圖像采集卡的基礎(chǔ)知識介紹

第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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與計算機之間的接口，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。第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Matrox的OdysseyXA：10-bitA/D一、圖像采集卡基本概念第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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

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。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、圖像采集卡基本概念模擬采集卡的數(shù)字化精度

像素抖動第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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。

第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、圖像采集卡基本概念采樣頻率(時鐘、點頻)MHz采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行圖像采集時，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)。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、圖像采集卡基本概念分辨率采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能，即所能支持的相機最大分辨率。傳輸通道數(shù)(Channel)

采集卡同時對多個相機進行A/D轉(zhuǎn)換的能力。如：2通道、4通道。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Matrox的OdysseyXA：獨立四通道一、圖像采集卡基本概念第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Matrox的MeteorII/Multi-Channel：三通道一、圖像采集卡基本概念第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月傳輸速率：指圖像由采集卡到達內(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第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月圖像格式（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，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第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月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)硬件圖第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月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)相機復(fù)位功能(AsynchronousReset)時序輸出功能(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第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Matrox的OdysseyXA一、圖像采集卡基本概念第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月Matrox的OdysseyXCL一、圖像采集卡基本概念第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月視野（FOV）或視場是相機及光學系統(tǒng)“看”到的真實世界的具體部分。CCD芯片將光能轉(zhuǎn)化為電能。相機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。每個像素獨立地把光強以灰度值（GrayLevel）的形式表達。這些光強值從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第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至內(nèi)存的圖像相機“看”到的圖像二、圖像采集卡原理及過程第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機信號經(jīng)采集卡進入計算機內(nèi)存，表現(xiàn)為一個矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）某一點的灰度值，也是物理世界上這一點的光強弱信息的表示。三、視覺系統(tǒng)圖像表達第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機信號經(jīng)采集卡進入計算機內(nèi)存，表現(xiàn)為一個矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）灰度值為真實世界圖像量化的表現(xiàn)方法。通?；叶戎祻淖詈诘阶畎诪?—255。光線進入CCD后，如果光強達到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)圖像表達第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機信號經(jīng)采集卡進入計算機內(nèi)存，表現(xiàn)為一個矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點的數(shù)值

黑白圖像

灰度值（GrayLevel）8bit 10bit~16bit三、視覺系統(tǒng)圖像表達第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機信號經(jīng)采集卡進入計算機內(nèi)存，表現(xiàn)為一個矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點的數(shù)值

黑白圖像

灰階

8bit：灰階范圍256 10bit：灰階范圍1024灰階越高圖像的細節(jié)更多，層次更分明。三、視覺系統(tǒng)圖像表達第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月由于windows目前的限制，能夠顯示的灰度最多為256個，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)圖像表達第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機信號經(jīng)采集卡進入計算機內(nèi)存，表現(xiàn)為一個矩形區(qū)域，區(qū)域中的每一點的數(shù)值

彩色圖像

RGB值三、視覺系統(tǒng)圖像表達第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月依據(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第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月依據(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第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(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(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相機五、板卡硬件發(fā)展趨勢第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月標準信號(標準模擬信號)非標準彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非標準模擬信號數(shù)字：LVDS/1394/RS422/CameraLink/USB/GigaBit六、如何選用圖像采集卡依據(jù)信號標準可以分為:視頻信號分類第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬信號——接口第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月標準制式PALCCIRNTSCRS170分辨率768*576640*480色制彩色黑白彩色黑白幀頻(Hz)2530點頻(MHz)14.7512.27行頻(KHz)15.62515.74場頻(Hz)5060模擬信號——信號特征第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月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第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月HS/HD(Horizontalsynchronisation)VS/VD(Verticalsynchronisation)VoltageTimeHDVideoVoltageTimeVDVideo模擬信號——信號描述第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月幀(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

第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬信號——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)第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月PLL（PhaseLockLoop)鎖相環(huán)模式 相機向采集卡提供A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號，此時鐘信號來自于相機輸出的Video信號。XTAL模式 圖像采集卡給相機提供PixelClock信號以及HS/VS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。VScan模式 由相機向圖像采集卡提供PixelClock信號，HS和VS信號。模擬信號——三種模式第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)數(shù)字信號（RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet數(shù)字信號——接口第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月規(guī)范化速度適應(yīng)性CameraLinkChannelLinkLVDSRS-422GigEIEEE1394USB數(shù)字信號——接口第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月LVDS是一個低波動、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濾除噪聲。這是因為依靠同時用兩根線來傳信號，兩條線的電壓相反。通過兩根線上的強度差來得到最終的數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)噪聲，那么噪聲會同時出現(xiàn)在這兩根線上，而信號信息并不受其影響。因為信號的抗噪聲能力的提高，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第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：高速，可靠性高，傳輸距離遠，支持多相機連接。缺點：管腳定義不統(tǒng)一，兼容性差，電纜成本高。數(shù)字信號——LVDS第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月DATA(8，10，12，14)：多通道數(shù)據(jù)輸出例：12位數(shù)據(jù)總線。DATA0～11是相機輸出的、分別對應(yīng)目標某個像元灰度的12位圖像數(shù)據(jù)。STROBE/PLCK像元時鐘信號。STROBE是圖像數(shù)據(jù)的像元時鐘。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，在STROBE的下降沿進行數(shù)據(jù)鎖存。FVAL幀同步信號。一般FVAL高電平表明相機正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。LVAL行同步信號。當FVAL為高電平時，LVAL高電平表明相機正輸出一個有效的像元行。數(shù)字信號——LVDS第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月數(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。允許相機設(shè)計的體積更小。更高的傳輸速率。采用ChannelLink芯片組(支持速率達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。第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月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第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月數(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)的傳輸率可以達到120Mbps～480Mbps。傳輸距離短，0.6米。第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字信號——IEEE1394兩種接口標準，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800Mb/s。不需要控制器，可以實現(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。它是目前唯一支持數(shù)字攝錄機的總線。第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字信號——GigabitEthernet帶寬可達到1000Mbps，圖像可以無損失實時傳輸。最遠可傳輸100米。標準的網(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)機器視覺中將被廣泛應(yīng)用。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)字信號——GigabitEthernet第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月GigE1394USBCameraLink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)可中繼接口特點靈活性高，可擴充性強，支持遠距離傳輸，支持多點傳輸，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。但不便于多相機連接和集中控制，電纜價格較高。數(shù)字信號——比較第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月標準信號(標準模擬信號)非標準彩色：NTSC/PAL黑白：RS170/CCIR非標準模擬信號數(shù)字：LVDS/1394/RS422/CameraLink/USB/GigaBit六、如何選用圖像采集卡依據(jù)信號標準可以分為:視頻信號分類第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月六、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進一步合成色度信號CY、C進一步合成畫面質(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:視頻信號分類第50頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月相機速度(FrameRateorLineRate)相機像素分辨率(PixelSize)面陣或線陣(