基于USB攝像頭的高速圖像采集技術

摘要：在圖像采集系統中，最核心的技術是實時圖像的采集和處理。圖像采集是進行圖像處理、圖像壓縮、圖像識別的基礎，圖像的采集速度與質量直接影響到系統的整體性能。因此對圖像采集系統的研究具有重要的現實意義和廣泛的應用前景。本課題通過USB攝像頭實現了對高速圖像的采集與處理，運用清晰度對比函數與直方圖均衡化函數對圖像進行處理與儲存，進行了一系列相應的理論實驗驗證與分析，并給出了最終的實驗結果。
關鍵詞：USB攝像頭；離散余弦變換；DCT；直方圖均衡化

0 引言
圖像采集系統，現代計算機系統廣泛應用的是總線Bus結構。隨著GUI(Graphical User Interface)、多媒體等技術在PC機上的應用，傳統的PC總線己不能滿足系統工作的要求。USB通用串行總線的出現使圖像采集技術得到了質的飛躍。更快的傳輸與相應速度，便捷的圖像采集系統安裝過程以及更低的能耗，使得圖像采集技術廣泛應用到了生活中。USB攝像頭充當了機器之眼的角色。不僅如此，計算機的發展又賦予了圖像采集技術新的活力一圖像的采集處理識別功能。這一功能使得很多機械化的產品更加全自動化。圖像系統技術的逐漸成熟，使得我們可以更輕易地獲取外部信息并添加到其他智能化程序控制系統中。但價格低廉，可進行高效圖像處理傳輸的USB簡易便攜的圖像處理程序依然值得研究與探討。

1 研究方向與目標
USB2．0以其使用方便、易于擴展、速度快等優點而越來越多地應用于數據采集系統中。在視頻信號采集過程中，信號數據量比較龐大，且對實時性要求也比較高。本課題設計了一種基于USB2．0總線的視頻數據采集系統，采用Logitech公司的快看高手版5000攝像頭與MATLAB程序的GUI進行通信，并在PC機上編寫代碼指令，以便較好地控制圖像的采集與處理。本課題研究了基于USB攝像頭的高速圖像采集系統，詳細分析該采集系統的設計思路：以圖像高速采集與優化處理并高速傳輸為主要方向，配置MATLAB程序，獲得最佳的圖像采集處理效果，并輔助電腦進行后續的圖像處理工作。
本課題圍繞上述諸方面主要做了如下的研究工作：
(1)圖像的高速采集。利用MATLAB中GUI的編程方法，實現網絡攝像頭對高速視頻數據的圖像采集。
(2)圖像的存儲。實現了PC上的存儲USB總線數據的功能，將數據以二進制文件的形式存儲在PC的硬盤上。

2 高速圖像采集系統的構建
本系統共分為圖像采集預處理和圖像直方圖均衡化兩大模塊，目標是選取合適的圖像進行處理分析，過濾分辨率不達標的圖像并將圖像進行初步優化。其實質是運用數字圖像處理的方法，在MATLAB進行離散余弦變換的評價函數并進行直方圖均衡化的圖像優化。本文的圖像處理流程為：

3 具體應用特性
3．1 USB的特性
USB與老式的PC機接口相比，有以下特點：
(1)成本低廉。USB的設計功能十分強大，但是組件卻十分便宜，適用于小型設備圖像采集處理使用。
(2)即插即用。在需要連接的設備上裝載好驅動，即可在幾秒內初始化完成并開始工作，并且支持熱插拔。
(3)體積小巧。USB接口的設計占用更少的空間，并且只需要一根USB數據線，就可以擔當數據雙向傳輸和供電的需求。更加縮小的產品體積。
3．2 基于離散余弦變換(DCT)的評價函數

DCT變換對高頻分量有較好的分離能力，在清晰度評價函數中，分離并保留高頻分量作為圖像清晰度的評價尺度。由于直流分量在一定程度上反映了圖像的整體亮度和總體信息，因而用高頻分量和直流分量的比作為圖像相對高頻分量進行判別，得到的G的最大值所對應的圖像即為樣本圖像中最清晰的。采用清晰的圖片進行保存與處理，可以提高后續程序對圖像處理的效率與準確度。