1 前言

在军事和许多精密控制领域，实时视频信号采集和处理应用非常普遍。如果仅仅对标准视频信号进行实时采集，在工程实现上已经非常简单，但是在更多应用场合，实时视频采集只属于系统任务的一小部分，更重要的是对采集到的视频图像进行实时处理和分析，视频制导武器中的实时视频图像采集和消旋、太空探测过程中的图像实时采集与处理就属于这种情况。为了满足对高速视频图像的实时采集和处理，在许多场合，由于图像处理的运算量非常大，仅仅依靠软件优化很难满足系统实时性要求。近年来，随着dsp技术的飞速发展和广泛应用，许多曾经被认为难以满足的任务需求也变得日益简单方便。本文以某一实际系统开发过程中图像实时采集和消旋需求为对象，对系统开发从硬件和软件两个层面进行了详细分析，并通过实验获取了大量数据，对不同设计方案的性能进行比较，得出了可靠结论。

2 需求分析

实时图像采集和旋转处理在军事和许多高科技领域有着广泛应用。例如在某种特定的视频控制系统中，前端CCD在工作过程中一直处于定轴旋转状态，要实现对图像的实时监视和处理，首先必须对采集到的每帧图像进行实时消旋(从根本上说，消旋就是反向旋转)，然后才能进行显示和其它处理工作，按照标准视频25帧/秒的速度要求，每帧图像从获取、采集、处理到存贮和显示的时间必须限制在40ms之内。按照常规系统设计要求，系统工作流程为：利用通用图像采集卡获取CCD拍摄的图像，然后通过软件对每帧图像进行消旋，根据这一方案，进行了大量测试，具体实验条件、方案和结论如下：

硬件环境： P4 2.6G的CPU，1GDDR433内存；操作系统为平台：WindowsXP；

采集卡：大恒CG410通用视频采集卡(PCI总线时钟为33MHz)；

图像大小：768*576；图像精度：24bit彩色图像；

图像旋转算法：最邻近差值算法；

算法优化：图像变换过程中对正弦和余弦采用查表方式，在涉及浮点运算的环节采用近似移位算法代替；

其它：图像显示过程中以768*576的画板为基础，对于旋转过程中超出该区域的目标点统一在初始化过程中赋值；

结论：旋转时间约为48ms；采集和旋转时间约为66ms(如果不采用查表和近似移位方法进行优化，完成每帧图像采集和旋转时间超过150ms)。

结果表明：即使采用最邻近差值算法，对浮点运算采用查表近似处理，在Windows操作系统环境中，图像显示画板不作任何变换这种最简单的图像旋转而言，仅仅依靠软件不可能满足系统实时性要求。究其原因，主要有以下几点：

1)图像数据流经PCI总线占用的时间过长

由于常用的图像采集卡采用的都是33M时钟PCI总线结构设计，在32位机器环境中，该总线支持的理论最高通讯速率为132Mbytes/s^[2]；在使用过程，由于桥路设计及其它PCI设备占用，实际数据通过速率最多只能达到80 Mbytes/s左右，如果采集768*576的24位彩色图像，每帧图像数据流经总线的时间就高达15ms。

2)图像旋转运算量过大，占用时间过长

每帧图像旋转必须分坐标和色彩空间变换两步完成，数据运算量相当大，如果色彩空间变换采用较为复杂的差值或卷积算法，运算量会更大，仅仅依靠软件优化，难以满足系统实时性要求。

3)操作系统实时性欠佳

对普通用户而言，Windows系列操作系统的主要优势在于强大视窗功能，从操作系统底层开发而言，特别在某些对系统实时性要求较高的场合，Windows操作系统的进程管理和任务调度机制显得力不从心。一般来说，Windows操作系统的中断响应和任务切换时间处于毫秒级水平，在系统繁忙的情况下，往往会达到几十甚至上百毫秒，这种响应速度对实时图像采集和旋转处理系统来说远远不够。

4)系统设计不够紧凑，存在过多中间环节

这一方案中，图像采集与旋转(即消旋)是两个并行同步执行的进程，通过回调函数机制实现两者间同步，图像数据必须先采集经PCI总线到系统内存，然后再进行旋转处理，这种设计方式增加了图像数据的流通环节，制约了系统实时性能，同时也不符合设备模块化设计要求，影响系统可扩展性。

3 系统设计

3.1 硬件方案设计

3.2.1 图像采集处理板设计

图2　地面信息处理硬件模块原理框图

为实现系统设计模块化，将图像采集和消旋处理综合在一块硬件板卡上实现，两者间通过两个静态存贮器SRAM1和SRAM2并辅以相应控制逻辑实现接口，具体工作流程为：图像信号经采集直接通过卡内总线交替存贮到SRAM1和SRAM2中，当某一帧图像采集完成，通过控制逻辑一方面通知dsp从相应存贮器中读取数据并进行处理，同时控制将下一帧图像采集保存到另一块静态存贮中，从而实现交替存贮；dsp对采集的图像信号进行实时消旋，处理后的数据直接存放到静态存贮器SRAM3中，当某一帧图像处理结束，dsp通过PCI总线向CPU发送一个中断请求，接收到中断请求，CPU立即将存贮器中的图像数据取出保存并显示。

这一方案解决了原有系统存在的两个问题：首先，通过采用dsp处理技术，将系统工作中最复杂、最耗时的图像消旋进行最优化，提高了系统处理速度，大大缩短了每帧图像处理时间；其次，将图像采集和消旋处理集中在同一块硬件上，这种方式增加了系统集成度，减少了数据在系统总线上的流通环节，节省了操作系统和内存开销，增强了系统可扩展性。

[1] [2]  下一页