圖像采集卡最初是為了從模擬機(jī)器視覺(jué)相機(jī)中獲取原始圖像而開(kāi)發(fā)的，人們?cè)欢阮A(yù)計(jì)該技術(shù)將被直接連接到電腦的技術(shù)所取代。然而，經(jīng)驗(yàn)卻并非如此。

圖像采集卡不斷發(fā)展和改進(jìn)，為視覺(jué)系統(tǒng)提供更大的價(jià)值。

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

但一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)通過(guò)各種端口接收各種數(shù)據(jù)，它們必須實(shí)時(shí)做出反應(yīng)。從鍵盤、鼠標(biāo)到高速互聯(lián)網(wǎng)鏈路等各種設(shè)備發(fā)出的信號(hào)都從外部世界傳到每臺(tái)計(jì)算機(jī)的門口。來(lái)自機(jī)器視覺(jué)攝像機(jī)的視頻數(shù)據(jù)流只是其中一個(gè)來(lái)源。它可能是一個(gè)需要極高帶寬的來(lái)源，但它仍然只是眾多來(lái)源中的一個(gè)。

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(jī)和視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用這些技術(shù)來(lái)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(yīng)用對(duì)圖像采集卡的需求。此類設(shè)計(jì)通過(guò)使用主機(jī)進(jìn)行緩沖和圖像處理來(lái)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(jī)和視覺(jué)系統(tǒng)之間更長(zhǎng)距離的優(yōu)勢(shì)。

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

隨著USB、Firewire和以太網(wǎng)的速度和吞吐量穩(wěn)步增長(zhǎng)，專家們開(kāi)始預(yù)測(cè)圖像采集卡的消亡。既然智能數(shù)碼攝像機(jī)能夠完美地將信息打包成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包，并直接輸入到計(jì)算機(jī)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(gè)多余的硬件呢？

然而，圖像采集卡并沒(méi)有消失。雖然這些新的直接到電腦標(biāo)準(zhǔn)完全適用于某些應(yīng)用，但用戶發(fā)現(xiàn)當(dāng)今的圖像采集卡具有優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使它們繼續(xù)成為一系列機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)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(lái)繼續(xù)增長(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了120MB/s串行接口的限制。能夠以每秒60或120幀的速度運(yùn)行的400萬(wàn)像素相機(jī)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(shí)間——這兩項(xiàng)任務(wù)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(jī)CPU卸載圖像重建和圖像增強(qiáng)任務(wù)。此外，圖像采集卡可以預(yù)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(xì)節(jié)以幫助縮短處理時(shí)間。

當(dāng)然，涉及圖像數(shù)據(jù)速率超過(guò)120MB的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用仍然需要基于圖像采集卡的解決方案。

在制造過(guò)程中對(duì)平板顯示器的檢查要求相機(jī)的分辨率不斷提高。智能手機(jī)等手持設(shè)備中高清質(zhì)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(shí)，制造速度和效率的需求要求相機(jī)盡可能快速地對(duì)盡可能寬的視野進(jìn)行成像。結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求極高。目前運(yùn)行的一個(gè)使用多臺(tái)線掃描相機(jī)對(duì)平板顯示器進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢查的系統(tǒng)必須處理近7GB/秒的數(shù)據(jù)，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)GigE的處理能力。

除了圖像采集之外，圖像采集卡在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中還執(zhí)行三項(xiàng)主要任務(wù)。一項(xiàng)是圖像重建，在最初的模擬視頻技術(shù)中，這意味著將來(lái)自攝像機(jī)的模擬信號(hào)數(shù)字化，根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)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(guò)串行接口電纜進(jìn)行傳輸。圖像采集卡的第二個(gè)任務(wù)是緩沖圖像，直到主機(jī)CPU準(zhǔn)備好接收它們。圖像采集卡的第三個(gè)任務(wù)是為相機(jī)提供實(shí)時(shí)控制，以進(jìn)行曝光調(diào)整和快門激活等活動(dòng)，并對(duì)外部事件做出確定性反應(yīng)。

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

例如，某些線掃描相機(jī)每秒可產(chǎn)生超過(guò)1GByte的圖像數(shù)據(jù)。如果沒(méi)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(yīng)外部事件的任務(wù)肯定會(huì)給電腦帶來(lái)相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。在沒(méi)有專用硬件的情況下處理這些任務(wù)會(huì)使CPU幾乎沒(méi)有剩余容量用于圖像處理和其他任務(wù)。但是，使用圖像采集卡卸載相機(jī)接口和圖像組裝任務(wù)后，主機(jī)的更多容量將變得可用。

從歷史上看，圖像采集卡和相機(jī)設(shè)計(jì)一直協(xié)同發(fā)展，以增強(qiáng)它們之間的數(shù)字連接。視覺(jué)專用數(shù)字接口的發(fā)展受到視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)更高持續(xù)吞吐量、更長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)外圍接口所能提供的要多。第一個(gè)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的視覺(jué)專用數(shù)字接口是AIA的CameraLink，它為相機(jī)提供高速觸發(fā)和控制信號(hào)，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(lái)傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)，在10米的距離內(nèi)提供高達(dá)850MB/秒的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率。

CameraLink是相機(jī)和圖像采集卡應(yīng)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(shì)：其以硬件為中心的協(xié)議需要最少的軟件，因此易于設(shè)計(jì)和集成。它還提供用于相機(jī)控制和外部事件同步的實(shí)時(shí)信號(hào)。

新的機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)

為了滿足對(duì)更高帶寬和更長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度日益增長(zhǎng)的需求，并采用一致的接口設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了幾種新的相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)：AIA的CameraLinkHS和JIIA的CoaxPress是其中最重要的兩個(gè)。CameraLinkHS接口可以同時(shí)支持多達(dá)20個(gè)電纜通道，每個(gè)通道在15米的距離內(nèi)提供300Mbytes/秒（3.125Gbits/秒）的速率。這種可擴(kuò)展性使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)⑾嗤慕涌谟糜谛枰?00到6,000Mbytes/秒相機(jī)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。CameraLinkHS的其他功能包括低開(kāi)銷協(xié)議、對(duì)GeniCam軟件標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)觸發(fā)的支持，以及對(duì)光纖的支持，以延長(zhǎng)相機(jī)距離。

CoaXpress是日本工業(yè)成像協(xié)會(huì)(JIIA)提出的又一項(xiàng)新機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求使用專用的圖像采集器。CoaXpress規(guī)范允許通過(guò)單根同軸電纜在100米的距離內(nèi)傳輸高達(dá)6.25Gbits/秒的速率。系統(tǒng)可以并行使用多達(dá)四根電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。從主機(jī)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?cái)z像頭，并且可以通過(guò)24伏的電纜提供電力，每根電纜最高可達(dá)13瓦。

隨著這些新接口增加了視覺(jué)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(chǔ)和預(yù)處理功能。

因此，圖像采集卡在機(jī)器視覺(jué)中的作用還遠(yuǎn)未結(jié)束。對(duì)更高性能圖像傳感器的需求不斷增長(zhǎng)，以及隨之而來(lái)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(jī)處理器負(fù)擔(dān)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(yīng)，通過(guò)減輕基礎(chǔ)圖像處理任務(wù)的負(fù)擔(dān)并準(zhǔn)備圖像以進(jìn)行高效的視覺(jué)分析，為視覺(jué)系統(tǒng)提供更大的價(jià)值。即使相機(jī)可以直接插入電腦進(jìn)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(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。