Introduction à l`acquisition vidéo dans un environnement PC

Copyright Euresys s.a. 2003 Auteur: Yves Joskin
Introduction
à l'acquisition vidéo
dans un environnement PC
Exposé donné
dans le cadre du cours
"Introduction
aux techniques
audio et video"
Revision History
Rev 1.1: 28 mars, 2001
Rev 1.2: 19 avril, 2001
Rev 1.3: 15 avril, 2002
Rev 1.4: 26 mars, 2003

Contents
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Contents
1 Introduction.............................................................................................................. 5
1.1 Frame Grabber.............................................................................................................5
1.1.1 Definition.................................................................................................................. 5
1.1.2 "Le contraire" d'une carte VGA ................................................................................ 5
1.1.3 Usage ...................................................................................................................... 6
1.2 Structure de l'exposé ...................................................................................................6
1.2.1 Sources d'images .................................................................................................... 6
1.2.2 Ordinateur hôte........................................................................................................ 6
1.2.3 Acquisition ............................................................................................................... 6
1.2.4 Conclusions ............................................................................................................. 6
2 Sources d'images .................................................................................................... 7
2.1 Classification ................................................................................................................7
2.1.1 Avec signal vidéo..................................................................................................... 7
2.1.2 Sans signal vidéo..................................................................................................... 7
2.1.3 Cadre de cet exposé................................................................................................ 7
2.2 Signal vidéo..................................................................................................................8
2.2.1 Définition.................................................................................................................. 8
2.2.2 Signaux vidéo analogiques ...................................................................................... 8
2.2.2.1 Composite...............................................................................................................8
2.2.2.2 Composantes..........................................................................................................8
2.2.2.3 Oscillogramme ........................................................................................................8
2.2.2.4 Standards vidéo ......................................................................................................9
2.2.2.5 Vidéo sauvage ........................................................................................................9
2.2.3 Signaux vidéo numériques....................................................................................... 9
2.2.3.1 Version digitalisée d'un standard analogique..........................................................9
2.2.3.2 Vidéo digitale domestique.......................................................................................9
2.2.3.3 Vidéo digitale industrielle ........................................................................................9
2.2.3.4 Comparaison série/parallèle .................................................................................10
2.2.3.5 Standardisation d'un flux digital ou bitstream........................................................10
2.3 Caméras.....................................................................................................................11
2.3.1 Définition................................................................................................................ 11
2.3.2 Capteurs ................................................................................................................ 11
2.3.3 Formation du signal vidéo...................................................................................... 12
2.3.3.1 Caméra analogique...............................................................................................12
2.3.3.2 Caméra digitale.....................................................................................................12
2.3.4 Particularités des caméras..................................................................................... 12
2.3.4.1 Entrelacement.......................................................................................................12
2.3.4.2 Contrôle de l'exposition.........................................................................................13
2.3.4.3 Contrôle du balayage............................................................................................13
2.3.4.4 Capture d'image de sujets mobiles .......................................................................13
2.3.4.5 Caméras linéaires .................................................................................................14
2.3.4.6 Multiplicité des canaux..........................................................................................14
2.3.4.7 Implication pour les frame grabbers......................................................................14
3 Ordinateur hôte...................................................................................................... 15
3.1 Pourquoi le PC ? ........................................................................................................15
3.2 Structure simplifiée d'un PC.......................................................................................16
3.2.1 Diagramme ............................................................................................................ 16
3.2.2 Processeur............................................................................................................. 16
3.2.3 Chip set.................................................................................................................. 16
3.2.4 North bridge ........................................................................................................... 17
3.2.5 South bridge .......................................................................................................... 17
3.2.6 Mémoire................................................................................................................. 17
3.2.7 Contrôleur graphique ............................................................................................. 17
3.2.8 Bus PCI.................................................................................................................. 17
3.2.9 Bus ISA.................................................................................................................. 17
3.3 Bus PCI ......................................................................................................................18
3.3.1 Introduction ............................................................................................................ 18
3.3.2 Structure ................................................................................................................ 18
3.3.3 Agents.................................................................................................................... 18
3.3.4 Burst ...................................................................................................................... 18

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3.3.5 DMA ....................................................................................................................... 19
3.3.6 Variantes actuelles................................................................................................. 20
3.3.7 Variante future: PCI Express.................................................................................. 20
4 Acquisition.............................................................................................................. 21
4.1 Préliminaires.............................................................................................................. 21
4.1.1 Place du frame grabber.......................................................................................... 21
4.1.2 Exemple analogique............................................................................................... 22
4.1.3 Exemple digital....................................................................................................... 23
4.1.4 Structure ................................................................................................................ 24
4.2 Aspects hardware...................................................................................................... 24
4.2.1 Connexions ............................................................................................................ 24
4.2.2 Conditionnement analogique.................................................................................. 24
4.2.2.1 Applicabilité........................................................................................................... 24
4.2.2.2 Traitements appliqués ..........................................................................................24
4.2.2.3 Conversion analogique/digitale............................................................................. 24
4.2.2.4 Traitements particuliers ........................................................................................25
4.2.3 Base de temps ....................................................................................................... 25
4.2.3.1 Généralités ...........................................................................................................25
4.2.3.2 Synchronisation par boucle de phase................................................................... 25
4.2.3.3 Synchronisation par horloge pixel.........................................................................25
4.2.3.4 Signaux produits par la base de temps ................................................................25
4.2.4 Conditionnement digital.......................................................................................... 26
4.2.4.1 Applicabilité........................................................................................................... 26
4.2.4.2 Traitements appliqués ..........................................................................................26
4.2.4.3 But global.............................................................................................................. 26
4.2.5 Mémoire ................................................................................................................. 27
4.2.5.1 Justification ........................................................................................................... 27
4.2.5.2 Frame grabber à FIFO..........................................................................................27
4.2.5.3 Frame grabber à frame buffer............................................................................... 27
4.2.6 Contrôle DMA ........................................................................................................ 28
4.2.6.1 Ordre des pixels.................................................................................................... 28
4.2.6.2 Format des pixels .................................................................................................28
4.2.6.3 Scatter-gather .......................................................................................................28
4.3 Aspects software ....................................................................................................... 29
4.3.1 Définition ................................................................................................................ 29
4.3.2 Client...................................................................................................................... 29
4.3.3 Missions du driver .................................................................................................. 29
4.3.4 Application programming interface......................................................................... 29
4.3.5 Fonctionnalité......................................................................................................... 29
4.3.5.1 Style séquentiel ....................................................................................................30
4.3.5.2 Style événementiel ...............................................................................................30
4.3.6 Evolutivité............................................................................................................... 31
4.3.6.1 Diversité des systèmes d'exploitation...................................................................31
4.3.6.2 Diversité des environnements ..............................................................................31
4.3.6.3 Style d'API ............................................................................................................ 31
4.3.6.4 Evolution des fonctionnalités ................................................................................31
4.4 Considérations particulières...................................................................................... 32
4.4.1 Multiplicité des sources .......................................................................................... 32
4.4.2 Considérations de débit ......................................................................................... 32
4.4.3 Missions non liées à la vidéo.................................................................................. 32
4.4.3.1 Contrôle de l'éclairage .......................................................................................... 32
4.4.3.2 Trigger externe......................................................................................................32
4.4.3.3 Entrées et sorties à usage général ....................................................................... 32
4.5 "Frame processor" versus "Frame grabber" ............................................................. 33
5 Conclusions ........................................................................................................... 35
5.1 Application des frame grabbers ................................................................................ 35
5.2 Euresys...................................................................................................................... 35
5.3 Gamme...................................................................................................................... 36
5.3.1 Frame grabber analogiques ................................................................................... 36
5.3.2 Frame grabber digitaux .......................................................................................... 37
5.3.3 Software................................................................................................................. 37
5.4 Opportunités.............................................................................................................. 38

Acquisition vidéo dans un environnement PC Introduction
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1 Introduction
1.1 Frame Grabber
1.1.1 Definition
Qu'est ce qu'un frame grabber ?
En français: carte d'acquisition d'image.
On emploie parfois le terme "Capture Board", ou "carte de capture".
En amont: caméra (en général, une source vidéo)
En aval: un PC (en général, un ordinateur hôte)
Frame
Grabber
PCI bus
Connector
1.1.2 "Le contraire" d'une carte VGA
Computer to Video
PC
Video
Monitor
Graphic
Card
Video to Computer
PC
Frame
Grabber
Video
Camera