圖像采集卡是将視頻(pín)信号經過AD轉換後，将視頻(pín)轉換成電腦可使用的數字格式，經過PCI總線實時傳到内存和顯存。在采集過程中(zhōng)，由于采集卡傳送數據采用PCI Master Burst方式，圖像傳送速度高達40MB/S，可實現攝像機圖像到計算機内存的可靠實時傳送，并且幾乎不占用CPU時間，留給CPU更多的時間去(qù)做圖像的運算與處理。

一(yī)、采集卡基本原理

采集卡有多種種類、規格。但盡管其設計和特性不同，大(dà)多數采集卡的基本原理相同。近年來，數字視頻(pín)産品取得了顯著發展。數字視頻(pín)産品通常需要對動态圖像進行實時采集和處理，因此産品性能受圖像采集卡的性能影響很大(dà)。由于早期圖像采集卡以幀存爲核心，處理圖像時需讀寫幀存，對于動态畫面還需“凍結”圖像，同時由于數據傳輸速率的限制，因此圖像處理速度緩慢(màn)。
90年代初，INTEL公司提出了PCI(Peripheral Component Interconnect)局部總線規範。PCI總線數據傳寬度爲32/64位，允許系統設備直接或間接連接其上，設備間可通過局部總線完成數據的快速傳送，從而較好地解決了數據傳輸的瓶頸問題。

由于PCI總線的高速度，使A/D轉換以後的數字視頻(pín)信号隻需經過一(yī)個簡單的緩存器即可直接存到計算機内存，供計算機進行圖像處理也可将采集到内存的圖像信号傳送到計算機顯示卡顯示；甚至可将A/D輸出的數字視頻(pín)信号經PCI總線直接送到顯示卡，在計算機終端上實時顯示活動圖像。數據鎖存器代替了幀存儲器，這個緩存是一(yī)片容量小(xiǎo)、控制簡單的先進先出(FIFO)存儲器，起到圖像卡向PCI總線傳送視頻(pín)數據時的速度匹配作用。将圖像卡插在計算機的PCI插槽中(zhōng)，與計算機内存、CPU、顯示卡等之間形成調整數據傳送。

由于PCI總線的上述優點，許多圖像闆卡公司陸續推出了基于PCI總線的圖像采集卡，另外(wài)還有PC104 plus、Compact PCI等總線形式。

二、與圖像采集卡相關技術名詞

1、DMA

DMA( Direct Memory Access)是一(yī)種總線控制方式，它可取代CPU對總線的控制，在數據傳輸時根據數據源和目的的邏輯地址和物(wù)理地址映射關系，完成對數據的存取，這樣可以大(dà)大(dà)減輕數據傳輸時CPU的負擔。

2、LUT(Look-Up Table)

對于圖像采集卡來說，LUT(Look-Up Table)實際上就是一(yī)張像素灰度值的映射表，它将實際采樣到的像素灰度值經過一(yī)定的變換如阈值、反轉、二值化、對比度調整、線性變換等，變成了另外(wài)一(yī)個與之對應的灰度值。這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強圖像的光對比度的作用。很多PC系列卡具有8/10/12/16甚到32位的LUT，具體(tǐ)在LUT裏進行什麽樣的變換是由軟件來定義的。

3、Planar Converter

Planar Converter能從以4位表示的彩色象素值中(zhōng)将R、G、B分(fēn)量提取出來，然後在PCI傳輸時分(fēn)别送到主機内存中(zhōng)三個獨立的Buffer中(zhōng)，這樣可以方便在後續的處理中(zhōng)對彩色信息的存取。在有些采集卡(如PC2Vision)中(zhōng)，它也可用于在三個黑白(bái)相機同步采集時将它們各自的象素值存于主機中(zhōng)三個獨立的Buffer中(zhōng)。

4、Decimation

Decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，如每隔2、4、8、16行(列)取一(yī)行(列)組成新的圖像。Decimation可以大(dà)大(dà)減小(xiǎo)原始圖像的數據量，同時也降低了分(fēn)辨率，有點類似于相機的Binning。

5、PWG

PWG (Programmable Window Generator)指在獲取的相機原始圖像上開(kāi)一(yī)個感興趣的窗口，每次隻存儲和顯示該窗口的内容，這樣也可以在一(yī)定程度上減少數據量，但不會降低分(fēn)辨率。一(yī)般采集卡都有專門的寄存器存放(fàng)有關窗口大(dà)小(xiǎo)、起始點和終了點坐标的有關數據，這些數據都可通過軟件設置。

6、Resequencing

Resequencing可以認爲是一(yī)種對多通道或不同數據掃描方式的相機所輸出數據的重組能力，即将來自CCD靶面不同區域或象素點的數據重新組合成一(yī)幅完整的圖像。

7、Non-destructive overlay

overlay是指在視頻(pín)數據顯示窗口上覆蓋的圖形(如彈出式菜單，對話(huà)框等)或字符等非視頻(pín)數據。Non-destructive overlay，即“非破壞性覆蓋”是相對于“破壞性覆蓋”來說的，“破壞性覆蓋”指顯示窗口中(zhōng)的視頻(pín)信息和覆蓋信息被存放(fàng)于顯存中(zhōng)的同一(yī)段存儲空間内，而“非破壞性覆蓋”指視頻(pín)信息與覆蓋信息分(fēn)别存放(fàng)于顯存中(zhōng)兩段不同的存儲空間中(zhōng)，顯示窗口中(zhōng)所顯示的信息是這兩段地址空間中(zhōng)所存數據的叠加。如果采用“破壞性覆蓋”，顯存中(zhōng)的覆蓋信息是靠CPU來刷新的，這樣既占CPU時間，又(yòu)會在實時顯示時由于不同步而帶來閃爍，如果采用“非破壞性覆蓋”則可消除這些不利因素。

8、PLL、XTAL和VScan此爲模拟采集卡的三種不同工(gōng)作模式

(1)PLL(Phase Lock Loop)模式：相機向采集卡提供A/D轉換的時鍾信号，此時鍾信号來自相機輸出的Video信号，HS和VS同步信号可以有三種來源：composite video，composite sync，separate sync；

(2)XTAL模式：圖像采集卡給相機提供時鍾信号以及HD/VD信号，并用提供的時鍾信号作爲A/D轉換的時鍾，但同步信号仍可用相機輸出的HS/VS；

(3)VScan模式：由相機向分(fēn)别卡提供Pixel Clock信号、HS和VS信号。

三、選擇采集卡要考慮的主要參數

1、接口制式，數據格式

接口制式包括數字(Camera Link、LVDS/RS422、1394、USB)、模拟(PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非标準模拟制式)一(yī)定與所選用相機一(yī)緻。如選用數字制式還必須考慮相機的數字位數。

當然，如果選用的是USB相機就不必選擇采集卡了，但對于1394相機來說，也可以選擇相應的采集卡或者轉接卡

2、模拟采集卡要考慮數字化精度

模拟采集卡的數字化精度主要包括兩個方面即：

(1)像素抖動Pixel Jitter

像素抖動是由圖像采集卡的A/D轉換器的采樣時鍾的誤差産生(shēng)的像元位置上的微小(xiǎo)的錯誤從而導緻對距離(lí)測量的錯誤。

(2)灰度噪音Grey-Scale Noise

圖像采集卡的數字化轉換的過程包括對模拟視頻(pín)信号的放(fàng)大(dà)和對其亮度(灰度值)進行測量。在此過程中(zhōng)會有一(yī)定的噪聲和動态波動由圖像采集卡的電路産生(shēng)。如像素抖動一(yī)樣，灰度噪聲将導緻對距離(lí)測量的錯誤。典型的灰度噪聲爲0.7個灰度單元，表示爲0.7LSB。

3、采集卡的數據率（又(yòu)稱爲“點頻(pín)”）

計算數字采集卡的數據率必須滿足的要求可按下(xià)列公式計算：

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

Data Rate(Camera)＝R×f×d/8

式中(zhōng)

Data Rate(Grabber)爲采集卡的數據率，通常被稱爲“點頻(pín)”；

Data Rate(Camera)爲相機的數據率，也稱爲“像素時鍾”；

R爲相機的分(fēn)辨率；

f爲相機的幀頻(pín)；

d爲相機的數字深度(或稱灰度級)。

4、Memory大(dà)小(xiǎo)，PCI總線的傳輸速率

PCI總線可支持BUS Master設備以132Mbps突發速率傳輸數據。而其平均持續數據傳輸率一(yī)般在50～90Mbps。

來自相機的數據總是以一(yī)個固定的速率傳輸的。如果PCI總線可以維持大(dà)于視頻(pín)數據率的平均持續數據傳輸率，就沒有問題。而實際上PCI總線設備隻能以突發的方式向總線傳輸數據。圖像采集卡必須将每一(yī)突發之間的連續的圖像數據保存起來。解決的方法就是采用On-board Memory。
有些廠家出于經濟方面的考慮去(qù)除了Memory而采用數據緩存隊列(FIFO)，FIFO的大(dà)小(xiǎo)一(yī)般以足以保存一(yī)行圖像數據爲限。然而，當圖像數據的速率大(dà)于PCI的持續數據傳輸率時FIFO就不起作用了。

5、相機控制信号及外(wài)觸發信号
(1)外(wài)觸發：由外(wài)部事件啓動采集的過程。

(2)同步觸發：不改變相機與闆卡之間的同步關系，采集從下(xià)一(yī)個場有效信号開(kāi)始。

(3)異步觸發：改變相機與闆卡的同步關系，采集從相機複位後的第一(yī)個場有效信号開(kāi)始。相機必須要具備異步觸發的功能。

6、硬件系統的可靠性

硬件的可靠性在生(shēng)産系統中(zhōng)是十分(fēn)重要的，由設備故障而停産造成的損失遠遠大(dà)于設備本身。很多闆卡廠家并沒有标明如平均無故障時間等可靠性指标。這裏有兩個經驗性的技巧用以評估不同闆卡的可靠性，闆上的器件的數量和功耗。

(1)試着去(qù)選擇具有更低功耗的采集卡。在其它條件都同等的情況下(xià)一(yī)塊複雜(zá)具有更多器件的卡會比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設計會采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可編程器件以減少電子器件的數量，而達到更高的功能。

(2)選擇具有更少的無用功能的卡以減少不必要的麻煩。

過壓保護是可靠性的一(yī)個重要指标。接近高壓會在視頻(pín)電纜産生(shēng)很強的電湧，在視頻(pín)輸入端和I/O口加過壓保護電路可保護采集卡不會被工(gōng)業環境電磁幹擾會産生(shēng)的高壓擊穿。

7、支持軟件的功能

大(dà)多采集卡的廠商(shāng)多是把其采集卡和其專用圖像處理軟件捆綁銷售的，因此在選擇采集卡的同時還必須考慮此視覺系統要選用的軟件與采集卡是否兼容。如Matrox 公司的圖像處理軟件Mil、Inspector等隻能在Matrox采集卡上使用，Forsight Imaging公司的圖像處理軟件Idea隻能在其I系統、I-RGB系列、Accustream系列等采集卡上使用。

總之，采集卡的選擇必須以視頻(pín)源的特點爲依據，視頻(pín)源決定了采集卡。