來源：櫻田機器視覺檢測

緩沖技術是為了協(xié)調(diào)吞吐速度相差很大的設備之間數(shù)據(jù)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(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設備在與處理機交換數(shù)據(jù)時都用了緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。總結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號的速度往往是很快的，但是由于相機數(shù)據(jù)傳輸接口速度的限制，實際從相機處理器傳輸?shù)絇C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(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為165.1MB。

由于相機數(shù)據(jù)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(wǎng)傳輸速率為1Gbps，與相機的吞吐量相差較大，以千兆以太網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸接口，其傳輸速率為5Gbps，比該相機的數(shù)據(jù)產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)相機，就可以達到理想幀率：

帶有圖像緩沖的工業(yè)相機，內(nèi)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(wǎng)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(xiàn)性能較高相機所拍攝的效果。

對于高速相機，在相機自帶內(nèi)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(shù)據(jù)，即可將高速捕獲的圖片暫時放置在內(nèi)存里，這也是圖像緩沖技術的一個較為成功的表現(xiàn)。

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(shù)據(jù)，確保在數(shù)據(jù)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(chǎn)線中，例如半導體晶圓檢測、電子元器件裝配定位、產(chǎn)品包裝質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)，圖像緩沖技術可以實現(xiàn)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(shù)控機床與機器人：在精密數(shù)控加工或機器人操作過程中，圖像緩沖技術結(jié)合高速攝像頭獲取工件或工具的位置信息，實時調(diào)整運動軌跡，實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸與云計算：在大規(guī)模的數(shù)據(jù)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?shù)拇笠?guī)模圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬使用，減少傳輸延遲，并支持靈活的數(shù)據(jù)分發(fā)與計算任務調(diào)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(shù)據(jù)的場合。

審核編輯：湯梓紅