什么是機器視覺機器視覺系統(tǒng)在印刷包裝中的應(yīng)用

覺圖象技術(shù)縱談近年來，隨著多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，利用多媒體計算機處理視頻影象已成為現(xiàn)實。本畢業(yè)設(shè)計就是利用視頻/圖象采集卡與CCD攝像機所構(gòu)成的實時視頻采集系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控的設(shè)計。因此有必要先介紹一下有關(guān)視頻的基本知識和視頻/圖象采集卡的情況。有關(guān)視頻的基本知識根據(jù)三基色原理，在視頻領(lǐng)域利用R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三色不同比例的混合來表現(xiàn)豐富多采的現(xiàn)實世界。首先，通過攝像機的光敏器件像CCD（電荷耦合器件），將光信號轉(zhuǎn)換成RGB三路電信號；其次，在電視機或監(jiān)視器內(nèi)部也使用RGB信號分別控制三支電子槍轟擊熒光屏以產(chǎn)生影象。這樣，由于攝像機中原始信號和電視機、監(jiān)視器中的最終信號都是RGB信號，因此直接使用RGB信號作為視頻信號的傳輸和記錄方式會獲得極高的信號質(zhì)量。但這樣做會極大地加寬視頻帶寬從而增加設(shè)備成本，且這也與現(xiàn)行黑白電視不兼容，因此，在實際應(yīng)用中不這樣做，而是按亮度方程Y=0.39R+0.5G+0.11B（PAL制）RGB信號轉(zhuǎn)換成亮度信號Y和兩個色差信號U（B-Y）、V（R-Y），形成YUV分量信號。此種信號利用人眼對亮度細(xì)節(jié)分辨率高而對色度細(xì)節(jié)分辨率低的特點，對U、V信號帶寬壓縮。U、V信號還可進(jìn)一步合成一個色度信號C，進(jìn)而形成Y/C記錄方式。由于記錄時對C信號采取降頻處理，因此也稱彩色降頻方式。Y和C又可進(jìn)一步形成復(fù)合視頻（Composite），即彩色全電視信號，這種方式便于傳輸和電視信號的發(fā)射。將RGB信號轉(zhuǎn)換成YUV信號、Y/C信號直至composite信號的過程稱為編碼，逆過程則為解碼。由此可看出，由于轉(zhuǎn)換步驟的多少，視頻輸出質(zhì)量由YUV端口到Y(jié)/C端口到Composite端口依次降低。因此，在視頻捕捉或輸出時選擇合適的輸入、輸出端口可提高視頻質(zhì)量。另外，還應(yīng)提供同步信號以保證傳送圖象穩(wěn)定再現(xiàn)。視頻影像是由一系列被稱為幀的單個靜止畫面組成。一般幀率在24-30幀/秒時，視頻運動非常平滑，而低于15幀/秒時就會有停頓感。在PAL制中，規(guī)定25幀/秒，每幀水平625掃描行（分奇數(shù)行、偶數(shù)行，即奇、偶兩場，因采用隔行掃描方式）。在每一幀中，電子束由左上角隔行掃至右下角后再跳回至左上角有一個逆程期，約占整個掃描時間的8%，因此625行中有效行只有576行，即垂直分辨率576點。按現(xiàn)行4:3電視標(biāo)準(zhǔn)，則水平分辨率為768點，這就是常見的一種分辨率768*576。另外，還有一種遵循CCIR601標(biāo)準(zhǔn)的PAL制，其分辨率為720*576。對于NTSC制，規(guī)定30幀/秒，525行/幀，隔行掃描，分奇、偶兩場，圖像大小720*486。由于PAL制與NTSC制處理方式不同，因此互不兼容。確定視頻每一幀時間位置及視頻片段持續(xù)時間，使用的是專門的標(biāo)準(zhǔn)時間編碼格式SMPTE時間碼，表示為"H：M：S：F"，即"時：分：秒：幀"。PAL制與NTSC制一般都是模擬信號，視頻捕捉卡可完成對它的A/D轉(zhuǎn)換。視頻捕捉卡先對輸入視頻信號以4:2:2格式進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行量化，一般對YUV（也即對RGB）各8bit量化，因而產(chǎn)生24位真彩。由于一幀圖象數(shù)字化后數(shù)據(jù)量很大，為節(jié)省存儲空間，還要對其進(jìn)行壓縮處理。壓縮處理可分為有損壓縮和無損壓縮，而前者是以犧牲圖象細(xì)節(jié)為代價的。壓縮可由軟、硬件實現(xiàn)，后者可實現(xiàn)實時壓縮，而前者往往要在分辨率、顏色深度、幀率等方面做出一些犧牲。選擇壓縮比時，壓縮比越高，圖象質(zhì)量越差。經(jīng)過上述過程，模擬視頻即變成數(shù)字視頻，而這一過程的逆過程即可實現(xiàn)數(shù)字視頻的解壓縮與回放。另外，利用某些視頻捕捉卡的輸入、輸出設(shè)置，能簡單地實現(xiàn)PAL制與NTSC制的轉(zhuǎn)換。數(shù)字視頻經(jīng)解壓縮后，可送入顯示卡并在計算機的顯示器上顯示出來。為在計算機的顯示器上精確顯示數(shù)字視頻，必須使視頻顯示模式與數(shù)字視頻的類型相匹配。由于顯象管存在著顯示亮度信號的非線形，因此送入的圖象信號必須預(yù)先補償，這就是^ 校正，它只對中間色調(diào)產(chǎn)生影響。計算機顯示器的^ 一般為1.8，而PAL制圖象的^ 值大約也是1.8，影響不大；但NTSC制圖象的^ 值為2.2，如果不經(jīng)調(diào)整，顯示圖象就會發(fā)白。視頻/圖象處理硬件的發(fā)展、分類與特點視頻/圖象處理硬件的發(fā)展歷史圖象與視頻是兩個既有聯(lián)系又有區(qū)別的概念：靜止的圖片稱為圖象（Image），運動的圖象稱為視頻（Video）。圖象的輸入要靠掃描儀、數(shù)字照相機或攝象機；而視頻的輸入只能是攝象機、錄象機、影碟機以及電視接收機等可以輸出連續(xù)圖象信號的設(shè)備。圖象與視頻處理系統(tǒng)包括：圖象與視頻的輸入、輸出設(shè)備，通用的計算機和附加的 專用處理硬件卡。不同的應(yīng)用環(huán)境，所需要的硬件設(shè)備、軟件環(huán)境也不同。數(shù)字圖象處理技術(shù)與圖象處理系統(tǒng)是七十年代末期形成的一個獨立學(xué)科，當(dāng)時只能 處理靜止圖象，主要用于軍事、科研醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。圖象處理系統(tǒng)是為了加快處理速度而 設(shè)計的專用系統(tǒng)，在中小型計算機控制下運行。這些系統(tǒng)的規(guī)模大，價格昂貴。面向PC機的圖象處理系統(tǒng)是八十年代中后期開始出現(xiàn)的。它價格便宜，易于擴(kuò)充， 軟件豐富，因此很快得到推廣，帶動了圖象處理技術(shù)的普及。近年來多媒體技術(shù)又使視 頻處理有了新的用武之地。由于現(xiàn)代的視頻處理系統(tǒng)也具有圖象處理功能，因此有時就 不再嚴(yán)格區(qū)分視頻與圖象處理硬件了。概括起來，面向PC機的圖象、視頻處理系統(tǒng)的發(fā)展歷史已經(jīng)歷了三個階段：第一代產(chǎn)品（1990年之前）：專用圖象處理系統(tǒng)。八十年代中期，PC機上開始有圖象卡。但由于當(dāng)時主機和總線主頻低，磁盤速度、容量有限，因而限制了圖象卡的發(fā)展。這一時期的圖象卡功能單一，基本上只有圖象采集和簡單的處理功能。主要用于科學(xué)和實驗研究。這一代圖象系統(tǒng)的突出特點是一定要有一個專用的圖象顯示器與圖象卡相連，用于顯示圖象，而圖形是通過顯示卡輸出到圖形顯示器的，因此不便實現(xiàn)圖形/圖象的同屏顯示。這一時期圖象處理硬件價格昂貴，性能又不能滿足多媒體系統(tǒng)的要求（主要是沒有 壓縮功能），因此不能為多媒體系統(tǒng)所用。第二代產(chǎn)品（1991-1995年）：圖形/圖象顯示合一的多媒體系統(tǒng)。在理論上，從位圖角度看，圖形與圖象是統(tǒng)一的，完全可以采用同一個顯示器；而在多媒體中包含視頻媒體也是多媒體系統(tǒng)設(shè)計的最初目標(biāo)。在技術(shù)上，推動這一進(jìn)程的動力有兩個：一方面由于各種增強型VGA顯示控制器 和顯示卡的性能提高，使得PC機有了較高顯示分辨率，可以直接處理視頻信息了；同 時，顯示存儲器容量增加，價格下降，使得高分辨率圖形顯示卡迅速普及。另一方面是各種可編程的視頻控制芯片使視頻信號與圖形疊加變得非常容易。這些芯片有效地解決 了多制式彩色全電視信號的數(shù)字式鎖相和解碼技術(shù)，以及視頻信號與圖形信號的窗口控 制，從而使視頻信號的輸入/輸出變得簡單，設(shè)計和調(diào)試變得容易。利用這些芯片推出的視頻卡，實現(xiàn)了VGA圖形與視頻信號的疊加。另外，這類卡上一般都有聲音輸入/輸出功能，沒必要再單獨配置聲卡了。這一時期是多媒體視頻硬件發(fā)展最迅速的階段，圖形與圖象疊加問題的解決使圖象 系統(tǒng)真正為多媒體系統(tǒng)所用。各種采集卡、字幕疊加卡、壓縮/解壓縮卡、電影卡、電視卡層出不窮，迅速普及；各類標(biāo)準(zhǔn)如Video for Windows、MPEG-1、VCD1.1和VCD2.0的出臺，使得在PC機上看影音文件甚至電影成為現(xiàn)實；還有通過計算機收看電視節(jié)目的電視調(diào)諧卡（TV Tuner）、將VGA輸出信號編碼為電視信號的TV Coder等。第三代產(chǎn)品（1996年之后）：多種功能集成化的多媒體系統(tǒng)。系統(tǒng)集成是現(xiàn)代技術(shù)的主要趨勢，多媒體本身就是技術(shù)集成的產(chǎn)物。近年來，多媒 體視頻硬件主要在兩個領(lǐng)域發(fā)展。第一是與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合，由視頻采集卡附加網(wǎng)絡(luò) 通信卡構(gòu)成的多媒體視頻會議、S可視電話、視頻郵件、多媒體通信終端等。到本世紀(jì)末和下世紀(jì)初，基于寬帶多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的交互式電視（ITV）、點播電視（VOD）以及遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程電子圖書館等新技術(shù)將付諸實施，通過交互電視的機頂盒（STB）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電視購物、收看VOD節(jié)目等，最終走向電視、電腦與電信的三電合一的目的。第二方面是與影視制作技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成集壓縮/解壓縮、合成輸出、特技效果為一體的影視制作非線形編輯系統(tǒng)。視頻處理硬件最終將從高檔系統(tǒng)的選件轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的組件。視頻/圖象處理硬件的分類與特點采集功能是各種視頻卡的基本功能，對它進(jìn)行擴(kuò)充，可構(gòu)成各種檔次的視頻處理卡：從簡單視頻采集卡到專業(yè)圖象采集卡以及非線形編輯系統(tǒng)。視頻采集卡模擬圖象經(jīng)過采樣、量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖象并輸入、存儲到幀存儲器的過程，叫做采集、數(shù)字化、獲取、捕獲、捕捉、抓取、抓幀等，因此視頻采集卡也稱捕獲卡、獲取卡、視頻輸入卡等。視頻采集的模擬視頻信號源可以是錄象機、攝象機、攝錄機、影碟機等，通過視頻采集卡可將錄象帶、激光視盤等上的圖象或現(xiàn)場的圖象輸入計算機。視頻采集卡的工作方式可以是單幀采集或連續(xù)采集；可將采集的圖象序列放在內(nèi)存或磁盤上；可對圖象進(jìn)行壓縮或不壓縮。視頻輸出卡對計算機的VGA顯示卡輸出的以RGB形式表示的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成可供錄象機和電視機輸入和顯示的組合視頻信號的接口卡叫視頻輸出卡或編碼卡（TVCoder）。視頻輸出卡有三種：外置式VGA到TV視頻信號轉(zhuǎn)換器：其典型實例即為臺灣圓智Grand系列產(chǎn)品；內(nèi)置式視頻信號編碼輸出卡：這類卡已經(jīng)很少見；將編碼輸出與采集功能集成在一塊板上，構(gòu)成具有頻輸入/輸出功能的多功能卡：這類卡是當(dāng)前的主流，主要用于各種非線性編輯系統(tǒng)。壓縮/解壓縮卡解壓卡：解壓卡主要指能看VCD的MPEG解壓卡，俗稱"電影卡"。這種卡大都有音/視頻輸出端，具有動態(tài)視頻交互功能。壓縮卡：壓縮卡主要是為制作影視節(jié)目和電子出版物用的。前者采用Motion-JPEG標(biāo)準(zhǔn)，壓縮比為5:1到7:1；后者采用MPEG壓縮，壓縮比為150:1到200:1。此外還有針對彩色或黑白靜止圖象壓縮的JPEG卡。電視接收卡電視卡有兩種：將高頻接收/調(diào)諧電路和視頻采集卡的功能集成在一塊板上，板上有外接天線插孔，插上天線就可收看電視；在視頻采集卡視頻輸入端接一個"高頻頭"。高檔視頻卡（非線性編輯卡）這種卡集成了視頻輸入/輸出、特技、壓縮及編輯加工等多種功能，主要用于影視節(jié)目后期制作的非線性編輯系統(tǒng)。