为什么使用图像缓冲技术？图像缓冲技术的工业应用

来源：樱田机器视觉检测

缓冲技术是为了协调吞吐速度相差很大的设备之间数据传送而采用的技术。

为了缓和CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性，在现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与处理机交换数据时都用了缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。总结来说，缓冲区技术用到了缓冲区，而缓冲区的引入是为了缓和CPU和I/O设备的不匹配，减少对CPU的中断频率，提高CPU和I/O设备的并行性。

在数据到达与离去速度不匹配的地方，就应该使用缓冲技术。缓冲技术好比是一个水库，如果上游来的水太多，下游来不及排走，水库就起到“缓冲”作用，先让水在水库中停一些时候，等下游能继续排水，再把水送往下游。

在工业上通常指工业相机进行数据传输时为了迅速采集图像而采用的技术，也叫图像缓冲技术。

01为什么使用图像缓冲技术？

工业相机采集光信号，由模拟信号转换为数字信号的速度往往是很快的，但是由于相机数据传输接口速度的限制，实际从相机处理器传输到PC的速度会大打折扣，所有图像都从一个通道进行传输，如图所示。

以Sony IMX287LLR/LQR芯片为例，其分辨率为728×544，在模数转换位数为10bit时，全分辨率下所能达到的最高帧率为436.9fps，每秒钟所产生的数据量约为165.1MB。

由于相机数据接口的不同，带宽不一样，就导致相机和PC的吞吐速度相差较大。

例如，千兆以太网传输速率为1Gbps，与相机的吞吐量相差较大，以千兆以太网作为传输接口，最高帧率只能达到338fps左右。

而选用USB3.0作为数据传输接口，其传输速率为5Gbps，比该相机的数据产生大小要大，所以以USB3.0作为传输接口，最高帧率可以到436.9fps左右。

那么千兆以太网传输就达不到芯片的理想帧率吗？显然不是的，使用带图像缓冲的千兆以太网相机，就可以达到理想帧率：

带有图像缓冲的工业相机，内部配置了一个缓存，用来快速装载大量的图片，这样就可以以最高帧率抓取多张图片，但是在这种模式下，并不意味着相机可以一直保持最高帧率进行连续拍摄，当图像缓冲区填满之后，相机将以较慢的速度运行，回到千兆以太网的传输速率进行图像传输，如图所示。

02图像缓冲技术的工业应用

对于较为常见的工业相机，运用图像缓冲技术，在配置缓存的情况下，可以瞬时记录高速过程，即使用价格较低的相机实现性能较高相机所拍摄的效果。

对于高速相机，在相机自带内存的情况下，记录图像的过程也可以称为图像缓冲的过程，由于不涉及通过接口进行实时传输，由RAM接收图像数据，即可将高速捕获的图片暂时放置在内存里，这也是图像缓冲技术的一个较为成功的表现。

此外，图像缓冲技术还具有广泛的用途，主要用于实时图像处理、传输优化、运动控制和机器视觉等领域，以下是一些具体的应用实例：

1.实时视频监控：在安防监控系统中，图像缓冲技术用于临时存储连续的视频流数据，确保在数据传输过程中的画面连贯性，同时也能为后续的视频分析（如行为识别、物体追踪等）提供稳定的输入源。

2.机器视觉：在工业自动化生产线中，例如半导体晶圆检测、电子元器件装配定位、产品包装质量检查等环节，图像缓冲技术可以实现在高速运动下的连续图像采集与处理。通过暂存并快速分析连续图像，系统能够精确地进行动态目标的位置、姿态估计以及缺陷检测。

3.数控机床与机器人：在精密数控加工或机器人操作过程中，图像缓冲技术结合高速摄像头获取工件或工具的位置信息，实时调整运动轨迹，实现精准控制。

4.远程操控与无人机：在远程操控设备如无人机、水下机器人等场景中，图像缓冲技术能够保证在无线通信可能出现延迟的情况下，依然能提供流畅、无间断的实时视频反馈，提高操控精准度和安全性。

5.大数据传输与云计算：在大规模的数据中心和云计算环境中，图像缓冲技术可用于预处理和暂存待传输的大规模图像数据，优化网络带宽使用，减少传输延迟，并支持灵活的数据分发与计算任务调度。

总之，图像缓冲技术为诸多工业应用提供了关键的支持，尤其是在需要实时处理和高效传输大量图像数据的场合。

审核编辑：汤梓红