图像采集卡的基础知识介绍
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图像采集卡的基础知识介绍
工程部
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像采集卡（FrameGraber）
图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。硬件上可 理解为相机与计算机之间的接口，图像经过采样量化以后 转换为数字图像并输入、储存到帧存储器的过程，叫做采 集、数字化。
一、图像采集卡基本概念
➢ A/D转换
视频信号量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换 为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号 的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。
A/D转换过程 模拟信号 低通滤波 采样/保持 A/D转换 数字信
号
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA：10-bit A/D
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 像素抖动 像素抖动是由图像采集卡的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。
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 像素抖动
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 灰度噪音 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个灰度单元，表示为0.7LSB。
一、图像采集卡基本概念
➢ 采样频率(时钟、点频)MHz
采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行图 像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。 Pixels Clock = Htotal * Vtotal * 帧(场)频
➢ 行频(KHz)：每秒钟扫描多少行； ➢ 场(帧)频(Hz，fps)：每秒钟扫描多少行场(帧)。
一、图像采集卡基本概念
➢ 分辨率
采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能，即所能 支持的相机最大分辨率。
➢ 传输通道数(Channel)
采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如：2通道、 4通道。
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA：独立四通道
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 MeteorII/Multi-Channel：三通道
一、图像采集卡基本概念
➢ 传输速率：指图像由采集卡到达内存的速度。
总线类型 PCI
PCI-X
PCI-E
传输速度 132MB/S 512MB/S，1GB/S 2.1GB/S
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像格式（像素格式）
黑白图像：通常，图像灰度等级可分为256级，即以8位表 示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表 示。
彩色图像：彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成。
一、图像采集卡基本概念
➢
MUX：通道选择
Decoder：视频解码器
•A/D
图
•VRGB,YUV
像
VIA：视频接口芯片
采
• Bridge
集
•Controls
卡
基
本
结
构
硬
件
图
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像采集卡附加功能
❖ 触发功能 (Trigger) ❖ 灯源控制功能 (Strobe) ❖ 基本I/O功能 (I/O) ❖ 相机复位功能 (Asynchronous Reset) ❖ 时序输出功能 (Timing Out) ❖ 串口通讯功能 (RS232) ❖ 电源输出功能 (Power out)
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XCL
二、图像采集卡原理及过程
➢ 视野（FOV）或视场是相机及光学系统“看”到的真实 世界的具体部分。
➢ CCD芯片将光能转化为电能。 ➢ 相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。 ➢ A/D—转换器将模拟信号转换成8位（或多位）的数字信
号。每个像素独立地把光强以灰度值（Gray Level）的形 式表达。这些光强值从CCD芯片的矩阵中被转移存储在 内存的矩阵数据结构中。
二、图像采集卡原理及过程
模拟信号经A/D转换，传输至内存的图像
相机“看”到的 图像
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰度值（Gray Level）
某一点的灰度值，也是物理世界上这一点的光强弱信息 的表示。
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰度值（Gray Level）
灰度值为真实世界图像量化的表现方法。通常灰度值从 最黑到最白为0—255。光线进入CCD后，如果光强达到CCD 感应的极限，此像素为纯白色。对应于内存中该像素灰度值 为255。如果完全没有光线进入CCD像素，此像素为纯黑色。 对应于内存中该像素灰度值为0。
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像
8bit
灰度值（Gray Level）
10bit~16bit
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰阶
8bit：灰阶范围256 10bit：灰阶范围1024 灰阶越高图像的细节更多，层次更分明。
三、视觉系统图像表达
由于windows目前的限制，能够显示的灰度最多为256个， 显示10bit或更高的灰度图像可以通过： ❖ 软件LUT的方式，和医疗影像中的窗宽窗位的概念类似 ❖ 显示高8位的方式
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 彩色图像
RGB值
四、板卡分类
➢ 依据输入信号类型可以分为:
❖ 模拟图像采集卡 ❖ 数字图像采集卡
模拟图像采集卡 Morphis
数字图像采集卡 Solios-XCL
四、板卡分类
➢ 依据功能可以区分为:
❖ 单纯功能的图像采集卡 ❖ 集成图像处理功能的采集卡
图像采集处理卡 Matrox的 Odyssey XCL
五、板卡硬件发展趋势
➢ 传统图像采集卡(A/D转换)最终将被淘汰； ➢ CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已
被广泛使用； ➢ 智能相机(Smart Camera)会应用于工业现场控制与嵌入式
系统； ➢ 带网络接口(Gigabit Ethernet)的图像设备将成为主流；
如：Pleora 公司数据采集盒 Basler 公司的 Scout-g 相机
六、如何选用图像采集卡
➢
❖ 依据信号标准可以分为:
视
频
信
标准信号
彩色：NTSC/PAL
号 分
(标准模拟信号) 黑白：RS170/CCIR
类
非标准
非标准模拟信号 数字：LVDS/1394/RS422/Camera Link/USB/GigaBit
模拟信号——接口
模拟信号——信号特征
标准制式 分辨率 色制 帧频(Hz) 点频(MHz) 行频(KHz) 场频(Hz)
PAL CCIR 768*576
彩色 黑白 25
14.75 15.625
50
NTSC RS170 640*480
彩色 黑白 30
12.27 15.74
60
模拟信号——同步信号的三种形式
❖ composite video ❖ composite sync ( CS 或者 SYNC ) ❖ separate sync ( HS/VS 或者 HD/VD )
模拟信号——信号描述
Volt HaDge
Vid eo
Tim
HS/HD(Horizontal synchronisateion)
Volt VagDe Vide o
Tim e
VS/VD (Vertical synchronisation)
模拟信号——信号描述
帧(场)特性： ❖ 帧(场)同步(B) ❖ 帧(场)后肩(C) ❖ 帧(场)有效信号(D) ❖ 帧(场)前肩(E)
模拟信号——信号描述
行特性： ❖ 行同步(B) ❖ 行后肩(C) ❖ 行有效信号(D) ❖ 行前肩(E)
模拟信号——三种模式
❖ PLL（Phase Lock Loop )锁相环模式 相机向采集卡提供A/D转换的时钟信号，此时钟信号来 自于相机输出的 Video 信号。
❖ XTAL模式 图像采集卡给相机提供 Pixel Clock 信号以及 HS/VS 信 号， 并用提供的时钟信号作为A/D转换的时钟，但同 步信号仍可用相机输出的 HS/VS。
❖ VScan模式 由相机向图像采集卡提供 Pixel Clock 信号，HS 和 VS 信号。
数字信号——接口
❖ 传统数字信号（RS-422, LVDS) ❖ CameraLink ❖ IEEE1394(Firewire) ❖ USB ❖ Gigabit Ethernet
数字信号——接口
适应性
GigE USB
速度
IEEE1394 RS-422
LVDS
Camera Link Channel Link
规范化
数字信号——LVDS
❖ LVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。 ❖ LVDS采用很低的电压350mV降低了噪声，提高了速率，低
辐射，低功耗0.93W，最重要的是差分信号可以使接收机滤 除噪声。这是因为依靠同时用两根线来传信号，两条线的电 压相反。通过两根线上的强度差来得到最终的数据。如果出 现噪声，那么噪声会同时出现在这两根线上，而信号信息并 不受其影响。因为信号的抗噪声能力的提高，电压随之降低 而速度得到提高。 ❖ 每线对最大传输率为655Mb/s。
数字信号——LVDS
优点：高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。 缺点：管脚定义不统一，兼容性差，电缆成本高。
数字信号——LVDS
❖ DATA(8，10，12，14)：多通道数据输出 例：12位数据总线。 DATA 0～11是相机输出的、分别对
应目标某个像元灰度的12位图像数据。 ❖ STROBE/PLCK
像元时钟信号。 STROBE是图像数据的像元时钟。它的 频率与数据速率相同，即使数据无效， STROBE仍然连续 交变。为了获得有效的图像数据，采集卡一般在FVAL和 LVAL为高电平时，在STROBE的下降沿进行数据锁存。 ❖ FVAL
帧同步信号。一般FVAL高电平表明相机正输出一帧有效 数据。
❖ LVAL 行同步信号。当FVAL为高电平时， LVAL高电平表明相
机正输出一个有效的像元行。
数字信号——CameraLink
❖ 13对线（其中有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更 加的小巧。允许相机设计的体积更小。
❖ 更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达 2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。
❖ 集成有串口通讯协议。
数字信号——CameraLink
Base Medium Full
8-bit x 1-3
–
–
10-bit x 1-2
–
–
12-bit x 1-2
–
–
14-bit x 1
–
–
16-bit x 1
–
–
24-bit RGB
–
–
8-bit x 4
–
10-bit x 3-4
–
12-bit x 3-4
–
30-bit RGB
–
36-bit RGB
–
8-bit x 8
数字信号——USB
❖ 接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体 积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多 媒体数据的传送模式，连接方便。
❖ USB 2.0向下兼容USB 1.1、USB 1.0，数据的传 输率可 以达到120Mbps～480Mbps。
❖ 传输距离短，0.6米。
数字信号——IEEE1394
❖ 两种接口标准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6 针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的 产品提供电源。
❖ 1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。 ❖ 不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大
于4.5米可采用中继设备。 ❖ 支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。
数字信号——Gigabit Ethernet
❖ 带宽可达到1000 Mbps，图像可以无损失实时传输。 ❖ 最远可传输100米。 ❖ 标准的网络连接器，电缆线成本低。 ❖ 带宽易于升级，包括10M,100M,1000M 等，在工业
机器视觉中将被广泛应用。
数字信号——Gigabit Ethernet
工程部
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像采集卡（FrameGraber）
图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。硬件上可 理解为相机与计算机之间的接口，图像经过采样量化以后 转换为数字图像并输入、储存到帧存储器的过程，叫做采 集、数字化。
一、图像采集卡基本概念
➢ A/D转换
视频信号量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换 为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号 的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。
A/D转换过程 模拟信号 低通滤波 采样/保持 A/D转换 数字信
号
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA：10-bit A/D
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 像素抖动 像素抖动是由图像采集卡的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。
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 像素抖动
一、图像采集卡基本概念
➢ 模拟采集卡的数字化精度
❖ 灰度噪音 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个灰度单元，表示为0.7LSB。
一、图像采集卡基本概念
➢ 采样频率(时钟、点频)MHz
采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行图 像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。 Pixels Clock = Htotal * Vtotal * 帧(场)频
➢ 行频(KHz)：每秒钟扫描多少行； ➢ 场(帧)频(Hz，fps)：每秒钟扫描多少行场(帧)。
一、图像采集卡基本概念
➢ 分辨率
采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能，即所能 支持的相机最大分辨率。
➢ 传输通道数(Channel)
采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如：2通道、 4通道。
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA：独立四通道
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 MeteorII/Multi-Channel：三通道
一、图像采集卡基本概念
➢ 传输速率：指图像由采集卡到达内存的速度。
总线类型 PCI
PCI-X
PCI-E
传输速度 132MB/S 512MB/S，1GB/S 2.1GB/S
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像格式（像素格式）
黑白图像：通常，图像灰度等级可分为256级，即以8位表 示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表 示。
彩色图像：彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成。
一、图像采集卡基本概念
➢
MUX：通道选择
Decoder：视频解码器
•A/D
图
•VRGB,YUV
像
VIA：视频接口芯片
采
• Bridge
集
•Controls
卡
基
本
结
构
硬
件
图
一、图像采集卡基本概念
➢ 图像采集卡附加功能
❖ 触发功能 (Trigger) ❖ 灯源控制功能 (Strobe) ❖ 基本I/O功能 (I/O) ❖ 相机复位功能 (Asynchronous Reset) ❖ 时序输出功能 (Timing Out) ❖ 串口通讯功能 (RS232) ❖ 电源输出功能 (Power out)
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XA
一、图像采集卡基本概念
Matrox 的 Odyssey XCL
二、图像采集卡原理及过程
➢ 视野（FOV）或视场是相机及光学系统“看”到的真实 世界的具体部分。
➢ CCD芯片将光能转化为电能。 ➢ 相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。 ➢ A/D—转换器将模拟信号转换成8位（或多位）的数字信
号。每个像素独立地把光强以灰度值（Gray Level）的形 式表达。这些光强值从CCD芯片的矩阵中被转移存储在 内存的矩阵数据结构中。
二、图像采集卡原理及过程
模拟信号经A/D转换，传输至内存的图像
相机“看”到的 图像
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰度值（Gray Level）
某一点的灰度值，也是物理世界上这一点的光强弱信息 的表示。
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰度值（Gray Level）
灰度值为真实世界图像量化的表现方法。通常灰度值从 最黑到最白为0—255。光线进入CCD后，如果光强达到CCD 感应的极限，此像素为纯白色。对应于内存中该像素灰度值 为255。如果完全没有光线进入CCD像素，此像素为纯黑色。 对应于内存中该像素灰度值为0。
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像
8bit
灰度值（Gray Level）
10bit~16bit
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 黑白图像 灰阶
8bit：灰阶范围256 10bit：灰阶范围1024 灰阶越高图像的细节更多，层次更分明。
三、视觉系统图像表达
由于windows目前的限制，能够显示的灰度最多为256个， 显示10bit或更高的灰度图像可以通过： ❖ 软件LUT的方式，和医疗影像中的窗宽窗位的概念类似 ❖ 显示高8位的方式
三、视觉系统图像表达
相机信号经采集卡进入计算机内存，表现为一个矩形区 域，区域中的每一点的数值
❖ 彩色图像
RGB值
四、板卡分类
➢ 依据输入信号类型可以分为:
❖ 模拟图像采集卡 ❖ 数字图像采集卡
模拟图像采集卡 Morphis
数字图像采集卡 Solios-XCL
四、板卡分类
➢ 依据功能可以区分为:
❖ 单纯功能的图像采集卡 ❖ 集成图像处理功能的采集卡
图像采集处理卡 Matrox的 Odyssey XCL
五、板卡硬件发展趋势
➢ 传统图像采集卡(A/D转换)最终将被淘汰； ➢ CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已
被广泛使用； ➢ 智能相机(Smart Camera)会应用于工业现场控制与嵌入式
系统； ➢ 带网络接口(Gigabit Ethernet)的图像设备将成为主流；
如：Pleora 公司数据采集盒 Basler 公司的 Scout-g 相机
六、如何选用图像采集卡
➢
❖ 依据信号标准可以分为:
视
频
信
标准信号
彩色：NTSC/PAL
号 分
(标准模拟信号) 黑白：RS170/CCIR
类
非标准
非标准模拟信号 数字：LVDS/1394/RS422/Camera Link/USB/GigaBit
模拟信号——接口
模拟信号——信号特征
标准制式 分辨率 色制 帧频(Hz) 点频(MHz) 行频(KHz) 场频(Hz)
PAL CCIR 768*576
彩色 黑白 25
14.75 15.625
50
NTSC RS170 640*480
彩色 黑白 30
12.27 15.74
60
模拟信号——同步信号的三种形式
❖ composite video ❖ composite sync ( CS 或者 SYNC ) ❖ separate sync ( HS/VS 或者 HD/VD )
模拟信号——信号描述
Volt HaDge
Vid eo
Tim
HS/HD(Horizontal synchronisateion)
Volt VagDe Vide o
Tim e
VS/VD (Vertical synchronisation)
模拟信号——信号描述
帧(场)特性： ❖ 帧(场)同步(B) ❖ 帧(场)后肩(C) ❖ 帧(场)有效信号(D) ❖ 帧(场)前肩(E)
模拟信号——信号描述
行特性： ❖ 行同步(B) ❖ 行后肩(C) ❖ 行有效信号(D) ❖ 行前肩(E)
模拟信号——三种模式
❖ PLL（Phase Lock Loop )锁相环模式 相机向采集卡提供A/D转换的时钟信号，此时钟信号来 自于相机输出的 Video 信号。
❖ XTAL模式 图像采集卡给相机提供 Pixel Clock 信号以及 HS/VS 信 号， 并用提供的时钟信号作为A/D转换的时钟，但同 步信号仍可用相机输出的 HS/VS。
❖ VScan模式 由相机向图像采集卡提供 Pixel Clock 信号，HS 和 VS 信号。
数字信号——接口
❖ 传统数字信号（RS-422, LVDS) ❖ CameraLink ❖ IEEE1394(Firewire) ❖ USB ❖ Gigabit Ethernet
数字信号——接口
适应性
GigE USB
速度
IEEE1394 RS-422
LVDS
Camera Link Channel Link
规范化
数字信号——LVDS
❖ LVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。 ❖ LVDS采用很低的电压350mV降低了噪声，提高了速率，低
辐射，低功耗0.93W，最重要的是差分信号可以使接收机滤 除噪声。这是因为依靠同时用两根线来传信号，两条线的电 压相反。通过两根线上的强度差来得到最终的数据。如果出 现噪声，那么噪声会同时出现在这两根线上，而信号信息并 不受其影响。因为信号的抗噪声能力的提高，电压随之降低 而速度得到提高。 ❖ 每线对最大传输率为655Mb/s。
数字信号——LVDS
优点：高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。 缺点：管脚定义不统一，兼容性差，电缆成本高。
数字信号——LVDS
❖ DATA(8，10，12，14)：多通道数据输出 例：12位数据总线。 DATA 0～11是相机输出的、分别对
应目标某个像元灰度的12位图像数据。 ❖ STROBE/PLCK
像元时钟信号。 STROBE是图像数据的像元时钟。它的 频率与数据速率相同，即使数据无效， STROBE仍然连续 交变。为了获得有效的图像数据，采集卡一般在FVAL和 LVAL为高电平时，在STROBE的下降沿进行数据锁存。 ❖ FVAL
帧同步信号。一般FVAL高电平表明相机正输出一帧有效 数据。
❖ LVAL 行同步信号。当FVAL为高电平时， LVAL高电平表明相
机正输出一个有效的像元行。
数字信号——CameraLink
❖ 13对线（其中有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更 加的小巧。允许相机设计的体积更小。
❖ 更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达 2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。
❖ 集成有串口通讯协议。
数字信号——CameraLink
Base Medium Full
8-bit x 1-3
–
–
10-bit x 1-2
–
–
12-bit x 1-2
–
–
14-bit x 1
–
–
16-bit x 1
–
–
24-bit RGB
–
–
8-bit x 4
–
10-bit x 3-4
–
12-bit x 3-4
–
30-bit RGB
–
36-bit RGB
–
8-bit x 8
数字信号——USB
❖ 接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体 积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多 媒体数据的传送模式，连接方便。
❖ USB 2.0向下兼容USB 1.1、USB 1.0，数据的传 输率可 以达到120Mbps～480Mbps。
❖ 传输距离短，0.6米。
数字信号——IEEE1394
❖ 两种接口标准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6 针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的 产品提供电源。
❖ 1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。 ❖ 不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大
于4.5米可采用中继设备。 ❖ 支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。
数字信号——Gigabit Ethernet
❖ 带宽可达到1000 Mbps，图像可以无损失实时传输。 ❖ 最远可传输100米。 ❖ 标准的网络连接器，电缆线成本低。 ❖ 带宽易于升级，包括10M,100M,1000M 等，在工业
机器视觉中将被广泛应用。
数字信号——Gigabit Ethernet