模擬采集卡采樣精度與速度

模擬采集卡的數(shù)字化精度主要包括兩個(gè)方面即像素抖動(dòng)（在相機(jī)一節(jié)已詳細(xì)介紹）是由圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘的誤差產(chǎn)生的像元位置上的微小的錯(cuò)誤從而導(dǎo)致對(duì)距離測量的錯(cuò)誤。 (2) 灰度噪音Grey-Scale Noise灰度單元，圖像采集卡的數(shù)字化轉(zhuǎn)換的過程包括對(duì)模擬視頻信號(hào)的放大和對(duì)其亮度(灰度值)進(jìn)行測量。在此過程中會(huì)有一定的噪聲和動(dòng)態(tài)波動(dòng)由圖像采集卡的電路產(chǎn)生。如像素抖動(dòng)一樣，灰度噪聲將導(dǎo)致對(duì)距離測量的錯(cuò)誤。典型的灰度噪聲為0.7個(gè)，表示為0.7LSB。

數(shù)字采集卡要考慮數(shù)據(jù)率大小，計(jì)算數(shù)字采集卡的數(shù)據(jù)率是否滿足系統(tǒng)的要求可按下列公式計(jì)算:

Data Rate(Grabber)＞1.2×Data Rate(Camera)

Data Rate(Camera)＝R×f×d/8

式中Data Rate(Grabber)為采集卡的數(shù)據(jù)率，Data Rate(Camera)為相機(jī)的數(shù)據(jù)率，R為相機(jī)的分辨率，f為相機(jī)的幀頻，d為相機(jī)的數(shù)字深度(或稱灰度級(jí))。

非標(biāo)準(zhǔn)視頻獲取

很多機(jī)器視覺應(yīng)用相機(jī)輸出并非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，相應(yīng)的圖像采集卡就也必須提供一些視頻標(biāo)準(zhǔn)以外的特性。下面就描述了三種典型的非標(biāo)準(zhǔn)采集卡：

①由視頻標(biāo)準(zhǔn)定義的最大圖像分辨率對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用是足夠的，因此一種非標(biāo)準(zhǔn)采集卡就是將視頻標(biāo)準(zhǔn)，比如說像素時(shí)鐘、觸發(fā)機(jī)制、逐行掃描更加細(xì)化。與RGB相機(jī)共同使用的采集卡通常用于同時(shí)獲取高達(dá)三種顏色的視頻信號(hào)（這三個(gè)通道可以不必代表通常的紅、綠、藍(lán)信號(hào)）。用這種方法，就可以實(shí)現(xiàn)立體的視覺系統(tǒng)。而且，一些特殊的相機(jī)提供兩路視頻輸出來加倍掃描速率并且能夠與RGB采集卡相連。

②第二種非標(biāo)準(zhǔn)采集卡并不像第一種那樣遵循視頻標(biāo)準(zhǔn)。他們自適應(yīng)幾乎所有的非標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)，比如說線掃描相機(jī)、數(shù)字相機(jī)、以及提供超出視頻標(biāo)準(zhǔn)分辨率的相機(jī)。非標(biāo)準(zhǔn)視頻可以是以下特性的組合：

• 非標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘

  不遵循標(biāo)準(zhǔn)視頻時(shí)鐘的視頻信號(hào)不能用傳統(tǒng)的圖像采集卡和標(biāo)準(zhǔn)譯碼電路來處理。輸出比幀速率比標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)多或少的相機(jī)（雙倍速度相機(jī)和百萬像素相機(jī)）或者當(dāng)要處理觸發(fā)、變化掃描設(shè)置，將會(huì)在以后討論。

• 非標(biāo)準(zhǔn)或百萬像素分辨率

  先進(jìn)的相機(jī)開始在傳感器上有越來越多的像素從而圖像的分辨率會(huì)變大。CCIR標(biāo)準(zhǔn)指出，具有百萬像素的相機(jī)其1024768、13001030或更高的分辨率已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的768*576的分辨率，它能夠提供給定分辨率下更大的視野范圍。

• 逐行掃描輸出

  逐行掃描在相機(jī)一節(jié)曾有介紹，它是指整個(gè)圖像而不是一半的圖像在一個(gè)事件當(dāng)中同時(shí)計(jì)算。結(jié)果就是完全的處置分辨率非隔行視頻，對(duì)捕獲具有最大分辨率的高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像很適用。大多數(shù)制造的CCD傳感器是隔行掃描類型的，以適應(yīng)于監(jiān)視和電視型的應(yīng)用。
  因此，逐行掃描相機(jī)比隔行掃描相機(jī)價(jià)格要貴，并且更適用于機(jī)器視覺。使用逐行掃描相機(jī)時(shí)，快速運(yùn)動(dòng)物體的圖像也可能是模糊的。這是因?yàn)橐曨l中的圖像是在一個(gè)時(shí)間段(曝光時(shí)間)內(nèi)積累的結(jié)果，在這過程中物體可能已經(jīng)移動(dòng)。為降低模糊，可以用一個(gè)電子快門來縮短曝光時(shí)間。
  這在35mm攝影相機(jī)中機(jī)械的完成，在CCD相機(jī)中電子的完成。當(dāng)電子快門速度提高時(shí)，曝光時(shí)間就縮短，物體在很短的時(shí)間中被拍攝，因而能減少模糊。大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用都時(shí)利用這種技術(shù)，盡管少的曝光時(shí)間意味著由于少的光照到傳感器上，相機(jī)變得不敏感。
  當(dāng)電子快門達(dá)到一個(gè)較高的速度，就需要更高的光密度，這也能夠有快的，低的F數(shù)鏡頭來輔助完成。只有在采集卡本身能夠被用戶配置的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)這么高的靈活性。因此，這種采集卡通常配有特殊的能夠產(chǎn)生相機(jī)描述文件的配置程序，描述文件被采集卡驅(qū)動(dòng)程序用來配置采集卡。

③盡管如今的PC機(jī)性能已經(jīng)很高，對(duì)于一些圖像序列的處理，它還是不夠的。因此，就需要額外的計(jì)算能力。為了達(dá)到這個(gè)目的，高終端的圖像采集卡就配有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)處理器，能夠做CPU的圖像預(yù)處理。顯然，這種采集卡成功的應(yīng)用是需要很多經(jīng)驗(yàn)的，另外，實(shí)際采集卡的復(fù)雜度以及信號(hào)處理器的開發(fā)環(huán)境就產(chǎn)生很高的需求。

接口制式，數(shù)據(jù)格式

目前相機(jī)的接口形式包括模擬接口(PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標(biāo)準(zhǔn)模擬制式)，數(shù)字接口(Camera Link、Channel Link、LVDS/RS422)和議一些直聯(lián)式數(shù)字接口（IEEE 1394、USB、以太網(wǎng)Ethernet）定與視覺系統(tǒng)所選用相機(jī)一致，如選用數(shù)字制式還必須考慮相機(jī)的數(shù)字位數(shù)。（模擬信號(hào)及接口前面已經(jīng)介紹）

RS-422 及RS-644(LVDS)接口

RS-422 及RS-644(LVDS)通常是68pin 或 100pin 的高密度接口, 但各相機(jī)廠家的引腳定義不盡相同而且采集卡引腳定義也不太一樣, 因此在選定相機(jī)及采集卡后，需要更換其中的一者都必須先看看引腳的信號(hào)的定義，也許需要重做信號(hào)線或做一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換板。

Channel Link 接口

Channel Link是Camera Link的前身，能夠與其兼容，接口的引腳較LVDS少了很多卻仍然可以傳輸大量的數(shù)據(jù),它也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接頭形式, 因此各廠家的產(chǎn)品之間依然有差異。

Camera Link接口

Camera Link標(biāo)準(zhǔn)則是由多家工業(yè)相機(jī)和采集卡大廠共同制定出來的, 標(biāo)準(zhǔn)本身是基于Channel Link 的特性, 并定義了標(biāo)準(zhǔn)的接口, 讓相機(jī)與采集卡之間的信號(hào)傳輸更加簡單化了,同時(shí)定義了基本架構(gòu)(Base Configuration), 中級(jí)架構(gòu)(Medium Configuration), 及完整架構(gòu)(Full Configuration) 的信號(hào)引腳規(guī)范和傳輸資料量。

IEEE 1394

IEEE 1394接口，（通常也被稱為FireWire或者iLink）。因?yàn)榭傻玫降膸挶环峙涞叫枰娜吭O(shè)備，在節(jié)點(diǎn)上的最慢的設(shè)備將決定整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬。 IEEE1394a是目前實(shí)現(xiàn)的版本。它支持100，200，和400 Mbit/s的帶寬。

而IEEE 1394b是一個(gè)新興的標(biāo)準(zhǔn)但還沒被廣泛地支持，它提供一個(gè)800 Mbit/s的帶寬，最多可達(dá)3.2 Gbit / s。 1394有兩種工作方式：異步（asynchronous）方式和同步（isochronous），異步方式的設(shè)計(jì)主要是保證信息傳遞的可靠性，并非保證高的傳輸速度，它在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之間通過“握手”以保證被傳送的數(shù)據(jù)被收到；

而同步方式則會(huì)保證帶寬，它必須犧牲握手個(gè)過程而沒有保障數(shù)據(jù)被收到。如果可提供的帶寬被給予一個(gè)同步的設(shè)備，然后設(shè)備可以每125us發(fā)送一包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的長度由指定設(shè)備的保留的帶寬確定。

同步設(shè)備把數(shù)據(jù)送到一個(gè)通道，其它設(shè)備都可以通過該通道同步接受數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包損壞或丟失，也不能重新傳送。大多數(shù)1394接口的工業(yè)相機(jī)采用同步方式并且遵循DCam協(xié)議(或稱IIDC協(xié)議)。

USB

普通串口總線(USB)是一個(gè)主從系統(tǒng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，目的是作為一種通用標(biāo)準(zhǔn)來取代現(xiàn)有的各種串行或并行的計(jì)算機(jī)I/O 協(xié)議。主控制器擔(dān)任主機(jī)，端點(diǎn)的其它外部設(shè)備隸屬于它， 下位USB設(shè)備只能與主機(jī)(通常一臺(tái)計(jì)算機(jī))聯(lián)系，但其它設(shè)備相互間不能通信。

USB 1.1提供一個(gè)只12 Mbit/s的帶寬，因此，不太適合工業(yè)相機(jī)的圖像傳輸。有480 Mbit/s的可提供的帶寬的USB 2.0則完全能達(dá)到工業(yè)相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度需求。 USB也采用與1394同步方式類似的數(shù)據(jù)傳輸方式。

USB的同步方式每125us發(fā)送一包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包長度確定設(shè)備分配到的帶寬。與1394一樣，不可能實(shí)現(xiàn)握手，因此也只是保證帶寬而沒有保證信息傳輸?shù)耐暾?/p>

同步方式數(shù)據(jù)傳輸可以達(dá)到90%可得到的帶寬。即一部相機(jī)能請(qǐng)求并且被準(zhǔn)許480 Mbit/s中的90%（理論上，8 位像素圖像傳輸率為54 Mpixel/s）。但一些其它的總線開支通常降低可提供的帶寬到實(shí)際40 Mpixel / s左右。

以太網(wǎng)Ethernet

作為一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它起先被美國施樂公司開發(fā)，后來在與DEC和Intel合作中獲得來巨大改進(jìn)，Ethernet接口使用總線形或者星形結(jié)構(gòu)學(xué)并且支持?jǐn)?shù)據(jù)傳送率達(dá)到 1 Gbit/s，但是，最通常使用的100baseT版本只能提供100Mbit/s的總線帶寬。

Ethernet使用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)存取方式。因?yàn)镋thernet允許任何設(shè)備給任何其它或全部設(shè)備隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)且無需協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)沖突的潛在可能就會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)使用設(shè)備和被傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量增大。

CSMA/CD每當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸沖突時(shí)指定再試，直到數(shù)據(jù)到達(dá)最后的目的地。即使有其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如開關(guān)和路由器，當(dāng)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上有超過兩個(gè)設(shè)備時(shí)，沖突的潛在可能被大大降低，但也不能達(dá)到理論的帶寬(100Mbit/s)。

100Mbits/s的理論帶寬的100baseT 通常有效的數(shù)據(jù)傳輸速度為50Mbit/s，在考慮節(jié)點(diǎn)開銷和沖突之后，對(duì)8位的圖像數(shù)據(jù)只能達(dá)到6.25Mpixel/s，不適應(yīng)多數(shù)機(jī)器視覺的應(yīng)用。 由于千兆位Ethernet（1000baseT）的來臨，帶寬可增加到1，000Mbit/s（1Gbit/s）但其工業(yè)目的的未壓縮圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)目的沒被完全確定。

因此，視頻制式與接口的選擇需要與相機(jī)一起進(jìn)行綜合考慮，此外，雖然目前一起直連相機(jī)（比如USB和IEEE1394）存在著價(jià)格較低，但考慮到復(fù)雜視覺系統(tǒng)對(duì)一些控制功能的需求和圖像傳輸可靠性，因而直連相機(jī)并不是大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。

附加功能

圖像采集卡為了方便視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，通常會(huì)增加一些有別于單純圖像采集的附加功能，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，輸入/輸出的控制很重要，系統(tǒng)中常要根據(jù)處理過程的需要來決定相機(jī)的拍照時(shí)間，采用了可異步重置的相機(jī)，則需要輸出觸發(fā)相機(jī)的信號(hào)。

此外，在一些系統(tǒng)中，由于需要設(shè)定拍攝的幀率，應(yīng)該有像素時(shí)鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號(hào)來保證視頻信號(hào)的同步，它可以保證不同設(shè)備輸出的視頻信號(hào)具有相同的幀行起止時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)外同步，需要給攝像機(jī)輸入一個(gè)復(fù)合同步信號(hào)或復(fù)合視頻信號(hào)。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數(shù)字 I/ O功能，能夠產(chǎn)生攝像機(jī)和其他電子設(shè)備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)是很有用的，否則將需要獨(dú)立的數(shù)字 I/ O卡。

比如圖中所示的同步輸出、像素時(shí)鐘輸出、外部觸發(fā)輸入和用戶自定義的數(shù)字 I/ O，此外還有的采集卡會(huì)提供RS232串口控制和相機(jī)電源輸出等。

硬件可靠性以及軟件支持

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(shí)間等可靠性指標(biāo)。這里有兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的技巧用以評(píng)估不同板卡的可靠性，板上的器件的數(shù)量和功耗。

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(huì)比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設(shè)計(jì)會(huì)采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可編程器件以減少電子器件的數(shù)量，而達(dá)到更高的功能。

您還可以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(hù)是可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。接近高壓會(huì)在視頻電纜產(chǎn)生很強(qiáng)的電涌，在視頻輸入端和I/O口加過壓保護(hù)電路可保護(hù)采集卡不會(huì)被工業(yè)環(huán)境電磁干擾會(huì)產(chǎn)生的高壓擊穿。

基本上所有的圖像采集卡都支持二次開發(fā)，通常隨圖像采集卡都附送一些采集、存儲(chǔ)、顯示相關(guān)的函數(shù)庫，而圖像處理相關(guān)的函數(shù)庫雖然需要得到響應(yīng)的硬件支持但往往都是另外銷售的，因此在選擇采集卡的同時(shí)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，是否使用方便，其軟件是否要求付費(fèi)等。

比如Matrox公司的Mil和MilLite可以在它們的大多數(shù)卡上使用， Dalsa Coreco公司的圖像處理軟件WIT、Sapera、MVTools等只能在其Bandit系統(tǒng)、PC系列、X64系列、Viper系列等采集卡上使用，而Cognex公司的Vision Pro只能在其8100、8500系列采集卡上運(yùn)行。此外，像HexSight這類通用視覺開發(fā)軟件，則可以支持市面上的大多數(shù)采集卡。