CN100481886C - 一种实现数字变焦的方法及电脑摄像头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现数字变焦的方法，该方法包括以下步骤：a.根据当前的变焦系数设置用于多媒体图像处理的DSP芯片寄存器中的配置参数；b.所述DSP芯片根据自身寄存器中当前存储的配置数据和当前采集的原始VGA图像，获取所需的QVGA图像；c.对所获取的QVGA图像采用选定的插值算法进行插值放大，然后将经过插值处理的图像输出显示。本发明还同时公开了一种电脑摄像头，采用本发明的方法和装置，能在不增加资源占用和接口传输带宽的同时，保证提供流畅的视频流，且令用户使用更方便。
Description
技术领域
本发明涉及数字变焦技术，尤指一种实现数字变焦的方法及电脑摄像头(PC Camera)。
背景技术
随着多媒体技术和视频电子产品的飞速发展与普及，PC Camera的应用越来越广泛，PC Camera是一种微小型外形多变的智能型摄像头，可用于笔记本电脑、汽车、保安系统以及多种图像处理设备中。目前的PC Camera主要能实现正常的视频流显示以及捕获正常的静态图像，具有USB接口。
目前，市场流行的PC Camera中大多没有数字变焦功能，少量具有数字变焦功能的PC Camera，主要采用两种方式实现数字变焦：一种是在应用程序层实现数字变焦；另一种是定义一种特殊的视频解决方案来实现数字变焦的功能，两者都具有一定的局限性。这里，所述数字变焦也称数码变焦(Digital Zoom)，是通过数码设备内部处理器，将图片内每个象素面积增大，从而达到放大目的。通常，采用插值算法进行放大。
具体地说：在应用程序层实现数字变焦，是通过特定应用程序对图像进行裁剪-插值运算，该方法虽然实现简单，且不需要改变底层驱动，易于维护，但是，该实现数字变焦的方式与生俱来的弱点是通用性差，只能捆绑特定的视频应用程序进行视频流的浏览和变焦，而其它的视频应用程序则无法实现数字变焦。并且，对于这种方式，当放大倍数越来越大时，图像质量越来越差。
所述定义特殊视频解决方案的方式是在驱动层实现的，为了缩小插值倍数，提高图像质量，有人单独定义了特殊的图像尺寸，如320*241、320*242等等，这里，之所以将图像尺寸定义为320*241、320*242等是为了与标准的QVGA图像模式进行区分，标准QVGA图像模式的图像尺寸为320*240。
这种特殊定义的方式，在具体应用中，当用户通过属性接口(Pin Property)选择320*241时，驱动层实际配置的是VGA格式的原始图像，即图像尺寸为640*480。那么，该方式下具体数字变焦的实现方法是：VGA传感器将所接收的VGA图像信息通过传感器与数字信号处理(DSP)芯片的SIF接口传送给DSP芯片，DSP对图像信息进行压缩，之后通过USB接口向驱动层提供经过压缩的原始VGA图像，该图像尺寸为640*480，驱动层在变焦(Zoom)系数小于2时，利用插值算法对图像进行缩减；Zoom系数大于2时，利用插值算法对图像进行放大，从而达到整体的数字变焦功能。
这种特殊定义方式是在驱动层实现，因此通用性强，应用层可以使用不同的视频浏览程序，都具有数字变焦功能；且由于实际原始图像数据对应的图像尺寸是640*480，在4倍变焦的情况下，实际放大倍数只有2倍，图像质量较好。但是，该方式操作起来比较繁琐，需要用户通过Pin Property重新开流，并且，320*241的格式给人不规范的感觉。另外，由于实际的图像数据流是VGA模式的，所以占用CPU资源比较严重。而且，对一般USB1.1的摄像头而言，只能达到15FPS，但通常要避免动作不流畅要求每秒帧数不能低于30，即要求最低FPS为30，这种特殊定义方式显然是不能满足要求的。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现数字变焦的方法，在不增加资源占用和接口传输带宽的同时，保证提供流畅的视频流。
本发明的另一目的在于提供一种电脑摄像头，使其能输出流畅的视频图像，且令用户使用更方便。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种实现数字变焦的方法，该方法包括以下步骤：
a.根据当前的变焦系数设置用于多媒体图像处理的DSP芯片寄存器中的配置参数；
b.所述DSP芯片根据自身寄存器中当前存储的配置数据和当前采集的原始VGA图像，获取所需的QVGA图像；
c.对所获取的QVGA图像采用选定的插值算法进行插值放大，然后将经过插值处理的图像输出显示。
其中，步骤a中所述根据当前变焦系数设置DSP芯片寄存器中的配置参数具体包括：判断当前的变焦系数是否大于等于2，如果变焦系数大于等于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据；如果变焦系数小于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据；则步骤b中，变焦系数小于2时，所述所需的QVGA图像为压缩原始VGA图像信息获得的图像；变焦系数大于等于2时，所述所需的QVGA图像为直接获取的原始VGA图像中央1/4位置的图像。
上述方案中，步骤a所述设置DSP芯片寄存器中的配置参数由驱动层完成。所述变焦系数通过属性页进行设定。
该方法进一步包括：在显示之前对经过插值处理的图像进行平滑处理，再显示经过平滑处理的图像。则该方法进一步包括：预先选定所采用平滑算法。其中，所述选定的平滑算法为基于高斯模板的平滑算法。
上述方案中，所述选定的插值算法为二次线性插值算法。
本发明还提供一种电脑摄像头，包括用于采集图像的传感器、对图像数据进行处理的数字信号处理芯片、WDM驱动模块，所述WDM驱动模块包括图像处理无关模块和含有解压缩单元和格式转换单元的图像处理相关模块；所述传感器与所述数字信号处理芯片通过SIF接口相连，所述数字信号处理芯片与WDM模块通过通用串行总线USB接口传输数据；关键在于，
所述WDM驱动模块进一步包括数字变焦处理单元，设置于解压缩单元和格式转换单元之间，用于根据当前设置的变焦系数更新DSP芯片寄存器中的配置参数；还用于对当前接收到的DSP芯片传输来的QVGA图像进行放大、平滑处理；所述DSP芯片根据自身寄存器的配置数据和所接收的传感器发来的VGA图像获取QVGA图像，再将获取的QVGA图像传送给WDM驱动模块的数字变焦处理单元。其中，所述传感器为VGA传感器；
所述WDM驱动模块更新所述配置参数包括：判断当前的变焦系数是否大于等于2，如果变焦系数大于等于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据；如果变焦系数小于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据；
所述DSP芯片获取QVGA图像包括：变焦系数小于2时，所述所需的QVGA图像为压缩原始VGA图像信息获得的图像；变焦系数大于等于2时，所述所需的QVGA图像为直接获取的原始VGA图像中央1/4位置的图像。
本发明所提供的实现数字变焦的方法及电脑摄像头，具有以下优点和特点：
1)本发明中整个数字变焦功能都是基于320*240的模式实现的，用户不必去选择特定的320*241、320*242等模式，使用起来更为方便。而且，本发明也适用160*120、176*144、352*288等多种模式，使用范围更广，通用性强。
2)本发明中数据流是QVGA的大小，因此，在不增加CPU资源消耗和USB接口带宽的同时，能保持30FPS的视频流。
3)本发明在变焦系数大于等于2的情况下，DSP直接获取原始VGA图像中央1/4位置的图像发送给驱动层，再由驱动层利用插值算法对图像进行放大，相当于在对图像进行插值放大前，不通过插值运算就得到变焦系数为2的图像，如此，能保证图像质量更好。
4)本发明在使用插值算法时，可选用二次线性插值算法，如此，能够降低CPU的消耗。
5)本发明在进行插值算法之后，进一步利用平滑算法对图像进行平滑处理，能够在一定程度上改善图像效果，提高输出图像的质量。
6)本发明所采用的插值算法和平滑算法并不限定必须使用哪种算法，可根据需要在已有的各种插值、平滑算法中任意选用，因此实现起来更灵活、方便。
7)本发明也在驱动层实现，因此可支持应用层使用不同的视频浏览程序，通用性强。
附图说明
图1为本发明电脑摄像头的组成结构图；
图2为本发明方法实现的流程图；
图3为高斯模板的示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想是：根据变焦系数的不同，用于多媒体图像处理的DSP芯片通过不同方式获取不同的QVGA图像发送给驱动层，然后，再由驱动层对当前获取的QVGA图像利用选定的插值算法进行放大。
为了在PC Camera中实现数字变焦，本发明给出一种PC Camera，如图1所示，本发明的PC Camera主要包括用于采集图像的传感器(Sensor)、对图像数据进行处理的数字信号处理芯片(DSP)以及作为核心处理模块的WDM驱动模块。其中，WDM驱动模块符合Windows驱动程序模式，支持即插即用、电源管理以及视窗管理规范(WMI)技术，WDM驱动模块中包括很多功能模块，如电源管理、设备插拔、远程唤醒、USB带宽配置、ISO传输控制、中断(Interrupt)传输控制、BULK传输控制、Control传输控制以及属性页接口等。从图像处理的角度来看，可以将与图像处理无关的模块如电源管理、设备插拔、远程唤醒、USB带宽配置等等统称为图像处理无关模块，而将与图像处理有关的模块如解压缩单元、格式转换单元统称为图像处理相关模块。
图1中，传感器与DSP芯片通过传感器与多媒体数字处理芯片的接口(SIF)相连，DSP芯片与WDM模块通过通用串行总线(USB)接口传输数据，图像数据都是通过USB的ISO通道进行传输的。由于本发明仅仅涉及图像处理过程，因此，图1仅给出了与图像处理相关的模块和单元的示意结构，并未给出PCCamera的全部详细组成结构，但并不表示PC Camera只包括图1给出的模块和单元。
本发明中DSP芯片根据自身寄存器中的配置数据对图像信息进行处理。
本发明中的WDM驱动模块还进一步包括数字变焦处理单元，该数字变焦处理单元设置于解压缩单元和格式转换单元之间，用于接收当前设置的变焦系数，并根据当前设置的变焦系数更新DSP芯片寄存器中的配置参数；并且，该数字变焦处理单元还用于对当前接收到的DSP芯片传输来的QVGA图像利用选定的插值算法进行放大，利用选定的平滑算法对经过插值放大处理的图像进行平滑处理。其中，如果插值算法和/或平滑算法通过属性页设置，该数字变焦处理单元还要接收当前选择的插值算法和/或平滑算法。
基于图1所示结构，PC Camera对图像处理的基本过程是：WDM驱动模块中的数字变焦处理单元根据当前设置的变焦系数是否小于2更改DSP芯片寄存器中的配置数据；同时，传感器实时采集图像信息并通过SIF接口将所采集的VGA图像传送给DSP芯片，DSP芯片按照自身寄存器中的配置数据根据原始VGA图像获取所需的QVGA图像，再将所获取的QVGA图像经由USB接口传送给WDM模块，经过解压缩后再传送给数字变焦处理单元，所述数字变焦处理单元对接收到的图像进行放大、平滑处理，之后将经过处理的图像信息根据图像尺寸和输出格式要求进行相应的转换；最后将符合要求的图像信息输出供用户浏览或是通过静态图像捕获接口输出。
其中，当变焦系数小于2时，数字变焦处理单元设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据；当变焦系数大于等于2时，数字变焦处理单元设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据。
基于上述电脑摄像头结构，本发明实现数字变焦的方法是在驱动层由WDM驱动模块完成的，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤201～203：WDM驱动模块根据当前的变焦系数设置用于多媒体图像处理的DSP芯片寄存器的配置数据。比如：WDM驱动模块判断当前设置的变焦系数是否大于等于2，如果变焦系数大于等于2，则WDM驱动模块设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据；如果变焦系数小于2，则WDM驱动模块设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据。
所述DSP芯片如ZC30X系列芯片用于对多媒体图像进行处理，能提供不同的QVGA图像模式；所述DSP芯片寄存器中存储有与图像处理相关的配置参数，该配置参数至少包括：取图像信息的起始行列值，即从第几行第几列开始取图像信息；所需图像的尺寸大小；所需图像的模式，即VGA或QVGA；DSP时钟；曝光参数等等。基于此，WDM驱动模块通过更改DSP芯片寄存器中保存的配置参数，即可控制DSP芯片获取正常QVGA图像；或是获取原始VGA图像不同位置的1/4图像作为QVGA图像，比如左上、左下、右上、右下、中央等位置的1/4图像，本发明中是获取中央1/4位置的图像。
这里，变焦系数可由用户根据需要通过属性页进行设定，具体实现过程及原理是：用户通过视频应用软件中属性设定(filter property)的COM接口，打开属性页(Property page)进行各种图像属性的设置。其中，属性页是一个COM组件，具有标准接口。所述属性页将相应的属性设定通过自身与WDM驱动模块的接口，传送给WDM驱动模块，WDM驱动模块将根据所设定的属性进行相应的处理，比如：根据所设定的变焦参数对图像信息进行放大处理；同时，属性页也可以从WDM驱动模块得到当前的属性设定状况。由于不同的属性对应不同的属性设置接口，对于本发明来说，设置变焦参数是新增加的图像属性，相应的，需要增加对应变焦参数设置的属性设置接口。
WDM驱动模块在设置DSP寄存器中配置参数的同时，还要设置传感器寄存器中的配置参数。
步骤204：所述DSP芯片根据自身寄存器中当前存储的配置参数以及当前采集的原始VGA图像，获取所需的QVGA图像，并将当前获取的QVGA图像发送给WDM驱动模块。
本步骤中，所述图像信息采集由传感器完成，该传感器向DSP芯片提供VGA模式的原始图像，该传感器为VGA传感器。
由于传感器只能向DSP芯片提供VGA大小的原始图像，即640*480的图像，为了达到30FPS，就需要DSP芯片在进行图像处理时将原始VGA图像变换为QVGA大小即320*240的图像，之后再通过USB接口将QVGA图像传送给WDM驱动模块。所述正常QVGA图像的变换方式是：DSP芯片将传感器发来的原始VGA图像压缩为QVGA图像发送给WDM驱动模块。
在本发明中，由于WDM驱动模块会根据变焦系数来更改DSP芯片寄存器中的配置数据，具体是：在变焦系数小于2时，WDM驱动模块会在DSP芯片寄存器中设置获取正常QVGA图像的配置数据，使DSP芯片在进行图像处理时，在保持视角不变的前提下，将原始VGA图像压缩成QVGA的图像；在变焦系数大于等于2时，WDM驱动模块会在DSP芯片寄存器中设置获取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据。因此，变焦系数小于2时，DSP芯片获取原始视角的QVGA图像作为所需的QVGA图像发送给WDM驱动模块，也就是说，QVGA图像视角与原始VGA图像视角相同；变焦系数大于等于2时，DSP芯片可直接获得原始VGA图像中央1/4位置的图像作为所需的QVGA图像发送给WDM驱动模块，此时，QVGA图像视角是原始VGA图像视角的1/2。
步骤205：WDM驱动模块利用选定的插值算法，对当前收到的QVGA图像进行插值放大。
所述插值算法也是根据需要选择确定的，可以预先确定并设置于WDM驱动模块中；也可以由用户通过属性页设置，用属性页设置的方法与变焦系数的具体设置方法相同，这种情况下，设置插值算法是新增加的图像属性，相应的，需要增加对应插值算法设置的属性设置接口。所采用的插值算法可以根据需要选用任意一种已有的插值算法，比如：二次线性插值算法、BiCubic插值算法等等，为了降低CPU的资源消耗，本发明中较佳的采用二次线性插值算法。至于如何通过选定的插值算法实现对图像的放大属于已有技术，在此不再赘述。
步骤206～207：利用选定的平滑算法对经过插值处理的QVGA图像进行平滑处理，再将经过平滑处理的图像输出显示。
针对插值算法如二次线性插值处理后边缘毛刺现象比较严重的问题，本发明可通过选定的平滑算法对图像进行平滑处理，以保证在一定程度上改善图像效果。所述的平滑算法也是根据需要选择确定的，可以预先确定并设置于WDM驱动模块中；也可以由用户通过属性页设置，用属性页设置的方法与变焦系数的具体设置方法相同，这种情况下，设置平滑算法是新增加的图像属性，相应的，需要增加对应平滑算法设置的属性设置接口。所采用的平滑算法可以根据需要选用任意一种已有的模板进行平滑处理，比如：采用高斯模板进行平滑，高斯模板如图3所示。由于如何对图像进行平滑属于已有技术，在此不再赘述。
综合来看，本发明在实现4倍变焦的情况下，最多的插值系数为2，因此获得的图像效果较好，且用户只需选择变焦倍数即可，使用方便。尤其是自始至终，USB传输和驱动层处理的都是QVGA图像，既节省CPU资源，又可以轻松达到30FPS的视频效果，具有很强的优越性。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (9)
1、一种实现数字变焦的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.根据当前的变焦系数设置用于多媒体图像处理的DSP芯片寄存器中的配置参数；
b.所述DSP芯片根据自身寄存器中当前存储的配置数据和当前采集的原始VGA图像，获取所需的QVGA图像；
c.对所获取的QVGA图像采用选定的插值算法进行插值放大，然后将经过插值处理的图像输出显示；
步骤a中所述根据当前变焦系数设置DSP芯片寄存器中的配置参数具体包括：判断当前的变焦系数是否大于等于2，如果变焦系数大于等于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据；如果变焦系数小于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据；
则步骤b中，变焦系数小于2时，所述所需的QVGA图像为压缩原始VGA图像信息获得的图像；变焦系数大于等于2时，所述所需的QVGA图像为直接获取的原始VGA图像中央1/4位置的图像。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a所述设置DSP芯片寄存器中的配置参数由驱动层完成。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变焦系数通过属性页进行设定。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在显示之前对经过插值处理的图像进行平滑处理，再显示经过平滑处理的图像。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：预先选定所采用平滑算法。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选定的平滑算法为基于高斯模板的平滑算法。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选定的插值算法为二次线性插值算法。
8、一种电脑摄像头，包括用于采集图像的传感器、对图像数据进行处理的数字信号处理芯片、WDM驱动模块，所述WDM驱动模块包括图像处理无关模块和含有解压缩单元和格式转换单元的图像处理相关模块；所述传感器与所述数字信号处理芯片通过SIF接口相连，所述数字信号处理芯片与WDM模块通过通用串行总线USB接口传输数据；其特征在于，
所述WDM驱动模块进一步包括数字变焦处理单元，设置于解压缩单元和格式转换单元之间，用于根据当前设置的变焦系数更新DSP芯片寄存器中的配置参数；还用于对当前接收到的DSP芯片传输来的QVGA图像进行放大、平滑处理；
所述DSP芯片根据自身寄存器的配置数据和所接收的传感器发来的VGA图像获取QVGA图像，再将获取的QVGA图像传送给WDM驱动模块进行数字变焦处理；
所述WDM驱动模块更新所述配置参数包括：判断当前的变焦系数是否大于等于2，如果变焦系数大于等于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取原始VGA图像中央1/4位置图像的配置数据；如果变焦系数小于2，则设置DSP芯片寄存器中的配置参数为取正常QVGA图像的配置数据；
所述DSP芯片获取QVGA图像包括：变焦系数小于2时，所述所需的QVGA图像为压缩原始VGA图像信息获得的图像；变焦系数大于等于2时，所述所需的QVGA图像为直接获取的原始VGA图像中央1/4位置的图像。
9、根据权利要求8所述的电脑摄像头，其特征在于，所述传感器为VGA传感器。
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