图像采集卡不断发展和改进，为视觉系统提供更大的价值

图像采集卡最初是为了从模拟机器视觉相机中获取原始图像而开发的，人们曾一度预计该技术将被直接连接到电脑的技术所取代。然而，经验却并非如此。

图像采集卡不断发展和改进，为视觉系统提供更大的价值。 

图像采集卡是在机器视觉的早期开发的，用于将提供NTSC和PAL输出信号的模拟摄像机与需要将数字信号直接放置在数据总线上以进行数字内存存储的微型计算机连接起来。即使在切换到数字摄像机之后，数字视频输出和计算机输入总线要求之间仍然存在脱节。需要某种东西将来自摄像机的视频数据流输入到计算机的内存中。这种需求通过一种仍称为图像采集卡的硬件来满足，它直接插入计算机的主板并提供用于连接机器视觉摄像机的物理端口。

但一般来说，计算机通过各种端口接收各种数据，它们必须实时做出反应。从键盘、鼠标到高速互联网链路等各种设备发出的信号都从外部世界传到每台计算机的门口。来自机器视觉摄像机的视频数据流只是其中一个来源。它可能是一个需要极高带宽的来源，但它仍然只是众多来源中的一个。 

以太网、Firewire 和USB等高速通信链路的引入以及多核处理器的出现，促使许多相机和视觉系统设计人员利用这些技术来提供更具成本效益的解决方案，从而减少数据速率不高的应用对图像采集卡的需求。此类设计通过使用主机进行缓冲和图像处理来降低成本。与基于图像采集卡的解决方案（例如 CameraLink）相比，其中一些电脑接口还具有支持相机和视觉系统之间更长距离的优势。

例如，千兆以太网支持每根电缆高达 120 MBytes/秒的数据速率，传输距离可达 100 米，通过使用多根电缆并行传输数据，可以实现数据速率的可扩展性。GigE Vision 相机接口标准的出现，为通用以太网链路提供了视觉系统所需的各种相机控制功能，同时支持各种以太网速度等级。

随着 USB、Firewire 和以太网的速度和吞吐量稳步增长，专家们开始预测图像采集卡的消亡。既然智能数码摄像机能够完美地将信息打包成标准格式的数据包，并直接输入到计算机的数据密集型通信端口，那么为什么要在电脑中插入一个多余的硬件呢？

然而，图像采集卡并没有消失。虽然这些新的直接到电脑标准完全适用于某些应用，但用户发现当今的图像采集卡具有优势，这些优势使它们继续成为一系列机器视觉项目的必需品。本文将介绍使图像采集卡需求持续存在并可能使其在未来继续增长的发展。 

图像采集卡要求

或许最重要的是，图像传感器继续以更高的帧速率和线速率生成更高分辨率的图像，远远超过了120MB/s 串行接口的限制。能够以每秒60或120帧的速度运行的400万像素相机已广泛普及。

随着数据速率的提高，需要缓冲图像以供处理，并减少可用于处理图像的时间——这两项任务最适合图像采集卡。图像采集卡不仅可以缓冲图像，还可以从主机CPU卸载图像重建和图像增强任务。此外，图像采集卡可以预处理图像以减少数据量，或向图像数据添加更多细节以帮助缩短处理时间。 

当然，涉及图像数据速率超过120 MB的机器视觉应用仍然需要基于图像采集卡的解决方案。 

在制造过程中对平板显示器的检查要求相机的分辨率不断提高。智能手机等手持设备中高清质量显示器的出现要求检查小于 1 微米(µm) 的彩色子像素滤镜。同时，制造速度和效率的需求要求相机尽可能快速地对尽可能宽的视野进行成像。结果对数据速率的要求极高。目前运行的一个使用多台线扫描相机对平板显示器进行自动光学检查的系统必须处理近7 GB/秒的数据，甚至远远超过GigE的处理能力。

除了图像采集之外，图像采集卡在机器视觉系统中还执行三项主要任务。一项是图像重建，在最初的模拟视频技术中，这意味着将来自摄像机的模拟信号数字化，根据需要对其进行去隔行和重新格式化。现在，这意味着将信息分解为数据包，重新组合成一系列视频帧，以便通过串行接口电缆进行传输。图像采集卡的第二个任务是缓冲图像，直到主机CPU准备好接收它们。图像采集卡的第三个任务是为相机提供实时控制，以进行曝光调整和快门激活等活动，并对外部事件做出确定性反应。

电子电路板和连续卷筒纸检查等应用需要与平板检查类似的高速度和高精度。视觉系统的运行速度决定了工厂生产电路板的速度。然而，主机系统的处理速度通常是限制因素，因此视觉系统设计人员为尽量减少对主机处理器的需求所做的任何努力都会直接影响制造吞吐量。图像采集卡提供的卸载功能可以对吞吐量做出重大贡献。

例如，某些线扫描相机每秒可产生超过1 GByte的图像数据。如果没有专用的图像采集卡，捕获和重新格式化图像数据以及响应外部事件的任务肯定会给电脑带来相当大的负担。在没有专用硬件的情况下处理这些任务会使CPU几乎没有剩余容量用于图像处理和其他任务。但是，使用图像采集卡卸载相机接口和图像组装任务后，主机的更多容量将变得可用。

从历史上看，图像采集卡和相机设计一直协同发展，以增强它们之间的数字连接。视觉专用数字接口的发展受到视觉系统对更高持续吞吐量、更长电缆距离、更低发热量和更小物理占用空间的需求的极大影响，而这些需求都比标准计算机外围接口所能提供的要多。第一个成为行业标准的视觉专用数字接口是AIA的CameraLink，它为相机提供高速触发和控制信号，并为图像采集卡提供数据路径。CameraLink使用一组11条屏蔽双绞线来传输信号和数据，在10米的距离内提供高达850 MB/秒的图像数据传输速率。

CameraLink是相机和图像采集卡应用的主要接口。它继续提供优于所有其他接口的两大优势：其以硬件为中心的协议需要最少的软件，因此易于设计和集成。它还提供用于相机控制和外部事件同步的实时信号。 

新的机器视觉标准

为了满足对更高带宽和更长电缆长度日益增长的需求，并采用一致的接口设计，出现了几种新的相机接口标准：AIA 的CameraLink HS和JIIA的CoaxPress是其中最重要的两个。CameraLink HS接口可以同时支持多达20个电缆通道，每个通道在15米的距离内提供300 Mbytes/秒（3.125 Gbits/秒）的速率。这种可扩展性使系统开发人员能够将相同的接口用于需要300到6,000 Mbytes/秒相机数据的系统。CameraLink HS的其他功能包括低开销协议、对GeniCam软件标准和实时触发的支持，以及对光纤的支持，以延长相机距离。

CoaXpress是日本工业成像协会 (JIIA) 提出的又一项新机器视觉标准，该标准要求使用专用的图像采集器。CoaXpress规范允许通过单根同轴电缆在100米的距离内传输高达6.25 Gbits/秒的速率。系统可以并行使用多达四根电缆来实现更高的带宽。从主机到摄像头的20 Mbps“上行链路”允许将控制和配置数据传输回摄像头，并且可以通过24 伏的电缆提供电力，每根电缆最高可达13 瓦。

随着这些新接口增加了视觉系统必须处理的视频数据量，图像采集卡也将不断发展，以提供更多的图像存储和预处理功能。

因此，图像采集卡在机器视觉中的作用还远未结束。对更高性能图像传感器的需求不断增长，以及随之而来的数据带宽增加，确保了图像采集器在格式化和缓冲数据以减轻主机处理器负担方面发挥着重要作用。此外，图像采集器不断发展和适应，通过减轻基础图像处理任务的负担并准备图像以进行高效的视觉分析，为视觉系统提供更大的价值。即使相机可以直接插入电脑进行数据采集和分析，图像采集卡提供的额外处理能力也使其在高性能视觉系统设计中发挥着重要作用。