圖像采集卡不斷發(fā)展和改進，為視覺系統(tǒng)提供更大的價值

圖像采集卡最初是為了從模擬機器視覺相機中獲取原始圖像而開發(fā)的，人們曾一度預計該技術將被直接連接到電腦的技術所取代。然而，經(jīng)驗卻并非如此。

圖像采集卡不斷發(fā)展和改進，為視覺系統(tǒng)提供更大的價值。

圖像采集卡是在機器視覺的早期開發(fā)的，用于將提供NTSC和PAL輸出信號的模擬攝像機與需要將數(shù)字信號直接放置在數(shù)據(jù)總線上以進行數(shù)字內(nèi)存存儲的微型計算機連接起來。即使在切換到數(shù)字攝像機之后，數(shù)字視頻輸出和計算機輸入總線要求之間仍然存在脫節(jié)。需要某種東西將來自攝像機的視頻數(shù)據(jù)流輸入到計算機的內(nèi)存中。這種需求通過一種仍稱為圖像采集卡的硬件來滿足，它直接插入計算機的主板并提供用于連接機器視覺攝像機的物理端口。

但一般來說，計算機通過各種端口接收各種數(shù)據(jù)，它們必須實時做出反應。從鍵盤、鼠標到高速互聯(lián)網(wǎng)鏈路等各種設備發(fā)出的信號都從外部世界傳到每臺計算機的門口。來自機器視覺攝像機的視頻數(shù)據(jù)流只是其中一個來源。它可能是一個需要極高帶寬的來源，但它仍然只是眾多來源中的一個。

以太網(wǎng)、Firewire和USB等高速通信鏈路的引入以及多核處理器的出現(xiàn)，促使許多相機和視覺系統(tǒng)設計人員利用這些技術來提供更具成本效益的解決方案，從而減少數(shù)據(jù)速率不高的應用對圖像采集卡的需求。此類設計通過使用主機進行緩沖和圖像處理來降低成本。與基于圖像采集卡的解決方案（例如CameraLink）相比，其中一些電腦接口還具有支持相機和視覺系統(tǒng)之間更長距離的優(yōu)勢。

例如，千兆以太網(wǎng)支持每根電纜高達120MBytes/秒的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離可達100米，通過使用多根電纜并行傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率的可擴展性。GigEVision相機接口標準的出現(xiàn)，為通用以太網(wǎng)鏈路提供了視覺系統(tǒng)所需的各種相機控制功能，同時支持各種以太網(wǎng)速度等級。

隨著USB、Firewire和以太網(wǎng)的速度和吞吐量穩(wěn)步增長，專家們開始預測圖像采集卡的消亡。既然智能數(shù)碼攝像機能夠完美地將信息打包成標準格式的數(shù)據(jù)包，并直接輸入到計算機的數(shù)據(jù)密集型通信端口，那么為什么要在電腦中插入一個多余的硬件呢？

然而，圖像采集卡并沒有消失。雖然這些新的直接到電腦標準完全適用于某些應用，但用戶發(fā)現(xiàn)當今的圖像采集卡具有優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使它們繼續(xù)成為一系列機器視覺項目的必需品。本文將介紹使圖像采集卡需求持續(xù)存在并可能使其在未來繼續(xù)增長的發(fā)展。

圖像采集卡要求

或許最重要的是，圖像傳感器繼續(xù)以更高的幀速率和線速率生成更高分辨率的圖像，遠遠超過了120MB/s串行接口的限制。能夠以每秒60或120幀的速度運行的400萬像素相機已廣泛普及。

隨著數(shù)據(jù)速率的提高，需要緩沖圖像以供處理，并減少可用于處理圖像的時間——這兩項任務最適合圖像采集卡。圖像采集卡不僅可以緩沖圖像，還可以從主機CPU卸載圖像重建和圖像增強任務。此外，圖像采集卡可以預處理圖像以減少數(shù)據(jù)量，或向圖像數(shù)據(jù)添加更多細節(jié)以幫助縮短處理時間。

當然，涉及圖像數(shù)據(jù)速率超過120MB的機器視覺應用仍然需要基于圖像采集卡的解決方案。

在制造過程中對平板顯示器的檢查要求相機的分辨率不斷提高。智能手機等手持設備中高清質量顯示器的出現(xiàn)要求檢查小于1微米(μm)的彩色子像素濾鏡。同時，制造速度和效率的需求要求相機盡可能快速地對盡可能寬的視野進行成像。結果對數(shù)據(jù)速率的要求極高。目前運行的一個使用多臺線掃描相機對平板顯示器進行自動光學檢查的系統(tǒng)必須處理近7GB/秒的數(shù)據(jù)，甚至遠遠超過GigE的處理能力。

除了圖像采集之外，圖像采集卡在機器視覺系統(tǒng)中還執(zhí)行三項主要任務。一項是圖像重建，在最初的模擬視頻技術中，這意味著將來自攝像機的模擬信號數(shù)字化，根據(jù)需要對其進行去隔行和重新格式化?，F(xiàn)在，這意味著將信息分解為數(shù)據(jù)包，重新組合成一系列視頻幀，以便通過串行接口電纜進行傳輸。圖像采集卡的第二個任務是緩沖圖像，直到主機CPU準備好接收它們。圖像采集卡的第三個任務是為相機提供實時控制，以進行曝光調整和快門激活等活動，并對外部事件做出確定性反應。

電子電路板和連續(xù)卷筒紙檢查等應用需要與平板檢查類似的高速度和高精度。視覺系統(tǒng)的運行速度決定了工廠生產(chǎn)電路板的速度。然而，主機系統(tǒng)的處理速度通常是限制因素，因此視覺系統(tǒng)設計人員為盡量減少對主機處理器的需求所做的任何努力都會直接影響制造吞吐量。圖像采集卡提供的卸載功能可以對吞吐量做出重大貢獻。

例如，某些線掃描相機每秒可產(chǎn)生超過1GByte的圖像數(shù)據(jù)。如果沒有專用的圖像采集卡，捕獲和重新格式化圖像數(shù)據(jù)以及響應外部事件的任務肯定會給電腦帶來相當大的負擔。在沒有專用硬件的情況下處理這些任務會使CPU幾乎沒有剩余容量用于圖像處理和其他任務。但是，使用圖像采集卡卸載相機接口和圖像組裝任務后，主機的更多容量將變得可用。

從歷史上看，圖像采集卡和相機設計一直協(xié)同發(fā)展，以增強它們之間的數(shù)字連接。視覺專用數(shù)字接口的發(fā)展受到視覺系統(tǒng)對更高持續(xù)吞吐量、更長電纜距離、更低發(fā)熱量和更小物理占用空間的需求的極大影響，而這些需求都比標準計算機外圍接口所能提供的要多。第一個成為行業(yè)標準的視覺專用數(shù)字接口是AIA的CameraLink，它為相機提供高速觸發(fā)和控制信號，并為圖像采集卡提供數(shù)據(jù)路徑。CameraLink使用一組11條屏蔽雙絞線來傳輸信號和數(shù)據(jù)，在10米的距離內(nèi)提供高達850MB/秒的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率。

CameraLink是相機和圖像采集卡應用的主要接口。它繼續(xù)提供優(yōu)于所有其他接口的兩大優(yōu)勢：其以硬件為中心的協(xié)議需要最少的軟件，因此易于設計和集成。它還提供用于相機控制和外部事件同步的實時信號。

新的機器視覺標準

為了滿足對更高帶寬和更長電纜長度日益增長的需求，并采用一致的接口設計，出現(xiàn)了幾種新的相機接口標準：AIA的CameraLinkHS和JIIA的CoaxPress是其中最重要的兩個。CameraLinkHS接口可以同時支持多達20個電纜通道，每個通道在15米的距離內(nèi)提供300Mbytes/秒（3.125Gbits/秒）的速率。這種可擴展性使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠將相同的接口用于需要300到6,000Mbytes/秒相機數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。CameraLinkHS的其他功能包括低開銷協(xié)議、對GeniCam軟件標準和實時觸發(fā)的支持，以及對光纖的支持，以延長相機距離。

CoaXpress是日本工業(yè)成像協(xié)會(JIIA)提出的又一項新機器視覺標準，該標準要求使用專用的圖像采集器。CoaXpress規(guī)范允許通過單根同軸電纜在100米的距離內(nèi)傳輸高達6.25Gbits/秒的速率。系統(tǒng)可以并行使用多達四根電纜來實現(xiàn)更高的帶寬。從主機到攝像頭的20Mbps“上行鏈路”允許將控制和配置數(shù)據(jù)傳輸回攝像頭，并且可以通過24伏的電纜提供電力，每根電纜最高可達13瓦。

隨著這些新接口增加了視覺系統(tǒng)必須處理的視頻數(shù)據(jù)量，圖像采集卡也將不斷發(fā)展，以提供更多的圖像存儲和預處理功能。

因此，圖像采集卡在機器視覺中的作用還遠未結束。對更高性能圖像傳感器的需求不斷增長，以及隨之而來的數(shù)據(jù)帶寬增加，確保了圖像采集器在格式化和緩沖數(shù)據(jù)以減輕主機處理器負擔方面發(fā)揮著重要作用。此外，圖像采集器不斷發(fā)展和適應，通過減輕基礎圖像處理任務的負擔并準備圖像以進行高效的視覺分析，為視覺系統(tǒng)提供更大的價值。即使相機可以直接插入電腦進行數(shù)據(jù)采集和分析，圖像采集卡提供的額外處理能力也使其在高性能視覺系統(tǒng)設計中發(fā)揮著重要作用。