机器视觉基本概念学习笔记7

模拟采集卡采样精度与速度

模拟采集卡的数字化精度主要包括两个方面即像素抖动（在相机一节已详细介绍）是由图像采集卡的A/D转换器的采样时钟的误差产生的像元位置上的微小的错误从而导致对距离测量的错误。 (2) 灰度噪音Grey-Scale Noise灰度单元，图像采集卡的数字化转换的过程包括对模拟视频信号的放大和对其亮度(灰度值)进行测量。在此过程中会有一定的噪声和动态波动由图像采集卡的电路产生。如像素抖动一样，灰度噪声将导致对距离测量的错误。典型的灰度噪声为0.7个，表示为0.7LSB。

数字采集卡要考虑数据率大小，计算数字采集卡的数据率是否满足系统的要求可按下列公式计算:

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

Data Rate(Camera)＝R×f×d/8

式中Data Rate(Grabber)为采集卡的数据率，Data Rate(Camera)为相机的数据率，R为相机的分辨率，f为相机的帧频，d为相机的数字深度(或称灰度级)。

非标准视频获取

很多机器视觉应用相机输出并非标准的视频信号，相应的图像采集卡就也必须提供一些视频标准以外的特性。下面就描述了三种典型的非标准采集卡：

①由视频标准定义的最大图像分辨率对于大多数应用是足够的，因此一种非标准采集卡就是将视频标准，比如说像素时钟、触发机制、逐行扫描更加细化。与RGB相机共同使用的采集卡通常用于同时获取高达三种颜色的视频信号（这三个通道可以不必代表通常的红、绿、蓝信号）。用这种方法，就可以实现立体的视觉系统。而且，一些特殊的相机提供两路视频输出来加倍扫描速率并且能够与RGB采集卡相连。

②第二种非标准采集卡并不像第一种那样遵循视频标准。他们自适应几乎所有的非标准相机，比如说线扫描相机、数字相机、以及提供超出视频标准分辨率的相机。非标准视频可以是以下特性的组合：

• 非标准时钟

  不遵循标准视频时钟的视频信号不能用传统的图像采集卡和标准译码电路来处理。输出比帧速率比标准个数多或少的相机（双倍速度相机和百万像素相机）或者当要处理触发、变化扫描设置，将会在以后讨论。

• 非标准或百万像素分辨率

  先进的相机开始在传感器上有越来越多的像素从而图像的分辨率会变大。CCIR标准指出，具有百万像素的相机其1024768、13001030或更高的分辨率已经超过了传统的768*576的分辨率，它能够提供给定分辨率下更大的视野范围。

• 逐行扫描输出

  逐行扫描在相机一节曾有介绍，它是指整个图像而不是一半的图像在一个事件当中同时计算。结果就是完全的处置分辨率非隔行视频，对捕获具有最大分辨率的高速运动物体的图像很适用。大多数制造的CCD传感器是隔行扫描类型的，以适应于监视和电视型的应用。
  因此，逐行扫描相机比隔行扫描相机价格要贵，并且更适用于机器视觉。使用逐行扫描相机时，快速运动物体的图像也可能是模糊的。这是因为视频中的图像是在一个时间段(曝光时间)内积累的结果，在这过程中物体可能已经移动。为降低模糊，可以用一个电子快门来缩短曝光时间。
  这在35mm摄影相机中机械的完成，在CCD相机中电子的完成。当电子快门速度提高时，曝光时间就缩短，物体在很短的时间中被拍摄，因而能减少模糊。大多数机器视觉应用都时利用这种技术，尽管少的曝光时间意味着由于少的光照到传感器上，相机变得不敏感。
  当电子快门达到一个较高的速度，就需要更高的光密度，这也能够有快的，低的F数镜头来辅助完成。只有在采集卡本身能够被用户配置的情况下，才有可能实现这么高的灵活性。因此，这种采集卡通常配有特殊的能够产生相机描述文件的配置程序，描述文件被采集卡驱动程序用来配置采集卡。

③尽管如今的PC机性能已经很高，对于一些图像序列的处理，它还是不够的。因此，就需要额外的计算能力。为了达到这个目的，高终端的图像采集卡就配有一个或多个信号处理器，能够做CPU的图像预处理。显然，这种采集卡成功的应用是需要很多经验的，另外，实际采集卡的复杂度以及信号处理器的开发环境就产生很高的需求。

接口制式，数据格式

目前相机的接口形式包括模拟接口(PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非标准模拟制式)，数字接口(Camera Link、Channel Link、LVDS/RS422)和议一些直联式数字接口（IEEE 1394、USB、以太网Ethernet）定与视觉系统所选用相机一致，如选用数字制式还必须考虑相机的数字位数。（模拟信号及接口前面已经介绍）

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, 但各相机厂家的引脚定义不尽相同而且采集卡引脚定义也不太一样, 因此在选定相机及采集卡后，需要更换其中的一者都必须先看看引脚的信号的定义，也许需要重做信号线或做一个信号转换板。

Channel Link 接口

Channel Link是Camera Link的前身，能够与其兼容，接口的引脚较LVDS少了很多却仍然可以传输大量的数据,它也没有统一的标准接头形式, 因此各厂家的产品之间依然有差异。

Camera Link接口

Camera Link标准则是由多家工业相机和采集卡大厂共同制定出來的, 标准本身是基于Channel Link 的特性, 并定义了标准的接口, 让相机与采集卡之间的信号传输更加简单化了,同時定义了基本架构(Base Configuration), 中级架构(Medium Configuration), 及完整架构(Full Configuration) 的信号引脚规范和传输资料量。

IEEE 1394

IEEE 1394接口，（通常也被称为FireWire或者iLink）。因为可得到的带宽被分配到需要它的全部设备，在节点上的最慢的设备将决定整个传输网络的带宽。 IEEE1394a是目前实现的版本。它支持100，200，和400 Mbit/s的带宽。

而IEEE 1394b是一个新兴的标准但还没被广泛地支持，它提供一个800 Mbit/s的带宽，最多可达3.2 Gbit / s。 1394有两种工作方式：异步（asynchronous）方式和同步（isochronous），异步方式的设计主要是保证信息传递的可靠性，并非保证高的传输速度，它在数据的发送和接收之间通过“握手”以保证被传送的数据被收到；

而同步方式则会保证带宽，它必须牺牲握手个过程而没有保障数据被收到。如果可提供的带宽被给予一个同步的设备，然后设备可以每125us发送一包数据。数据包的长度由指定设备的保留的带宽确定。

同步设备把数据送到一个通道，其它设备都可以通过该通道同步接受数据包。如果数据包损坏或丢失，也不能重新传送。大多数1394接口的工业相机采用同步方式并且遵循DCam协议(或称IIDC协议)。

USB

普通串口总线(USB)是一个主从系统用于点对点通讯，目的是作为一种通用标准来取代现有的各种串行或并行的计算机I/O 协议。主控制器担任主机，端点的其它外部设备隶属于它， 下位USB设备只能与主机(通常一台计算机)联系，但其它设备相互间不能通信。

USB 1.1提供一个只12 Mbit/s的带宽，因此，不太适合工业相机的图像传输。有480 Mbit/s的可提供的带宽的USB 2.0则完全能达到工业相机的数据传输速度需求。 USB也采用与1394同步方式类似的数据传输方式。

USB的同步方式每125us发送一包数据。数据包长度确定设备分配到的带宽。与1394一样，不可能实现握手，因此也只是保证带宽而没有保证信息传输的完整。

同步方式数据传输可以达到90%可得到的带宽。即一部相机能请求并且被准许480 Mbit/s中的90%（理论上，8 位像素图像传输率为54 Mpixel/s）。但一些其它的总线开支通常降低可提供的带宽到实际40 Mpixel / s左右。

以太网Ethernet

作为一个局域网络协议，它起先被美国施乐公司开发，后来在与DEC和Intel合作中获得来巨大改进，Ethernet接口使用总线形或者星形结构学并且支持数据传送率达到 1 Gbit/s，但是，最通常使用的100baseT版本只能提供100Mbit/s的总线带宽。

Ethernet使用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)存取方式。因为Ethernet允许任何设备给任何其它或全部设备随时发送数据且无需协调，数据冲突的潜在可能就会随着网络使用设备和被传送数据的数量增大。

CSMA/CD每当数据传输冲突时指定再试，直到数据到达最后的目的地。即使有其它网络设备，例如开关和路由器，当在一个网络上有超过两个设备时，冲突的潜在可能被大大降低，但也不能达到理论的带宽(100Mbit/s)。

100Mbits/s的理论带宽的100baseT 通常有效的数据传输速度为50Mbit/s，在考虑节点开销和冲突之后，对8位的图像数据只能达到6.25Mpixel/s，不适应多数机器视觉的应用。 由于千兆位Ethernet（1000baseT）的来临，带宽可增加到1，000Mbit/s（1Gbit/s）但其工业目的的未压缩图像数据传输协议标准目的没被完全确定。

因此，视频制式与接口的选择需要与相机一起进行综合考虑，此外，虽然目前一起直连相机（比如USB和IEEE1394）存在着价格较低，但考虑到复杂视觉系统对一些控制功能的需求和图像传输可靠性，因而直连相机并不是大多数工业应用的最佳选择。

附加功能

图像采集卡为了方便视觉系统的应用，通常会增加一些有别于单纯图像采集的附加功能，在机器视觉系统中，输入/输出的控制很重要，系统中常要根据处理过程的需要来决定相机的拍照时间，采用了可异步重置的相机，则需要输出触发相机的信号。

此外，在一些系统中，由于需要设定拍摄的帧率，应该有像素时钟发生器。外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可以保证不同设备输出的视频信号具有相同的帧行起止时间。

为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号或复合视频信号。如果图像采集卡已经具有数字 I/ O功能，能够产生摄像机和其他电子设备所需的选通、触发及其他电子信号，对系统是很有用的，否则将需要独立的数字 I/ O卡。

比如图中所示的同步输出、像素时钟输出、外部触发输入和用户自定义的数字 I/ O，此外还有的采集卡会提供RS232串口控制和相机电源输出等。

硬件可靠性以及软件支持

硬件的可靠性在生产系统中是十分重要的，由设备故障而停产造成的损失远远大于设备本身。很多板卡厂家并没有标明如平均无故障时间等可靠性指标。这里有两个经验性的技巧用以评估不同板卡的可靠性，板上的器件的数量和功耗。

试着去选择具有更低功耗的采集卡。在其它条件都同等的情况下一块复杂具有更多器件的卡会比器件较少的卡耗散更多的热量。好的设计会采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可编程器件以减少电子器件的数量，而达到更高的功能。

您还可以选择具有更少的无用功能的卡以减少不必要的麻烦。过压保护是可靠性的一个重要指标。接近高压会在视频电缆产生很强的电涌，在视频输入端和I/O口加过压保护电路可保护采集卡不会被工业环境电磁干扰会产生的高压击穿。

基本上所有的图像采集卡都支持二次开发，通常随图像采集卡都附送一些采集、存储、显示相关的函数库，而图像处理相关的函数库虽然需要得到响应的硬件支持但往往都是另外销售的，因此在选择采集卡的同时还必须考虑此视觉系统要选用的软件与采集卡是否兼容，是否使用方便，其软件是否要求付费等。

比如Matrox公司的Mil和MilLite可以在它们的大多数卡上使用， Dalsa Coreco公司的图像处理软件WIT、Sapera、MVTools等只能在其Bandit系统、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系列采集卡上运行。此外，像HexSight这类通用视觉开发软件，则可以支持市面上的大多数采集卡。