基于DS-4004HC图像采集卡的二次开发新技术

　　二次开发技术主要有三类：TWAIN标准接口库，VFW标准接口库，SDK接口库。TWAIN函数库接口编程应用范围广，但开发者须了解Twain标准的规范要求和编写流程，VFW是微软的标准视频采集存储接口，也须对这种标准要求有深入的了解，两种方法均不便于一般开发者应用。SDK接口库是由厂商提供的自定义函数库，可实现对图像的采集、存储和控制等功能，应用较为方便。本系统采用海康威视数字技术有限公司DS-4004HC图像采集卡，利用厂商提供的SDK接口库，并且通过对其添加软件触发的新技术，实现了激光脉冲图像的高速采集。

　　1 图像卡概述

　　1．1 DS-4004HC卡的技术参数及功耗

　　视频输入接口：BNC插座；视频输入阻抗：75Ω；视频输入幅度：Vp-p=1．O V；每个芯片功耗：1．9 W左右；整块卡功耗：<3．5 W；采集帧率范围：1～25帧／s(PAL)，1～30帧／s(NTSC)。

　　1．2 图像采集卡的工作原理及流程

　　CCD探测器输出的模拟视频图像经多路切换器、解码器、A／D变换器，将数字化的图像数据送到数据缓冲器。经裁剪、比例压缩及数据格式转换后，由内部控制图形覆盖与数据传输，数据传输目标位置(显存或计算机内存)由软件确定。

　　图像采集卡进行图像采集的工作流程如图1所示。

　　一般情况下，图像卡的开始操作和初始化参数设置在用户应用程序初始化中完成，图像卡的结束操作应在应用程序退出前执行。图像卡采集图像数据，不占用计算机CPU时间，支持图像的实时处理。采集图像到屏幕和采集图像到内存的操作不能同时进行，即同一时刻图像卡只能采集图像到屏幕，或者到内存。

　　1．3 采集卡的应用接口函数

　　海康威视DS-4000HC采集卡SDK接口库提供了应用功能模块。包括对图像采集卡的控制，采集图像到屏幕或内存，错误处理，采集图像到屏幕控制，采集图像到内存控制，数据传递等功能。提供的文件如表1所示。

　　2 用VC++6．0实现对图像的采集

　　应用接口库支持VC++，VB等32位编程开发工具进行二次开发。本系统选用的是VC++6．0编程工具。

　　2．1 创建应用程序

　　用VC++6．0工具创建一个基于MFC的基本对话框应用程序——图像采集，把SDK接口库提供的4个文件拷贝到应用程序所在目录下。在程序中包含相关的头文件(．h)，并将引入链接库文件(．lib)加入到工程文件中，供编译程序在链接时使用。添加所要实现的功能控件，终让图像在程序界面中实时显示。

　　2．2 程序的初始化及参数设置

　　在采集图像前必须对图像卡进行参数设置，才能使图像采集卡正常工作，以下给出了DS-4004HC卡中的参数设置接口：

　　(1)设置图像卡视频信号制式，包括PAL制和NTSC制。在设置制式时，图像卡视频输入／输出窗口的大小和视频信号的行正程起始点，场正程起始行，也要做相应的调整。函数原型如下：

　　int_stdcall SetDefauhVideoStandard(VideoStan-dard_t VideoStandard)；

　　参数VideoStandard_t VideoStandard为视频制式，默认为PAL，成功返回0。

　　(2)设置视频的预览模式。函数原型如下：

　　int_stdcall SetPreviewOverlayMode(BOOLbTrue)；

　　参数BOOL bTrue表示是否设置Overlay预览方式，返回值为0表示显卡支持板卡的Overlay预览方式。

　　(3)设置图像卡的视频信号源路，DS-4004HC有4路通道。

　　(4)设置视频信号输入位置。函数原型如下：

　　int_stdcall SetlnputVideoPosition(HANDLEhChannelHandle，UINT x，UINT y)；

　　参数HANDLE hChannelHandle为通道句柄，(x，y)为系统处理图像的左上角在CCD输入的原始图像中的坐标，x，y必须设置为2的整倍数，默认值为(2，8)。函数调用成功返回0。

　　(5)设置通道分辨率格式。函数原型如下：

　　int_ stdcall SetEncoderPictureFormat(HANDLEhChannel Handle，PietureFormat_t PictureFormat)；

　　参数HANDLE hChannelHandle为通道句柄，Pic-tureFormat t PictureFormat为编码图像分辨率格式(4CIF，DCIF，2CIF，CIF，QCIF)，成功返回0。

　　(6)设置码流的比特率及码流的控制模式。函数原型如下：

　　int_stdcall SetupBitrateControl (HANDLEhChannelHandle，ULONG MaxBps)；

　　用以设置编码的比特率，函数int_stdcallSetupBitrateControl(HANDLE hChannelHandle，Bitr-ateControlType_t bre)用以设置码流控制方式。参数HANDLE hChannelHandle为通道句柄，ULONGMaxBps为比特率，BitrateControlType_t brc为码流控制方式，分为变码率(brVBR)和恒定码率(brCBR)两种方式。MaxBps设为0时码流控制无效，设为其他某值时，当编码码流超过该值，DSP会自动调整编码参数不会超过此比特率，低于该值，DSP不进行干涉。Brc设为brVBR时，MaxBps将作为上限，由DSP自动控制码率，一般会自动回落到状态，能降低带宽和存储空间；设为brCBR时，以MaxBps作为恒定输出码率，存储容量可根据设定码率大小进行估算。两函数配合使用，成功均返回0。

　　(7)设置图像的质量。函数原型如下：

　　int_stdeall SetDefaultQuant(HANDLE hChan-nelHandle，int IQuantVal，int PQuantVal，int BQua-ntVal)；

　　用以设置图像质量，参数int IQuantVal，int PQua-ntVal，int BQuantVal分别为I，P，B帧量化系数，量化系数越小质量越高，系统默认值为18，18，23。

　　(8)设置编码帧结构、帧率。函数原型如下：

　　int_stdcall SetIBPMode(HANDLE hChannel-Handle，int KeyFrameIntervals，int BFrames，intPFrames，int FrameRate)；参数int KeyFrameIntervals为关键帧间隔；intBFrames，int PFrames分别为B，P帧数量；int Fram-eRate为帧率。

　　2．3 触发功能的设计

　　图像采集软件具备方便的触发功能及操作方法是十分重要的。目前，有触发功能的图像采集卡多数采用外触发模式，亦称硬件触发。外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。由于被测信号没有用作触发信号，所以外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系，并且要确保外触发信号与被测信号同步。这样就需要添加硬件触发电路对外触发信号进行控制，但是触发电路的设计和开发都需要花费一定的成本。

　　DS-4004HC采集卡本身没有触发功能。为了实现稳定高速的采集图像，应用于如高速激光脉冲图像的采集，本系统添加了内触发模式。内触发模式是使用被测信号作为触发信号。由于触发信号本身是被测信号的一部分，符合周期及同步关系，故可以实现的采集图像信号。本系统采用软件方式实现内触发功能，亦可称为软件触发。具体实现方式为利用函数GetOrigi-nalImage()把图像数据采集到动态开辟的内存块中，判断图像数据的峰值是否超过采集前设置的触发值，一旦峰值超过设定的触发值，信号即被触发、保存，否则即被下一帧数据覆盖。实验所测脉冲激光器频率小于采集卡采集帧率(25帧／s)，采用的CCD探测器COHU-4812的帧率(大于30帧／s)大于激光器频率。由于内存中的数据处理速度很快，实验表明，本系统能实现激光脉冲光斑图像的高速采集，不会出现漏帧现象。采集完设定帧数后，可根据需要把数据导出为bmp或jPeg格式文件。

　　2．4 实现图像采集

　　根据图像采集卡的工作流程，以下给出实现采集图像的简单代码：

　　(1)初始化图像卡

　　2．5 应用程序发布

　　安装图像卡的设备驱动程序，并确认安装成功，然后将要发布的应用程序安装到相应的工作目录，接好CCD探测器，这样程序就可以运行了。应用程序运行结果如图2所示。

　　3 应用分析

　　应用本软件可以分析光束的质量，如横平面上的光强分布，测量光束发散角，M2因子等。

　　3．1 远场发散角

　　在激光器光束传输方向加一聚焦透镜，通过CCD探测器在其焦平面上采得激光光斑，记录光强分布，如图2所示。光强分布曲线I(r)上占总功率(能量)η处两点间距离之半即为束宽ω，Pω=ηP总，常用的η值有86．5％，63％等。通过计算机数值图像处理，可快速得到光束的束宽。代入θ=2ω／f，即可求得光束的远场发散角，其中f为透镜的焦距。

　　3．2 M2因子

　　采用多点测量双曲线拟合法计算M2因子，可达到较高的。按测发散角时测束宽的同样方法，沿传输轴多次测量束宽，其中必须有5次以上位于瑞利尺寸之内。拟合公式为ω2=Az2+Bz+C式中A，B，C为拟合系数，拟合出双曲线的实半轴即为光束的束腰宽度ω0，代入M2因子计算公式即可。通过计算机数值图像处理，可快速得到光束的M2因子。

　　4 结语

　　本文给出了在VC++6．O平台上开发图像采集卡应用程序的主要流程和关键技术。依靠内存对数据处理的快速响应，对软件添加了软件触发功能，能连续和单发高速采集脉冲光斑，不会出现漏帧现象。与具有硬件触发功能的图像采集软件相比，软件触发不需要添加硬件触发控制电路，节约成本，可靠性高。

  

参考文献:

[1]. BNC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/BNC_2319479.html.