原创 大话1394相机

 火线相机采用IEEE1394总线标准，用于传输音频、视频及控制数据。如上图，FireWire（火线）是苹果电脑给IEEE1394标准注册的商标。火线相机包括火线照相机和火线摄像机，用于采集图像和音频数据。在工业、医学、天文、显微及科学领域使用专用的火线相机。这些专用相机不采集音频数据

图1 火线相机的不同形式

1 结构
火线相机的基本结构基于以下六个模组。
 

 图2 火线相机的结构

1.1 光学部分：
 火线相机基于CCD或CMOS芯片。芯片的光学敏感区及像素尺寸均较小。对于光学系统与相机为一整体的火线相机（如映美精型号为DFK 31BF03-Z2.H的相机，见图3左），出厂时的光学系统是与芯片特性匹配的。然而，在专业与半专业领域以及特种相机场合，使用的相机经常需要更换镜头（如图3右为西安方诚型号为IK-145C的工业相机），在这种情况下，工程师将为光学系统和芯片进行匹配选择以适于应用要求（系统集成）。除普通镜头外，可使用的镜头还可以是显微镜头、内窥镜头、望远镜头等。除C口和CS口外，可更换的镜头接口还有公司特制的型号。

 图3 两款市售火线相机

1.2 信号采集部分：
火线相机的功能实现依靠电信号，“信号采集”模组把入射光以及声音转化为电信号。光电转换过程是由CCD或CMOS芯片完成的。声音则通过麦克风转换成电信号。

1.3数字化：
 图像数字化的第一步由CCD或CMOS芯片完成。图像传感器芯片把图像分割成一个个的像元，收集到较多光子的像元产生较高的电压，收集到较少光子的像元产生较低的电压。电压值是模拟量，在数字化的第二阶段，电压由AD转换器转变成数字信号，至此我们得到原始数字图像。
麦克风把声音转换为电压信号，然后AD转换器把这些模拟信号转换为数字信号。

 1.4信号增强：
 图像的色彩通过彩色滤镜创建，滤镜位于CCD或CMOS的前面，其颜色为红、绿或蓝，随像元而改变。因此，该滤镜被称为彩色滤镜阵列(color filter array)或以其发明者的名字命名为拜尔滤镜(Bayer filter)。使用这些原始数字图像数据，“图像增强”模组创建出满足美学需求的图像。音频信号也要做类似处理。
在最后一步中，对于摄像机，该模组把图像数据和音频数据加以压缩，制作成DV数据流。对于照相机，单幅照片将被输出，可能的话，声音注解将以文件输出。
在工业、医学、天文、显微及科学应用领域，经常使用专用的单色相机。这种相机不使用信号增强技术，因此以原始状态输出数字图像数据。
 一些特殊型号的彩色相机仅能够输出原始数字图像数据。这种相机被称作原始彩色(ColorRAW)相机或拜尔(Bayer)相机。这种相机经常应用于工业、医学、天文、显微及科学领域，它们经常被专业摄影师以照相机的形式使用。半专业的照相机通常提供可选的原始数据模式。
原始数字数据的增强在相机外部的计算机中执行，因此用户可以按特定应用要求处理这些数据。

1.5 接口：
 前三个模组是所有数码相机都有的部分，接口是可以把火线相机区分出来的模组。火线接口基于IEEE1394标准，由电气与电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers)制定。该标准定义总线构成以用于传输：时间先决数据(time critical data)，如视频；关键数据，关键数据指完整性必需保证的数据，如参数或文件。
 该标准支持同时使用高达63部不同设备（相机、扫描仪、录像机、硬盘、DVD光驱等）。其它标准称作“协议”，用于定义这些设备的行为。火线相机大多使用以下协议之一。
1.5.1 AV/C
 AV/C是“音视频控制(Audio Video Control)”的简称，定义DV设备的行为，DV设备如摄像机与录像机。该标准由1394行业协会(1394 Trade Association)制定，由音频视频工作组(Audio/Video Working Group)维护。
1.5.2 DCAM
 DCAM是“基于1394的数字相机规范(1394-based Digital Camera Specification)”的简称，定义输出无音频无压缩的图像数据的相机行为。该标准由1394行业协会制定。由IIDC(测试设备与工业控制工作组Instrumentation and Industrial Control Working Group)维护。
1.5.3 IIDC
IIDC通常为DCAM的同义词。
1.5.4 SBP-2
 SBP-2是“串口总线协议(Serial Bus Protocol)”，定义硬盘等大容量存储设备的行为。该标准为ANSI标准，由NCITS维护。
 使用相同协议的设备可以彼此间进行通信。典型的例子是使用摄像机与录像机的直接连接。此方式与USB总线相比就不再需要参与控制的计算机了。如果使用计算机，该计算机必需和与之通信的设备的协议兼容。

1.6 控制：
控制模组协调其它模组。用户可通过以下方式对其进行指定：
1.6.1 使用相机本身进行开关控制；
1.6.2 使用应用软件通过火线控制相机；
1.6.3 以上两种情况的综合使用。
2 照相机
 专业和半专业照相机，尤其是数码机背(digital camera backs)，均提供火线接口用于传输图像数据及控制相机。
 图像数据的传输基于SBP-2协议。在这种模式下，相机表现为外部硬盘，因此能够与计算机进行简单的图像文件交换。
 为提高摄影室的工作效率，可以使用附加的数码机背，藉由火线总线进行控制。通常相机生产商不会公开这种模式下所用的协议，因此，控制相机需要相机生产商提供专用的软件控件，大多生产商会提供在Macintosh和Windows系统下运行的相关软件控件。
3 摄像机
 尽管在高端照相机中才能看到火线总线的身影，在家用级摄像机中却非常常见。摄像机大多基于AV/C协议。该协议定义音频流和视频流数据，以及相机控制信号。大部分摄像机仅通过火线总线("DVout")提供音视频数据输出功能。此外，某些摄像机能够记录音频和视频数据("DVout/DVin")。摄像机可以与计算机和（或）录像机交换数据。
4 特种相机
 在工业、医学、天文、显微和科学领域，火线相机一般并非用于美学目标，而是做图像分析用。这种相机输出不经压缩的图像数据，不记录音频。这种相机基于DCAM(IIDC)协议或生产商制作的协议。
由于应用领域要求，这类特种相机与家用照相机与摄像机有所不同（参看上方中映美精型号为DFK 31BF03-Z2.H的相机和西安方诚型号为IK-145C的工业相机）：
4.1. 特种相机外壳较小，主要为金属材质，外形不遵守美学准则，功能设计有限。
4.2. 特种相机的大多数不提供整合的光学系统，而可以使用采用C接口或CS接口的标准镜头。这个标准不仅用于镜头，还用于显微镜、望远镜、内窥镜及其它光学设备。
4.3. 拍摄辅助功能如自动调焦或稳像功能等不可用。
4.4. 特种相机经常使用单色CCD或CMOS芯片。
4.5. 特种相机经常不使用红外截止滤镜或光学低通滤镜，以避免影响图像。
4.6. 特种相机输出图像数据流及单帧图像时，通过外部触发信号进行采集。在这种方式下，这种相机可以集成到工业设备中。
4.7. 相机内无大容量存储设备，因为图像随后由连接相机的计算机分析。
4.8. 绝大部分特种相机由应用软件控制，软件安装在计算机中。因此相机外壳上没有开关。
4.9. 很少有现成的应用软件以供使用。软件通常针对特定应用进行编写。因此相机生产商一般会提供为其相机设计的程序开发包。如果相机使用标准DCAM(IIDC)协议，就可以使用第三方软件。许多工业相机和嵌入式系统兼容DCAM(IIDC)协议。
与家用照相机或摄像机相比，这些特种相机功能非常简单。但是，单独使用这种相机是没有意义的，和其它传感器一样，它们仅作为更大系统的一个组件。
5 与计算机交换数据
火线相机能够与其它火线设备交换数据，前提是这些设备使用同样的协议。对于不同的相机，可以交换的数据有：
图像与音频文件（协议：SBP-2）
图像和音频数据流（协议：AV/C或DCAM(IIDC)）
控制相机的参数（协议：AV/C或DCAM(IIDC)）
如果相机与计算机之间进行通信，计算机必须配备火线接口以使用相机的协议。在过去，火线相机通过生产商的特定解决方案进行控制。一些专家会提供接口板卡和驱动，但只有配合使用其应用软件才能使用。这种方式下应用软件掌管协议。由于这种解决方案以非常有效的形式使用计算机资源，所以在极其专业的工业项目中仍有使用。这种策略在使用其它火线设备时经常引发问题，例如硬盘。而开放式系统没有这一缺点。
 

 图4 火线相机与计算机的数据交换，左：公司定制系统，右：开放式系统
 开放式系统基于层级模式(layer model)。单独层级（接口板卡、低层驱动、高层驱动和API）的行为受所处的开放式系统制作商的制约。应用软件准许访问操作系统的API层，但绝不可访问任何更低的层级。对于火线相机，高层驱动负责协议。低层驱动和接口板卡实现IEEE 1394标准的定义。这种策略的优势在于应用软件的简单实现，而且独立于硬件及其制造商。
尤其在照相机和特种相机领域，开放式和公司特制系统混用。典型情况下接口卡和低层驱动遵从标准，而更高的层级由公司制定。
 开放式系统的基本特征是不使用硬件制造商的API，而使用操作系统的API。对于Apple和Microsoft的系统，“图像和声音”至关重要。其API——QuickTime和DirectX——众所周知。然而在公众认知中这些仅简化为音频和视频的复现。事实上，他们是包括采集图像功能的强大API。在Linux系统下这种API被称作video4linux。它不及QuickTime和DirectX强大，因此除video4linux外，该系统下还有其它的API。
5.1 照相机
 照相机通常使用Linux下大容量存储设备的基础架构。典型的应用程序是digiKam[http://sourceforge.net/projects/digikam]。
 

 图5 在Linux系统下访问火线相机
多种API用于访问摄像机。上图为使用视频编辑软件Kino[http://sourceforge.net/projects/kino/]基于libavc1394[http://sourceforge.net/projects/libavc1394/]的API访问摄像机。Kino也可以通过其它API进行访问，为简化说明，图中未做示意。
5.2 特种相机
用于特种相机最重要的API为libdc1394[http://sourceforge.net/projects/libdc1394/]。右图描述应用软件Coriander[http://sourceforge.net/projects/coriander/]访问这个API的过程。Coriander基于DCAM(IIDC)协议控制火线相机并获取图像。
为简化video4linux的使用及保证API的可靠性，人们开发了元API软件(meta API)unicap[http://sourceforge.net/projects/unicap/]。由于简单编程模型的便利，该软件涵盖API的大部分内容。

6 系统集成
通常火线相机只是一个较大系统内部的一个齿轮。典型情况下，一套专用系统使用数个不同的组件来解决特定的问题。有两种方法完达成该使用目标。
6.1.当前要解决的问题为一个用户组共同面对的问题时，一般会有现成的应用软件支持。例如摄影工作室里的应用。
6.2.当前要解决的问题仅为特定应用时，一般没有现成的应用软件。因此必须靠系统专家编写对应软件。例如铁板厚度检测。
许多系统集成设备的组件与火线相机并无直接关系。比如照明系统对采集到的图像质量有明显的影响。这一点在美学应用与分析应用中效果相同。
然而，在应用软件开发方面，火线相机还有一个典型特性：对标准协议的支持。火线相机支持的协议有AV/C、DCAM、IIDC及SBP-2。基于这些协议的使用，软件开发得以在独立于相机类型或制造商的情况下开发。协议的实现由操作系统完成，加之可以对API指令集进行访问，软件开发可以独立于硬件。例如：在Linux操作系统下，某应用软件使用名为libdc1394的API开发，使软件能够使用DCAM(IIDC)协议访问所有的火线相机。并使用API接口获得更多的访问许可以访问其它的视频源，比如图像采集卡。

7 外部参考链接
1394行业协会[http://www.1394ta.org/]
火线相机完整列表[http://damien.douxchamps.net/ieee1394/cameras/]
设备厂商观点
IEEE1394a及IEEE1394b火线相机及外围设备的全部产品[http://www.aegis-elec.com/products/firewire-cams.html]
视频解决方案工作组之火线相机[http://www.isgchips.com/Templates/t_camera.htm]
工业、科学及医学界使用的火线摄像机[http://www.theimagingsource.com/en_US/topics/firewire-cameras-at-the-imaging-source/]
照相机[http://www.dcresource.com/]
摄像机[http://www.dvformat.com/]
特种相机[http://damien.douxchamps.net/ieee1394/cameras/]
操作系统的API
QuickTime [http://developer.apple.com/documentation/QuickTime/]
DirectX [http://msdn.microsoft.com/directx/]
ActiveX [http://www.ab-soft.com/activedcam.php]
Linux系统下的操作系统API
video4linux [http://linuxtv.org/v4lwiki/index.php/Main_Page]
libavc1394 [http://sourceforge.net/projects/libavc1394/]
libdc1394 [http://sourceforge.net/projects/libdc1394/]
unicap [http://unicap-imaging.org/]
Linux系统下的应用软件
ucview [http://www.astronomycamerasblog.com/category/software-linux/]
digiKam [http://www.digikam.org/]
Kino [http://www.kinodv.org/]
Coriander [http://damien.douxchamps.net/ieee1394/coriander/]
Videography [http://sourceforge.net/projects/videography/]

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