图像采集卡
图像采集卡（Image Grabber）又称为图像卡，它将摄像头的图像视频信号，以帧为单位，送到计算机的内存和VGA帧存，供计算机处理、存储、显示和传输等使用；在机器视觉系统中，图像卡采集到的图像，供处理器作出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在的位置等等处理。
需要图像卡接受的图像视频信号的格式繁多，参看第3章，我们在这里再简要罗列一下：
- 模拟视频和数字视频；
- 标准视频和非标准视频信号；
- 隔行和逐行扫描方式；
- 黑白和彩色摄像头输出；
- 复合和各种分量式彩色视频信号。
本章我们将首先讨论模拟视频输入的采集卡，数字式输入也将会给予一定的介绍。
图像卡的结构方框见图7-1，图中列出了较完备的黑白图像卡的结构，以后我们将逐步介绍方框图中的各功能块；其中的输出查找表和输出D/A在当今大多数图像卡中都不需要了，只在有特殊要求的领域存在，例如医疗图像。
模拟视频经A/D，转换成数字量，通过缓存由PCI总线送到主机内存，或VGA的帧存。CPU读取并处理内存中的图像，获得机器视觉系统所需的结果。
7-1 图像卡的分辨率和频带
在第4章，已经详细讨论了图像的采样、分辨率和频谱带宽的关系。在第4-4节，给出了在对一行视频信号采样时，采样频率、行频和水平总采样点数之间的关系，
fs=行频fv×水平总采集点数
和视频频谱带宽
以及一行视频信号的采样示意图，图7-2。
在对标准视频CCIR采样时，它一行的总采集点数为945，正程有效视频期间为768个点。但是对于非标准视频信号来说，代表图像卡分辨率的水平总采集点数，在行频fv不变的情况下，与采样频率fs成正比，即fs越高，图像卡能获得的图像分辨率越高。所以最高的采样频率fs是图像卡的重要参数之一。
非标准视频图像卡的采样频率fs是可调的，但在机器视觉系统中，并不是分辨率越高越好，它取决于两个因素：
a. 分辨率越高，采样后图像的像元数就越多，要求CPU处理的时间越长，同时对内存的要求也越高；
b. 水平采样的间隔应与行间垂直采样的间隔保持相等，以保证每一个像元为正方形，正方形的像元有利于后面的图像处理精度和速度。
在第4章曾讨论过混叠干扰的形成原因，在非标准视频图像卡的调节过程中，采样频率fs应该与输入的视频带宽fb保持
fs≥2fb
的关系。但是，一般的摄像头内只具有一个简单的低通滤波器，并不能将大于fb的频谱成分较彻底地滤除，大于fb的高频成分只能缓慢地衰减。低质量的CCD摄像头的视频甚至不具有简单的低通滤波器去滤除那些对视频无用的高频成分，包括噪音、干扰、甚至于固定频率分量。所以在图像卡内具备一个抗混叠滤波器是非常必要的，而且这个滤波器的低通截止频率fb随着采样频率fs的变化而自动变化，使得视频的带宽在通过抗混叠滤波器后，永远保持fs≥2fb的关系，在保证最大分辨率的情况下，不产生混叠干扰。
所以图像卡的模拟视频单元，如放大器A/D转换前部的模拟部分应具有足够的频带宽度，当视频信号通过它们时，尽可能减少视频频谱中的高频分量的损失；同时图像卡又必需具有抗混叠的低通滤波器，让视频频谱中低于1/2 fs的成分通过，衰减掉高于1/2fs的部分。
图像卡的这些性能决定了它能达到的图像分辨率和清晰度。
7-2 图像卡的灰度精度和动态范围
精确地将模拟视频信号数字化，使量化后的视频能精确地表达出图像灰度的变化，是图像卡的第二个重要指标。A/D转换之前，包括A/D转换的所有模拟视频通过的单元，都可能引来灰度失真和噪音。
图像灰度中的噪音有损于图像质量，并进一步影响后续图像处理的精度，例如距离、面积、周长等度量，甚至于引来缺陷产品的误判。
7-2-1 亮度、对比度和箝位
视频信号除了在行正程的有效区内，代表灰度信息的电平外，尚包括行同步、场同步、消隐等等部分。在A/D转换之前，如何将A/D转换的范围正确地放在有效灰度区域内是很重要的，将直接影响A/D后的动态范围和精度。
箝位（直流恢复）、亮度和对比度的调节，就是将A/D转换的范围设置在视频的有效灰度范围内需要调节和控制的三个地方。图7-3为一行的视频信号，行同步的前后有两个小平台，称为前肩和后肩。后肩的电平是一个非常重要的信号，它应处于零电平处，亮度的调节和箝位等都是依据其操作的。
在对视频做A/D转换时，有黑、白两个参考电平，在黑、白电平之间将视频量化为256级，在黑参考电平处的视频信号，A/D转换为数字量“0”——全黑；在白参考电平处的视频，转换为数字量 “1”——全白。
7-2-1-1 亮度调节
如果同时将黑、白参考电平加或减一个值，即在保持黑、白参考电平之间的高度不变的情况下，调节黑参考电平的高低，这意味着用相同的高度去截取视频信号的不同部位，作256级A/D转换，即所谓的亮度调节。适当调节亮度可以使图象的暗区域或亮区域的层次更清晰。
7-2-1-2 对比度调节
在保持黑参考电平不变的情况下，调节黑、白电平之间的距离，即调节视频的A/D转换的范围大小，称对比度调节，对比度是反映图象亮暗反差大小的调节。在通常情况下，这个范围应尽可能地将有效的视频范围包含进去，但又不能过大，超过视频的有效区域，使动态范围减低。反过来又不能过小，过小了，使A/D转换范围缩小，使视频高电平或低电平处失真。
7-2-1-3 箝位（直流恢复）
视频信号从CCD传感器芯片至采集卡的A/D输入端之间需历经多个放大器、同步信号处理器等部件，为了保持各个部件之间的独立工作，部件之间的耦合大都用电容来滤除视频信号的直流成分，只让交流成分进入下一部件，去除直流成分后，视频信号的后肩变成浮动了，即不能再保证后肩与零电平重合了，而是随着视频信号中图象内容的变化，在零电平上下不断地浮动，见图7-4，演示了后肩的电平随着图象内容的变化而浮动的情况，从而在A/D转换时，A/D失去了基准，带来了很大的误差，所以将直流恢复是很重要的。
后肩是直流恢复的依据，首先检测出行同步的位置，在行同步之后4μs宽的平台就是后肩，测出后肩的电平并调节这一电平，将后肩平台箝位在零电平处，也就是将整个一行视频信号箝在了图7-3所示的正确位置。OK系列图象采集卡采用的线性箝位技术，逐行地将视频信号精确地箝位到正确的电平位置，恢复了视频信号的直流成分。
7-2-2 A/D转换精度
在第5-3节已讨论过摄像头输出视频的SNR和采集卡A/D转换比特位数n之间的匹配关系。
通常采集卡的A/D位数都是8bits ,即256个灰度等级。适用于信噪比SNR小于56分贝的摄像头。
高档采集卡具有10至12bits的A/D，在这类采集卡内，对前置放大器、A/D转换以及它们所包含的箝位、亮度和对比度调节等功能的精度，以及由这些功能块引入的噪音都有很高的要求。否则采用高bits的A/D就变得没有意义了。
所以在采购图像卡时，不能只注意它的A/D是10或12位，还应考察它的A/D的实际精度、模拟放大部分的精度等等因素，以便获得真正高精度灰度图像。
在彩色图像卡中，A/D直接对复合彩色视频信号作转换，然后在数字域对视频信号作梳状滤波、Y/C分离、RGB解码等等运算。我们知道数字信号经过多重运算后，会逐步降低其精度。所以高档的彩色图像卡会采用9、10、12bits的A/D，来保证获得解码后的8bits的R、G、B视频灰度精度。
7-3 采样点的抖动（Pixel Jitter）
抖动（Pixel Jitter）引起图像质量的下降也是图像卡的重要指标之一。
在某些机器视觉系统中，对采样点的位置误差要求较高，可能会高达相邻像元间间隔的几分之一。在CCD摄像头中，像元间的垂直方向的像元排列是很准确的，取决于CCD敏感像元矩阵芯片的光刻精度，这个精度是很高的。但是在模拟输出的CCD视频中，在水平方向采样的CCD主振脉冲已不存在（在一般的视觉系统中），采集卡必需根据对行同步脉冲的锁相，来重新获得水平方向上的采样脉冲。
采样点抖动是图象采集卡采集图象时锁相获得的采样脉冲采集点阵X方向位置的左右偏差，以纳秒（ns）为单位表示。
采样点是由一方形点阵组成的，点阵水平方向的位置是由图象卡主振脉冲与输入视频的行同步锁相而确定的，即在一行的扫描时间内应均匀而又稳定地摆放X个水平采样总点数，锁相总会有一定的误差，引起采样点阵水平方向的抖动，由于测量上的困难，这种点阵的位置误差以时间纳秒表示，例如OK系列图象卡的采样点抖动在±1-5ns范围内。折合到点阵位置，这是一个多大的误差呢？我们以标准视频信号的标准方形采样，即以对标准视频（PAL制）按768×576点阵采样为例，采样的主频率为14.76MHz，其周期为67.7ns，采样点抖动为±5ns时，其位置的相对误差为5ns/67.5ns=±7.4%,即点阵的水平方向位置的相对误差为±7.4%。如果是非标准视频信号的采集，采样频率为60MHz的高速采集，则其采集周期为16.66ns，在采样点抖动为±5ns时，则相对误差为±30%；采样点抖动为1ns时，相对误差为±6%。从上述可以看出，以纳秒表达采样点的抖动误差与采样主频率密切相关，采样主频率越高，要求的抖动时间越小。
7-4 图像卡的控制与协调能力
如果说摄像头和主机分别是机器视觉系统的眼睛和大脑，那么图像卡就是机器视觉系统的心脏，它要准确接受前端摄像头的各种规格的视频数据；接收外来的触发脉冲，并启动摄像头的曝光和重扫描；它要为后端的主机以总线的最高瞬时速度提供准确稳定的图像数据；要有高的数据传输效率；有的系统还要提供独立的视频显示输出。而图像卡对前后端的控制、采集、传输和显示等动作，又要尽可能地减少CPU的参与，以便增加CPU对图像的处理效率。
7-4-1 图像卡的采集启动
机器视觉系统对运动物体作检测，工件进入视场中心时，图像卡应开始采集图像，图像卡的启动方式可能为
a. 外触发启动图像卡采集；
b. 新的帧头出现而启动图像卡采集；
c. CPU向图像卡发出采集指令。
设计优良的图像采集卡在前两种情况无需CPU参与，第三种情况虽然CPU参与，但命令发出后，CPU即可回去执行其他任务。启动后，图像卡自动等待帧头（第二种启动无须等待）；自动检测CCD的行场，并正确锁相；自动与总线匹配动作，高速传输数据，并送到事先指定的内存位置；采集结束后再通知CPU。所有这些动作，由图像卡独立完成，无需CPU参与。
7-4-2 外触发和电子快门控制
在6-6节讨论过对运动物体采集的过程，图6-15展示了外触发、曝光、扫描的时序和过程。外触发脉冲是送到图像卡的，图像卡接收到外触发后，并非马上转发给摄像头，而是要考虑是否延迟一定时间后，才触发CCD。这是因为，受外触发产生装置的安装位置的限制，外触发形成的时间，往往并非被检测物体到达视场FOV中心的时间，外触发脉冲要经过一延迟后，物体才到达FOV中心，所以图像卡收到外触发后，根据物体运动的速度和与FOV中心之间的距离，确定一延迟时间。这一延迟时间预先设定，并存放在图像卡内。
7-4-3采集速度、图像卡内存、和总线速度的匹配
7-4-3-1 采集速度
行频和水平总采集点数（水平分辨率）之积决定了采样频率fs（第4-4节）。标准视频和各种非标准视频的采样频率fs之间差异很大。例如CCIR标准的采样频率为14.76MHZ，而高分辨率的采集频率fs可高达近150MHZ，例如分辨率为1024×1024×8bits的摄像头，当帧频为25帧/S时，数据产生的速度为25MB/S。如果将这个摄像头每个像元的bits数增加一点或使用更高的帧速时，fs则会大幅提高，直至150MB/S。图像卡应能自动检测、跟踪和锁相来自CCD这么大变化范围的视频信号。
7-4-3-2 总线结构
在Wintel占统治地位的图像卡世界，有三种通用的总线结构，
* PCI-32（32bits，33MHZ）
最高理论速度为132 Mbytes/S，已在市场上出现十余年，是一个成熟、有效的总线结构，直至今天，仍应用于通用的PC机内，在很多机器视觉领域，它已能满足需要。但是随着图形卡、视频卡、对传送速度要求的提高，PCI-32总线已不堪重负。
* PCI-X：
是在PCI-32的基础上扩展起来的，数据宽度从32位扩大到64位，即可将传送速度增加一倍，如果再将主时钟从32MHZ提高到66MHZ，甚至133MHZ，则传送速度又可成倍地增加。例如主时钟为133MHZ时，数据传送速度可达1GB/S。用扩大数据宽度和提高主时钟的方式来增加速度带来了很大的问题，由于这是一种并行传送方式，又在高速下运行，所以带来了噪音影响，而为了克服它，对PC主板的元件要求将大大提高，从而大大提高了成本，所以PCI-X并未成为PC的主流总线，它只是在一些服务器中使用。
* PCI-Express
又称PCI-E和3GIO。是个人计算机第三代总线，PCI总线的拓扑结构是一种共享式结构，当总线上的设备增加时，将带来管理的极大困难，而PCI-E总线是点到点的总线拓扑结构，采用串行和打包数据的方式传送数据，而它又是和PCI-32兼容的。PCI-E是可以剪裁的，一个通道可以达到2.5GB/S的传送速度，两个通道则可将传送速度加倍，还可以×4，×8，×16，×32地将通道捆绑在一起，获得更高速的数据传送。
PCI-E是2002年发布的，现在已经在PC主机板上大量出现，据估计，PCI-E将成为PC机下一代的主流总线结构。PCI-E的图像卡也会大量涌现。
7-4-3-3 图像传送和处理的协调
PCI总线支持多总线主控器，这意味着，某一设备，如图像卡，可以取得PCI的控制权，将数据在图像卡和计算机内存之间传输，而不必通过主CPU，在设计良好的PCI总线上，总线主控制器可以获得的瞬态突发速度高达132Mbytes/S。由于总线的资源是共享的，CPU经常要对外部设备、内存等进行管理而占用总线，真正使用于数据传送和处理而占用总线的时间只占70%，约为90Mbytes/Sec左右的有效传输速度，视CPU及其外围芯片组的选用，和外部设备的多少而变化。
在CCIR标准中，图像卡产生数据的最高速度为15Mbytes/Sec。
图像卡产生数据和总线传送数据是不同步的，图像卡中都有具有一定容量的缓存来协调它们之间的工作，A/D产生的数据先放到缓存，到一定的容量后（例如缓存容量的一半），图像卡申请占用总线，取得控制权后，将数据传送至内存。缓存内的数据传送完后，交出总线控制权。输入到缓存的数据速度相对于输出至内存速度越高，所需的缓存容量越大，一般在图像卡内2MB的缓存已足够了。PCI总线传送视频数据的时序见图7-5。
在fb小于总线的有效传输速度时，图像卡能一帧不漏地连续获取图像；但在一些高档图像卡中，fb大于总线的有效传输速度，就不能连续地获取多帧图像了，这时图像卡应该做到本帧图像尚未传送完毕时，下帧图像的到来将被自动删除，不要打乱原图像的传送。直至本帧图像传送完毕再接收新的一帧。
在具有独立视频输出的图像卡中，为了视频输出的连续性，缓存的容量应至少与图像的大小相等，才能维持源源不断的视频输出。这时，就可以将缓存称作帧存了。帧存除了接收A/D送来的视频数据，并通过PCI总线送到内存外，还需连续不断地送到输出D/A，转换成模拟视频。所以帧存是一个输入两个独立输出的多I/O通道存储器。
7-4-3-4 采集和处理并行操作
我们可以看到当CCIR标准时，在采集一帧图像的周期内，传送图像的时间大约只占总时间的15MHB：90MHB=1/6，尚有5/6的总线时间是空闲的，完全可以被用来作图像处理之用，所以CPU发出采集指令后，图像卡应独立工作，不再去占用CPU，让CPU腾出时间全力处理图像；同时软件工具也应支持这种工作方式，使用户方便使用。
当然随着fb的提高，在采集周期内，CPU能使用的时间会逐步减少，直至fb等于总线有效传输速度而全部消失。
7-4-4 多路摄像头输入切换
机器视觉系统，特别是应用于生产流水线检测的系统，会要求多个摄像头在不同的位置获取图像。图像卡往往会有多个输入端口接收视频信号，并备有多路开关在不同输入端之间切换，这种多路切换也是视觉系统对图像卡的重要要求。
一般来说，图像卡对未同步的多个摄像头作切换时，切换后稳定地跟踪和锁相新视频的行场信号要花很长的时间，有的图像卡要历经几帧至十几帧时间才能稳定地锁定新视频。这是因为为了尽可能减少像元的抖动时间，锁相电路PLL具有很深的负反馈，深负反馈减少了抖动时间，但是，却大大增加了锁相系统的响应时间，从而大大地降低了失锁后，恢复锁相的反应速度。
解决这一矛盾的一种办法是将多个摄像头同步起来，它们可以按图7-6的方式连接起来，由摄像头1去同步其他三个摄像头，通过视频分配器来分别拷贝视频信号接到其他摄像头的外同步输入端，使视频分配器不会对摄像头1的视频输出带来阻抗不匹配的失真。
另一种解决办法是采用所谓的一槽四卡图像卡，见图7-7，这种卡可以同时接收四路独立的视频信号。CPU可分别或同时指令它们采集图像，不需要象图7-6那样将四个摄像头同步起来。
有的公司生产的采集卡可同时将几块图像卡插在一台主机插槽上，CPU可分别或同时指令它们采集图像，而互不干扰（在总线同时传送图像数据的速度许可的情况下），也可解决快速多路视频输入的切换问题。