图像采集卡

概述

图像采集卡(Image Capture Card),又称图像捕捉卡,是一种可以获取数字化视频图像信息,并将其存储和播放出来的硬件设备。很多图像采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音,使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。

工作原理

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。

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。


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。


选型指南

随着市场上越来越多的视觉图像采集卡,及配套的软件包大量涌现,选择一款非常适用于自己开发的采集卡显得尤为重要。采集卡选择到位,能让我们在之后的开发过程当中缩短开发时间,提升开发效率,实现更多的功能。

一、在选择采集卡进行测试或者开发之前,需要明确自己的需求:

1、系统功能:首先要明确公司开发的系统,应实现哪些基本功能;

2、开发时限:根据项目的具体要求,确定开发周期,对采集卡的开发难易程度应以此参考;

3、开发商支持:软件包开发商是否有详尽的使用说明,能否提供足够的源代码,对方的开发人员能否及时技术支持;

4、人力资源:考虑能够参与开发工作的人力资源,包括:编程能力、视觉知识等等方面。考虑这个问题,是因为通常选用功能完备的软件包,并不一定能缩短开发时间,但却能够简化开发工作,使源程序便于优化;

5、分析软件包功能:确定软件包所提供的工具,是否能够支持系统所要求实现的功能。

明确了自己的需求之后,我们可以综合这些需求点来整体的考虑对采集卡的选择,选择最适合自己公司开发要求的图像采集卡。

二、高速相机的功能与采集卡的功能是否匹配

1、线阵扫描或面阵扫描。许多高速采集系统都是采用的面阵高速相机,因此首先要确保采集卡能支持面阵高速相机的扫描方式。

2、多分辨率支持。除了广电行业的采集系统相对来说分辨率比较固定外,其他的工业应用和图像分析方面都要求支持多种分辨率,所以是否支持多种分辨率也是非常重要。

3、异步信号。异步信号可以节省拍照时间。不过在选用具有异步信号功能的高速相机之前,首先要确定采集卡也有此功能。这一功能对于运行速度要求极高的高速摄像系统来说,至关重要。

4、多通道。多数采集卡,都可以同时处理二个以上的高速相机。

5、灯源激发。相当多的采集卡带有灯源激发功能。这不仅缩短了系统总体运行的时间,简化了编程人员的工作。更重要的在于,这一功能可以更加有效地使灯源与相机同步工作。

6、图象存储。大家已经知道,相机拍照的时间最多为40毫秒,而系统对于图象进行分析、测量的时间则要漫长得多。因此,在实际操作中,常常会出现高速相机“等待”电脑的情况。因此,一些采集卡便另设有一些内存,作为图象的缓冲区。即,在前一幅图象尚未分析完之间,接下来高速相机所传来的图象,暂时存放到缓冲区中。之后,再以先进先出的方式,逐一送至电脑内存。

三、采集卡软件包的对比

1、面对不同公司的视觉软件包时,哪一家公司的软件更加容易使用,即在此软件包基础上作二次开始,是否容易上手、能否缩短开发时间。

主要从以下几个方面来进行考虑:

(1)开发硬件环境:此软件包在你公司所选用的电脑硬件系统下是否能正常运行。如,是否支持PCIE接口、显示卡等;

(2)开发操作系统:此软件包在你们公司所选用的操作系统下能否正常运行。如,是否支持WIN7或XP,Linux等等;

(3)开发语言:此软件包是否适用于你们公司所选用的开发语言。如,使用VC++,VB、CPB、DELPHI等语言作二次开发,是否简单易用;

(4)对比不同公司的软件包在图象处理方面的功能的优劣;

(5)边缘寻找功能:边缘寻找,是图象处理中最为基本也是最为常用的工具。此功能主要以下几个参数作对比:

1)精度:可以查阅软件包的产品介绍或是使用说明;

2)稳定性:可使用不同图象对软件进行实际测试,如,进行GR&R测试;

3)多样性:是否能够应付各种不同的实际情况。如,不同形状的边缘寻找,不同明暗情况下的边缘寻找等等;

4)速度:可在统一的情况下(如,使用同一图象)对不同系统进行实际测试

(6)目标定位功能:目标定位功能,是图象处理中另一基本且常用的工具。

(7)图象缓冲功能:与采集卡的“图象存储”功能相似,这一功能的主要目的,是为了缓解拍照与运算时间上不同步的矛盾。与采集卡上硬件缓冲区所不同的是,这一功能纯由软件来实现。通常的概念是,在内存中开辟一固定空间,从采集卡传来的图象信号,在电脑分析完之前都会按序存在这一空间里。每幅图象地址的指针,另存在一堆栈中。图象以先进先出的方式清除。

(8)实际应用功能:很多公司,为了适应越来越激烈的市场竞争,在原有的底层软件基础上,又开发出可应用于某一特定领域的软件包,以方便这一行业中的视觉二次开发商。如,半导体行业中BGA检测工具;显示器生产业中的显示检测工具;机器手行业中的系统定位工具等等。

(9)接口功能:软件包是否能够方便地与其他软件或控件接口,一起运行。

其他辅助功能:除以上所讲的各功能以外。各视觉公司控制工程网版权所有,又各自开发出一些其他非图象处理的软件工具,以方便开发者使用。如,数据分析工具(SPC)、图象显示工具、画图工具等等。

(10)应用系统开发时限及功能: 在对该选用哪家公司采集卡的问题上,作出决定之前。我们还要考虑公司所要开发的目标系统,要拥有哪些功能?在确定了系统这些功能之后,接下来要考虑这些功能是否要由自己来完成,还是使用采集卡公司所提供的底层软件包,等等一系列的问题。结合以上各点,选择最适合自己项目的采集卡。


注意事项

图像采集卡主要是由视频输入、A/D转换、时序及采集控制、图像处理、总线接口及控制、输出及控制等几大模块构成的。根据机器视觉系统中工业相机种类的不同,在选择图像采集卡时也应有所不同。例如:相机若是黑白的,可以选择黑白图像采集卡,当然,由于彩色图像采集卡也可以采集同灰度级别的黑白图像,因此,也可以选择彩色图像采集卡。但是,若相机为彩色的,就只能选择彩色图像采集卡;另外,相机若是模拟相机,所采用的图像采集卡也相应的是模拟图像采集卡。而与数字相机所配套使用的图像采集卡,则应是数字图像采集卡;还有,线扫描图像采集卡既支持线扫描相机,又支持面扫描相机。而面扫描图像采集卡一般只支持面扫描相机,而不支持线扫描相机。

下面介绍一下选择图像采集卡时的一些注意事项:

1、图像格式

一般情况下,黑白图像的灰度等级可以分为256级,即以8位表示,在对图像灰度有更精确的要求时,也可用10位、12位等来表示;彩色图像则是由RGB三种基础色彩组合而成,根据其亮度级别的不同有8-8-8、10-10-10等格式。

2、A/D转换

图像采集卡的主要功能就是将模拟信号转换成数字信号,而这一模数转换过程就被称为A/D转换,实现这一转换过程的组件则被称之为A/D转换器。同时,与之相对应的还有D/A转换这一名词,显而易见,D/A转换指的就是由数字信号向模拟信号转换的过程。

3、采样频率

采样频率指的是图像采集卡在采集图像信息时的频率,这一参数是评价图像采集卡处理图像的速度与能力的一个指标。如果用户是为了进行高速图像采集而选择图像采集卡,那么采样频率就是决定选择结构的重要参数了。

4、传输通道数

传输通道数指的是利用同一块图像采集卡可以同时进行转换的数目,一般情况下,在工业生产检测过程中,很多时候是需要多台视觉系统同时运作的,这时就需要图像采集卡可以同时对多个相机进行A/D转换。尤其当相机在较高速率下拍摄高分辨率图像时,会产生很高的输出速率,这就需要图像采集卡可以支持多路信号同时输出。一般情况下,图像采集卡有1路、2路、4路、8路输入等。

5、输出信号格式

图像采集卡是需要支持机器视觉系统中相机所采用的输出信号格式的,而大多数相机是采用RS422或LVDS作为输出信号格式的。


故障排除

1、采集卡和软件都安装好了就是不出图像

A:这个问题,常见的都是出在显卡上面:如,你用的集成显卡显存达不到,或者没有在BIOS将显存调整好,或者没有安装DX9.0,都会出现这些问题!

B:还有一些是NTSC/PAL制式问题出现黑屏。

C:线束出现问题,这个问题不长见,但也不能忽视,我就遇到几次线束本身有问题,出不来图像。

D:还有一种情况:如你用的是8路卡,有一路就不出像,可能你的这一路的驱动安装出了问题(主要指一芯一路的采集卡,如7130),检查一下“设备属性里”有没有“感叹号”或是“问号”。

E:如有带指示灯软压卡,你可以直接通过指示灯亮没亮可以找到为什么 有一路不出图像的问题。有部分 软件还可以随意切断某一路的视频信号输入。

F:驱动也正常,显卡也正常,采集卡和软件都正常,就是不出图像,那就在启动时你要看采集卡驱动每一种地址号码,看是不是少一路。一般情况通过换个PCI插槽就可以解决此类问题。

G:有部分山寨采集卡不支持PCI-E,128位的显卡,如果需到这个问题,要不就换AGP的显卡,要不就找一些杂牌的PCI-1的显卡(这些显卡实际并没有采用PCI-1技术)。

H:用的显卡也没有问题,其他都正常,不出图像,这时你就要检查你的主板,首先观察一下芯片组(常用“英特尔”、“威盛”),在选择品牌上尽量咨询厂家。

I:采集卡驱动安装错误,有些厂家的采集卡开发,一种卡可能兼容N个驱动,对应的软件也是有驱动决定的。

2、安装好采集卡后,有一路图像只要一插上,所有监控画面就跳动

这个问题,检查摄像机和电源、线路、采集卡都正常,最后发现是PCI槽和采集卡引脚接触不良引起,换槽或者拿出卡,用橡皮擦擦就好了。

3、采集卡一插上,不启动软件没事,一启动就死机

一就是采集卡自身问题,这种事少见;二就是所配的主板和采集卡兼容性有问题,或者是主板自身问题;也遇到过内存引起这种故障,一般建议采集卡软件刚运行起来,不要占用物理内存的50%,如果没有办法可以将虚拟内存设大一点也可解决(小心使用)

4、采集卡没有安装驱动软件没事,安装驱动后,一开机,刚要进入系统时,就出现自动重起!!!

A:采集卡问题

B:驱动冲突问题,你可以通过修改BIOS的PCI设备项解决;

C:采集卡软件不支持这个系统

D:试用版的软件到期了

E:硬件加密狗有问题,或者接触不良等

5、采集卡安装后,一运行监控软件,刚开始还正常,但过一段时间,画面就自动少了一个

A:一般情况是采集卡少了一路驱动

B:采集卡因静电导致电子元件损坏(建议安装监控的朋友,最好是将BNC头在采集卡那边都做好接地工作,还能起到搞干扰作用)

6、采集卡安装好后,录像也正常,就是回放时不出图像

A:常见故障:显卡引起

B:也有一些少数情况是,系统和软件安装出了问题,建议重新安装系统和软件

C:整机兼容性有问题

7、采集卡插上以后,换了N个PCI槽也找不到卡,换到其他电脑就行,自己的主板检测也正常。

这时你就要检查主板的BIOS设置,曾经在使用华硕945系列主板时就遇到此类问题。

如果说BIOS设置的是AUTO你就改成手动设置试一试。

8、采集卡安装后,一启动电脑,就进入“安全模式”

其实,这个问题,只是很多朋友搞错了,那不是安全模式,而是采集卡和显卡不兼容,把显卡的真彩给搞丢了

9、监控采集卡安装过后,用一段时间,就自动死机了

A:电源供电问题:4~8路300W、8~16以上350W,每种卡都有不同的要求,可以寻问厂家

B:兼容问题

C:电脑问题,这就不用多说了,CPU风扇不转了等等。

10、上四个画面正常运行,一插第五个或者六个,就死机了

不用多说,首先就是显卡问题,再看采集卡和主板。(如果有的实在不想换主板和显卡,在软件可以设置的前提下可以降低采集卡的图像的分辨率)

11、采集安装好后,一启动监控软件,画面一过就没有了,还是桌面软件和系统兼容问题或者系统本身没有做好。采集卡驱动安装的不对,一般软件都会提示驱动错误等信息。

12、画面重影

A.软件问题。 B.显卡问题,换显卡最终解决问题。

13、系统用一段时间一重启系统就没有了显示HDD接口错误少安装了大硬盘补丁。

14、带监控卡安装好,就是启动不起来,一启动就出错

主板在BIOS里已经将主板的声卡屏蔽了,声卡驱动也没有安装,重新打开声卡,安装上驱动


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