工業(yè)相機為什么使用圖像緩沖技術？

緩沖技術是為了協調吞吐速度相差很大的設備之間數據傳送而采用的技術。

為了緩和CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設備的并行性，在現代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設備在與處理機交換數據時都用了緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段?？偨Y來說，緩沖區(qū)技術用到了緩沖區(qū)，而緩沖區(qū)的引入是為了緩和CPU和I/O設備的不匹配，減少對CPU的中斷頻率，提高CPU和I/O設備的并行性。

在數據到達與離去速度不匹配的地方，就應該使用緩沖技術。緩沖技術好比是一個水庫，如果上游來的水太多，下游來不及排走，水庫就起到“緩沖”作用，先讓水在水庫中停一些時候，等下游能繼續(xù)排水，再把水送往下游。

在工業(yè)上通常指工業(yè)相機進行數據傳輸時為了迅速采集圖像而采用的技術，也叫圖像緩沖技術。

01

為什么使用圖像緩沖技術？

工業(yè)相機采集光信號，由模擬信號轉換為數字信號的速度往往是很快的，但是由于相機數據傳輸接口速度的限制，實際從相機處理器傳輸到PC的速度會大打折扣，所有圖像都從一個通道進行傳輸，如圖所示。

以Sony IMX287LLR/LQR芯片為例，其分辨率為728×544，在模數轉換位數為10bit時，全分辨率下所能達到的最高幀率為436.9fps，每秒鐘所產生的數據量約為165.1MB。

由于相機數據接口的不同，帶寬不一樣，就導致相機和PC的吞吐速度相差較大。

例如，千兆以太網傳輸速率為1Gbps，與相機的吞吐量相差較大，以千兆以太網作為傳輸接口，最高幀率只能達到338fps左右。

而選用USB3.0作為數據傳輸接口，其傳輸速率為5Gbps，比該相機的數據產生大小要大，所以以USB3.0作為傳輸接口，最高幀率可以到436.9fps左右。

那么千兆以太網傳輸就達不到芯片的理想幀率嗎？顯然不是的，使用帶圖像緩沖的千兆以太網相機，就可以達到理想幀率：

帶有圖像緩沖的工業(yè)相機，內部配置了一個緩存，用來快速裝載大量的圖片，這樣就可以以最高幀率抓取多張圖片，但是在這種模式下，并不意味著相機可以一直保持最高幀率進行連續(xù)拍攝，當圖像緩沖區(qū)填滿之后，相機將以較慢的速度運行，回到千兆以太網的傳輸速率進行圖像傳輸，如圖所示。

02

圖像緩沖技術的工業(yè)應用

對于較為常見的工業(yè)相機，運用圖像緩沖技術，在配置緩存的情況下，可以瞬時記錄高速過程，即使用價格較低的相機實現性能較高相機所拍攝的效果。

對于高速相機，在相機自帶內存的情況下，記錄圖像的過程也可以稱為圖像緩沖的過程，由于不涉及通過接口進行實時傳輸，由RAM接收圖像數據，即可將高速捕獲的圖片暫時放置在內存里，這也是圖像緩沖技術的一個較為成功的表現。

此外，圖像緩沖技術還具有廣泛的用途，主要用于實時圖像處理、傳輸優(yōu)化、運動控制和機器視覺等領域，以下是一些具體的應用實例：

1.實時視頻監(jiān)控：在安防監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像緩沖技術用于臨時存儲連續(xù)的視頻流數據，確保在數據傳輸過程中的畫面連貫性，同時也能為后續(xù)的視頻分析（如行為識別、物體追蹤等）提供穩(wěn)定的輸入源。

2.機器視覺：在工業(yè)自動化生產線中，例如半導體晶圓檢測、電子元器件裝配定位、產品包裝質量檢查等環(huán)節(jié)，圖像緩沖技術可以實現在高速運動下的連續(xù)圖像采集與處理。通過暫存并快速分析連續(xù)圖像，系統(tǒng)能夠精確地進行動態(tài)目標的位置、姿態(tài)估計以及缺陷檢測。

3.數控機床與機器人：在精密數控加工或機器人操作過程中，圖像緩沖技術結合高速攝像頭獲取工件或工具的位置信息，實時調整運動軌跡，實現精準控制。

4.遠程操控與無人機：在遠程操控設備如無人機、水下機器人等場景中，圖像緩沖技術能夠保證在無線通信可能出現延遲的情況下，依然能提供流暢、無間斷的實時視頻反饋，提高操控精準度和安全性。

5.大數據傳輸與云計算：在大規(guī)模的數據中心和云計算環(huán)境中，圖像緩沖技術可用于預處理和暫存待傳輸的大規(guī)模圖像數據，優(yōu)化網絡帶寬使用，減少傳輸延遲，并支持靈活的數據分發(fā)與計算任務調度。

總之，圖像緩沖技術為諸多工業(yè)應用提供了關鍵的支持，尤其是在需要實時處理和高效傳輸大量圖像數據的場合。

審核編輯：黃飛

?