圖像采集卡的基礎(chǔ)知識介紹

圖像采集卡的基礎(chǔ)知識介紹工程部一、圖像采集卡基本概念圖像采集卡（FrameGraber）

圖像采集卡是圖像采集部分和處理部分的接口。硬件上可理解為相機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的接口，圖像經(jīng)過采樣量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像并輸入、儲存到幀存儲器的過程，叫做采集、數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換過程

模擬信號

低通濾波

采樣/保持

A/D轉(zhuǎn)換

數(shù)字信號一、圖像采集卡基本概念A(yù)/D轉(zhuǎn)換

視頻信號量化處理是指將相機(jī)所輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為PC所能識別的數(shù)字信號的過程，即A/D轉(zhuǎn)換。視頻信號的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。Matrox

的OdysseyXA：10-bitA/D一、圖像采集卡基本概念一、圖像采集卡基本概念模擬采集卡的數(shù)字化精度

像素抖動(dòng)

像素抖動(dòng)是由圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘的誤差產(chǎn)生的像元位置上的微小的錯(cuò)誤從而導(dǎo)致對距離測量的錯(cuò)誤。一、圖像采集卡基本概念模擬采集卡的數(shù)字化精度

像素抖動(dòng)一、圖像采集卡基本概念模擬采集卡的數(shù)字化精度

灰度噪音

圖像采集卡的數(shù)字化轉(zhuǎn)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(jìn)行測量。在此過程中會有一定的噪聲和動(dòng)態(tài)波動(dòng)由圖像采集卡的電路產(chǎn)生。如像素抖動(dòng)一樣，灰度噪聲將導(dǎo)致對距離測量的錯(cuò)誤。典型的灰度噪聲為0.7個(gè)灰度單元，表示為0.7LSB。

一、圖像采集卡基本概念采樣頻率(時(shí)鐘、點(diǎn)頻)MHz

采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進(jìn)行圖像采集時(shí)，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。PixelsClock=Htotal*Vtotal*幀(場)頻行頻(KHz)：每秒鐘掃描多少行；場(幀)頻(Hz，fps)：每秒鐘掃描多少行場(幀)。一、圖像采集卡基本概念分辨率采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能，即所能支持的相機(jī)最大分辨率。傳輸通道數(shù)(Channel)

采集卡同時(shí)對多個(gè)相機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的能力。如：2通道、4通道。Matrox

的OdysseyXA：獨(dú)立四通道一、圖像采集卡基本概念Matrox

的MeteorII/Multi-Channel：三通道一、圖像采集卡基本概念傳輸速率：指圖像由采集卡到達(dá)內(nèi)存的速度。一、圖像采集卡基本概念總線類型PCIPCI-XPCI-E傳輸速度132MB/S512MB/S，1GB/S2.1GB/S圖像格式（像素格式）黑白圖像：通常，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(shí)，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。一、圖像采集卡基本概念MUX：通道選擇Decoder：視頻解碼器A/DVRGB,YUVVIA：視頻接口芯片BridgeControls一、圖像采集卡基本概念圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)硬件圖圖像采集卡附加功能觸發(fā)功能(Trigger)燈源控制功能(Strobe)基本I/O功能(I/O)相機(jī)復(fù)位功能(AsynchronousReset)時(shí)序輸出功能(TimingOut)串口通訊功能(RS232)電源輸出功能(Powerout)一、圖像采集卡基本概念Matrox

的OdysseyXA一、圖像采集卡基本概念Matrox

的OdysseyXCL一、圖像采集卡基本概念視野（FOV）或視場是相機(jī)及光學(xué)系統(tǒng)“看”到的真實(shí)世界的具體部分。CCD芯片將光能轉(zhuǎn)化為電能。相機(jī)將此信息以模擬信號的格式輸出至圖像采集卡。A/D—轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成8位（或多位）的數(shù)字信號。每個(gè)像素獨(dú)立地把光強(qiáng)以灰度值（GrayLevel）的形式表達(dá)。這些光強(qiáng)值從CCD芯片的矩陣中被轉(zhuǎn)移存儲在內(nèi)存的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。二、圖像采集卡原理及過程模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至內(nèi)存的圖像相機(jī)“看”到的圖像二、圖像采集卡原理及過程相機(jī)信號經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）

某一點(diǎn)的灰度值，也是物理世界上這一點(diǎn)的光強(qiáng)弱信息的表示。三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）

灰度值為真實(shí)世界圖像量化的表現(xiàn)方法。通?；叶戎祻淖詈诘阶畎诪?—255。光線進(jìn)入CCD后，如果光強(qiáng)達(dá)到CCD感應(yīng)的極限，此像素為純白色。對應(yīng)于內(nèi)存中該像素灰度值為255。如果完全沒有光線進(jìn)入CCD像素，此像素為純黑色。對應(yīng)于內(nèi)存中該像素灰度值為0。三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）8bit 10bit~16bit三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值

黑白圖像

灰階

8bit：灰階范圍256 10bit：灰階范圍1024灰階越高圖像的細(xì)節(jié)更多，層次更分明。三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)由于windows目前的限制，能夠顯示的灰度最多為256個(gè)，顯示10bit或更高的灰度圖像可以通過：軟件LUT的方式，和醫(yī)療影像中的窗寬窗位的概念類似顯示高8位的方式三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)相機(jī)信號經(jīng)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，表現(xiàn)為一個(gè)矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點(diǎn)的數(shù)值

彩色圖像

RGB值三、視覺系統(tǒng)圖像表達(dá)依據(jù)輸入信號類型可以分為:模擬圖像采集卡數(shù)字圖像采集卡四、板卡分類模擬圖像采集卡Morphis數(shù)字圖像采集卡Solios-XCL依據(jù)功能可以區(qū)分為:單純功能的圖像采集卡集成圖像處理功能的采集卡四、板卡分類圖像采集處理卡Matrox的OdysseyXCL傳統(tǒng)圖像采集卡(A/D轉(zhuǎn)換)最終將被淘汰；CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等數(shù)字接口采集卡已被廣泛使用；智能相機(jī)(SmartCamera)會應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制與嵌入式系統(tǒng)；帶網(wǎng)絡(luò)接口(GigabitEthernet)的圖像設(shè)備將成為主流； 如：Pleora公司數(shù)據(jù)采集盒

Basler公司的Scout-g相機(jī)五、板卡硬件發(fā)展趨勢標(biāo)準(zhǔn)信號(標(biāo)準(zhǔn)模擬信號)非標(biāo)準(zhǔn)彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非標(biāo)準(zhǔn)模擬信號數(shù)字：LVDS/1394/RS422/CameraLink/USB/GigaBit六、如何選用圖像采集卡依據(jù)信號標(biāo)準(zhǔn)可以分為:視頻信號分類模擬信號——接口標(biāo)準(zhǔn)制式PALCCIRNTSCRS170分辨率768*576640*480色制彩色黑白彩色黑白幀頻(Hz)2530點(diǎn)頻(MHz)14.7512.27行頻(KHz)15.62515.74場頻(Hz)5060模擬信號——信號特征compositevideocompositesync(CS或者SYNC)separatesync(HS/VS或者HD/VD)模擬信號——同步信號的三種形式HS/HD(Horizontalsynchronisation)VS/VD(Verticalsynchronisation)VoltageTimeHDVideoVoltageTimeVDVideo模擬信號——信號描述幀(場)特性：幀(場)同步(B)幀(場)后肩(C)幀(場)有效信號(D)幀(場)前肩(E)模擬信號——信號描述

模擬信號——信號描述行特性：行同步(B)行后肩(C)行有效信號(D)行前肩(E)PLL（PhaseLockLoop)鎖相環(huán)模式 相機(jī)向采集卡提供A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號，此時(shí)鐘信號來自于相機(jī)輸出的Video信號。XTAL模式 圖像采集卡給相機(jī)提供PixelClock信號以及HS/VS信號，并用提供的時(shí)鐘信號作為A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，但同步信號仍可用相機(jī)輸出的HS/VS。VScan模式 由相機(jī)向圖像采集卡提供PixelClock信號，HS和VS信號。模擬信號——三種模式傳統(tǒng)數(shù)字信號（RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet數(shù)字信號——接口規(guī)范化速度適應(yīng)性CameraLinkChannelLinkLVDSRS-422GigEIEEE1394USB數(shù)字信號——接口LVDS是一個(gè)低波動(dòng)、差分I/O技術(shù)的高速接口。LVDS采用很低的電壓350mV降低了噪聲，提高了速率，低輻射，低功耗0.93W，最重要的是差分信號可以使接收機(jī)濾除噪聲。這是因?yàn)橐揽客瑫r(shí)用兩根線來傳信號，兩條線的電壓相反。通過兩根線上的強(qiáng)度差來得到最終的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)噪聲，那么噪聲會同時(shí)出現(xiàn)在這兩根線上，而信號信息并不受其影響。因?yàn)樾盘柕目乖肼暷芰Φ奶岣?，電壓隨之降低而速度得到提高。每線對最大傳輸率為655Mb/s。數(shù)字信號——LVDS優(yōu)點(diǎn)：高速，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，支持多相機(jī)連接。缺點(diǎn)：管腳定義不統(tǒng)一，兼容性差，電纜成本高。數(shù)字信號——LVDSDATA(8，10，12，14)：多通道數(shù)據(jù)輸出例：12位數(shù)據(jù)總線。DATA

0～11是相機(jī)輸出的、分別對應(yīng)目標(biāo)某個(gè)像元灰度的12位圖像數(shù)據(jù)。STROBE/PLCK像元時(shí)鐘信號。STROBE是圖像數(shù)據(jù)的像元時(shí)鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無效，STROBE仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，采集卡一般在FVAL和LVAL為高電平時(shí)，在STROBE的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。FVAL幀同步信號。一般FVAL高電平表明相機(jī)正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。LVAL行同步信號。當(dāng)FVAL為高電平時(shí)，LVAL高電平表明相機(jī)正輸出一個(gè)有效的像元行。數(shù)字信號——LVDS數(shù)字信號——CameraLink13對線（其中有6線對數(shù)據(jù)線），使得接插件的尺寸更加的小巧。允許相機(jī)設(shè)計(jì)的體積更小。更高的傳輸速率。采用ChannelLink芯片組(支持速率達(dá)2.3Gb/s)滿足對數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高的要求。集成有串口通訊協(xié)議。BaseMediumFull8-bitx1-3

––10-bitx1-2

––12-bitx1-2

––14-bitx1

––16-bitx1

––24-bitRGB

––8-bitx4

–10-bitx3-4

–12-bitx3-4

–30-bitRGB

–36-bitRGB

–8-bitx8

數(shù)字信號——CameraLink數(shù)字信號——USB接口是4芯，其中2根為電源線、2根為信號線，接口體積小，可熱拔插，可真正實(shí)現(xiàn)即插即用，適合傳送多媒體數(shù)據(jù)的傳送模式，連接方便。USB2.0向下兼容USB1.1、USB1.0，數(shù)據(jù)的傳輸率可以達(dá)到120Mbps～480Mbps。傳輸距離短，0.6米。數(shù)字信號——IEEE1394兩種接口標(biāo)準(zhǔn)，一種是6針接口，另一種是4針接口。6針接口可以從端口獲得電源，以給那些無法自己供電的產(chǎn)品提供電源。1394A傳輸速率為400Mb/s，1394B可達(dá)800Mb/s。不需要控制器，可以實(shí)現(xiàn)對等傳輸，最大連線4.5米，大于4.5米可采用中繼設(shè)備。支持即插即用。它是目前唯一支持?jǐn)?shù)字?jǐn)z錄機(jī)的總線。數(shù)字信號——GigabitEthernet帶寬可達(dá)到1000Mbps，圖像可以無損失實(shí)時(shí)傳輸。最遠(yuǎn)可傳輸100米。標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接器，電纜線成本低。帶寬易于升級，包括10M,100M,1000M等，在工業(yè)機(jī)器視覺中將被廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號——GigabitEthernetGigE1394USBCameraLink帶寬<1000Mb/s125MBytes<400Mb/s50MBytes<12Mb/sUSB1<480Mb/sUSB260MBytes<2380Mb/s(base)<7140Mb/s(full)890MBytes距離<100m(無中繼)NoLimit(有中繼)<4.5m(無中繼)72m(有中繼)200m/1394B(有中繼的情況下）<5m(無中繼)30m(有中繼)<10m(無中繼)可中繼接口特點(diǎn)靈活性高，可擴(kuò)充性強(qiáng)，支持遠(yuǎn)距離傳輸，支持多點(diǎn)傳輸，技術(shù)成熟，成本低。靈活性高，成本低。傳輸距離短。靈活性高，成本低。但傳輸距離較短，可靠性低。高速，高可靠性。但不便于多相機(jī)連接和集中控制，電纜價(jià)格較高。數(shù)字信號——比較標(biāo)準(zhǔn)信號(標(biāo)準(zhǔn)模擬信號)非標(biāo)準(zhǔn)彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非標(biāo)準(zhǔn)模擬信號數(shù)字：LVDS/1394/RS422/CameraLink/USB/GigaBit六、如何選用圖像采集卡依據(jù)信號標(biāo)準(zhǔn)可以分為:視頻信號分類六、如何選用圖像采集卡原始信號RGBYUV分量信號Y/C信號(彩色降頻方式)復(fù)合視頻Composite(彩色全電視信號)Y=0.39R+0.5G+0.11B(PAL)U、V進(jìn)一步合成色度信號CY、C進(jìn)一步合成畫面質(zhì)量依次下降亮度Y,色差U(B-Y),飽和度V(R-Y)依據(jù)信號記錄方式可以分為:視頻信號分類相機(jī)速度(FrameRateorLineRate)相機(jī)像素分辨率(PixelSize)面陣或線陣(AreaScan