圖像采(cai)集卡是(shi)將視頻信號經過AD轉(zhuan)(zhuan)換(huan)后(hou)，將視頻轉(zhuan)(zhuan)換(huan)成電腦可使用的(de)(de)數(shu)字格(ge)式，經過PCI總(zong)線實(shi)時傳(chuan)到內(nei)存(cun)和顯(xian)存(cun)。在采(cai)集過程中，由于采(cai)集卡傳(chuan)送(song)(song)數(shu)據采(cai)用PCI Master Burst方(fang)式，圖像傳(chuan)送(song)(song)速度高達(da)40MB/S，可實(shi)現攝像機(ji)圖像到計算(suan)機(ji)內(nei)存(cun)的(de)(de)可靠實(shi)時傳(chuan)送(song)(song)，并(bing)且幾乎不(bu)占用CPU時間，留(liu)給CPU更(geng)多的(de)(de)時間去(qu)做(zuo)圖像的(de)(de)運(yun)算(suan)與處理。

一(yi)、采集(ji)卡(ka)基本(ben)原理

采集(ji)(ji)卡(ka)(ka)有多種(zhong)種(zhong)類(lei)、規格。但盡管其(qi)設(she)計和(he)特(te)性不同(tong)，大(da)多數(shu)采集(ji)(ji)卡(ka)(ka)的(de)基本原理相同(tong)。近年來，數(shu)字視頻產品取得了顯著發展。數(shu)字視頻產品通常(chang)需(xu)要(yao)對(dui)動態圖(tu)(tu)像(xiang)進行實時采集(ji)(ji)和(he)處(chu)(chu)理，因(yin)此產品性能受圖(tu)(tu)像(xiang)采集(ji)(ji)卡(ka)(ka)的(de)性能影響很大(da)。由于(yu)早期圖(tu)(tu)像(xiang)采集(ji)(ji)卡(ka)(ka)以幀存為核心，處(chu)(chu)理圖(tu)(tu)像(xiang)時需(xu)讀(du)寫幀存，對(dui)于(yu)動態畫面(mian)還需(xu)“凍結”圖(tu)(tu)像(xiang)，同(tong)時由于(yu)數(shu)據(ju)傳輸速率的(de)限制(zhi)，因(yin)此圖(tu)(tu)像(xiang)處(chu)(chu)理速度緩慢。

90年代初，INTEL公(gong)司提出(chu)了(le)PClI（Peripheral Component Interconnect）局(ju)部(bu)總(zong)線(xian)規范。PCI總(zong)線(xian)數據傳寬度為32/64位(wei)，允許系統設備直接或(huo)間(jian)接連(lian)接其(qi)上(shang)，設備間(jian)可(ke)通過局(ju)部(bu)總(zong)線(xian)完(wan)成數據的快(kuai)速傳送，從而較好(hao)地解(jie)決了(le)數據傳輸的瓶頸(jing)問題。

由于PCI總(zong)線(xian)的高速(su)(su)度，使A/D轉(zhuan)換以(yi)后的數(shu)字(zi)視(shi)頻(pin)信號(hao)只(zhi)需(xu)經過一(yi)個(ge)簡單(dan)(dan)的緩存(cun)器(qi)即可(ke)直(zhi)接存(cun)到(dao)計(ji)算(suan)機(ji)內存(cun)，供計(ji)算(suan)機(ji)進(jin)行圖(tu)像(xiang)處理也可(ke)將采集到(dao)內存(cun)的圖(tu)像(xiang)信號(hao)傳送(song)到(dao)計(ji)算(suan)機(ji)顯(xian)示(shi)(shi)卡顯(xian)示(shi)(shi)；甚至可(ke)將A/D輸出的數(shu)字(zi)視(shi)頻(pin)信號(hao)經PCI總(zong)線(xian)直(zhi)接送(song)到(dao)顯(xian)示(shi)(shi)卡，在計(ji)算(suan)機(ji)終端上實時顯(xian)示(shi)(shi)活(huo)動圖(tu)像(xiang)。數(shu)據鎖存(cun)器(qi)代(dai)替了幀存(cun)儲器(qi)，這個(ge)緩存(cun)是一(yi)片容量小(xiao)、控制簡單(dan)(dan)的先(xian)進(jin)先(xian)出（FIFO）存(cun)儲器(qi)，起到(dao)圖(tu)像(xiang)卡向PCl總(zong)線(xian)傳送(song)視(shi)頻(pin)數(shu)據時的速(su)(su)度匹(pi)配作用。將圖(tu)像(xiang)卡插在計(ji)算(suan)機(ji)的PCI插槽中，與計(ji)算(suan)機(ji)內存(cun)、CPU、顯(xian)示(shi)(shi)卡等之(zhi)間形成調整數(shu)據傳送(song)。

由于PCI總(zong)線的上述優點，許多圖(tu)像(xiang)板卡公司陸續(xu)推出了基(ji)于PCI總(zong)線的圖(tu)像(xiang)采(cai)集卡，另外還有PC104plus、Compact PCI等(deng)總(zong)線形式。

二(er)、與(yu)圖像采集(ji)卡相關技術名詞

1、DMA

 DMA（Direct Memory Access）是一(yi)種(zhong)總線(xian)控制方式，它可(ke)取代(dai)CPU對總線(xian)的(de)控制，在數據(ju)傳輸(shu)(shu)時(shi)根據(ju)數據(ju)源和目的(de)的(de)邏輯地址和物理地址映射關(guan)系，完(wan)成對數據(ju)的(de)存取，這樣可(ke)以大大減輕數據(ju)傳輸(shu)(shu)時(shi)CPU的(de)負擔。

2、LUT（Look-Up Table）

對(dui)于圖(tu)像(xiang)(xiang)采集卡來說，LUT（Look-UpTable）實際(ji)上就是一(yi)張(zhang)像(xiang)(xiang)素灰度(du)值(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)映(ying)射表(biao)，它將實際(ji)采樣到(dao)的(de)(de)像(xiang)(xiang)素灰度(du)值(zhi)(zhi)(zhi)經過一(yi)定的(de)(de)變(bian)換(huan)如閥(fa)值(zhi)(zhi)(zhi)、反轉(zhuan)、二值(zhi)(zhi)(zhi)化、對(dui)比度(du)調整、線性變(bian)換(huan)等，變(bian)成了另外一(yi)個與之(zhi)對(dui)應的(de)(de)灰度(du)值(zhi)(zhi)(zhi)。這樣可以起到(dao)突(tu)出(chu)圖(tu)像(xiang)(xiang)的(de)(de)有用信息，增(zeng)強圖(tu)像(xiang)(xiang)的(de)(de)光對(dui)比度(du)的(de)(de)作用。很(hen)多(duo)PC系(xi)列卡具有8/10/12/16甚到(dao)32位的(de)(de)LUT，具體(ti)在LUT里進行(xing)什么(me)樣的(de)(de)變(bian)換(huan)是由軟件來定義的(de)(de)。

3、Planar Converter

 Planar Converter能從以(yi)4位表示的彩色象素(su)(su)值(zhi)中將(jiang)(jiang)R、G、B分量提(ti)取出來，然后(hou)在(zai)PCI傳輸時分別送到主(zhu)機(ji)內(nei)存中三(san)個獨(du)(du)立的Buffer中，這樣可(ke)以(yi)方便在(zai)后(hou)續的處理中對彩色信息(xi)的存取。在(zai)有(you)些采集(ji)卡（如PC2Vision）中，它也可(ke)用(yong)于在(zai)三(san)個黑白相機(ji)同步采集(ji)時將(jiang)(jiang)它們(men)各自(zi)的象素(su)(su)值(zhi)存于主(zhu)機(ji)中三(san)個獨(du)(du)立的Bufer中。

4、Decimation

Decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，如(ru)每(mei)隔2、4、8、16行（列）取一行（列）組(zu)成新(xin)的圖像。Decimation可以(yi)大大減小(xiao)原始圖像的數據(ju)量，同時(shi)也降(jiang)低了(le)分辨率，有點類似于相機(ji)的Binning。

5、PWG

PWG（Programmable Window Generator）指(zhi)在獲(huo)取的(de)(de)(de)相機原始圖像上(shang)開一(yi)個感興趣的(de)(de)(de)窗口(kou)，每次只存(cun)(cun)儲和顯示(shi)該窗口(kou)的(de)(de)(de)內容，這(zhe)樣(yang)也可(ke)以在一(yi)定(ding)程度(du)上(shang)減(jian)少數據(ju)量，但不會降低分(fen)辨(bian)率(lv)。一(yi)般采集(ji)卡都(dou)有專門(men)的(de)(de)(de)寄(ji)存(cun)(cun)器存(cun)(cun)放(fang)有關(guan)窗口(kou)大小、起始點和終(zhong)了點坐標的(de)(de)(de)有關(guan)數據(ju)，這(zhe)些數據(ju)都(dou)可(ke)通過(guo)軟件設置。

6、Resequencing

 Resequencing可以(yi)認為(wei)是(shi)一種對多(duo)通道或(huo)不(bu)同數(shu)(shu)(shu)據掃描方式的(de)(de)相機所輸出數(shu)(shu)(shu)據的(de)(de)重(zhong)組能力，即(ji)將(jiang)來(lai)自(zi)CCD靶面不(bu)同區(qu)域(yu)或(huo)象素點的(de)(de)數(shu)(shu)(shu)據重(zhong)新組合(he)成一幅完整的(de)(de)圖像。

7、Non-destructive overlay

 overlay是指(zhi)(zhi)在視(shi)頻(pin)(pin)數(shu)(shu)據顯(xian)示(shi)窗口上(shang)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)的(de)(de)圖形（如彈出式菜(cai)單(dan)，對話框(kuang)等(deng)）或(huo)字符等(deng)非(fei)視(shi)頻(pin)(pin)數(shu)(shu)據。Non-destructive overlay，即(ji)“非(fei)破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”是相(xiang)對于“破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”來說的(de)(de)，“破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”指(zhi)(zhi)顯(xian)示(shi)窗口中(zhong)(zhong)的(de)(de)視(shi)頻(pin)(pin)信息(xi)和(he)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)信息(xi)被存(cun)放(fang)于顯(xian)存(cun)中(zhong)(zhong)的(de)(de)同一(yi)段(duan)(duan)存(cun)儲(chu)空間內，而“非(fei)破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”指(zhi)(zhi)視(shi)頻(pin)(pin)信息(xi)與(yu)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)信息(xi)分別存(cun)放(fang)于顯(xian)存(cun)中(zhong)(zhong)兩段(duan)(duan)不(bu)同的(de)(de)存(cun)儲(chu)空間中(zhong)(zhong)，顯(xian)示(shi)窗口中(zhong)(zhong)所顯(xian)示(shi)的(de)(de)信息(xi)是這(zhe)兩段(duan)(duan)地址空間中(zhong)(zhong)所存(cun)數(shu)(shu)據的(de)(de)迭加。如果采用“破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”，顯(xian)存(cun)中(zhong)(zhong)的(de)(de)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)信息(xi)是靠(kao)CPU來刷新的(de)(de)，這(zhe)樣既占CPU時(shi)間，又(you)會(hui)在實時(shi)顯(xian)示(shi)時(shi)由于不(bu)同步而帶來閃(shan)爍，如果采用“非(fei)破(po)壞性(xing)(xing)(xing)覆(fu)(fu)(fu)蓋(gai)(gai)”則可消除這(zhe)些(xie)不(bu)利因素。

8、PLL、XTAL和(he)VScan此為模擬采集卡(ka)的三種不(bu)同工作(zuo)模式

（1）PLL（Phase Lock Loop）模式：相機向(xiang)采(cai)集卡提供A/D轉換的時(shi)鐘信(xin)(xin)(xin)號，此(ci)時(shi)鐘信(xin)(xin)(xin)號來(lai)自相機輸出的Video信(xin)(xin)(xin)號，HS和VS同步信(xin)(xin)(xin)號可以有三(san)種來(lai)源：composite video，composite sync，separate sync；

（2）XTAL模(mo)式：圖像采集卡給相機提(ti)供時鐘(zhong)信號以及HD/VD信號，并用提(ti)供的(de)時鐘(zhong)信號作(zuo)為A/D轉換(huan)的(de)時鐘(zhong)，但(dan)同(tong)步信號仍可用相機輸(shu)出(chu)的(de)HS/VS；

（3）VScan模式：由相機向分別卡提供Pixel Clock信號(hao)、HS和(he)VS信號(hao)。

三、選擇采集卡(ka)要考慮的主(zhu)要參數

1、接口(kou)制式，數(shu)據(ju)格(ge)式

接口制(zhi)式包括數(shu)字（Camera Link、LVDS/RS422、1394、USB）、模擬（PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標準模擬制(zhi)式）一(yi)定與所選(xuan)用(yong)相機一(yi)致。如選(xuan)用(yong)數(shu)字制(zhi)式還必須考慮相機的(de)(de)數(shu)字位(wei)數(shu)。當然，如果(guo)選(xuan)用(yong)的(de)(de)是USB相機就(jiu)不必選(xuan)擇(ze)采集(ji)卡(ka)了，但對于1394相機來說，也可以選(xuan)擇(ze)相應的(de)(de)采集(ji)卡(ka)或者轉接卡(ka)。

2、模擬采集(ji)卡要考(kao)慮數(shu)字化精度

模(mo)擬采集卡的數字化精度主(zhu)要包括兩(liang)個方面即(ji)：

（1）像素(su)抖動Pixel Jitter像素(su)抖動是(shi)由圖像采(cai)集卡的(de)A/D轉換(huan)器(qi)的(de)采(cai)樣時鐘(zhong)的(de)誤(wu)差(cha)產(chan)生的(de)像元位(wei)置上的(de)微小(xiao)的(de)錯誤(wu)從而(er)導致(zhi)對距離測量的(de)錯誤(wu)。

（2）灰度(du)(du)噪音Grey-Scale Noise圖像(xiang)(xiang)采集(ji)卡的(de)(de)數字化(hua)轉換的(de)(de)過(guo)程(cheng)包括對模擬(ni)視(shi)頻信號的(de)(de)放大和對其亮度(du)(du)（灰度(du)(du)值）進(jin)行測量。在此過(guo)程(cheng)中會(hui)有(you)一定的(de)(de)噪聲(sheng)和動態波動由圖像(xiang)(xiang)采集(ji)卡的(de)(de)電路產(chan)生(sheng)。如像(xiang)(xiang)素抖動一樣，灰度(du)(du)噪聲(sheng)將導致對距(ju)離(li)測量的(de)(de)錯(cuo)誤。典型(xing)的(de)(de)灰度(du)(du)噪聲(sheng)為(wei)0.7個灰度(du)(du)單元，表(biao)示為(wei)0.7LSB。

3、采集卡(ka)的(de)數據率(lv)（又稱(cheng)為“點(dian)頻(pin)”）計(ji)算數字采集卡(ka)的(de)數據率(lv)必須(xu)滿足的(de)要求可(ke)按下(xia)列公式(shi)計(ji)算：

Data Rate（Grabber）≥1.2譊ata Rate（Camera），Data Rate（Camera）=Rxfxd/8，式中(zhong)Data Rate（Grabber）為(wei)(wei)(wei)(wei)采集(ji)卡的(de)數(shu)據率(lv)，通(tong)常(chang)被稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)“點頻(pin)”；Data Rate（Camera）為(wei)(wei)(wei)(wei)相機(ji)的(de)數(shu)據率(lv)，也稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)(wei)(wei)“像素時鐘”；R為(wei)(wei)(wei)(wei)相機(ji)的(de)分辨(bian)率(lv)；f為(wei)(wei)(wei)(wei)相機(ji)的(de)幀(zhen)頻(pin)；d為(wei)(wei)(wei)(wei)相機(ji)的(de)數(shu)字深(shen)度（或稱(cheng)(cheng)灰度級(ji)）。

4、Memory大(da)小，PCl總線的傳(chuan)輸(shu)速率

PCl總線可支持BUSMaster設備(bei)以132Mbps突發速率傳(chuan)輸數(shu)據。而其平均(jun)持續數(shu)據傳(chuan)輸率一般在50~90Mbps。

來自相機的數(shu)(shu)據總是以一個固定的速率(lv)傳(chuan)輸(shu)的。如果(guo)PCI總線可以維持大于視頻數(shu)(shu)據率(lv)的平(ping)均持續數(shu)(shu)據傳(chuan)輸(shu)率(lv)，就沒有問(wen)題。而實際上PCl總線設備(bei)只(zhi)能以突發的方式向總線傳(chuan)輸(shu)數(shu)(shu)據。

圖像(xiang)采集卡必須將每一突(tu)發之(zhi)間的連續的圖像(xiang)數據(ju)保(bao)存(cun)起來。解決的方(fang)法就(jiu)是采用On-board Memory。

有(you)些廠(chang)家(jia)出于(yu)經濟方面的(de)考(kao)慮去除了Memory而采用數(shu)據(ju)緩存隊(dui)列（FIFO），FIFO的(de)大小(xiao)一(yi)般以(yi)足以(yi)保存一(yi)行圖像數(shu)據(ju)為限。然而，當(dang)圖像數(shu)據(ju)的(de)速率大于(yu)PCI的(de)持續數(shu)據(ju)傳(chuan)輸率時 FIFO就(jiu)不(bu)起作用了。

5、相機控制信(xin)號及外觸發信(xin)號

（1）外觸發：由(you)外部(bu)事件啟動采集的過程。

（2）同(tong)步(bu)觸發：不(bu)改(gai)變(bian)相機與板卡之間的同(tong)步(bu)關(guan)系，采集(ji)從下一個場有(you)效(xiao)信號開始。

（3）異步(bu)觸發：改(gai)變相機(ji)與板(ban)卡的同步(bu)關系，采集(ji)從相機(ji)復位后(hou)的第一個場有效信號開始(shi)。

相機(ji)必須要具備異步觸發(fa)的功能。

6、硬件(jian)系統的(de)可靠性

硬件的(de)(de)可(ke)靠性(xing)(xing)在生產系統(tong)中是十分重(zhong)要的(de)(de)，由設備故障(zhang)而停產造成的(de)(de)損失遠遠大(da)于設備本身。很多板卡廠家并沒有標(biao)明如(ru)平均無故障(zhang)時間等可(ke)靠性(xing)(xing)指標(biao)。這里有兩個(ge)經驗(yan)性(xing)(xing)的(de)(de)技巧用以評估不(bu)同板卡的(de)(de)可(ke)靠性(xing)(xing)，板上的(de)(de)器件的(de)(de)數量(liang)和(he)功耗(hao)。

（1）試著去選擇具有(you)更(geng)(geng)低功(gong)耗的(de)(de)采集卡(ka)。在其(qi)它(ta)條(tiao)件都同等的(de)(de)情況下一塊(kuai)復(fu)雜(za)具有(you)更(geng)(geng)多(duo)器件的(de)(de)卡(ka)會比器件較少的(de)(de)卡(ka)耗散更(geng)(geng)多(duo)的(de)(de)熱量。好(hao)的(de)(de)設計會采用更(geng)(geng)多(duo)的(de)(de)ASIC（Application-specific integrated circuits）和可編程器件以減少電子器件的(de)(de)數(shu)量，而達到更(geng)(geng)高的(de)(de)功(gong)能。

（2）選擇具有更少的無(wu)用功能(neng)的卡(ka)以減(jian)少不必(bi)要(yao)的麻煩(fan)。過(guo)壓(ya)保(bao)護是可(ke)靠性的一個重要(yao)指標。接近高(gao)壓(ya)會在視頻電(dian)纜產生(sheng)很(hen)強的電(dian)涌，在視頻輸(shu)入(ru)端和I/O口加過(guo)壓(ya)保(bao)護電(dian)路可(ke)保(bao)護采集(ji)卡(ka)不會被工業環(huan)境(jing)電(dian)磁干擾會產生(sheng)的高(gao)壓(ya)擊穿。

7、支持軟件的功能

大多(duo)采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡(ka)(ka)的(de)廠(chang)商多(duo)是(shi)把其(qi)采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡(ka)(ka)和其(qi)專用(yong)圖像處理(li)軟件捆綁(bang)銷售的(de)，因此在選(xuan)擇(ze)采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡(ka)(ka)的(de)同時還必須考慮此視覺系(xi)統要(yao)選(xuan)用(yong)的(de)軟件與采(cai)(cai)集(ji)(ji)卡(ka)(ka)是(shi)否兼(jian)容。