基于DS-4004HC圖像采集卡的二次開發(fā)新技術(shù)

時間：2009-06-25 10:28:44

關(guān)鍵字：圖像采集卡 HC BSP 軟件

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[導(dǎo)讀]為實現(xiàn)激光光斑圖像的高速采集，利用DS-4004HC圖像采集卡配置CCD探測器，并且通過動態(tài)地分配和控制計算機(jī)內(nèi)存的空間，對其添加軟件觸發(fā)新功能，開發(fā)了圖像采集系統(tǒng)，給出了在VC++6．O環(huán)境下利用圖像采集卡進(jìn)行用戶二次開發(fā)的主要流程和關(guān)鍵技術(shù)。實驗表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)單發(fā)或連續(xù)的高速采集激光光斑圖像，響應(yīng)時間短，可靠性高。

二次開發(fā)技術(shù)主要有三類：TWAIN標(biāo)準(zhǔn)接口庫，VFW標(biāo)準(zhǔn)接口庫，SDK接口庫。TWAIN函數(shù)庫接口編程應(yīng)用范圍廣，但開發(fā)者須了解Twain標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求和編寫流程，VFW是微軟的標(biāo)準(zhǔn)視頻采集存儲接口，也須對這種標(biāo)準(zhǔn)要求有深入的了解，兩種方法均不便于一般開發(fā)者應(yīng)用。SDK接口庫是由廠商提供的自定義函數(shù)庫，可實現(xiàn)對圖像的采集、存儲和控制等功能，應(yīng)用較為方便。本系統(tǒng)采用?？低晹?shù)字技術(shù)有限公司DS-4004HC圖像采集卡，利用廠商提供的SDK接口庫，并且通過對其添加軟件觸發(fā)的新技術(shù)，實現(xiàn)了激光脈沖圖像的高速采集。

1 圖像卡概述
1．1 DS-4004HC卡的技術(shù)參數(shù)及功耗
    視頻輸入接口：BNC插座；視頻輸入阻抗：75Ω；視頻輸入幅度：Vp-p=1．O V；每個芯片功耗：1．9 W左右；整塊卡功耗：<3．5 W；采集幀率范圍：1～25幀／s(PAL)，1～30幀／s(NTSC)。
1．2 圖像采集卡的工作原理及流程
    CCD探測器輸出的模擬視頻圖像經(jīng)多路切換器、解碼器、A／D變換器，將數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖器。經(jīng)裁剪、比例壓縮及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，由內(nèi)部控制圖形覆蓋與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)位置(顯存或計算機(jī)內(nèi)存)由軟件確定。
    圖像采集卡進(jìn)行圖像采集的工作流程如圖1所示。

一般情況下，圖像卡的開始操作和初始化參數(shù)設(shè)置最好在用戶應(yīng)用程序初始化中完成，圖像卡的結(jié)束操作應(yīng)在應(yīng)用程序退出前執(zhí)行。圖像卡采集圖像數(shù)據(jù)，不占用計算機(jī)CPU時間，支持圖像的實時處理。采集圖像到屏幕和采集圖像到內(nèi)存的操作不能同時進(jìn)行，即同一時刻圖像卡只能采集圖像到屏幕，或者到內(nèi)存。
1．3 采集卡的應(yīng)用接口函數(shù)
?？低旸S-4000HC采集卡SDK接口庫提供了應(yīng)用功能模塊。包括對圖像采集卡的控制，采集圖像到屏幕或內(nèi)存，錯誤處理，采集圖像到屏幕控制，采集圖像到內(nèi)存控制，數(shù)據(jù)傳遞等功能。提供的文件如表1所示。

2 用VC++6．0實現(xiàn)對圖像的采集
    應(yīng)用接口庫支持VC++，VB等32位編程開發(fā)工具進(jìn)行二次開發(fā)。本系統(tǒng)選用的是VC++6．0編程工具。
2．1 創(chuàng)建應(yīng)用程序
    用VC++6．0工具創(chuàng)建一個基于MFC的基本對話框應(yīng)用程序——圖像采集，把SDK接口庫提供的4個文件拷貝到應(yīng)用程序所在目錄下。在程序中包含相關(guān)的頭文件(．h)，并將引入鏈接庫文件(．lib)加入到工程文件中，供編譯程序在鏈接時使用。添加所要實現(xiàn)的功能控件，最終讓圖像在程序界面中實時顯示。
2．2 程序的初始化及參數(shù)設(shè)置
    在采集圖像前必須對圖像卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，才能使圖像采集卡正常工作，以下給出了DS-4004HC卡中的參數(shù)設(shè)置接口：
    (1)設(shè)置圖像卡視頻信號制式，包括PAL制和NTSC制。在設(shè)置制式時，圖像卡視頻輸入／輸出窗口的大小和視頻信號的行正程起始點(diǎn)，場正程起始行，也要做相應(yīng)的調(diào)整。函數(shù)原型如下：
    int_stdcall SetDefauhVideoStandard(VideoStan-dard_t VideoStandard)；
    參數(shù)VideoStandard_t VideoStandard為視頻制式，默認(rèn)為PAL，成功返回0。
    (2)設(shè)置視頻的預(yù)覽模式。函數(shù)原型如下：
    int_stdcall SetPreviewOverlayMode(BOOLbTrue)；
    參數(shù)BOOL bTrue表示是否設(shè)置Overlay預(yù)覽方式，返回值為0表示顯卡支持板卡的Overlay預(yù)覽方式。
    (3)設(shè)置圖像卡的視頻信號源路，DS-4004HC有4路通道。
    (4)設(shè)置視頻信號輸入位置。函數(shù)原型如下：
    int_stdcall SetlnputVideoPosition(HANDLEhChannelHandle，UINT x，UINT y)；
    參數(shù)HANDLE hChannelHandle為通道句柄，(x，y)為系統(tǒng)處理圖像的左上角在CCD輸入的原始圖像中的坐標(biāo)，x，y必須設(shè)置為2的整倍數(shù)，默認(rèn)值為(2，8)。函數(shù)調(diào)用成功返回0。
    (5)設(shè)置通道分辨率格式。函數(shù)原型如下：
    int_ stdcall SetEncoderPictureFormat(HANDLEhChannel Handle，PietureFormat_t PictureFormat)；
    參數(shù)HANDLE hChannelHandle為通道句柄，Pic-tureFormat t PictureFormat為編碼圖像分辨率格式(4CIF，DCIF，2CIF，CIF，QCIF)，成功返回0。
    (6)設(shè)置碼流的最大比特率及碼流的控制模式。函數(shù)原型如下：
    int_stdcall SetupBitrateControl (HANDLEhChannelHandle，ULONG MaxBps)；
    用以設(shè)置編碼的最大比特率，函數(shù)int_stdcallSetupBitrateControl(HANDLE hChannelHandle，Bitr-ateControlType_t bre)用以設(shè)置碼流控制方式。參數(shù)HANDLE hChannelHandle為通道句柄，ULONGMaxBps為最大比特率，BitrateControlType_t brc為碼流控制方式，分為變碼率(brVBR)和恒定碼率(brCBR)兩種方式。MaxBps設(shè)為0時碼流控制無效，設(shè)為其他某值時，當(dāng)編碼碼流超過該值，DSP會自動調(diào)整編碼參數(shù)不會超過此最大比特率，低于該值，DSP不進(jìn)行干涉。Brc設(shè)為brVBR時，MaxBps將作為上限，由DSP自動控制碼率，一般會自動回落到最低狀態(tài)，能最大程度降低帶寬和存儲空間；設(shè)為brCBR時，以MaxBps作為恒定輸出碼率，存儲容量可根據(jù)設(shè)定碼率大小進(jìn)行估算。兩函數(shù)配合使用，成功均返回0。
    (7)設(shè)置圖像的質(zhì)量。函數(shù)原型如下：
    int_stdeall SetDefaultQuant(HANDLE hChan-nelHandle，int IQuantVal，int PQuantVal，int BQua-ntVal)；
    用以設(shè)置圖像質(zhì)量，參數(shù)int IQuantVal，int PQua-ntVal，int BQuantVal分別為I，P，B幀量化系數(shù)，量化系數(shù)越小質(zhì)量越高，系統(tǒng)默認(rèn)值為18，18，23。
    (8)設(shè)置編碼幀結(jié)構(gòu)、幀率。函數(shù)原型如下：
    int_stdcall SetIBPMode(HANDLE hChannel-Handle，int KeyFrameIntervals，int BFrames，intPFrames，int FrameRate)；參數(shù)int KeyFrameIntervals為關(guān)鍵幀間隔；intBFrames，int PFrames分別為B，P幀數(shù)量；int Fram-eRate為幀率。
2．3 觸發(fā)功能的設(shè)計
    圖像采集軟件具備方便的觸發(fā)功能及操作方法是十分重要的。目前，有觸發(fā)功能的圖像采集卡多數(shù)采用外觸發(fā)模式，亦稱硬件觸發(fā)。外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號，外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號，所以外觸發(fā)信號與被測信號間應(yīng)具有周期性的關(guān)系，并且要確保外觸發(fā)信號與被測信號同步。這樣就需要添加硬件觸發(fā)電路對外觸發(fā)信號進(jìn)行控制，但是觸發(fā)電路的設(shè)計和開發(fā)都需要花費(fèi)一定的成本。
    DS-4004HC采集卡本身沒有觸發(fā)功能。為了實現(xiàn)穩(wěn)定高速的采集圖像，應(yīng)用于如高速激光脈沖圖像的采集，本系統(tǒng)添加了內(nèi)觸發(fā)模式。內(nèi)觸發(fā)模式是使用被測信號作為觸發(fā)信號。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分，符合周期及同步關(guān)系，故可以實現(xiàn)精確的采集圖像信號。本系統(tǒng)采用軟件方式實現(xiàn)內(nèi)觸發(fā)功能，亦可稱為軟件觸發(fā)。具體實現(xiàn)方式為利用函數(shù)GetOrigi-nalImage()把圖像數(shù)據(jù)采集到動態(tài)開辟的內(nèi)存塊中，判斷圖像數(shù)據(jù)的峰值是否超過采集前設(shè)置的觸發(fā)值，一旦峰值超過設(shè)定的觸發(fā)值，信號即被觸發(fā)、保存，否則即被下一幀數(shù)據(jù)覆蓋。實驗所測脈沖激光器頻率小于采集卡采集幀率(25幀／s)，采用的CCD探測器COHU-4812的幀率(大于30幀／s)大于激光器頻率。由于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)處理速度很快，實驗表明，本系統(tǒng)能實現(xiàn)激光脈沖光斑圖像的高速采集，不會出現(xiàn)漏幀現(xiàn)象。采集完設(shè)定幀數(shù)后，可根據(jù)需要把數(shù)據(jù)導(dǎo)出為bmp或jPeg格式文件。
2．4 實現(xiàn)圖像采集
    根據(jù)圖像采集卡的工作流程，以下給出實現(xiàn)采集圖像的簡單代碼：
    (1)初始化圖像卡

2．5 應(yīng)用程序發(fā)布
安裝圖像卡的設(shè)備驅(qū)動程序，并確認(rèn)安裝成功，然后將要發(fā)布的應(yīng)用程序安裝到相應(yīng)的工作目錄，接好CCD探測器，這樣程序就可以運(yùn)行了。應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

3 應(yīng)用分析
    應(yīng)用本軟件可以分析光束的質(zhì)量，如橫平面上的光強(qiáng)分布，測量光束發(fā)散角，M2因子等。
3．1 遠(yuǎn)場發(fā)散角
    在激光器光束傳輸方向加一聚焦透鏡，通過CCD探測器在其焦平面上采得激光光斑，記錄光強(qiáng)分布，如圖2所示。光強(qiáng)分布曲線I(r)上占總功率(能量)η處兩點(diǎn)間距離之半即為束寬ω，Pω=ηP總，常用的η值有86．5％，63％等。通過計算機(jī)數(shù)值圖像處理，可快速得到光束的束寬。代入θ=2ω／f，即可求得光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角，其中f為透鏡的焦距。
3．2 M2因子
    采用多點(diǎn)測量雙曲線擬合法計算M2因子，可達(dá)到較高的精度。按測發(fā)散角時測束寬的同樣方法，沿傳輸軸多次測量束寬，其中必須有5次以上位于瑞利尺寸之內(nèi)。擬合公式為ω2=Az2+Bz+C式中A，B，C為擬合系數(shù)，擬合出雙曲線的實半軸即為光束的束腰寬度ω0，代入M2因子計算公式即可。通過計算機(jī)數(shù)值圖像處理，可快速得到光束的M2因子。

4 結(jié)語
本文給出了在VC++6．O平臺上開發(fā)圖像采集卡應(yīng)用程序的主要流程和關(guān)鍵技術(shù)。依靠內(nèi)存對數(shù)據(jù)處理的快速響應(yīng)，對軟件添加了軟件觸發(fā)功能，能連續(xù)和單發(fā)高速采集脈沖光斑，不會出現(xiàn)漏幀現(xiàn)象。與具有硬件觸發(fā)功能的圖像采集軟件相比，軟件觸發(fā)不需要添加硬件觸發(fā)控制電路，節(jié)約成本，可靠性高。