图像采集卡的选择及主要参数

图像采集卡是将视频信号经过AD转换后，将视频转换成电脑可使用的数字格式，经过PCI总线实时传到内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst方式，图像传送速度高达40MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。

一、采集卡基本原理

采集卡有多种种类、规格。但尽管其设计和特性不同，大多数采集卡的基本原理相同。近年来，数字视频产品取得了显著发展。数字视频产品通常需要对动态图像进行实时采集和处理，因此产品性能受图像采集卡的性能影响很大。由于早期图像采集卡以帧存为核心，处理图像时需读写帧存，对于动态画面还需“冻结”图像，同时由于数据传输速率的限制，因此图像处理速度缓慢。

90年代初，INTEL公司提出了PClI（Peripheral Component Interconnect）局部总线规范。PCI总线数据传宽度为32/64位，允许系统设备直接或间接连接其上，设备间可通过局部总线完成数据的快速传送，从而较好地解决了数据传输的瓶颈问题。

由于PCI总线的高速度，使A/D转换以后的数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像处理也可将采集到内存的图像信号传送到计算机显示卡显示；甚至可将A/D输出的数字视频信号经PCI总线直接送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。数据锁存器代替了帧存储器，这个缓存是一片容量小、控制简单的先进先出（FIFO）存储器，起到图像卡向PCl总线传送视频数据时的速度匹配作用。将图像卡插在计算机的PCI插槽中，与计算机内存、CPU、显示卡等之间形成调整数据传送。

由于PCI总线的上述优点，许多图像板卡公司陆续推出了基于PCI总线的图像采集卡，另外还有PC104plus、Compact PCI等总线形式。

二、与图像采集卡相关技术名词

1、DMA

 DMA（Direct Memory Access）是一种总线控制方式，它可取代CPU对总线的控制，在数据传输时根据数据源和目的的逻辑地址和物理地址映射关系，完成对数据的存取，这样可以大大减轻数据传输时CPU的负担。

2、LUT（Look-Up Table）

对于图像采集卡来说，LUT（Look-UpTable）实际上就是一张像素灰度值的映射表，它将实际采样到的像素灰度值经过一定的变换如阀值、反转、二值化、对比度调整、线性变换等，变成了另外一个与之对应的灰度值。这样可以起到突出图像的有用信息，增强图像的光对比度的作用。很多PC系列卡具有8/10/12/16甚到32位的LUT，具体在LUT里进行什么样的变换是由软件来定义的。

3、Planar Converter

 Planar Converter能从以4位表示的彩色象素值中将R、G、B分量提取出来，然后在PCI传输时分别送到主机内存中三个独立的Buffer中，这样可以方便在后续的处理中对彩色信息的存取。在有些采集卡（如PC2Vision）中，它也可用于在三个黑白相机同步采集时将它们各自的象素值存于主机中三个独立的Bufer中。

4、Decimation

Decimation实际上是对原始图像进行子采样，如每隔2、4、8、16行（列）取一行（列）组成新的图像。Decimation可以大大减小原始图像的数据量，同时也降低了分辨率，有点类似于相机的Binning。

5、PWG

PWG（Programmable Window Generator）指在获取的相机原始图像上开一个感兴趣的窗口，每次只存储和显示该窗口的内容，这样也可以在一定程度上减少数据量，但不会降低分辨率。一般采集卡都有专门的寄存器存放有关窗口大小、起始点和终了点坐标的有关数据，这些数据都可通过软件设置。

6、Resequencing

 Resequencing可以认为是一种对多通道或不同数据扫描方式的相机所输出数据的重组能力，即将来自CCD靶面不同区域或象素点的数据重新组合成一幅完整的图像。

7、Non-destructive overlay

 overlay是指在视频数据显示窗口上覆盖的图形（如弹出式菜单，对话框等）或字符等非视频数据。Non-destructive overlay，即“非破坏性覆盖”是相对于“破坏性覆盖”来说的，“破坏性覆盖”指显示窗口中的视频信息和覆盖信息被存放于显存中的同一段存储空间内，而“非破坏性覆盖”指视频信息与覆盖信息分别存放于显存中两段不同的存储空间中，显示窗口中所显示的信息是这两段地址空间中所存数据的迭加。如果采用“破坏性覆盖”，显存中的覆盖信息是靠CPU来刷新的，这样既占CPU时间，又会在实时显示时由于不同步而带来闪烁，如果采用“非破坏性覆盖”则可消除这些不利因素。

8、PLL、XTAL和VScan此为模拟采集卡的三种不同工作模式

（1）PLL（Phase Lock Loop）模式：相机向采集卡提供A/D转换的时钟信号，此时钟信号来自相机输出的Video信号，HS和VS同步信号可以有三种来源：composite video，composite sync，separate sync；

（2）XTAL模式：图像采集卡给相机提供时钟信号以及HD/VD信号，并用提供的时钟信号作为A/D转换的时钟，但同步信号仍可用相机输出的HS/VS；

（3）VScan模式：由相机向分别卡提供Pixel Clock信号、HS和VS信号。

三、选择采集卡要考虑的主要参数

1、接口制式，数据格式

接口制式包括数字（Camera Link、LVDS/RS422、1394、USB）、模拟（PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非标准模拟制式）一定与所选用相机一致。如选用数字制式还必须考虑相机的数字位数。当然，如果选用的是USB相机就不必选择采集卡了，但对于1394相机来说，也可以选择相应的采集卡或者转接卡。

2、模拟采集卡要考虑数字化精度

模拟采集卡的数字化精度主要包括两个方面即：

（1）像素抖动Pixel Jitter像素抖动是由图像采集卡的A/D转换器的采样时钟的误差产生的像元位置上的微小的错误从而导致对距离测量的错误。

（2）灰度噪音Grey-Scale Noise图像采集卡的数字化转换的过程包括对模拟视频信号的放大和对其亮度（灰度值）进行测量。在此过程中会有一定的噪声和动态波动由图像采集卡的电路产生。如像素抖动一样，灰度噪声将导致对距离测量的错误。典型的灰度噪声为0.7个灰度单元，表示为0.7LSB。

3、采集卡的数据率（又称为“点频”）计算数字采集卡的数据率必须满足的要求可按下列公式计算：

Data Rate（Grabber）≥1.2譊ata Rate（Camera），Data Rate（Camera）=Rxfxd/8，式中Data Rate（Grabber）为采集卡的数据率，通常被称为“点频”；Data Rate（Camera）为相机的数据率，也称为“像素时钟”；R为相机的分辨率；f为相机的帧频；d为相机的数字深度（或称灰度级）。

4、Memory大小，PCl总线的传输速率

PCl总线可支持BUSMaster设备以132Mbps突发速率传输数据。而其平均持续数据传输率一般在50~90Mbps。

来自相机的数据总是以一个固定的速率传输的。如果PCI总线可以维持大于视频数据率的平均持续数据传输率，就没有问题。而实际上PCl总线设备只能以突发的方式向总线传输数据。

图像采集卡必须将每一突发之间的连续的图像数据保存起来。解决的方法就是采用On-board Memory。

有些厂家出于经济方面的考虑去除了Memory而采用数据缓存队列（FIFO），FIFO的大小一般以足以保存一行图像数据为限。然而，当图像数据的速率大于PCI的持续数据传输率时 FIFO就不起作用了。

5、相机控制信号及外触发信号

（1）外触发：由外部事件启动采集的过程。

（2）同步触发：不改变相机与板卡之间的同步关系，采集从下一个场有效信号开始。

（3）异步触发：改变相机与板卡的同步关系，采集从相机复位后的第一个场有效信号开始。

相机必须要具备异步触发的功能。

6、硬件系统的可靠性

硬件的可靠性在生产系统中是十分重要的，由设备故障而停产造成的损失远远大于设备本身。很多板卡厂家并没有标明如平均无故障时间等可靠性指标。这里有两个经验性的技巧用以评估不同板卡的可靠性，板上的器件的数量和功耗。

（1）试着去选择具有更低功耗的采集卡。在其它条件都同等的情况下一块复杂具有更多器件的卡会比器件较少的卡耗散更多的热量。好的设计会采用更多的ASIC（Application-specific integrated circuits）和可编程器件以减少电子器件的数量，而达到更高的功能。

（2）选择具有更少的无用功能的卡以减少不必要的麻烦。过压保护是可靠性的一个重要指标。接近高压会在视频电缆产生很强的电涌，在视频输入端和I/O口加过压保护电路可保护采集卡不会被工业环境电磁干扰会产生的高压击穿。

7、支持软件的功能

大多采集卡的厂商多是把其采集卡和其专用图像处理软件捆绑销售的，因此在选择采集卡的同时还必须考虑此视觉系统要选用的软件与采集卡是否兼容。