图像采集卡的概念及作用原理

图像采集卡（Image Grabber）又称为图像卡，它将摄像机的图像视频信号，以帧为单位，送到计算机的内存和VGA帧存，供计算机处理、存储、显示和传输等使用；在机器视觉系统中，图像卡采集到的图像，供处理器作出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在的位置等等处理。

 

一、基本概念

1、图像采集卡（Frame Graber）

      图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。

2、A/D转换

      视频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。

3、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。

4、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，其所能支持的相机最大分辨率。

5、采样频率

      采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。

6、传输速率

      指图像由采集卡到达内存的速度。普通PCI接口理论传输速度为132MB/S，PCI-E，PCI-X是更高速的总线接口。

7、图像格式（像素格式）

      (1) 黑白图像：通常情况下，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。

      (2) 彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8－8－8，10－10－10等格式。

8、颜色空间

      对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”(Color Space)。

      ——RGB(16位/24位/32位)

     ——YUV(YCbCr)

     ——其他(HSV、CMYK、数码相机自定义格式等)

     ——Alpha通道

9、帧和场

     ——标准的模拟视频信号是隔行信号，一帧分成两场

     ——偶数场包含所有的偶数行(0, 2, . . . )

     ——奇数场包含所有的奇数行(1, 3, . . . )

     ——采集和传输的过程中使用的是场，而不是帧

     ——一帧图像的两场之间有时间差

二、原理

采集，视频/图象经过采样、量化以后转换为数字图象并输入、存储到帧存储器的过程。由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足要求，因此需要图像采集卡。

图像采集卡信号采集流程

 

从视频源得到的信号，经过视频接口送到视频采集卡，信号首先进过模数转换，然后送到数字解码器解码。模数转换器ADC实际上也是一个视频解码器，可以看出它对来自视频源的视频信号解码和数字化，另外，采用不同的颜色空间可选择不同的视频输入解码器芯片。

视频采集就是将视频源的模拟信号通过处理转变成数码信息，并将这些数码信息存储在电脑硬盘上的过程。这种模拟数码转变是通过视频采集卡上的采集芯片进行的。通常在采集过程，对数码信息还进行一定形式的实时压缩处理。

当图像采集卡的信号输入速率较高时，需要考虑图像采集卡与图像处理系统之间的带宽问题。在使用PC时，图像采集卡采用PCI接口的理论带宽峰值为132MB/S。

1、视野(FOV)或现场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。

2、CCD芯片将光能转化为电能。

3、相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。

4、AD –转换器将模拟信号转换成 8 位（或多位）的数字信号。每个象素独立地把光强以灰度值(Gray level)的形式表达。

5、这些光强值从CCD芯片的矩阵中被存储在内存的矩阵数据结构中。

灰度值（Gray Level）—— 象素光强弱信息的表示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象素，如果光强达到CCD感应的极限，此象素为纯白色。对应于内存中该象素灰度值为255。如果完全没有光线进入CCD象素，此象素为纯黑色。对应于内存中该象素灰度值为0。

三、可采集视频信号

·  模拟视频和数字视频；

·  标准视频和非标准视频信号；

·  隔行和逐行扫描方式；

·  黑白和彩色摄像机输出；

·  复合和各种分量式彩色视频信号

四、图像采集卡分类

图像采集卡按照视频信号源，可以分为数字采集卡（使用数字接口）和模拟采集卡。

图像采集卡按照安装链接方式，可以分为外置采集卡（盒）和内置式板卡。

图像采集卡按照视频压缩方式，可以分为软压卡（消耗CPU资源）和硬压卡。

图像采集卡按照视频信号输入输出接口，可以分为1394采集卡、USB采集卡、HDMI采集卡、DVI/VGA视频采集卡、PCI视频卡。

图像采集卡按照其性能作用，可以分为电视卡、图像采集卡、DV采集卡、电脑视频卡、监控采集卡、多屏卡、流媒体采集卡、分量采集卡、高清采集卡、笔记本采集卡、DVR卡、VCD卡、非线性编辑卡（简称非编卡）。

图像采集卡按照其用途可分为广播级图像采集卡，专业级图像采集卡，民用级图像采集卡，它们档次的高低主要是采集图像的质量不同。他们的区别主要是采集的图像指标不同。由于VGA图像采集卡一般都是内置式板卡，也就是在安装使用时，需要插在PCI扩展槽中。

配置的台式计算机主板中都带有固定的扩展插槽，其直接与计算机的系统总线连接。用户可以根据自身使用情况增加声卡、显卡、视频采集卡等设备。视频采集卡是连接视频源和计算机的桥梁，所以在采集卡的板卡中都有两个连接设备，一个是连接视频源的视频接口，比如VGA接口、DVI接口、USB接口、1394接口等。连接计算机采用与主板相连，一般采用插槽系列或USB接口，而板卡扩展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽 、AGP插槽等。

五、输出接口类型

   根据不同的应用方向，为配合所接摄像头，图像采集卡有多种输出接口，其主要接口有BNC、VGA、Cameralink、LVDS、DVI、USB、FireWire等。