图像采集检测系统及方法与流程

本发明涉及数字高清接口图像采集技术领域，特别是涉及一种图像采集检测系统及方法。

背景技术：

数字高清传输接口是用于传输高清音视频的数字管道，能兼容传输很多格式的视频，比如1080P、2K、4K等等，可以接高清播放设备，比如：DVD播放机，蓝光DVD播放机，硬盘高清播放器，电脑、卫星接收器、机顶盒等节目源。数字高清传输接口可以同时传送音频和影音信号，由于音频和视频信号采用同一条电缆，所以能克服VGA(Video Graphics Array)、DVI(Digital Display Working Group)等接口音频视频数据无法通过一根线传输的问题，接口的连接器采用单线连接，取代了产品背后的复杂的线缆，大大简化了系统的安装。

但是，由于数字高清传输接口的接口技术复杂，各个厂商的技术水平和实现方式存在着差别。特别是在中国，各种未经授权或者标准符合性测试的产品推向市场，导致目前数字高清传输设备的互联互通性差。而且，应用数字高清传输接口的设备种类和数量非常多，但是测试效率低，也限制了接口的进一步发展。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统的高清接口视频信号优劣分析主要依据观察者的主观评价，即由观察者对高清传输接口传输至屏幕的图像质量进行评估。但是主观质量评价耗时、昂贵，且非常容易受到实验环境、观察者的知识水平、自身喜好等自身条件等因素的影响，评价结果往往不准确且不稳定。其次，液晶屏幕的质量对最终主观评分结果的影响非常大，而传统方法无法避免液晶屏幕的干扰，不能准确的衡量数字高清传输接口的视频传输质量并定位缺陷。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统技术无法准确衡量数字高清接口图像质量的问题，提供一种图像采集检测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

一方面，提供了一种图像采集检测系统，包括分别连接数字高清传输接口宿端的信号采集模块、测试源模块，以及连接在信号采集模块和测试源模块之间的视频图像评估模块；

测试源模块向数字高清传输接口宿端输出测试源，由数字高清传输接口宿端基于测试源输出相应的视频图像信号；

信号采集模块根据视频图像评估模块相应的控制信号，实时采集视频图像信号，并将视频图像信号发送给视频图像评估模块；

视频图像评估模块对视频图像信号进行质量检测处理，得到图像质量检测结果；质量检测处理包括对视频图像信号的单帧/多帧采集处理、图像客观评价处理、差异性定位处理以及对比分析。

另一方面，提供了一种图像采集检测方法，包括以下步骤：

向数字高清传输接口宿端输出测试源；

实时采集由数字高清传输接口宿端基于测试源输出的LVDS信号；

对LVDS信号进行质量检测处理，得到图像质量检测结果；质量检测处理包括对LVDS信号的单帧/多帧采集处理、图像客观评价处理、差异性定位处理以及对比分析。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明图像采集检测系统及方法，通过使用数字高清传输接口宿端设备中接口板与液晶屏连接的传输接口作为测试的边界，避免了液晶屏对测试结果的干扰，准确的衡量数字高清传输接口的视频传输质量，更高效地定位缺陷，在降低测试成本的同时，节省了测试工程师大量的时间和精力，使得测试变得更加简单易行。

附图说明

图1为本发明图像采集检测系统实施例1的结构示意图；

图2为本发明图像采集检测系统实施例1中信号采集模块的结构示意图；

图3为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块的结构示意图；

图4为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频单帧采集模块的功能流程示意图；

图5为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频多帧采集模块的功能流程示意图；

图6为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频分析模块的功能流程示意图；

图7为本发明图像采集检测系统实施例2的功能实现结构示意图；

图8为本发明图像采集检测系统实施例2中视频图像分析测试示意图；

图9为本发明图像采集检测系统实施例2的音频传输质量测试示意图；

图10为本发明图像采集检测系统实施例2的图像差异化定位示意图；

图11为本发明图像采集检测方法实施例1的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了清楚的说明本发明的技术方案，特对本发明各实施例中涉及的缩略语和关键术语进行解释说明：

LVDS：Low-Voltage Differential Signaling，低电压差分信号。采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。

MSE：Mean Squared Error，均方误差，是衡量“平均误差”的一种较方便的方法，可以评价数据的变化程度。

PSNR：Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比，一种全参考的图像质量评价指标，是基于对应像素点间的误差，即基于误差敏感的图像质量评价。

SSIM：Structural Similarity Index，结构相似性，是一种衡量两幅图像相似度的指标。结构相似度指数从图像组成的角度将结构信息定义为独立于亮度、对比度的，反映场景中物体结构的属性，并将失真建模为亮度、对比度和结构三个不同因素的组合。

D-SSIM：动态结构相似性，是基于SSIM基础上加入色彩模型的客观评价算法，更适用于高清图像的评价。

宿端：数字高清传输接口的接收端，如电视机、平板、智能手机、笔记本等。

客观质量评价：图像质量的客观评价方法是相对与主观评价而言的，根据使用数学方法，建立数学模型，并通过具体的公式计算图像的质量。

本发明图像采集检测系统实施例1：

为了解决传统技术无法准确衡量数字高清接口图像质量的问题，本发明提供了一种图像采集检测系统实施例1；图1为本发明图像采集检测系统实施例1的结构示意图；如图1所示，可以包括分别连接数字高清传输接口宿端的信号采集模块、测试源模块，以及连接在信号采集模块和测试源模块之间的视频图像评估模块；

测试源模块向数字高清传输接口宿端输出测试源，由数字高清传输接口宿端基于测试源输出相应的视频图像信号；

信号采集模块根据视频图像评估模块相应的控制信号，实时采集视频图像信号，并将视频图像信号发送给视频图像评估模块；

视频图像评估模块对视频图像信号进行质量检测处理，得到图像质量检测结果；质量检测处理包括对视频图像信号的单帧/多帧采集处理、图像客观评价处理、差异性定位处理以及对比分析。

具体而言，如图1所示，整个技术方案由两部分组成。右边是测试评估系统，主要由LVDS信号采集模块、视频图像评估模块和测试源模块组成。左边是数字高清传输接口宿端，作为被测对象。本发明提供了一种把LVDS与液晶屏的连接点作为测试边界，避免了液晶屏幕的色差、色偏、模糊等缺陷对测试结果的影响，实现了对数字高清接口传输的图像的无损采集以及快速检测的方法。系统主要由LVDS信号采集模块、视频图像评估模块和测试源模块。

这种使用LVDS作为测试边界的方式可以很大程度上省去主观测试效率低、屏幕对测试结果的干扰等麻烦，在降低测试成本的同时，节省了测试工程师大量的时间和精力，使得针对数字高清传输接口的图像传输质量的测试变得更加简单易行。

图2为本发明图像采集检测系统实施例1中信号采集模块的结构示意图；如图2所示，在一个具体的实施例中，信号采集模块为LVDS信号采集模块；LVDS信号采集模块与数字高清传输接口宿端的LVDS输出接口相连接；视频图像信号为LVDS信号。

LVDS信号采集模块的相关技术指标可以如下所示：

模拟信号通道：采集数据的通道数为32通道，可扩展到64通道；

采样字长：16位；

信号幅度：0-5V；

单通道最高采样率：50KHz；

总采样率：不大于2MHz；

采样误差：不大于千分之一；

存储容量：不小于1Gbyte；

输入阻抗：约2MΩ；

数据总线类型：LVDS总线。

采集模块选取FPGA作为主控模块，实现数字高清传输接口LVDS信号的采集、数据存储及上传。由于FPGA具有高速的处理、丰富的I/O和资源，可以并行处理大量的数据信号。

具体而言，通过使用数字高清传输接口宿端设备中接口板与液晶屏连接的LVDS接口，作为测试的边界，避免了液晶屏对测试结果的干扰，可准确的衡量数字高清传输接口的视频传输质量，更高效地定位缺陷。

在一个具体的实施例中，信号采集模块包括FPGA主控模块；

FPGA主控模块对LVDS信号进行并行采集及图像重构处理，并将处理后的LVDS信号传输给视频图像评估模块。

具体而言，选取FPGA(Field－Programmable Gate Array)作为主控模块，可以实现数字高清传输接口LVDS信号的采集、数据存储及上传。由于FPGA具有高速的处理、丰富的I/O和资源，可以并行处理大量的数据信号，实现了对宿端接口处理的视频无损采集。

同时，可以使用SoC片上系统(System-on-a-chip)来实现本发明各实施例中信号采集模块的功能，通过对LVDS信号进行并行采集及图像重构。FPGA采集模块具备保存16帧图像的缓存能力，可评估视频流帧间抖动等特性，并具备图像实时重构，可外接监视器实时观测测试结果。

图3为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块的结构示意图；如图3所示，视频图像评估模块视频图像评估模块可以包括5大模块(图像视频单帧采集模块、图像视频多帧采集模块、显示模块、图像视频差异性定位模块以及图像视频分析模块)，主要是可以对采集模块进行控制，并实现图像视频的单帧/多帧采集、图像客观评价、差异性定位和结果图表显示。

在一个具体的实施例中，视频图像评估模块可以包括图像视频单帧采集模块、图像视频多帧采集模块以及显示模块；

图像视频单帧采集模块向信号采集模块输出第一采集控制信号，信号采集模块根据第一采集控制信号，对视频图像信号进行静态视频帧的实时采集；

图像视频多帧采集模块向信号采集模块输出第二采集控制信号，信号采集模块根据第二采集控制信号，对视频图像信号进行多帧视频帧的实时采集；图像视频多帧采集模块根据多帧视频帧的传输帧率，对视频图像信号进行丢帧或抖动的验证，并输出验证结果；

显示模块对采集到的静态视频帧或多帧视频帧进行实时显示。

图4为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频单帧采集模块的功能流程示意图；如图4所示：信号采集模块采用FPGA高速采集卡实现LVDS信号的无损采集，并通过DLL(Dynamic Link Library)上传至上位机；启动视频帧采集模块时，设备信息栏需显示设备的标识号(非空)；上位机软件受FPGA采集卡性能所限，每次采集上传的1080P无损的视频帧的时间较长，大约是16s。

图5为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频多帧采集模块的功能流程示意图；如图5所示：信号采集模块可以采用FPGA高速采集卡实现LVDS信号的无损采集，并通过DLL上传至上位机；启动视频帧采集模块时，设备信息栏需显示设备的标识号(非空)；上位机软件受FPGA采集卡性能所限，每次采集上传的1080P无损的视频帧的时间较长，大约是16s，故多帧视频帧采集的时间较长，大约在2分钟；图像视频多帧采集模块主要对高清接口视频流的传输帧率进行验证，评价是否有丢帧和抖动现象。且由于FPGA采集卡为环形刷新采集机制，故需采集起始帧及终止帧，利用经过的时间间隔计算相应的帧率。

具体而言，视频图像评估模块可以包括图像视频单帧采集模块、图像视频多帧采集模块以及显示模块，主要是对采集模块进行控制，并实现图像视频的单帧/多帧采集、图像客观评价、差异性定位和结果图表显示。评估模块主要建立了D-SSIM模型对无损采集的图像信号与参考值进行对比分析，得到与主观评价一致的结果；

在一个具体的实施例中，视频图像评估模块还包括图像视频分析模块；

图像视频分析模块根据预设的SSIM模型，将视频图像信号与测试源模块输出的参考源进行对比分析，得到对比分析的结果。

在一个具体的实施例中，预设的SSIM模型为D-SSIM模型。

具体而言，本发明针对SSIM的不足，结合高清传输接口的高分辨率、视频图像的色度及饱和度特征，提出了改进的视频客观评价算法(D-SSIM)。该模型在SSIM基础上，结合了高清图像的色彩信息，并构造出于SSIM算法类似的因子，通过深度学习对不同的高清设备进行训练，使模型评价的结果准确，测试稳定性好。

图6为本发明图像采集检测系统实施例1中视频图像评估模块中图像视频分析模块的功能流程示意图；如图6所示：参考视频帧需在测试前通过视频播放软件进行帧图像截取；由于PSNR、MSE及SSIM均通过Matlab算法与C#进行混合编程，故测试机应安装Matlab执行包以及.NET4.0；视频帧图像及参考帧图像均为1920x1080且32bit的静态图像，故PSNR、MSE及SSIM算法的执行时间被图像载入时间限制，载入时间较长，但是算法执行时间均在1s以内。

在一个具体的实施例中，视频图像评估模块还包括图像视频差异性定位模块；

图像视频差异性定位模块对视频图像信号进行差异性定位处理，并输出差异定位结果。

在一个具体的实施例中，测试源为1080p、2k4k视频源。

具体而言，测试源可以选取了1080p、2k4k视频源作为测试源；测试源模块主要可以实现：1)作为测试源输出给宿端设备；2)作为参考源，提供给图像/视频分析模块，以便于对比。

本发明图像采集检测系统实施例1，通过使用数字高清传输接口宿端设备中接口板与液晶屏连接的传输接口作为测试的边界，避免了液晶屏对测试结果的干扰，准确的衡量数字高清传输接口的视频传输质量，更高效地定位缺陷，在降低测试成本的同时，节省了测试工程师大量的时间和精力，使得测试变得更加简单易行。

本发明图像采集检测系统实施例2：

为了解决传统技术无法准确衡量数字高清接口图像质量的问题，本发明提供还提供了一种图像采集检测系统实施例2；图7为本发明图像采集检测系统实施例2的功能实现结构示意图；如图7所示：本发明实施例2通过LVDS接口，测评系统把HD6M181-S-L2电视板的数字高清接口传输的视频图像信号实时采集出来，并通过测评系统的对比分析模块，可以快速、准确的实现对数字高清接口传输的视频图像质量进行评估。

其中，图8为本发明图像采集检测系统实施例2中视频图像分析测试示意图；图9为本发明图像采集检测系统实施例2的音频传输质量测试示意图；图10为本发明图像采集检测系统实施例2的图像差异化定位示意图；本发明提供了一种把LVDS与液晶屏的连接点作为测试边界，避免了液晶屏幕的色差、色偏、模糊等缺陷对测试结果的影响，实现了对数字高清接口传输的图像的无损采集以及快速检测的方法。系统主要由LVDS信号采集模块、视频图像评估模块和测试源模块。这种使用LVDS作为测试边界的方式可以很大程度上省去主观测试效率低、屏幕对测试结果的干扰等麻烦，在降低测试成本的同时，节省了测试工程师大量的时间和精力，使得针对数字高清传输接口的图像传输质量的测试变得更加简单易行。

本发明图像采集检测系统实施例2，通过LVDS接口的方式，作为数字高清传输接口的测试边界，避免液晶显示屏的影响，准确的评估接口传输视频质量。采用高速FPGA采集LVDS接口信号，实现对数字高清传输接口宿端信号的实时和无损采集，作为实施客观评价方法的前提条件。

本发明图像采集检测方法实施例1：

基于以上图像采集检测系统各实施例的技术思想，同时为了解决传统技术无法准确衡量数字高清接口图像质量的问题，本发明还提供了一种图像采集检测方法实施例1；图11为本发明图像采集检测方法实施例1的流程示意图；如图11所示，可以包括以下步骤：

步骤S110：向数字高清传输接口宿端输出测试源；

步骤S110：实时采集由数字高清传输接口宿端基于测试源输出的LVDS信号；

步骤S110：对LVDS信号进行质量检测处理，得到图像质量检测结果；质量检测处理包括对LVDS信号的单帧/多帧采集处理、图像客观评价处理、差异性定位处理以及对比分析。

在一个具体的实施例中，对LVDS信号进行对比分析的步骤可以包括：

根据D-SSIM模型，将LVDS信号与预设的参考源进行对比分析，得到对比分析的结果。预设的参考源即为测试源模块传输给视频图像评估模块的。

本发明图像采集检测方法实施例1，通过使用数字高清传输接口宿端设备中接口板与液晶屏连接的传输接口作为测试的边界，避免了液晶屏对测试结果的干扰，准确的衡量数字高清传输接口的视频传输质量，更高效地定位缺陷，在降低测试成本的同时，节省了测试工程师大量的时间和精力，使得测试变得更加简单易行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。