7-4  图像卡的控制与协调能力

如果说摄像头和主机分别是机器视觉系统的眼睛和大脑，那么图像卡就是机器视觉系统的心脏，它要准确接受前端摄像头的各种规格的视频数据；接收外来的触发脉冲，并启动摄像头的曝光和重扫描；它要为后端的主机以总线的最高瞬时速度提供准确稳定的图像数据；要有高的数据传输效率；有的系统还要提供独立的视频显示输出。而图像卡对前后端的控制、采集、传输和显示等动作，又要尽可能地减少CPU的参与，以便增加CPU对图像的处理效率。

7-4-1 图像卡的采集启动

机器视觉系统对运动物体作检测，工件进入视场中心时，图像卡应开始采集图像，图像卡的启动方式可能为

a. 外触发启动图像卡采集；

b. 新的帧头出现而启动图像卡采集；

c. CPU向图像卡发出采集指令。

设计优良的图像采集卡在前两种情况无需CPU参与，第三种情况虽然CPU参与，但命令发出后，CPU即可回去执行其他任务。启动后，图像卡自动等待帧头（第二种启动无须等待）；自动检测CCD的行场，并正确锁相；自动与总线匹配动作，高速传输数据，并送到事先指定的内存位置；采集结束后再通知CPU。所有这些动作，由图像卡独立完成，无需CPU参与。

7-4-2 外触发和电子快门控制

在6-6节讨论过对运动物体采集的过程，图6-15展示了外触发、曝光、扫描的时序和过程。外触发脉冲是送到图像卡的，图像卡接收到外触发后，并非马上转发给摄像头，而是要考虑是否延迟一定时间后，才触发CCD。这是因为，受外触发产生装置的安装位置的限制，外触发形成的时间，往往并非被检测物体到达视场FOV中心的时间，外触发脉冲要经过一延迟后，物体才到达FOV中心，所以图像卡收到外触发后，根据物体运动的速度和与FOV中心之间的距离，确定一延迟时间。这一延迟时间预先设定，并存放在图像卡内。

7-4-3采集速度、图像卡内存、和总线速度的匹配

7-4-3-1 采集速度

行频和水平总采集点数（水平分辨率）之积决定了采样频率fs（第4-4节）。标准视频和各种非标准视频的采样频率fs之间差异很大。例如CCIR标准的采样频率为14.76MHZ，而高分辨率的采集频率fs可高达近150MHZ，例如分辨率为1024×1024×8bits的摄像头，当帧频为25帧/S时，数据产生的速度为25MB/S。如果将这个摄像头每个像元的bits数增加一点或使用更高的帧速时，fs则会大幅提高，直至150MB/S。图像卡应能自动检测、跟踪和锁相来自CCD这么大变化范围的视频信号。

7-4-3-2 总线结构

在Wintel占统治地位的图像卡世界，有三种通用的总线结构，

* PCI-32（32bits，33MHZ）

最高理论速度为132 Mbytes/S，已在市场上出现十余年，是一个成熟、有效的总线结构，直至今天，仍应用于通用的PC机内，在很多机器视觉领域，它已能满足需要。但是随着图形卡、视频卡、对传送速度要求的提高，PCI-32总线已不堪重负。

* PCI-X：

是在PCI-32的基础上扩展起来的，数据宽度从32位扩大到64位，即可将传送速度增加一倍，如果再将主时钟从32MHZ提高到66MHZ，甚至133MHZ，则传送速度又可成倍地增加。例如主时钟为133MHZ时，数据传送速度可达1GB/S。用扩大数据宽度和提高主时钟的方式来增加速度带来了很大的问题，由于这是一种并行传送方式，又在高速下运行，所以带来了噪音影响，而为了克服它，对PC主板的元件要求将大大提高，从而大大提高了成本，所以PCI-X并未成为PC的主流总线，它只是在一些服务器中使用。

* PCI-Express

又称PCI-E和3GIO。是个人计算机第三代总线，PCI总线的拓扑结构是一种共享式结构，当总线上的设备增加时，将带来管理的极大困难，而PCI-E总线是点到点的总线拓扑结构，采用串行和打包数据的方式传送数据，而它又是和PCI-32兼容的。PCI-E是可以剪裁的，一个通道可以达到2.5GB/S的传送速度，两个通道则可将传送速度加倍，还可以×4，×8，×16，×32地将通道捆绑在一起，获得更高速的数据传送。

PCI-E是2002年发布的，现在已经在PC主机板上大量出现，据估计，PCI-E将成为PC机下一代的主流总线结构。PCI-E的图像卡也会大量涌现。

7-4-3-3  图像传送和处理的协调

PCI总线支持多总线主控器，这意味着，某一设备，如图像卡，可以取得PCI的控制权，将数据在图像卡和计算机内存之间传输，而不必通过主CPU，在设计良好的PCI总线上，总线主控制器可以获得的瞬态突发速度高达132Mbytes/S。由于总线的资源是共享的，CPU经常要对外部设备、内存等进行管理而占用总线，真正使用于数据传送和处理而占用总线的时间只占70%，约为90Mbytes/Sec左右的有效传输速度，视CPU及其外围芯片组的选用，和外部设备的多少而变化。

在CCIR标准中，图像卡产生数据的最高速度为15Mbytes/Sec。

图像卡产生数据和总线传送数据是不同步的，图像卡中都有具有一定容量的缓存来协调它们之间的工作，A/D产生的数据先放到缓存，到一定的容量后（例如缓存容量的一半），图像卡申请占用总线，取得控制权后，将数据传送至内存。缓存内的数据传送完后，交出总线控制权。输入到缓存的数据速度相对于输出至内存速度越高，所需的缓存容量越大，一般在图像卡内2MB的缓存已足够了。PCI总线传送视频数据的时序见图7-5。

在fb小于总线的有效传输速度时，图像卡能一帧不漏地连续获取图像；但在一些高档图像卡中，fb大于总线的有效传输速度，就不能连续地获取多帧图像了，这时图像卡应该做到本帧图像尚未传送完毕时，下帧图像的到来将被自动删除，不要打乱原图像的传送。直至本帧图像传送完毕再接收新的一帧。

在具有独立视频输出的图像卡中，为了视频输出的连续性，缓存的容量应至少与图像的大小相等，才能维持源源不断的视频输出。这时，就可以将缓存称作帧存了。帧存除了接收A/D送来的视频数据，并通过PCI总线送到内存外，还需连续不断地送到输出D/A，转换成模拟视频。所以帧存是一个输入两个独立输出的多I/O通道存储器。

7-4-3-4 采集和处理并行操作

我们可以看到当CCIR标准时，在采集一帧图像的周期内，传送图像的时间大约只占总时间的15MHB：90MHB=1/6，尚有5/6的总线时间是空闲的，完全可以被用来作图像处理之用，所以CPU发出采集指令后，图像卡应独立工作，不再去占用CPU，让CPU腾出时间全力处理图像；同时软件工具也应支持这种工作方式，使用户方便使用。

当然随着fb的提高，在采集周期内，CPU能使用的时间会逐步减少，直至fb等于总线有效传输速度而全部消失。

7-4-4 多路摄像头输入切换

机器视觉系统，特别是应用于生产流水线检测的系统，会要求多个摄像头在不同的位置获取图像。图像卡往往会有多个输入端口接收视频信号，并备有多路开关在不同输入端之间切换，这种多路切换也是视觉系统对图像卡的重要要求。

一般来说，图像卡对未同步的多个摄像头作切换时，切换后稳定地跟踪和锁相新视频的行场信号要花很长的时间，有的图像卡要历经几帧至十几帧时间才能稳定地锁定新视频。这是因为为了尽可能减少像元的抖动时间，锁相电路PLL具有很深的负反馈，深负反馈减少了抖动时间，但是，却大大增加了锁相系统的响应时间，从而大大地降低了失锁后，恢复锁相的反应速度。

解决这一矛盾的一种办法是将多个摄像头同步起来，它们可以按图7-6的方式连接起来，由摄像头1去同步其他三个摄像头，通过视频分配器来分别拷贝视频信号接到其他摄像头的外同步输入端，使视频分配器不会对摄像头1的视频输出带来阻抗不匹配的失真。

另一种解决办法是采用所谓的一槽四卡图像卡，见图7-7，这种卡可以同时接收四路独立的视频信号。CPU可分别或同时指令它们采集图像，不需要象图7-6那样将四个摄像头同步起来。

有的公司生产的采集卡可同时将几块图像卡插在一台主机插槽上，CPU可分别或同时指令它们采集图像，而互不干扰（在总线同时传送图像数据的速度许可的情况下），也可解决快速多路视频输入的切换问题。