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1、Part. 3图像采集卡的基础知识介绍 北京微视凌志技术支持部培训2008.4一、图像采集卡基本概念 图像采集卡（FrameGraber）图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。硬件上可理解为相机与计算机之间的接口，图像经过采样量化以后转换为数字图像并输入、储存到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。A/D转换过程模拟信号 低通滤波 采样/保持 A/D转换 数字信号一、图像采集卡基本概念 A/D转换视频信号量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。Matrox 的 Odyssey XA：10-bit A
2、/D一、图像采集卡基本概念一、图像采集卡基本概念 模拟采集卡的数字化精度 v 像素抖动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。一、图像采集卡基本概念 模拟采集卡的数字化精度 v 像素抖动一、图像采集卡基本概念 模拟采集卡的数字化精度 v 灰度噪音 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。 一、图像采集卡基本概念 采样频率(时钟、
3、点频)MHz采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。 Pixels Clock = Htotal * Vtotal * 帧(场)频 行频(KHz)：每秒钟扫描多少行； 场(帧)频(Hz，fps)：每秒钟扫描多少行场(帧)。一、图像采集卡基本概念 分辨率采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能，即所能支持的相机最大分辨率。 传输通道数(Channel)采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如：2通道、4通道。Matrox 的 Odyssey XA：独立四通道一、图像采集卡基本概念Matrox 的 MeteorII/Multi-Cha
4、nnel：三通道一、图像采集卡基本概念 传输速率：指图像由采集卡到达内存的速度。一、图像采集卡基本概念总线类 型PCIPCI-XPCI-E传输 速度132MB/S512MB/S，1GB/S2.1GB/S 图像格式（像素格式）黑白图像：通常，图像灰度等级可分为256级，即以8位表 示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。彩色图像：彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成。一、图像采集卡基本概念MUX：通道选择 Decoder：视频解码器 A/D VRGB,YUV VIA：视频接口芯片 Bridge Controls一、图像采集卡基本概念 图像采集卡基本结构硬件图 图像采集
5、卡附加功能v触发功能 (Trigger)v灯源控制功能 (Strobe)v基本I/O功能 (I/O)v相机复位功能 (Asynchronous Reset)v时序输出功能 (Timing Out)v串口通讯功能 (RS232)v电源输出功能 (Power out)一、图像采集卡基本概念Matrox 的 Odyssey XA一、图像采集卡基本概念Matrox 的 Odyssey XCL一、图像采集卡基本概念视野（FOV）或视场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。CCD芯片将光能转化为电能。相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。A/D转换器将模拟信号转换成8位（或多位）的数字信
6、号。每个像素独立地把光强以灰度值（Gray Level）的形 式表达。这些光强值从CCD芯片的矩阵中被转移存储在内存的矩阵数据结构中。 二、图像采集卡原理及过程模拟信号经A/D转换，传输至内存的图像相机“看”到的 图像二、图像采集卡原理及过程相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值v 黑白图像灰度值（Gray Level）某一点的灰度值，也是物理世界上这一点的光强弱信息 的表示。三、视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值v 黑白图像灰度值（Gray Level）灰度值为真实世界图像量化的表现方法。通常灰度值从
7、 最黑到最白为0255。光线进入CCD后，如果光强达到CCD 感应的极限，此像素为纯白色。对应于内存中该像素灰度值 为255。如果完全没有光线进入CCD像素，此像素为纯黑色。 对应于内存中该像素灰度值为0。三、视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值v 黑白图像灰度值（Gray Level）8bit10bit16bit三、视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值v 黑白图像灰阶8bit：灰阶范围25610bit：灰阶范围1024灰阶越高图像的细节更多，层次更分明。三、视觉系统图像表达由于wind
8、ows目前的限制，能够显示的灰度最多为256个，显示10bit或更高的灰度图像可以通过：v软件LUT的方式，和医疗影像中的窗宽窗位的概念类似v显示高8位的方式三、视觉系统图像表达相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值v 彩色图像RGB值三、视觉系统图像表达依据输入信号类型可以分为:v模拟图像采集卡v数字图像采集卡四、板卡分类模拟图像采集卡 Morphis数字图像采集卡 Solios-XCL依据功能可以区分为:v单纯功能的图像采集卡v集成图像处理功能的采集卡四、板卡分类图像采集处理卡 Matrox的 Odyssey XCL传统图像采集卡(A/D转换)最终将被淘
9、汰；CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已被广泛使用；智能相机(Smart Camera)会应用于工业现场控制与嵌入式系统；带网络接口(Gigabit Ethernet)的图像设备将成为主流；如：Pleora 公司数据采集盒Basler 公司的 Scout-g 相机五、板卡硬件发展趋势标准信号(标准模拟信号)非标准彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非标准模拟信号数字：LVDS/1394/RS422/Camera Link/USB/GigaBit六、如何选用图像采集卡v依据信号标准可以分为: 视频信号分类模拟信号接口标准制式PALCCIRNT
10、SCRS170分辨率768*576640*480色制彩色黑白彩色黑白帧频(Hz)2530点频(MHz)14.7512.27行频(KHz)15.62515.74场频(Hz)5060模拟信号信号特征v composite videov composite sync ( CS 或者 SYNC )v separate sync ( HS/VS 或者 HD/VD )模拟信号同步信号的三种形式HS/HD(Horizontal synchronisation) VS/VD (Vertical synchronisation)Volt ageTim eHDVide oVolt ageTim eVDVide o
11、模拟信号信号描述帧(场)特性：v 帧(场)同步(B)v 帧(场)后肩(C)v 帧(场)有效信号(D)v 帧(场)前肩(E)模拟信号信号描述模拟信号信号描述行特性：v 行同步(B)v 行后肩(C)v 行有效信号(D)v 行前肩(E)vPLL（Phase Lock Loop )锁相环模式相机向采集卡提供A/D转换的时钟信号，此时钟信号来自于相机输出的 Video 信号。vXTAL模式图像采集卡给相机提供 Pixel Clock 信号以及 HS/VS 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。vVScan模式由相机向图像采集卡提供 Pixel Clock
12、 信号，HS 和 VS信号。模拟信号三种模式v传统数字信号（RS-422, LVDS)vCameraLinkvIEEE1394(Firewire)vUSBvGigabit Ethernet数字信号接口规范化规范化速度速度 适应性适应性Camera LinkChannel LinkLVDSRS-422GigEIEEE1394USB数字信号接口v LVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。v LVDS采用很低的电压350mV降低了噪声，提高了速率，低辐射，低功耗0.93W，最重要的是差分信号可以使接收机滤除噪声。这是因为依靠同时用两根线来传信号，两条线的电压相反。通过两根线上的强度差来得到
13、最终的数据。如果出现噪声，那么噪声会同时出现在这两根线上，而信号信息并不受其影响。因为信号的抗噪声能力的提高，电压随之降低而速度得到提高。v 每线对最大传输率为655Mb/s。数字信号LVDS优点：高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。缺点：管脚定义不统一，兼容性差，电缆成本高。数字信号LVDSv DATA(8，10，12，14)：多通道数据输出例：12位数据总线。 DATA 011是相机输出的、分别对 应目标某个像元灰度的12位图像数据。v STROBE/PLCK像元时钟信号。 STROBE是图像数据的像元时钟。它的 频率与数据速率相同，即使数据无效， STROBE仍然连续交 变。为了
14、获得有效的图像数据，采集卡一般在FVAL和LVAL 为高电平时，在STROBE的下降沿进行数据锁存。v FVAL帧同步信号。一般FVAL高电平表明相机正输出一帧有效 数据。 v LVAL行同步信号。当FVAL为高电平时， LVAL高电平表明相 机正输出一个有效的像元行。数字信号LVDS数字信号CameraLinkv 13对线（其中有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更加的小巧。允许相机设计的体积更小。v 更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。v 集成有串口通讯协议。BaseMediumFull 8-bit x 1-3
15、 10-bit x 1-2 12-bit x 1-2 14-bit x 1 16-bit x 1 24-bit RGB 8-bit x 4 10-bit x 3-4 12-bit x 3-4 30-bit RGB 36-bit RGB 8-bit x 8数字信号CameraLink数字信号USBv 接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多媒体数据的传送模式，连接方便。v USB 2.0向下兼容USB 1.1、USB 1.0，数据的传 输率可以达到120Mbps480Mbps。v 传输距离短，0.6米。数字信号IEEE1394v 两种接口标
16、准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6 针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的 产品提供电源。 v 1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。v 不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大 于4.5米可采用中继设备。v 支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。数字信号Gigabit Ethernetv 带宽可达到1000 Mbps，图像可以无损失实时传输。v 最远可传输100米。v 标准的网络连接器，电缆线成本低。v 带宽易于升级，包括10M,100M,1000M 等，在工业机器视觉中将被广泛应用。数字信号Gigabit EthernetGigE1394USBCameraLink带宽CameraLink；1394-1394 采集卡选择的主要因素六、如何选用图像采集卡要求相机与采集卡的
