機器視覺基本概念學(xué)習(xí)筆記6

4、圖像采集卡

圖像采集卡被作為視頻信號從相機到電腦之間傳輸?shù)臉蛄?。采集卡有多種總線形式，比如最常見的PCI總線和更大帶寬的它的升級版本PCI-X總線，也有基于AGP、ISA、PC104Plus、CompactPCI以及VME總線的圖像采集卡。

目前大部分相機仍是以模擬信號輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機，供計算機作處理、存儲、傳輸?shù)戎茫话阋钥刹迦胗嬎銠C，或脫離計算機獨立使用的板卡形式出現(xiàn)。

針對機器視覺應(yīng)用的圖像采集卡有多種種類、規(guī)格。但盡管其設(shè)計和特性不同，大多數(shù)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(shù)字視頻產(chǎn)品取得了顯著發(fā)展。數(shù)字視頻產(chǎn)品通常需要對動態(tài)圖像進行實時采集和處理，因此產(chǎn)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(tài)畫面還需“凍結(jié)”圖像，同時由于數(shù)據(jù)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(guī)范。PCI總線數(shù)據(jù)傳寬度為32/64位，允許系統(tǒng)設(shè)備直接或間接連接其上，設(shè)備間可通過局部總線完成數(shù)據(jù)的快速傳送，從而較好地解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。

由于PCI總線的高速度，使A/D轉(zhuǎn)換以后的數(shù)字視頻信號只需經(jīng)過一個簡單的緩存器即可直接存到計算機內(nèi)存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內(nèi)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(shù)字視頻信號經(jīng)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(tǒng)框圖如圖所示。圖中的緩存(數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)存、CPU、顯示卡等之間形成調(diào)整數(shù)據(jù)傳送。

圖像采集卡的基本結(jié)構(gòu)

上圖顯示了圖像采集卡的基本結(jié)構(gòu)。首先，同步分離器將同步脈沖從輸入的視頻信號中分離。水平同步表明新的一行的開始，垂直同步表明新的一場或一幀的開始。通常在視頻信號與采集卡相連接后，在采集卡工作穩(wěn)定之前還需要獲取三幀圖像的時間，當(dāng)需要在一個視頻源與另一個視頻源之間切換時，這就可能產(chǎn)生麻煩。

為了避免這么長時間的初始化，視頻源必須由外部同步，從而所有相機的水平同步與垂直同步都是同步的，這就是鎖相機制。幸好一些采集卡都帶有用于產(chǎn)生同步信號來鎖相的同步發(fā)生器。但是，必須知道這些同步信號是TTL電平而不是視頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖電平。因此，視頻源必須能夠與TTL同步輸入?yún)f(xié)同工作。還須注意，使用采集卡的同步發(fā)生器并不表示同步分離是由同步發(fā)生器直接控制的。而且，同步分離器與同步發(fā)生器是相互獨立工作的，并且不是直接與視頻源相連的。

一旦達到行和幀穩(wěn)定的同步，獲取圖像的下一個步驟就與像素的產(chǎn)生本身相關(guān)。根據(jù)視頻標(biāo)準(zhǔn)，抽樣/保持單元需要對CCIR相機采用767像素/行，對于EIA相機采用647像素/行的抽樣來數(shù)字化輸入。在上面相機的介紹中討論過這就導(dǎo)致對于CCIR相機需要14.75MHz的像素時鐘頻率，而對于EIA相機需要12.3MHz的像素時鐘頻率。實際中，采集卡的參數(shù)可能與標(biāo)準(zhǔn)值會有些不同，但不會有太大差別。另外，只有在采集卡使用相機的像素時鐘的情況下才能夠精確的將CCD芯片的像素映射到采集卡緩存或計算機內(nèi)存區(qū)。

數(shù)字化的像素存儲在圖像緩存或FIFO緩存中。圖像緩存存儲至少一副完整幀，當(dāng)總線帶寬太小而不能無失真的傳輸數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的時候就會使用它。較先進的總線系統(tǒng)，比如PCI總線，對于標(biāo)準(zhǔn)視頻流僅僅需要幾個K字節(jié)的FIFO來緩沖無規(guī)律的數(shù)據(jù)流。

因此，有可能在計算機主存中直接獲取數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，也可以將其直接傳送給顯卡供實時觀察。 PCI總線可支持BUS Master設(shè)備以132Mbps突發(fā)速率傳輸數(shù)據(jù)。而其平均持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率一般在50～90Mbps。

來自相機的數(shù)據(jù)總是以一個固定的速率傳輸?shù)?。如果PCI總線可以維持大于視頻數(shù)據(jù)率的平均持續(xù)數(shù)據(jù)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(shè)備只能以突發(fā)的方式向總線傳輸數(shù)據(jù)。

圖像采集卡必須將每一突發(fā)之間的連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)保存起來。解決的方法就是采用On-board Memory。有些廠家出于經(jīng)濟方面的考慮去除了Memory而采用數(shù)據(jù)緩存隊列(FIFO)，F(xiàn)IFO的大小一般以足以保存一行圖像數(shù)據(jù)為限。然而，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)的速率大于PCI的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率時FIFO就不起作用了。

圖像采集卡的基本技術(shù)參數(shù)主要有以下幾方面：

A．圖像傳輸格式

圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中攝像機所采用的輸出信號格式。大多數(shù)攝像機采用RS422或EIA644（LVDS）作為輸出信號格式。在數(shù)字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應(yīng)用。

B．圖像格式（像素格式）

黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示；彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級別的不同有8－8－8，10－10－10等格式。

C．傳輸通道數(shù)

當(dāng)攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產(chǎn)生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應(yīng)能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。

D．分辨率支持

采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768576點陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的最大點陣可達64K64K。單行最大點數(shù)和單幀最大行數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。

E．采樣頻率

采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。目前高檔的采集卡其采樣頻率可達65MHZ。

F．傳輸速率

主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。

多媒體VS.機器視覺

乍一看，用于多媒體的圖像采集卡與用于機器視覺的圖像采集卡有些相似：它們都是獲取圖像并將圖像轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)字化圖像。而實際上，他們是有著很大的區(qū)別。多媒體圖像采集卡獲取圖像是為了視頻及音頻編輯的，它們產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流必須被有效的顯示、存儲、傳輸。視頻傳送不需要大量數(shù)據(jù)，典型的方法就是低分辨率圖像及壓縮技術(shù)的應(yīng)用，而結(jié)果圖像質(zhì)量就會變差。

另一方面，用于機器視覺的圖像必須盡可能精確的表示實際的物體，畢竟一個應(yīng)用很可能需要告訴用戶精確的信息，比如測量某高度值應(yīng)該為5.20mm。從驅(qū)動軟件的角度看，多媒體圖像采集卡是多采用現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)接口比如MCI或TWAIN；而機器視覺領(lǐng)域的圖像采集卡，簡單的采集卡可以通過寄存器或者按照一個更加先進的概念來獲得，隨之有驅(qū)動庫，它包含采集卡寄存器結(jié)構(gòu)并且提供對硬件資源的直接存取。

但是，這沒有標(biāo)準(zhǔn)，每一個制造商都有他自己的方法。這就反映了機器視覺硬件標(biāo)準(zhǔn)對于一些特性比如觸發(fā)機制的缺乏（在前面1.2 相機一節(jié)有相關(guān)的介紹）。驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的接口是普遍標(biāo)準(zhǔn)化的，相比之下，機器視覺應(yīng)用程序就有很大不同，有很多是針對應(yīng)用定制的，也有很多通用的開發(fā)包。

與圖像采集卡相關(guān)的技術(shù)

（1）直接存儲器訪問（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(shù)據(jù)傳輸時根據(jù)數(shù)據(jù)源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guān)系，完成對數(shù)據(jù)的存取，這樣可以大大減輕數(shù)據(jù)傳輸時CPU的負擔(dān)。

（2）分散/聚集表（Scatter/Gather Table）

分散/聚集表實際上就是一張供DMA傳輸時邏輯地址與物理地址的動態(tài)映射表。根據(jù)不同的板卡設(shè)計，這張表可直接位于采集卡的某個buffer模塊內(nèi)，稱為硬件式的分散/聚集，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(nèi)存中，稱為軟件式的分散/聚集，傳輸?shù)淖罡咚俣纫话銥?0bps。大部會PC系列采集卡都屬于硬件式的分散/聚集。

（3）查尋表（LUT）

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(jīng)過一定的變換如閾值、反轉(zhuǎn)、二值化、對比度調(diào)整、線性變換等，變成了另外一個與之對應(yīng)的灰度值，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。

（4） PLL、XTAL和VScan

PLL、XTAL和VScan為模擬采集卡的三種不同工作模式。PLL(Phase Lock Loop)模式:相機向采集卡提供A/D轉(zhuǎn)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； 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(zhuǎn)換的時鐘，但同步信號仍可用相機輸出的HS/VS； VScan模式:由相機向分別卡提供Pixel Clock信號、HS和VS信號。

（5）子采樣（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(shù)據(jù)量，同時也降低了分辨率，有點類似于相機的Binning。

（6）可編程子窗生成（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(nèi)容，這樣也可以在一定程度上減少數(shù)據(jù)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(guān)窗口大小、起始點和終了點坐標(biāo)的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可通過軟件設(shè)置。

（7）數(shù)據(jù)重組（Resequencing）

Resequencing可以認為是一種對多通道或不同數(shù)據(jù)掃描方式的相機所輸出數(shù)據(jù)的重組能力，即將來自CCD靶面不同區(qū)域或像素點的數(shù)據(jù)重新組合成一幅完整的圖像。

（8）非破壞性覆蓋（Non-destructive overlay）

overlay是指在視頻數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)?！胺瞧茐男愿采w”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(nèi)，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(shù)據(jù)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。