機器視覺圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)要考慮哪(na)些技術參(can)數？圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)是將視頻信號經過AD轉換后，將視頻轉換成電腦可(ke)使用(yong)的(de)數字格式(shi)，經過PCI總線實(shi)時(shi)傳到內(nei)(nei)存和顯存。在采(cai)集(ji)過程(cheng)中，由于采(cai)集(ji)卡(ka)傳送數據采(cai)用(yong)PCI Master Burst方(fang)式(shi)，圖(tu)像(xiang)傳送速度(du)高達(da)40MB/S，可(ke)實(shi)現攝像(xiang)機圖(tu)像(xiang)到計算機內(nei)(nei)存的(de)可(ke)靠實(shi)時(shi)傳送，并且幾乎不(bu)占用(yong)CPU時(shi)間，留給CPU更多的(de)時(shi)間去做圖(tu)像(xiang)的(de)運算與處理(li)。

一、采集卡基本原理

       采(cai)(cai)集(ji)卡有(you)多(duo)種種類、規格。但盡管其設計和(he)特性不同(tong)(tong)，大(da)多(duo)數采(cai)(cai)集(ji)卡的基本(ben)原理(li)(li)相同(tong)(tong)。近年來，數字(zi)(zi)視頻產(chan)品取得了顯著發(fa)展。數字(zi)(zi)視頻產(chan)品通(tong)常(chang)需(xu)要對(dui)動(dong)態圖像(xiang)進行實時(shi)采(cai)(cai)集(ji)和(he)處理(li)(li)，因此(ci)產(chan)品性能受圖像(xiang)采(cai)(cai)集(ji)卡的性能影(ying)響很大(da)。由于(yu)早期(qi)圖像(xiang)采(cai)(cai)集(ji)卡以幀(zhen)(zhen)存(cun)(cun)為核心，處理(li)(li)圖像(xiang)時(shi)需(xu)讀寫(xie)幀(zhen)(zhen)存(cun)(cun)，對(dui)于(yu)動(dong)態畫面還需(xu)“凍結”圖像(xiang)，同(tong)(tong)時(shi)由于(yu)數據傳輸速率的限制，因此(ci)圖像(xiang)處理(li)(li)速度緩慢。

       由于PCI總線(xian)的(de)(de)(de)(de)高(gao)速度，使A/D轉(zhuan)換以后(hou)的(de)(de)(de)(de)數字視頻(pin)信(xin)號只需(xu)經過一(yi)個簡單的(de)(de)(de)(de)緩存(cun)(cun)器(qi)即可直(zhi)接(jie)存(cun)(cun)到(dao)(dao)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)內(nei)存(cun)(cun)，供計(ji)算(suan)(suan)機(ji)進(jin)行圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)處理也可將采集到(dao)(dao)內(nei)存(cun)(cun)的(de)(de)(de)(de)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)信(xin)號傳(chuan)送(song)到(dao)(dao)計(ji)算(suan)(suan)機(ji)顯(xian)示(shi)卡顯(xian)示(shi)；甚至可將A/D輸(shu)出(chu)的(de)(de)(de)(de)數字視頻(pin)信(xin)號經PCI總線(xian)直(zhi)接(jie)送(song)到(dao)(dao)顯(xian)示(shi)卡，在計(ji)算(suan)(suan)機(ji)終端上實時顯(xian)示(shi)活動圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)。數據鎖存(cun)(cun)器(qi)代(dai)替了幀存(cun)(cun)儲器(qi)，這個緩存(cun)(cun)是一(yi)片容量小、控(kong)制簡單的(de)(de)(de)(de)先進(jin)先出(chu)(FIFO)存(cun)(cun)儲器(qi)，起到(dao)(dao)圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)卡向PCI總線(xian)傳(chuan)送(song)視頻(pin)數據時的(de)(de)(de)(de)速度匹(pi)配作用(yong)。將圖(tu)(tu)像(xiang)(xiang)卡插在計(ji)算(suan)(suan)機(ji)的(de)(de)(de)(de)PCI插槽中，與計(ji)算(suan)(suan)機(ji)內(nei)存(cun)(cun)、CPU、顯(xian)示(shi)卡等之(zhi)間形成調整數據傳(chuan)送(song)。

       由于(yu)PCI總線(xian)的(de)上述(shu)優(you)點，許多圖像板卡公(gong)司(si)陸續推出了基于(yu)PCI總線(xian)的(de)圖像采集(ji)卡，另外還有(you)PC104 plus、Compact PCI等總線(xian)形式。

二、與圖像采集卡相關技術名詞

1、DMA

       DMA( Direct Memory Access)是(shi)一種總(zong)線(xian)控制(zhi)方式，它可取(qu)代CPU對總(zong)線(xian)的(de)控制(zhi)，在數(shu)據(ju)(ju)傳輸時根據(ju)(ju)數(shu)據(ju)(ju)源和目的(de)的(de)邏輯地址和物理地址映(ying)射關(guan)系，完成對數(shu)據(ju)(ju)的(de)存取(qu)，這樣可以大大減輕數(shu)據(ju)(ju)傳輸時CPU的(de)負(fu)擔(dan)。

2、LUT(Look-Up Table)

       對于圖像(xiang)采(cai)集卡來說，LUT(Look-Up Table)實際(ji)上就是一(yi)張像(xiang)素灰(hui)度值(zhi)的(de)(de)映射表，它(ta)將(jiang)實際(ji)采(cai)樣(yang)到(dao)的(de)(de)像(xiang)素灰(hui)度值(zhi)經(jing)過(guo)一(yi)定的(de)(de)變換(huan)(huan)(huan)如(ru)閾值(zhi)、反(fan)轉(zhuan)、二值(zhi)化、對比度調整、線性變換(huan)(huan)(huan)等，變成了(le)另外一(yi)個與之對應的(de)(de)灰(hui)度值(zhi)。這樣(yang)可(ke)以起到(dao)突出圖像(xiang)的(de)(de)有用信(xin)息，增強圖像(xiang)的(de)(de)光對比度的(de)(de)作(zuo)用。很(hen)多PC系列卡具有8/10/12/16甚到(dao)32位的(de)(de)LUT，具體在LUT里進行什么(me)樣(yang)的(de)(de)變換(huan)(huan)(huan)是由軟件來定義的(de)(de)。

3、Planar Converter

       Planar Converter能從以4位表示的(de)彩(cai)色(se)象(xiang)素值中(zhong)(zhong)(zhong)將(jiang)(jiang)R、G、B分量提取出來，然后(hou)在(zai)PCI傳輸時分別送(song)到主(zhu)機(ji)內存(cun)中(zhong)(zhong)(zhong)三(san)個(ge)(ge)獨(du)立的(de)Buffer中(zhong)(zhong)(zhong)，這樣(yang)可(ke)以方便在(zai)后(hou)續的(de)處理中(zhong)(zhong)(zhong)對(dui)彩(cai)色(se)信息的(de)存(cun)取。在(zai)有些采(cai)集卡(如PC2Vision)中(zhong)(zhong)(zhong)，它也可(ke)用(yong)于(yu)(yu)在(zai)三(san)個(ge)(ge)黑白(bai)相機(ji)同步采(cai)集時將(jiang)(jiang)它們各自的(de)象(xiang)素值存(cun)于(yu)(yu)主(zhu)機(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)三(san)個(ge)(ge)獨(du)立的(de)Buffer中(zhong)(zhong)(zhong)。

4、Decimation

       Decimation實際上是對原始圖像進(jin)行(xing)(xing)子采樣，如(ru)每(mei)隔(ge)2、4、8、16行(xing)(xing)(列)取(qu)一行(xing)(xing)(列)組成新的圖像。Decimation可以大(da)大(da)減(jian)小原始圖像的數據量(liang)，同(tong)時也(ye)降低了(le)分辨率(lv)，有點(dian)類似(si)于相機的Binning。

5、PWG

       PWG (Programmable Window Generator)指(zhi)在獲(huo)取的相機(ji)原始(shi)圖像上開(kai)一個感興趣的窗(chuang)口(kou)，每次只存(cun)(cun)儲和顯示該窗(chuang)口(kou)的內(nei)容，這(zhe)樣也可以(yi)在一定程度(du)上減少數(shu)(shu)據量，但不(bu)會降低分辨率。一般采集(ji)卡(ka)都有(you)專門的寄存(cun)(cun)器存(cun)(cun)放(fang)有(you)關(guan)窗(chuang)口(kou)大(da)小、起始(shi)點和終了點坐(zuo)標的有(you)關(guan)數(shu)(shu)據，這(zhe)些數(shu)(shu)據都可通過軟件(jian)設(she)置(zhi)。

6、Resequencing

       Resequencing可以認(ren)為(wei)是(shi)一種對多通道或(huo)不同數據(ju)掃描方式的(de)相機所輸出數據(ju)的(de)重組能(neng)力，即將來自CCD靶(ba)面不同區域(yu)或(huo)象素點的(de)數據(ju)重新(xin)組合成一幅(fu)完(wan)整的(de)圖(tu)像。

7、Non-destructive overlay

       overlay是(shi)(shi)指在(zai)視(shi)(shi)頻(pin)(pin)數據顯(xian)(xian)示窗(chuang)(chuang)口上(shang)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)的(de)(de)圖形(如(ru)彈(dan)出式菜單，對(dui)話框(kuang)等(deng))或字符等(deng)非視(shi)(shi)頻(pin)(pin)數據。Non-destructive overlay，即(ji)“非破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”是(shi)(shi)相對(dui)于“破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”來說(shuo)的(de)(de)，“破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”指顯(xian)(xian)示窗(chuang)(chuang)口中(zhong)的(de)(de)視(shi)(shi)頻(pin)(pin)信(xin)息(xi)和覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)信(xin)息(xi)被存放于顯(xian)(xian)存中(zhong)的(de)(de)同一段(duan)(duan)存儲(chu)空(kong)(kong)間(jian)內，而“非破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”指視(shi)(shi)頻(pin)(pin)信(xin)息(xi)與(yu)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)信(xin)息(xi)分(fen)別存放于顯(xian)(xian)存中(zhong)兩段(duan)(duan)不(bu)同的(de)(de)存儲(chu)空(kong)(kong)間(jian)中(zhong)，顯(xian)(xian)示窗(chuang)(chuang)口中(zhong)所顯(xian)(xian)示的(de)(de)信(xin)息(xi)是(shi)(shi)這兩段(duan)(duan)地(di)址空(kong)(kong)間(jian)中(zhong)所存數據的(de)(de)迭加(jia)。如(ru)果(guo)采用“破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”，顯(xian)(xian)存中(zhong)的(de)(de)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)信(xin)息(xi)是(shi)(shi)靠(kao)CPU來刷新的(de)(de)，這樣(yang)既占(zhan)CPU時(shi)間(jian)，又會在(zai)實時(shi)顯(xian)(xian)示時(shi)由于不(bu)同步而帶來閃爍，如(ru)果(guo)采用“非破(po)壞(huai)性(xing)覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)(gai)(gai)”則可消除這些不(bu)利因素。

8、PLL、XTAL和VScan此為模擬采集卡的三(san)種不同(tong)工作(zuo)模式(shi)

(1)PLL(Phase Lock Loop)模式：相(xiang)機(ji)向采(cai)集卡提(ti)供A/D轉換的時鐘(zhong)信號(hao)，此時鐘(zhong)信號(hao)來自相(xiang)機(ji)輸(shu)出的Video信號(hao)，HS和VS同步信號(hao)可以有三種來源：composite video，composite sync，separate sync；

(2)XTAL模式(shi)：圖像采集卡(ka)給相機提供時(shi)鐘信號以及HD/VD信號，并用提供的時(shi)鐘信號作為(wei)A/D轉(zhuan)換的時(shi)鐘，但(dan)同步信號仍可用相機輸(shu)出的HS/VS；

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

三、選擇采集卡要考慮的主要參數

1、接口制式(shi)，數據格式(shi)

       接(jie)口(kou)制式(shi)包括(kuo)數(shu)字(Camera Link、LVDS/RS422、1394、USB)、模擬(PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標(biao)準模擬制式(shi))一(yi)定與所選用相機一(yi)致。如選用數(shu)字制式(shi)還(huan)必須考慮相機的(de)數(shu)字位數(shu)。

當然(ran)，如果選用(yong)的是USB相(xiang)機(ji)(ji)就不(bu)必選擇采集卡了，但對于1394相(xiang)機(ji)(ji)來說，也可以選擇相(xiang)應的采集卡或者轉(zhuan)接卡

2、模擬采集(ji)卡(ka)要考慮數字(zi)化精度

       模擬采集卡的(de)數(shu)字(zi)化(hua)精度主要(yao)包括兩個方面即(ji)：

(1)像素抖動Pixel Jitter

       像(xiang)素(su)抖動(dong)是由圖像(xiang)采集卡的(de)(de)A/D轉換器(qi)的(de)(de)采樣時鐘的(de)(de)誤差產(chan)生的(de)(de)像(xiang)元位置(zhi)上的(de)(de)微小的(de)(de)錯誤從而導致對(dui)距離測量的(de)(de)錯誤。

(2)灰度噪音(yin)Grey-Scale Noise

       圖像采(cai)集卡的(de)(de)數字化轉換(huan)的(de)(de)過(guo)程包括對模擬視頻(pin)信號的(de)(de)放大(da)和對其亮度(du)(du)(灰(hui)(hui)度(du)(du)值)進行(xing)測(ce)量(liang)。在此過(guo)程中會有一(yi)定的(de)(de)噪聲和動態波(bo)動由圖像采(cai)集卡的(de)(de)電路產生(sheng)。如像素抖動一(yi)樣，灰(hui)(hui)度(du)(du)噪聲將導致對距離測(ce)量(liang)的(de)(de)錯誤(wu)。典型的(de)(de)灰(hui)(hui)度(du)(du)噪聲為0.7個灰(hui)(hui)度(du)(du)單元，表示為0.7LSB。

3、采集卡的數據(ju)率(lv)（又(you)稱為“點頻”）

       計算數字采(cai)集(ji)卡的數據率必須滿(man)足的要求可按下(xia)列公式計算：

Data Rate(Grabber)≥1.2×Data Rate(Camera)

Data Rate(Camera)＝R×f×d/8

式中

Data Rate(Grabber)為采集卡的(de)數據率，通常被稱為“點頻”；

Data Rate(Camera)為相(xiang)機的數據率，也稱為“像素時鐘”；

R為相機的分辨率；

f為相機的幀頻；

d為(wei)相機(ji)的數字深度(du)(或稱灰度(du)級(ji))。

4、Memory大小，PCI總線的傳輸速率

       PCI總線可支持(chi)BUS Master設(she)備以132Mbps突(tu)發速率傳(chuan)輸數(shu)(shu)據(ju)。而其(qi)平(ping)均(jun)持(chi)續(xu)數(shu)(shu)據(ju)傳(chuan)輸率一般在50～90Mbps。

       來自相(xiang)機的(de)(de)數據總是以一個(ge)固定的(de)(de)速率傳輸(shu)的(de)(de)。如果PCI總線(xian)可以維(wei)持大于視(shi)頻數據率的(de)(de)平(ping)均持續數據傳輸(shu)率，就(jiu)沒有問題(ti)。而實際上PCI總線(xian)設備只(zhi)能(neng)以突發的(de)(de)方(fang)式向總線(xian)傳輸(shu)數據。圖像采(cai)(cai)集卡必(bi)須將(jiang)每一突發之間的(de)(de)連續的(de)(de)圖像數據保存起來。解(jie)決(jue)的(de)(de)方(fang)法(fa)就(jiu)是采(cai)(cai)用On-board Memory。

      有(you)些廠(chang)家(jia)出(chu)于經濟方面的(de)(de)考慮去除(chu)了Memory而采用數據(ju)緩存(cun)隊(dui)列(FIFO)，FIFO的(de)(de)大(da)小一(yi)般以足以保存(cun)一(yi)行(xing)圖(tu)像數據(ju)為限。然(ran)而，當圖(tu)像數據(ju)的(de)(de)速(su)率大(da)于PCI的(de)(de)持(chi)續數據(ju)傳輸(shu)率時FIFO就不起作用了。

5、相機(ji)控制信號及(ji)外觸發(fa)信號

(1)外(wai)觸(chu)發：由外(wai)部事件啟動(dong)采集的過(guo)程(cheng)。

(2)同步觸發：不(bu)改變(bian)相機與板卡之間的同步關系，采集從下一個場(chang)有(you)效(xiao)信號開始。

(3)異步觸(chu)發：改變相機與板卡的(de)(de)同步關(guan)系，采集從相機復位后的(de)(de)第一個(ge)場有效信號開(kai)始。相機必須要具備異步觸(chu)發的(de)(de)功(gong)能。

6、硬件系統的可靠(kao)性

       硬件的可(ke)靠性在生(sheng)產系統中(zhong)是十分(fen)重要的，由設(she)(she)備故(gu)障而停產造成(cheng)的損(sun)失(shi)遠遠大于設(she)(she)備本身。很多板(ban)(ban)卡廠家并(bing)沒有標明如(ru)平均無故(gu)障時(shi)間等可(ke)靠性指(zhi)標。這里有兩個經驗性的技巧(qiao)用以評估不同板(ban)(ban)卡的可(ke)靠性，板(ban)(ban)上的器件的數量(liang)和(he)功(gong)耗(hao)。

(1)試著去選(xuan)擇(ze)具(ju)有更(geng)(geng)低(di)功耗(hao)的(de)采集(ji)卡(ka)(ka)。在其它條件(jian)(jian)(jian)都(dou)同等的(de)情況下(xia)一塊復雜具(ju)有更(geng)(geng)多(duo)器(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)卡(ka)(ka)會(hui)比器(qi)件(jian)(jian)(jian)較(jiao)少的(de)卡(ka)(ka)耗(hao)散更(geng)(geng)多(duo)的(de)熱量(liang)。好的(de)設計會(hui)采用更(geng)(geng)多(duo)的(de)ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和(he)可編程器(qi)件(jian)(jian)(jian)以(yi)減少電子(zi)器(qi)件(jian)(jian)(jian)的(de)數(shu)量(liang)，而(er)達到(dao)更(geng)(geng)高的(de)功能(neng)。

(2)選擇(ze)具(ju)有更少(shao)的(de)無用功能的(de)卡以減少(shao)不必要的(de)麻(ma)煩。

       過壓(ya)(ya)保護是可靠性的(de)一(yi)個重要指標(biao)。接近高壓(ya)(ya)會在視頻電(dian)纜產(chan)(chan)生(sheng)很強(qiang)的(de)電(dian)涌，在視頻輸入端(duan)和I/O口加過壓(ya)(ya)保護電(dian)路可保護采集卡不(bu)會被工業環境電(dian)磁(ci)干擾(rao)會產(chan)(chan)生(sheng)的(de)高壓(ya)(ya)擊穿。

7、支持軟件的功能

       大多采(cai)集(ji)卡(ka)的廠商(shang)多是把其(qi)采(cai)集(ji)卡(ka)和其(qi)專用(yong)圖像處理軟件捆綁銷售的，因此(ci)在選擇(ze)采(cai)集(ji)卡(ka)的同(tong)時還必須考(kao)慮此(ci)視(shi)覺系(xi)統要選用(yong)的軟件與采(cai)集(ji)卡(ka)是否兼容。

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