一、前言

當前，圖像采集和處理技術的發展十分迅速，它和計算機技術一起，在很大程度上幫助了我國進入數字化時代，越來越多的場合需要用到數字圖像技術，多樣化的圖像和視頻應用，形象生動的表達了傳統的媒體所不能傳遞的信息，結合強大的通訊網，很大程度上豐富了人民的業余文化生活。

同時由于很多行業需要使用高清圖像的實時監測和數據分析，高碼率的圖像采集方法也已經成為工業中的重要技術之一。在監控、高清電視轉播、衛星圖像傳送等領域，傳統的壓縮嚴重、碼率較低的圖像已經不能滿足當前社會發展的需求，由于軟硬件技術的飛速發展和市場的需求，高碼率甚至是無損的圖像以及視頻數據已經不是硬件資源的瓶頸所在。

發展先進的高碼率數字圖像采集和信號處理技術，成為目前科研院所和企業研究的熱點。

二、研究現狀

我國電子技術的發展滯后于西方國家，體現在核心技術上專利和技術積累的不足，近年來國家層面上對集成電路等技術的支持力度十分顯著，標志著我國芯片技術的從無到有，從弱到強。而這些硬件技術的發展，對高碼率數字圖像在內的新興行業帶來了蓬勃的生機。

成像設備的是數字圖像技術發展的基礎，我國當前生產CMOS 以及 CCD 模塊的廠家數量逐年增加，例如中安視訊公司采用 PCIe x1 接口的視頻采集卡，在兩路模擬視頻信號采集下已經可以實現 720x576x24bit 的速率，達到的水平也逐漸躋身國際前列[1].

但是，我們應該看到，在高清成像技術的高端市場上，索尼、尼康、蘋果、Coreco 等老牌的圖像廠商無論是在硬件核心器件，還是在后期圖像的算法處理上，都處于絕對的領先地位。Coreco 的一款圖像采集卡系列甚至達到了 1GB/s 的高速數據量吞吐。但是，中國市場的巨大帶來的研發熱潮是其他國家和地區所不能比擬的，處于高速發展時期的中國，無論是在高清電影拍攝等民用或者工業市場，還是在國防、勘探等關系到國家利益的重大層次，都對高碼率的圖像采集和處理技術保持著研發的熱情。

三、高碼率圖像采集處理的技術實現要求

全高清時代的到來，使得硬件設備更新換代的速率不斷提高。傳統的低碼率圖像傳輸使用場合受到的限制越來越多，而對傳統設備和技術的改進是一項巨大的工程，特別是我國這樣龐大的一個基數量級。設計和研究高碼率的圖像采集和處理技術，需要注意以下幾點：1、系統的開放性以及兼容性：眾多的老設備不可能在很短的時間內迅速更換，要最大程度的保留兼容的解決方案，同時，采用開放的系統接口，滿足不同設備的最低開銷的使用；2、技術實現下的經濟效益最優化：在滿足技術指標的同時，盡可能使用性價比高的設備以及容易實現的軟件方案，保證系統的實用性和經濟性；3、靈活的框架以及維護的便捷性：高碼率圖像采集和處理技術的核心部件價格昂貴，用戶可以根據需求選擇外部組件的配合使用，保證了物盡其用。同時，靈活的框架允許維護的過程更加簡單，節約了人力物力；4、安全性和穩定性：圖像數據大部分存儲在機器本地，需要進行嚴格的分級加密保存和提取。但是涉及到需要使用網絡進行遠程傳輸的信號，需要算法加密，防止信息截取。

四、高碼率圖像采集處理技術的方法研究

隨著電子技術和大數據時代的激發，圖像以及視頻處理領域對更大的數字信號數據量的存儲和處理需求提出了更高的訴求。一般的，高碼率數字圖像的采集涉及到很大的數據帶寬，這就需要很高的信號處理芯片級別，傳統的單片機肯定是無法滿足要求的，多數情況下，使用 ARM 處理器，嵌入式的Linux 系統以及高速的 DSP+FPGA 方案實現[2].

硬件方面，高碼率的圖像信號采集和處理技術主要基于FPGA 和高速并行 DSP 處理器完成數字信號的檢測和處理，同時對硬件的設計加以優化，對程序控制中的時序進行嚴格把控，使系統的穩定度和處理效果達到較好的水準。在高速信號處理過程中，信號的傳輸質量始終關系到整個系統的運行。

傳統的單端信號傳輸方式，功耗和速度都已經難以適應芯片的發展。采用高速差分信號傳輸，是一種抗共模干擾能力很強的新型數據傳輸方案。LVDS 是滿足 FPGA和 DSP 之間高速高效數據傳輸的常見的差分接口，主要用于諸如高清視頻轉發、遙感數據采集等高速數據傳輸連接之中，是一種低壓、差分信號的傳輸[3].LVDS 規定了驅動器和接收器的電氣特性。使用 LVDS 的模數轉化器，不僅可以保證其高性能的轉化，并且能夠實現高速數據傳輸。

在高清電影拍攝、高清視頻實時轉播、衛星圖片傳輸等系統采用的高碼率傳輸設備，數據量可以達到甚至是超越Gbps,這就需要除了控制硬件采集信號的質量之外，對軟件算法不斷加以優化。在視頻壓縮與編碼部分，不同的壓縮算法決定了圖像的質量和編碼效率。在 DSP+FPGA 的高碼率圖像數據采集和處理方案中，軟件系統采用合適的無損 / 有損壓縮，配合優化的通訊協議和存儲規則。[4]

在 FPGA 上實現實時的高速算法，確保成像質量。

五、結語

數字圖像技術的誕生是人類歷史上值得紀念的一項偉大技術，伴隨著圖像采集和存儲的發展，特別是隨著計算機技術的突飛猛進，高碼率圖像信號采集和處理技術不斷發展?，F代工業測控領域很多應用中需要將高碼率的圖像數據信號實時地接收、處理并存儲，如工業監控圖像數據采集、雷達視頻回波信號數據采集 , 以及衛星圖像數據信號的采集等。

本文研究了高碼率圖像采集處理的關鍵技術，具有一定的現實指導意義。

參考文獻：
[1] 吳振鋒 . 基于 FPGA 的 Camera Link 相機圖像采集及處理技術研究 [D]. 哈爾濱工業大學,2013.
[2] 曾霞霞，張小進 - 嵌入式系統視頻圖像壓縮技術的研究，《唐山學院學報》，[J]2010
[3] 彭加進 . 基于 JPEG 圖像壓縮的嵌入式視頻采集處理系統 [D]. 河海大學 ,2007.
[4] 匡炎 . 基于 FPGA 和 DSP 的圖像采集處理系統的研究與實現 [D]. 華南理工大學 ,2010.