圖像采集卡是將視頻信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，將視頻轉(zhuǎn)換成電腦可使用的數(shù)字格式，經(jīng)過PCI總線實時傳到內(nèi)存和顯存。在采集過程中，由于采集卡傳送數(shù)據(jù)采用PCI Master Burst方式，圖像傳送速度高達40MB/S，可實現(xiàn)攝像機圖像到計算機內(nèi)存的可靠實時傳送，并且?guī)缀醪徽加肅PU時間，留給CPU更多的時間去做圖像的運算與處理。

一、采集卡基本原理

采集卡有多種種類、規(guī)格。但盡管其設(shè)計和特性不同，大多數(shù)采集卡的基本原理相同。近年來，數(shù)字視頻產(chǎn)品取得了顯著發(fā)展。數(shù)字視頻產(chǎn)品通常需要對動態(tài)圖像進行實時采集和處理，因此產(chǎn)品性能受圖像采集卡的性能影響很大。由于早期圖像采集卡以幀存為核心，處理圖像時需讀寫幀存，對于動態(tài)畫面還需“凍結(jié)”圖像，同時由于數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，因此圖像處理速度緩慢。

90年代初，INTEL公司提出了PClI（Peripheral Component Interconnect）局部總線規(guī)范。PCI總線數(shù)據(jù)傳寬度為32/64位，允許系統(tǒng)設(shè)備直接或間接連接其上，設(shè)備間可通過局部總線完成數(shù)據(jù)的快速傳送，從而較好地解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。

由于PCI總線的高速度，使A/D轉(zhuǎn)換以后的數(shù)字視頻信號只需經(jīng)過一個簡單的緩存器即可直接存到計算機內(nèi)存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內(nèi)存的圖像信號傳送到計算機顯示卡顯示；甚至可將A/D輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)PCI總線直接送到顯示卡，在計算機終端上實時顯示活動圖像。數(shù)據(jù)鎖存器代替了幀存儲器，這個緩存是一片容量小、控制簡單的先進先出（FIFO）存儲器，起到圖像卡向PCl總線傳送視頻數(shù)據(jù)時的速度匹配作用。將圖像卡插在計算機的PCI插槽中，與計算機內(nèi)存、CPU、顯示卡等之間形成調(diào)整數(shù)據(jù)傳送。

由于PCI總線的上述優(yōu)點，許多圖像板卡公司陸續(xù)推出了基于PCI總線的圖像采集卡，另外還有PC104plus、Compact PCI等總線形式。

二、與圖像采集卡相關(guān)技術(shù)名詞

1、DMA

 DMA（Direct Memory Access）是一種總線控制方式，它可取代CPU對總線的控制，在數(shù)據(jù)傳輸時根據(jù)數(shù)據(jù)源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guān)系，完成對數(shù)據(jù)的存取，這樣可以大大減輕數(shù)據(jù)傳輸時CPU的負(fù)擔(dān)。

2、LUT（Look-Up Table）

對于圖像采集卡來說，LUT（Look-UpTable）實際上就是一張像素灰度值的映射表，它將實際采樣到的像素灰度值經(jīng)過一定的變換如閥值、反轉(zhuǎn)、二值化、對比度調(diào)整、線性變換等，變成了另外一個與之對應(yīng)的灰度值。這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強圖像的光對比度的作用。很多PC系列卡具有8/10/12/16甚到32位的LUT，具體在LUT里進行什么樣的變換是由軟件來定義的。

3、Planar Converter

 Planar Converter能從以4位表示的彩色象素值中將R、G、B分量提取出來，然后在PCI傳輸時分別送到主機內(nèi)存中三個獨立的Buffer中，這樣可以方便在后續(xù)的處理中對彩色信息的存取。在有些采集卡（如PC2Vision）中，它也可用于在三個黑白相機同步采集時將它們各自的象素值存于主機中三個獨立的Bufer中。

4、Decimation

Decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，如每隔2、4、8、16行（列）取一行（列）組成新的圖像。Decimation可以大大減小原始圖像的數(shù)據(jù)量，同時也降低了分辨率，有點類似于相機的Binning。

5、PWG

PWG（Programmable Window Generator）指在獲取的相機原始圖像上開一個感興趣的窗口，每次只存儲和顯示該窗口的內(nèi)容，這樣也可以在一定程度上減少數(shù)據(jù)量，但不會降低分辨率。一般采集卡都有專門的寄存器存放有關(guān)窗口大小、起始點和終了點坐標(biāo)的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可通過軟件設(shè)置。

6、Resequencing

 Resequencing可以認(rèn)為是一種對多通道或不同數(shù)據(jù)掃描方式的相機所輸出數(shù)據(jù)的重組能力，即將來自CCD靶面不同區(qū)域或象素點的數(shù)據(jù)重新組合成一幅完整的圖像。

7、Non-destructive overlay

 overlay是指在視頻數(shù)據(jù)顯示窗口上覆蓋的圖形（如彈出式菜單，對話框等）或字符等非視頻數(shù)據(jù)。Non-destructive overlay，即“非破壞性覆蓋”是相對于“破壞性覆蓋”來說的，“破壞性覆蓋”指顯示窗口中的視頻信息和覆蓋信息被存放于顯存中的同一段存儲空間內(nèi)，而“非破壞性覆蓋”指視頻信息與覆蓋信息分別存放于顯存中兩段不同的存儲空間中，顯示窗口中所顯示的信息是這兩段地址空間中所存數(shù)據(jù)的迭加。如果采用“破壞性覆蓋”，顯存中的覆蓋信息是靠CPU來刷新的，這樣既占CPU時間，又會在實時顯示時由于不同步而帶來閃爍，如果采用“非破壞性覆蓋”則可消除這些不利因素。

8、PLL、XTAL和VScan此為模擬采集卡的三種不同工作模式

（1）PLL（Phase Lock Loop）模式：相機向采集卡提供A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號，此時鐘信號來自相機輸出的Video信號，HS和VS同步信號可以有三種來源：composite video，composite sync，separate sync；

（2）XTAL模式：圖像采集卡給相機提供時鐘信號以及HD/VD信號，并用提供的時鐘信號作為A/D轉(zhuǎn)換的時鐘，但同步信號仍可用相機輸出的HS/VS；

（3）VScan模式：由相機向分別卡提供Pixel Clock信號、HS和VS信號。

三、選擇采集卡要考慮的主要參數(shù)

1、接口制式，數(shù)據(jù)格式

接口制式包括數(shù)字（Camera Link、LVDS/RS422、1394、USB）、模擬（PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標(biāo)準(zhǔn)模擬制式）一定與所選用相機一致。如選用數(shù)字制式還必須考慮相機的數(shù)字位數(shù)。當(dāng)然，如果選用的是USB相機就不必選擇采集卡了，但對于1394相機來說，也可以選擇相應(yīng)的采集卡或者轉(zhuǎn)接卡。

2、模擬采集卡要考慮數(shù)字化精度

模擬采集卡的數(shù)字化精度主要包括兩個方面即：

（1）像素抖動Pixel Jitter像素抖動是由圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘的誤差產(chǎn)生的像元位置上的微小的錯誤從而導(dǎo)致對距離測量的錯誤。

（2）灰度噪音Grey-Scale Noise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）進行測量。在此過程中會有一定的噪聲和動態(tài)波動由圖像采集卡的電路產(chǎn)生。如像素抖動一樣，灰度噪聲將導(dǎo)致對距離測量的錯誤。典型的灰度噪聲為0.7個灰度單元，表示為0.7LSB。

3、采集卡的數(shù)據(jù)率（又稱為“點頻”）計算數(shù)字采集卡的數(shù)據(jù)率必須滿足的要求可按下列公式計算：

Data Rate（Grabber）≥1.2譊ata Rate（Camera），Data Rate（Camera）=Rxfxd/8，式中Data Rate（Grabber）為采集卡的數(shù)據(jù)率，通常被稱為“點頻”；Data Rate（Camera）為相機的數(shù)據(jù)率，也稱為“像素時鐘”；R為相機的分辨率；f為相機的幀頻；d為相機的數(shù)字深度（或稱灰度級）。

4、Memory大小，PCl總線的傳輸速率

PCl總線可支持BUSMaster設(shè)備以132Mbps突發(fā)速率傳輸數(shù)據(jù)。而其平均持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率一般在50~90Mbps。

來自相機的數(shù)據(jù)總是以一個固定的速率傳輸?shù)摹Ｈ绻鸓CI總線可以維持大于視頻數(shù)據(jù)率的平均持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率，就沒有問題。而實際上PCl總線設(shè)備只能以突發(fā)的方式向總線傳輸數(shù)據(jù)。

圖像采集卡必須將每一突發(fā)之間的連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)保存起來。解決的方法就是采用On-board Memory。

有些廠家出于經(jīng)濟方面的考慮去除了Memory而采用數(shù)據(jù)緩存隊列（FIFO），F(xiàn)IFO的大小一般以足以保存一行圖像數(shù)據(jù)為限。然而，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)的速率大于PCI的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率時 FIFO就不起作用了。

5、相機控制信號及外觸發(fā)信號

（1）外觸發(fā)：由外部事件啟動采集的過程。

（2）同步觸發(fā)：不改變相機與板卡之間的同步關(guān)系，采集從下一個場有效信號開始。

（3）異步觸發(fā)：改變相機與板卡的同步關(guān)系，采集從相機復(fù)位后的第一個場有效信號開始。

相機必須要具備異步觸發(fā)的功能。

6、硬件系統(tǒng)的可靠性

硬件的可靠性在生產(chǎn)系統(tǒng)中是十分重要的，由設(shè)備故障而停產(chǎn)造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備本身。很多板卡廠家并沒有標(biāo)明如平均無故障時間等可靠性指標(biāo)。這里有兩個經(jīng)驗性的技巧用以評估不同板卡的可靠性，板上的器件的數(shù)量和功耗。

（1）試著去選擇具有更低功耗的采集卡。在其它條件都同等的情況下一塊復(fù)雜具有更多器件的卡會比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設(shè)計會采用更多的ASIC（Application-specific integrated circuits）和可編程器件以減少電子器件的數(shù)量，而達到更高的功能。

（2）選擇具有更少的無用功能的卡以減少不必要的麻煩。過壓保護是可靠性的一個重要指標(biāo)。接近高壓會在視頻電纜產(chǎn)生很強的電涌，在視頻輸入端和I/O口加過壓保護電路可保護采集卡不會被工業(yè)環(huán)境電磁干擾會產(chǎn)生的高壓擊穿。

7、支持軟件的功能

大多采集卡的廠商多是把其采集卡和其專用圖像處理軟件捆綁銷售的，因此在選擇采集卡的同時還必須考慮此視覺系統(tǒng)要選用的軟件與采集卡是否兼容。