительности,
ценовой категории, интерфейсу и областям применения. Кроме плат
оцифровки и драйверов для них, Data Translation выпускает различное
программное обеспечение для работы с ними. Это могут быть как
собственные разработки, так и приложения, позволяющие работать
с ее контроллерами программам сторонних производителей (например,
DT-LV Link - программа, позволяющая пользователям LabVIEW (разработчик
National Instruments) работать со всеми PCI-платами для оцифровки
аналогового сигнала, произведенными фирмой Data Translation, в
операционных системах Windows 9x и NT). Главной чертой стратегии
разработки программного обеспечения Data Translation является
DT-Open Layers - набор правил программирования для разработки
интегрированных модульных программ под Microsoft Windows. DT-Open
Layers был разработан для пользователей, которые нуждаются в легком
обновлении их ПО для добавления поддержки новых аппаратных средств
и новых функций. Приложения, разработанные согласно стандартам,
подобным DT-Open Layers, облегчают замену плат и добавление новых
возможностей.
Ускорение кардиологического обследования с помощью плат оцифровки
Пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями обычно обследуют
методом погружения катетера в область сердца. На конце зонда помещается
маленькая камера, изображения от которой используются кардиологами
для постановки диагноза. В устаревших медицинских системах изображения,
получаемые от камеры, записывались на 35 миллиметровую пленку,
которую по окончании исследования нужно было обрабатывать. Только
по прошествии 40 минут ее можно было зарядить в проектор. В экстренных
случаях, когда пациенту требовалась безотлагательное лечение,
драгоценное время тратилось на обработку пленки. Кроме того, у
традиционной процедуры есть еще один недостаток - она относительно
дорога, потому что стоимость пленки может составлять несколько
десятков долларов США. Больница средних размеров обычно производит
несколько тысяч подобных процедур в год. Нетрудно подсчитать,
насколько недешево это стоит.
 Интерфейс
программы видеозахвата для контроля производства полупроводниковых
схем
Компания ComView Corp., являясь производителем приложений для
оцифровки изображения в области радиологии и кардиологии, разработала
электронную систему, позволяющую врачам записывать процесс исследования
сердца, не используя пленку. Система WriteStar является персональным
компьютером, который получает изображение со скоростью 30 кадров
в секунду и сохраняет его либо на диске локальной сети, либо на
CD-ROM'е. Фильм может быть просмотрен в режиме реального времени
или сразу после окончания процедуры. ПК получает данные от контроллера
оцифровки DT3152 производства компании Data Translation. Это монохромный
PCI граббер с настраиваемым режимом приема (variable-scan). Результаты
исследования могут быть без затруднений просмотрены в любое время,
это может потребоваться для повторной диагностики или сравнения
с ранее проведенными тестами. По заявлению компании ComView, она
остановила свой выбор на контроллере DT3152, потому что он отлично
подходит для задач по оцифровке монохромного изображения и делает
ее с высокой точностью.
Анализ производства полупроводниковых микросхем в режиме реального
времени
Интегральные микросхемы производятся путем послойного покрытия
определенными материалами рифленой подложки, состоящей, как правило,
из арсенида кремния или галлия. Физические характеристики подложки
и каждого слоя критически важны для успешного создания чипа. Часы
или даже дни могут быть потрачены впустую, если создающаяся схема
будет сделана на подложке с дефектом. Для проверки ее целостности,
а также точности нанесения слоев, часто используется технология
рассеивания электронного пучка. Электронный пучок сталкивается
с рифленой подложкой, находящейся в вакууме, электроны ударяются
о поверхность, отражаются от нее и попадают на покрытый фосфором
экран, образуя дифракционную картину. Проанализировав эту картину,
можно определить структурную целостность и степень беспорядка
в наенсении слоев производимого чипа.
Системный интегратор k-Space Associates преобразовал и улучшил
систему анализа картин электронной дифракции. kSA 400 - это система
на базе ПК, которая позволяет в режиме реального времени исследовать
поверхность микросхемы, расположение больших групп атомов, измерять
толщину поверхности и скорость ее роста. Сердце данной системы
- это персональный компьютер под управлением Microsoft Windows
9x или NT. В этот компьютер установлен контроллер оцифровки для
шины PCI из серии плат MACH компании Data Translation (DT3152,
DT3155, DT3157). Для управления процессом обработки изображения
используется программа, написанная с помощью комплекта средств
для разработки ПО (Software Development Kit - SDK) компании Data
Translation. Компания k-Space выбрала контроллеры серии MACH,
потому что они обеспечивают точность, необходимую для научных
экспериментов, а поставляемый с ними комплект средств разработки
ПО позволяет удовлетворить все требования заказчика и использовать
созданные программы с различными платами оцифровки. Благодаря
этому k-Space создала первую коммерческую систему для анализа
дифракционных картин, образуемых рассеиваемыми электронными пучками.
Используя эту систему, производители полупроводниковых микросхем
сокращают стоимость и время разработки чипа.
Оцифровка изображения и инспектирование препаратов
Производители фармацевтических препаратов проводят тщательную
проверку своих продуктов. Например, таблетки должны иметь определенные
толщину, твердость и вес. Для жевательных таблеток и таблеток
в капсулах (с пролонгированным действием) наиболее важной характеристикой
является твердость. Чтобы определить твердость таблетки, ее раздавливают
специальными механическими тисками и измеряют приложенную силу.
Этот метод отлично подходит для идеально круглых таблеток, но
для таблеток другой формы результат будет сильно зависеть от их
ориентации. Например, для того, чтобы раздавить овальную таблетку
вдоль ее длинной оси требуется намного большая сила, чем вдоль
короткой. Автоматические системы проверки не могут ориентировать
таблетки в одном и том же направлении для каждого теста, поэтому
производителям приходится прибегать к таким приемам, как установка
таблеток вручную или проведение большого количества тестов с последующим
усреднением результатов. Эти методы экономически нецелесообразны:
они занимают много времени, и приводят к порче большого количества
готовой продукции.
Новая автоматизированная тестовая система, разработанная компанией
Elizabeth Hata International, для решения описанной проблемы использует
контроллер оцифровки видеоизображения. Тестер ElizaTest 3+ помещает
таблетки в тестовый модуль, где его снимает камера, передающая
аналоговые данные плате DT3155 - монохромному грабберу для шины
PCI, произведенного компанией Data Translation, установленного
в ПК. Специальная программа анализирует изображение и, в случае
необходимости, отдает команду модулю сориентировать таблетку в
нужном направлении. Для написания этой программы программисты
Elizabeth Hata использовали поставляемый с платой комплект средств
разработки ПО компании Data Translation. В результате получилось
законченное решение для инспектирования готовой продукции.
Целью данной статьи было рассказать об общих принципах работы
плат видеозахвата и областях их применения. Приведенные выше примеры
показывают, что применение технологий оцифровки видеоизображения,
которые распространяются все шире и шире, оказывается весьма полезным
в самых различных областях. Но самый большой плюс этих технологий
заключается в том, что из обыкновенного персонального компьютера
можно сделать мощную исследовательскую (мультимедийную) систему.
Раньше о таком можно было только мечтать.
По материалам компании Trans-Ameritech
|
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
