淺析監(jiān)控圖像處理系統(tǒng)的軟件結構

圖像軟件系統(tǒng)的功能

　　在現在的面向計算機內存的圖像處理系統(tǒng)里，一般采用Windows操作系統(tǒng)、PCI總線、單屏操作方式，而且又融合了圖像通信技術。當前圖像軟件系統(tǒng)一般應具有以下功能：

　　1、圖像的輸入輸出

　　圖像的輸入主要包括攝像機、掃描儀、數碼相機的圖像輸入;圖像的輸出主要包括打印機、視頻拷貝機、監(jiān)視器的圖像輸出。要實現把輸入輸出設備嵌入圖像軟件系統(tǒng)以完成圖像輸入輸出的功能，就需要調用或安裝這些設備的設備驅動程序。

　　2、圖像文件的存儲與加載

　　圖像文件的存儲是把幀存或內存的圖像儲存在磁盤上，圖像文件的加載是把磁盤中的圖像文件調入幀存或內存，這里有圖像文件格式問題，常采用通用的BMP格式等。

　　3、系統(tǒng)的管理

　　系統(tǒng)的管理可以認為是對圖像硬件系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制。如輸入通道輸出通道的切換、存貯體的選擇等。

　　4、圖像處理

　　圖像處理的種類很多，常常以大類來作為一級菜單的內容，如灰度變換、圖像編輯、圖像量測、圖像增強等。

　　5、圖像的通信

　　圖像的通信包括圖像的發(fā)送與接收，常常涉及圖像的壓縮與傳輸。一般分靜態(tài)圖像壓縮與傳輸以及動態(tài)圖像壓縮與傳輸。有兩種圖像數據源的圖像壓縮與傳輸：圖像數據來自硬盤;圖像數據來自硬件圖像系統(tǒng)。

圖像軟件系統(tǒng)的分層結構

　　通常，圖像軟件系統(tǒng)是分層構造的，圖1給出了圖像軟件系統(tǒng)的分層結構。圖中虛線框部分是圖像軟件系統(tǒng)，其中底層是硬件驅動層，主要解決和硬件的聯接問題，中間層是處理層，實現各種各樣的算法，最上面一層是數據的存儲和通信。

　　一般來說，驅動硬件設備，可以采用以下三種方法：

　　·提供高級語言調用子程序;

　　·提供可安裝的設備驅動程序;

　　·提供通用的設備驅動程序。

　　在Windows操作系統(tǒng)里，用戶可以直接安裝打印機、掃描儀等設備的驅動程序。因為在Windows操作系統(tǒng)里，已經包含了許多外設的設備驅動程序，這對用戶來說是很方便的。

圖像軟件系統(tǒng)的硬件設備驅動程序

　　圖像軟件系統(tǒng)的硬件設備驅動程序要完成如下任務：

　　·對PCI總線上設備配置空間的操作;

　　·對SAA7146內部寄存器的操作;

　　·對視頻前端子系統(tǒng)的初始化;

　　·對PC硬件中斷的維護;

　　·視頻圖像數據緩沖區(qū)的獲得;

　　·視頻圖像的實時顯示;

　　·軟件總體結構和特殊功能的實現。

從整個系統(tǒng)的數據處理流程可以看到，位于主機內的圖像數據緩沖區(qū)是數據流從外部專用硬件平臺到主機內部通用處理平臺的中轉環(huán)節(jié)。外部圖像數據經PCI總線接口控制芯片寫到緩沖區(qū)內，而內部的軟件需要從緩沖區(qū)讀數據，進行處理和顯示。

圖  圖像軟件系統(tǒng)的分層結構 視頻圖像數據的顯示問題，目前都是利用Windows API函數SetDIBitsToDevice實現圖像數據從緩沖區(qū)到顯示設備之間的傳送。絕大多數顯卡的硬件功能支持SetDIBitsToDevice，當硬件不支持時，Windows將提供經軟件模擬的SetDIBitsToDevice函數。由于有統(tǒng)一的規(guī)范，不需要關心所選用的顯卡的具體細節(jié)，同是顯示模式的問題也迎刃而解了。由于圖像數據的傳輸由顯卡的硬件完成，所以能達到很好的效果。

Windows圖像軟件系統(tǒng)的基礎結構

　　在Windows操作系統(tǒng)且采用單屏方式的條件下，要對圖像進行處理，就必須將圖像裝入內存。當物理內存不足時，系統(tǒng)通過內存分頁交換，利用硬盤空間模擬內存。應用程序使用統(tǒng)一的系統(tǒng)內存管理，代碼簡單，維護方便，還具有自動伸縮性。

　　圖像作為一個處理對象放到內存中，必須使用數據結構來描述它，這就是圖像數據結構。對于任何一個圖像應用程序來說，圖像數據總是應用程序數據的核心部分。

　　應用程序的所有功能幾乎都是圍繞它進行的。如文件讀寫、掃描、拍攝、處理、顯示、打印等，都需要建立、訪問圖像數據，實際上都是以圖像數據結構核心為中心的。即使是最簡單的圖像顯示軟件，也需要圖像文件讀取和圖像顯示兩大部分。

　　一個圖像軟件系統(tǒng)，包括不同的圖像處理算法、圖像顯示、掃描儀或攝像機支持、圖像采集卡支持、圖像文件格式轉換等，都涉及到圖像數據結構。如果我們建立了一個以圖像數據結構為核心的Windows圖像軟件系統(tǒng)的基礎結構，就建立了一個完整的軟件圖像環(huán)境。

　　圖像基礎結構包括圖像數據結構核心和圍繞此核心構造的周邊模塊。圖像數據結構核心是居于中心位置的。周邊模塊包括圖像文件格式支持、圖像顯示、圖像處理等。

　　在設計過程中，要注意以下幾個問題：

圖像基礎結構的核心部分以C/C++語言完成。因為C/C++語言編譯效率高，執(zhí)行速度快，這對于要處理大量數據的圖像應用來說是非常關鍵的;且C/C++ 語言非常靈活，使得圖像基礎結構可以高效的實現，而用其他的語言實現某些相同的功能可能要花很大的精力;C/C++語言移植性強，幾乎可以移植到任何硬件和操作系統(tǒng)中。

　　圖像基礎結構的內部實現可以使用C++，但是對外接口一律使用C界面。因為C++的名字解析方法沒有統(tǒng)一的標準，不同公司的C++編譯器對相同的C++符號解析得到的名字可能完全不同，因此不同C++編譯器生成的目標文件不能正確連接。這使得像Windows系統(tǒng)下具有C++接口的動態(tài)連接庫(DLL)的應用不太可行，所以對外接口使用C語言則沒有這個問題。

　　避免使用依賴于平臺的聲明、函數等，保持核心的可移植性。圖像核心定義和代碼只使用標準C數據類型和標準C庫(ANSI)調用。當需要高端應用時，圖像核心可以迅速移植到UNIX及其他平臺，使整個應用具備較強的移植能力和伸縮性。

　　目前，圖像基礎結構包含如下模塊：

　　·StdImage：圖像數據結構核心以及對此核心進行操作的基本函數;

　　·ProgressStub：進度處理機制的定義和接口;

　　·VirtualFile：虛擬文件I/O界面;

　　·Vf_file：虛擬文件I/O的實際文件實現;

　　·Vf_memory：虛擬文件I/O的內存文件實現;

　　·ImageFile：虛擬圖像文件讀寫界面;

　　·Jfit_file：虛擬圖像文件讀寫界面的JPEG格式實現;

　　·Bmp-file：虛擬圖像文件讀寫界面的BMP格式實現;

　　·Fgi_file：虛擬圖像文件讀寫界面的自由灰度圖像格式實現;

　　·DibStdImage：DIB(設備無關位圖)與StdImage之間的轉換;

　　·mess_util：難以歸類的雜項輔助功能;

　　·ProgressWinHint：Windows下的一個進度處理機制實現;

　　·WinMessUtilities：Windows下的難以歸類的雜項輔助功能。

　　由于面向幀存的圖像硬件系統(tǒng)的結構，以圖像幀存為核心，還包括圖像的輸入輸出和處理等模塊;而面向計算機內存的圖像系統(tǒng)里，是以計算機內存為核心，同樣包括有圖像的輸入輸出和處理等模塊。前者以整體硬件結構為主體，軟件似乎只是圖像處理和數據存儲，后者以整體軟件結構為主體，硬件則納入軟件的管理之下。這兩種系統(tǒng)結構的差別很大，但從功能來講，有其相似之處。

　　面向計算機內存的圖像軟件系統(tǒng)結構，稱之為Windows圖像基礎結構，這種Windows圖像基礎結構的總體結構框圖如圖2所示。在圖2中，StdImage結構代表了一個圖像或圖像序列，所有的功能幾乎都圍繞它進行。它可以利用ImageFile模塊從圖像文件裝入圖像，或者將圖像寫入文件中。在Windows環(huán)境下，為了顯示或打印圖像，通常會使用DIB，此外，像掃描儀、攝像機等還會以DIB的形式向計算機輸入圖像，因此圖像基礎結構設有DibStdImage模塊，以便在DIB和StdImage之間進行快速轉換。圖像通信插入在網絡和StdImage之間，由此可以實現圖像的傳輸，而這種傳輸，是以內存為媒介，它具有速度快的優(yōu)點。