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      圖像采集卡的概念及作用原理

      發布時間:2022-05-05 14:43   類型:應用案例   人瀏覽

      圖像采集卡(Image Grabber)又稱為圖像卡,它將攝像機的圖像視頻信號,以幀為單位,送到計算機的內存和VGA幀存,供計算機處理、存儲、顯示和傳輸等使用;在機器視覺系統中,圖像卡采集到的圖像,供處理器作出工件是否合格、運動物體的運動偏差量、缺陷所在的位置等等處理。

       

       

      一、基本概念

      1、圖像采集卡(Frame Graber

       

            圖像采集卡是圖像采集部分和處理部分的接口。圖像經過采樣、量化以后轉換為數字圖像并輸入、存儲到幀存儲器的過程,叫做采集、數字化。

       

      2、A/D轉換

       

            視頻量化處理是指將相機所輸出的模擬視頻信號轉換為PC所能識別的數字信號的過程,即A/D轉換。視頻信號的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。

       

      3、傳輸通道數(Channel

       

            采集卡同時對多個相機進行A/D轉換的能力。如:2通道、4通道。

       

      4、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,其所能支持的相機最大分辨率。

       

      5、采樣頻率

       

            采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高速圖像采集時,需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。

       

      6、傳輸速率

       

            指圖像由采集卡到達內存的速度。普通PCI接口理論傳輸速度為132MB/S,PCI-E,PCI-X是更高速的總線接口。

       

      7、圖像格式(像素格式)

       

            (1) 黑白圖像:通常情況下,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。

       

            (2) 彩色圖像:彩色圖像可由RGBYUV3種色彩組合而成,根據其亮度級別的不同有888,101010等格式。

       

      8、顏色空間

       

            對一種顏色進行編碼的方法統稱為“顏色空間”或“色域”(Color Space)。

       

            ——RGB(16/24/32)

       

           ——YUV(YCbCr)

       

           ——其他(HSV、CMYK、數碼相機自定義格式等)

       

           ——Alpha通道

       

      9、幀和場

       

           ——標準的模擬視頻信號是隔行信號,一幀分成兩場

       

           ——偶數場包含所有的偶數行(0, 2, . . . )

       

           ——奇數場包含所有的奇數行(1, 3, . . . )

       

           ——采集和傳輸的過程中使用的是場,而不是幀

       

           ——一幀圖像的兩場之間有時間差

       

      二、原理

      采集,視頻/圖象經過采樣、量化以后轉換為數字圖象并輸入、存儲到幀存儲器的過程。由于圖像信號的傳輸需要很高的傳輸速度,通用的傳輸接口不能滿足要求,因此需要圖像采集卡。


       

      圖像采集卡信號采集流程

       

       

      從視頻源得到的信號,經過視頻接口送到視頻采集卡,信號首先進過模數轉換,然后送到數字解碼器解碼。模數轉換器ADC實際上也是一個視頻解碼器,可以看出它對來自視頻源的視頻信號解碼和數字化,另外,采用不同的顏色空間可選擇不同的視頻輸入解碼器芯片。

       

      視頻采集就是將視頻源的模擬信號通過處理轉變成數碼信息,并將這些數碼信息存儲在電腦硬盤上的過程。這種模擬數碼轉變是通過視頻采集卡上的采集芯片進行的。通常在采集過程,對數碼信息還進行一定形式的實時壓縮處理。

       

      當圖像采集卡的信號輸入速率較高時,需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統之間的帶寬問題。在使用PC時,圖像采集卡采用PCI接口的理論帶寬峰值為132MB/S。

       

      1、視野(FOV)或現場是相機及光學系統“看”到的真實世界的具體部分。

       

      2、CCD芯片將光能轉化為電能。

       

      3、相機將此信息以模擬信號的格式輸出至圖像采集卡。

       

      4、AD –轉換器將模擬信號轉換成 8 位(或多位)的數字信號。每個象素獨立地把光強以灰度值(Gray level)的形式表達。

       

      5、這些光強值從CCD芯片的矩陣中被存儲在內存的矩陣數據結構中。

       

      灰度值(Gray Level)—— 象素光強弱信息的表示灰度值為真實世界圖像量化的表現方法。通?;叶戎祻淖詈诘阶畎诪?/span>0 255。光線進入CCD象素,如果光強達到CCD感應的極限,此象素為純白色。對應于內存中該象素灰度值為255。如果完全沒有光線進入CCD象素,此象素為純黑色。對應于內存中該象素灰度值為0。

       

      三、可采集視頻信號

      ·  模擬視頻和數字視頻;

       

      ·  標準視頻和非標準視頻信號;

       

      ·  隔行和逐行掃描方式;

       

      ·  黑白和彩色攝像機輸出;

       

      ·  復合和各種分量式彩色視頻信號

       

      四、圖像采集卡分類

       

      圖像采集卡按照視頻信號源,可以分為數字采集卡(使用數字接口)和模擬采集卡。

       

      圖像采集卡按照安裝鏈接方式,可以分為外置采集卡(盒)和內置式板卡。

       

      圖像采集卡按照視頻壓縮方式,可以分為軟壓卡(消耗CPU資源)和硬壓卡。

       

      圖像采集卡按照視頻信號輸入輸出接口,可以分為1394采集卡、USB采集卡、HDMI采集卡、DVI/VGA視頻采集卡、PCI視頻卡。

       

      圖像采集卡按照其性能作用,可以分為電視卡、圖像采集卡、DV采集卡、電腦視頻卡、監控采集卡、多屏卡、流媒體采集卡、分量采集卡、高清采集卡、筆記本采集卡、DVR卡、VCD卡、非線性編輯卡(簡稱非編卡)。

       

      圖像采集卡按照其用途可分為廣播級圖像采集卡,專業級圖像采集卡,民用級圖像采集卡,它們檔次的高低主要是采集圖像的質量不同。他們的區別主要是采集的圖像指標不同。由于VGA圖像采集卡一般都是內置式板卡,也就是在安裝使用時,需要插在PCI擴展槽中。

       

      配置的臺式計算機主板中都帶有固定的擴展插槽,其直接與計算機的系統總線連接。用戶可以根據自身使用情況增加聲卡、顯卡、視頻采集卡等設備。視頻采集卡是連接視頻源和計算機的橋梁,所以在采集卡的板卡中都有兩個連接設備,一個是連接視頻源的視頻接口,比如VGA接口、DVI接口、USB接口、1394接口等。連接計算機采用與主板相連,一般采用插槽系列或USB接口,而板卡擴展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽 、AGP插槽等。

       

      五、輸出接口類型

         根據不同的應用方向,為配合所接攝像頭,圖像采集卡有多種輸出接口,其主要接口有BNC、VGA、Cameralink、LVDS、DVI、USB、FireWire等。

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