图像系统相关基础知识(硬件、软件及理论)

1视觉系统相关基础知识（硬件、软件及理论）

1.1视觉系统硬件的基本组成（参见图＃1）

典型的视觉系统一般包括图像采集系统、图像处理部分、通信和I/O部分以及输入输出和执行机构等。图像采集环节负责将对象的可视化图像和特征转换为能被计算机处理的一系列数据。由于机器视觉系统强调速度和精度，因此图像采集系统需要及时、准确地提供清晰图像。

图像采集系统一般由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等组成。

1.1.1板卡

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图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接口。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，叫做采集、数字化。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。图像采集卡还提供数字I/O的功能。

由于通过高速PCI总线可实现直接采集图象到VGA显存或主机系统内存，这不仅可以使图象直接采集到VGA，实现单屏工作方式，而且可以利用PC机内存的可扩展性，实现所需数量的序列图象逐帧连续采集，进行序列图象处理分析。此外，由于图象可直接采集到主机内存，图象处理可直接在内存中进行，因此图象处理的速度随CPU速度的不断提高而得到提高，因而使得对主机内存的图象进行并行实时处理成为可能。

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。在实际使用中，PCI接口的平均传输速率为50～90MB/S，有可能在传输瞬间不能满足高传输率的要求。为了避免与其他PCI设备产生冲突时丢失数据，图像采集卡上应有数据缓存。一般情况下，2MB的板载存储器可以满足大部分的任务要求。

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在机器视觉系统中，输入/输出的控制很重要。系统中常要根据处理过程的需要来决定摄像机的拍摄时间。如果采用了可重设的摄像机，需要产生重设信号。在一些系统中，由于需要设定拍摄的帧率，应该有像素时钟发生器。外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可以保证不同设备输出的视频信号具有相同的帧行起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号或复合视频信号。如果图像采集卡已经具有数字I/ O功能，能够产生摄像机和其他电子设备所需的选通、触发及其他电子信号，对系统是很有用的，否则将需要独立的数字I/ O卡。

1.1.1.1图像采集卡的种类

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按图像采集卡的主要特性可作如下分类

（1）彩色图像采集卡与黑白图像采集卡

根据系统中摄像机的不同，图像采集卡也相应地分为彩色图像采集卡和黑白图像采集卡。但是，彩色图像采集卡也可以采集同灰度级别的黑白图像。

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（4）模拟图像采集卡与数字图像采集卡

目前现场广泛应用的摄像机是模拟信号摄像机，与此相应所采用的图像采集卡也是模拟图像采集卡。模拟图像采集卡上设有A/D转换芯片，其对输入信号以4:2:2格式进行采样，然后进行量化，一般对YUV（也即对RGB）各8位量化，则传入的视频信号转换为数字图像信号。

与数字摄像机配套使用的图像采集卡，可称为数字图像采集卡。

（5）For personal use only in study and research; not for commercial use

（6）

（7）面扫描图像采集卡和线扫描图像采集卡

与面扫描相机配套的采集卡是面扫描图像采集卡，其一般不支持线扫描相机。配合线扫描相机使用的是线扫描图像采集卡。支持线扫描相机的图像采集卡往往也支持面扫描相机。1.1.1.2板卡的基本技术参数

图像采集卡的技术参数主要有以下几方面：

（1）图像传输格式

图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。大多数摄像机采用RS422或EIA644（LVDS）作为输出信号格式。在数字相机中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink 几种图像传输形式则得到了广泛应用。

（2）图像格式（像素格式）

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。

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。

（3）传输通道数

当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。

一般情况下，有1路，2路，4路，8路输入等。

（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。一般采集卡能支持768*576点阵，而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达64K*64K。单行最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。

（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。在进行高度图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率可达65MHZ。

（6）传输速率

主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132MB/S。

1.1.1.3板卡的软件包

1.什么是视觉板卡的软件包：

我们大家都知道，任何一个采集卡都需要一套软件包来支持。这是因为，就象任何计算机的硬件配件一样，视觉卡同样需要依靠软件才能将其潜力发挥至极。硬件是躯体而软件则是灵魂。

视觉软件包，由早期的标准C语言，发展至今OCX及ActiveX Control技术的普及。视觉软件包已经变得越来越容易被用户使用。

2.软件包的基本功能与构成：

与板卡配套的视觉软件包，通常包括以下几个模块：