發布日期：2022-07-14 點擊率：13
1 引言
成像產品可以幫助你采樣和分析以視頻信號為載體的視頻信息。電子采樣通過工作在主機平臺內的(如pc機)采集卡這種視頻捕捉設備來完成。采集卡把由視頻信號源提供的圖像轉換為數據陣列，該數據陣列可被數字化存貯、處理、增強，然后被分析或顯示在視頻監視器上。
2 視頻基礎
當對視頻信號進行電子采樣時(通常稱之為圖像獲取)，首先應該知道所使用的是哪種視頻信號。這部分內容介紹了一些有關視頻信號的基本知識。
2.1 信號種類與視頻格式
視頻信號有多種信號源，包括：視頻相機、可攜式攝像機、錄像機、電視廣播、x射線設備、掃描電子顯微鏡、ct掃描器等等。這些信號源或者提供復合視頻信號(信號中包含視頻數據和時鐘信息)或非標準視頻信號(其視頻和時鐘可以有多種不同的格式)。
標準復合視頻信號有以下幾種制式：
(1) rs-170
用于北美和日本。這種黑白復合視頻信號的空間分辨率為640×480，rs-170工作在60hz，即30fps。
(2) ntsc/rs-330
用于北美和日本。這種視頻信號除了增加了色彩信息，其它方面和rs-170一致。此信號類型于20世紀50年代被國家電視系統委員會(ntsc)制定標準。
(3) ccir
此復合信號最先用于北歐，根據一個國際標準組織-國際射線顧問委員會(ccir)而命名。此黑白視頻信號的空間分辨率為768×576，工作于50hz，即25fps。
(4) pal
用于北歐。這種視頻信號除了增加了色彩信息，其它方面和ccir一致。pal是其應用的一種技術phase alteration
line的縮寫。
(5) secam
用于法國、俄羅斯等。其參數與pal一致。
非標準視頻信號沒有固定的空間分辨率、信號時鐘以及信號特征。只有查閱信號源所提供的技術文檔才能確定這些參數。
2.2 空間分辨率
空間分辨率定義了一幅圖像的行與列的元素數。行定義了圖像的長度，由線數來描述;列定義了圖像的寬度，由像素數來描述。對于標準的rs-170/ntsc圖像，其空間分辨率為640×480;對于標準的ccir/pal圖像，其空間分辨率為768×576。見圖1：
根據信號源或所用相機的不同，其空間分辨率可以從256×256到4096×4096甚至更高。由于空間分辨率直接影響著圖像的大小，大多應用只使用符合要求的分辨率。快速的圖像傳輸和處理對于工業檢測應用來說非常重要，其圖像的空間分辨率通常為512×512。對于需要更高空間分辨率的應用，如高精度的標定和測量，經常會使用1024×1024或更高的分辨率。
2.3 寬高比
寬高比是指單個像素的寬度與高度之比。通常我們都需要寬高比為1:1，即像素的寬、高相等。一些輸入信號源或相機和采集卡并不能產生或把視頻數據轉化為方形像素。這樣經常會致使圖像成為胚珠形或矩形。
寬高比對某些處理過程很重要，如當你試圖通過以一個區域內的像素個數來確定其面積。如果寬高比不是1:1，你必須在圖像處理中加以補嘗或軟件校正。
2.4 亮度分辨率
當視頻數據被產生或轉化時，還必須確定其亮度分辨率(有時也稱為數字深度分辨率)。亮度分辨率定義了一幅圖像中顏色的個數或梯度。這些梯度主要指灰度級(對于單色圖像)或顏色的個數(對于彩色圖像)。對于一幅標準的rs-170圖像，其亮度分辨率為8bits或256灰度級(其術語通常為640×480×8)。常用的分辨率為8bits(256灰度級)、10bits(1024灰度級)、16bits(65536灰度級)或更高。圖像的數據量會隨著亮度分辨率增加。如：一幅標準的rs-170圖像大約為307kb，而相同空間分辨率的一幅16bit的圖像約為614kb，而24bit時約為922kb。
2.5 隔行與非隔行格式
視頻信號中包含數行像素。水平同步脈沖把行與行之間分開。所有復合視頻信號源，包括rs-170/ntsc、ccir/pal和非標準的信號源以隔行方式傳送數據。隔行是指以兩個稱為“場”的獨立部分來傳送視頻數據。奇數行的場先被傳送，然后是偶數行。包含奇數場與偶數場的完整圖像稱為幀。
每場被順序顯示時我們會感覺每幀是以正常速度的兩倍來顯示的，場同步確定了什么時候一場結束什么時候一場開始。
在顯示某些類型的圖像時，如圖形或細線時，隔行格式會導致圖像閃爍。
一些非標準視頻信號源以非隔行格式傳送數據。這種過程有時被稱為逐行掃描。非隔行格式是以一場來傳送視頻信號中所有行(奇數與偶數行)。
注意當被觀察的物體運動時，通常選用逐行掃描會更加適合。因為隔行格式通常由于兩場不能對齊會引起模糊或頻率混淆。
2.6 幀頻
幀頻是指傳送或顯示幀的速度，通常以fps(每秒幀數)來表示。rs170/ntsc圖像通常為30fps，ccir/pal通常為25fps。幀頻低于此數時會產生如同老式電影中所看到的跳動的效果。
3 采集卡基本原理
采集卡有多種種類、規格。但盡管其設計和特性不同，大多數采集卡的基本原理相同。在此，將基于pci總線的模擬圖像采集卡為例加以說明。
近年來，數字視頻產品取得了顯著發展。數字視頻產品通常需要對動態圖像進行實時采集和處理，因此產品性能受圖像采集卡的性能影響很大。由于早期圖像采集卡以幀存為核心，處理圖像時需讀寫幀存，對于動態畫面還需“凍結”圖像，同時由于數據傳輸速率的限制，因此圖像處理速度緩慢。90年代初，intel公司提出了pci(peripheral component interconnect)局部總線規范。pci總線數據傳寬度為32/64位，允許系統設備直接或間接連接其上，設備間可通過局部總線完成數據的快速傳送，從而較好地解決了數據傳輸的瓶頸問題。
由于pci總線的高速度，使a/d轉換以后的數字視頻信號只需經過一個簡單的緩存器即可直接存到計算機內存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內存的圖像信號傳送到計算機顯示卡顯示;甚至可將a/d輸出的數字視頻信號經pci總線直接送到顯示卡，在計算機終端上實時顯示活動圖像。基于pci總線的圖像采集系統框圖如圖1所示。圖中的緩存(數據鎖存器)代替了幀存儲器，這個緩存是一片容量小、控制簡單的先進先出(fifo)存儲器，起到圖像卡向pci總線傳送視頻數據時的速度匹配作用。將圖像卡插在計算機的pci插槽中，與計算機內存、cpu、顯示卡等之間形成調整數據傳送。
由于pci總線的上述優點，許多圖像板卡公司陸續推出了基于pci總線的圖像采集卡。
4 與圖像采集卡相關技術名詞
4.1 dma
dma( direct memory access)是一種總線控制方式，它可取代cpu對總線的控制，在數據傳輸時根據數據源和目的的邏輯地址和物理地址映射關系，完成對數據的存取，這樣可以大大減輕數據傳輸時cpu的負擔。
4.2 scatter/gather table
scatter/gather table實際上就是一張供dma傳輸時邏輯地址與物理地址的動態映射表。根據不同的板卡設計，這張表可直接位于采集卡的某個buffer模塊內，稱為硬件式的scatter/gather，它在pci傳輸時的最高速度可達120m/s;此表也可位于主機的某段內存中，稱為軟件式的scatter/gather，傳輸的最高速度一般為80bps。大部會pc系列采集卡都屬于硬件式的scatter/gather。
4.3 lut(look-up table)
對于圖像采集卡來說，lut(look-up table)實際上就是一張像素灰度值的映射表，它將實際采樣到的像素灰度值經過一定的變換如閾值、反轉、二值化、對比度調整、線性變換等，變成了另外一個與之對應的灰度值，如右圖為一個8位的對應表。這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強圖像的光對比度的作用。很多pc系列卡具有8/10/12/16甚到32位的lut，具體在lut里進行什么樣的變換是由軟件來定義的。如圖2所示。
4.4 planar convertor
planar convertor能從以4位表示的彩色象素值中將r、g、b分量提取出來，然后在pci傳輸時分別送到主機內存中三個獨立的buffer中，這樣可以方便在后續的處理中對彩色信息的存取。在有些采集卡(如pc2vision)中，它也可用于在三個黑白相機同步采集時將它們各自的象素值存于主機中三個獨立的buffer中。
如下圖3所示：
4.5 decimation
decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，如每隔2、4、8、16行(列)取一行(列)組成新的圖像。decimation可以大大減小原始圖像的數據量，同時也降低了分辨率，有點類似于相機的binning。如下圖4所示：
4.6 pwg
pwg (programmable window generator)指在獲取的相機原始圖像上開一個感興趣的窗口，每次只存儲和顯示該窗口的內容，這樣也可以在一定程度上減少數據量，但不會降低分辨率。
一般采集卡都有專門的寄存器存放有關窗口大小、起始點和終了點坐標的有關數據，這些數據都可通過軟件設置。pc系列卡的窗口可在很大范圍內變化，如pc-dig最大可達64k×64k，最小可為1×1。如下圖5所示：
4.7 resequencing
resequencing可以認為是一種對多通道或不同數據掃描方式的相機所輸出數據的重組能力，即將來自ccd靶面不同區域或象素點的數據重新組合成一幅完整的圖像。
4.8 non-destructive overlay
overlay是指在視頻數據顯示窗口上覆蓋的圖形(如彈出式菜單，對話框等)或字符等非視頻數據。non-destructive overlay，即“非破壞性覆蓋”是相對于“破壞性覆蓋”來說的，“破壞性覆蓋”指顯示窗口中的視頻信息和覆蓋信息被存放于顯存中的同一段存儲空間內，而“非破壞性覆蓋”指視頻信息與覆蓋信息分別存放于顯存中兩段不同的存儲空間中，顯示窗口中所顯示的信息是這兩段地址空間中所存數據的迭加。如果采用“破壞性覆蓋”，顯存中的覆蓋信息是靠cpu來刷新的，這樣既占cpu時間，又會在實時顯示時由于不同步而帶來閃爍，如果采用“非破壞性覆蓋”則可消除這些不利因素。
4.9 pll、xtal和vscan此為模擬采集卡的三種不同工作模式
(1) pll(phase lock loop)模式：相機向采集卡提供a/d轉換的時鐘信號，此時鐘信號來自于相機輸出的video信號，hs和vs同步信號可以有三種來源：composite video，composite sync， separate sync;
(2)xtal模式：圖像采集卡給相機提供時鐘信號以及hd/vd信號，并用提供的時鐘信號作為a/d轉換的時鐘，但同步信號仍可用相機輸出的hs/vs;
(3) vscan模式：由相機向分別卡提供pixel clock信號、hs和vs信號。
5 選擇采集卡要考慮的重點
5.1 接口制式，數據格式
接口制式包括數字(camera link、lvds/rs422)、模擬(pal、ntsc、ccir、rs170/eia、非標準模擬制式)一定與視覺系統所選用相機一致。如選用數字制式還必須考慮相機的數字位數。
5.2 模擬采集卡要考慮數字化精度
模擬采集卡的數字化精度主要包括兩個方面即
(1) 像素抖動pixel jitter
像素抖動是由圖像采集卡的a/d轉換器的采樣時鐘的誤差產生的像元位置上的微小的錯誤從而導致對距離測量的錯誤。如圖6所示：
(2) 灰度噪音grey-scale noise
圖像采集卡的數字化轉換的過程包括對模擬視頻信號的放大和對其亮度(灰度值)進行測量。在此過程中會有一定的噪聲和動態波動由圖像采集卡的電路產生。
如像素抖動一樣，灰度噪聲將導致對距離測量的錯誤。典型的灰度噪聲為0.7個灰度單元，表示為。
5.3 數字采集卡要考慮數據率大小
計算數字采集卡的數據率是否滿足系統的要求可按下列公式計算：
data rate(grabber)>1.2×data rate(camera)
data rate(camera)=r×f×d/8
式中data rate(grabber)為采集卡的數據率，data
rate(camera)為相機的數據率，r為相機的分辨率，f為相機的幀頻，d為相機的數字深度(或稱灰度級)。
5.4 memory大小， pci總線的傳輸速率
pci總線可支持bus master設備以132mbps突發速率傳輸數據。而其平均持續數據傳輸率一般在50～90mbps。
來自相機的數據總是以一個固定的速率傳輸的。如果pci總線可以維持大于視頻數據率的平均持續數據傳輸率，問題看起來就解決了。然而實際上并不是這么簡單，pci總線設備只能以突發的方式向總線傳輸數據。圖像采集卡必須將每一突發之間的連續的圖像數據保存起來。解決的方法就是采用on-board memory。有些廠家出于經濟方面的考慮去除了memory而采用數據緩存隊列(fifo)，fifo的大小一般以足以保存一行圖像數據為限。然而，當圖像數據的速率大于pci的持續數據傳輸率時fifo就不起作用了。
5.5 相機控制信號及外觸發信號
使圖像采集卡的時序電路與外部視頻信號的時序電路同步，需要采用鎖相環電路或數字時鐘同步電路。
(1) 外觸發：由外部事件啟動采集的過程。
(2) 同步觸發：不改變相機與板卡之間的同步關系，采集從下一個場有效信號開始。
(3) 異步觸發：改變相機與板卡的同步關系，采集從相機復位后的第一個場有效信號開始。
當視覺系統要對運動中目標進行檢測時，相機和采集卡必須要具備異步觸發的功能。
5.6 硬件系統的可靠性
硬件的可靠性在生產系統中是十分重要的，由設備故障而停產造成的損失遠遠大于設備本身。很多板卡廠家并沒有標明如平均無故障時間等可靠性指標。
這里有兩個經驗性的技巧用以評估不同板卡的可靠性，板上的器件的數量和功耗。
試著去選擇具有更低功耗的采集卡。在其它條件都同等的情況下一塊復雜具有更多器件的卡會比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設計會采用更多的asic(applica tion-specific integrated circuits)和可編程器件以減少電子器件的數量，而達到更高的功能。你還可以選擇具有更少的無用功能的卡以減少不必要的麻煩。
過壓保護是可靠性的一個重要指標。接近高壓會在視頻電纜產生很強的電涌，在視頻輸入端和i/o口加過壓保護電路可保護采集卡不會被工業環境電磁干擾會產生的高壓擊穿。
5.7 支持軟件的功能
大多采集卡的廠商多是把其采集卡和其專用圖像處理軟件捆綁銷售的，因此在選擇采集卡的同時還必須考慮此視覺系統要選用的軟件與采集卡是否兼容。如dalsa coreco公司的圖像處理軟件wit、sapera、mvtools等只能在其bandit系統、pc系列、x64系列、viper系列等采集卡上使用，而cognex公司的vision pro只能在其8100、8500系列采集卡上運行。
6 結束語
隨著機器視覺技術的不斷發展，采集卡的技術也在不斷加強，功能也在不斷更新。如何選擇適合視覺系統的采集卡對于一個視覺系統能否正常運行將起到很關鍵的作用。
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