陈伟嘉：图像采集处理硬件分析
作者：陈伟嘉 文章来源：北京凌云光视数字图像技术有限公司
机器视觉图像采集硬件的划分
随着科技的发展，机器视觉技术应用也快速进步。经过多年的发展，用于机器视觉的板卡从初级的模拟视频向数字视频方向发展。从对国外板卡的调查情况看，目前的视觉板卡呈现多元发展的趋势。由于机器视觉市场的不成熟，市场上高中低端板卡都有存在的市场。
从总体来说，目前模拟板卡依然占据主要市场份额。但在应用方面，国外机器视觉应用逐渐向高端数字化方向发展。国内市场，特别是中高端市场还在培育之中。
图像采集卡从模拟接口向数字接口转化的过程中，无论在功能、性能、可靠性、速度等各方面都得到了显著的提升。同时，图像采集卡从单一的数据采集、传输逐渐发展到在板具有数据处理功能或图形转换等复杂的功能形式，也逐渐演化成新的板卡形式，如图像处理卡、图形卡等。同时由于机器视觉应用领域的多样化，相应的也出现了嵌入式架构的视觉平台。 下图为机器视觉中图像采集硬件的构成及发展情况：
图像采集硬件的分类
PC图像采集卡：图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，在基于PC机的机器视觉系统中，图象采集卡是控制摄像机拍照，完成相机输出的视频信号的实时数据采集，并提供与PC的高速接口，是协调整个系统的重要设备。
PC图像处理卡：它是在图像采集卡的基础上，增加了图像分析、处理等功能。目的是提高图像信号的实时处理能力、降低主控系统在图像处理过程中对资源的要求，从而提高系统整体处理能力。
嵌入式板卡及设备：嵌入式板卡在功能上和PC图像采集卡类似，嵌入式从一开始就是针对具体应用的，因此嵌入式板卡的设计原则是在实现图像采集的基础上针对具体应用作相应调整。对应的嵌入式视觉系统也是完成的是较为具体的功能，并不要求全能，但必须能够依据系统设计规格，有效率的发挥出硬体的运算能力，使得产品达到效率/价格比的最佳化，同时要求自动完成所设定的工作。
智能相机：智能相机实际上是嵌入式视觉系统的集成化，它通过提高机器视觉系统的集成度，删减一些部必要的接口和电路，大幅度缩小系统体积，在提高系统稳定性的同时，大幅度降低生产的成本。
当前图像采集硬件比较
下图为当前国内外主流机器视觉公司的产品：
数字图像采集卡构成
图像采集卡是机器视觉系统的重要组成部分，主要功能是对相机输出的视频信号进行实时数据采集，并提供与PC的高速接口。图像采集卡主要功能是对相机所输出的视频数据进行采集，并提供与PC的高速接口。板卡硬件结构如下图：
PC图像处理卡
由于在许多机器视觉应用中需要比较复杂的图像、图形处理，工业计算机系统有时无法实现这种实时计算需要，一些具有很强实力的公司就开始研制专门能进行复杂视频图像处理的板卡，即图像处理卡。这种板卡在采集卡的基础上增加了复杂的算法处理，甚至建立了独立的操作系统。这类板卡的设计是专门应对算法的，它节约了大量的工业计算机CPU时间，大大提高了整个机器视觉系统的性能。 图像处理卡市场
目前在图像处理卡的研发上Coreco和Matrox公司居于较强的技术优势。Coreco公司提供了几款功能强大的图像处理卡。OEM可以开发基于FPGA的嵌入式视觉解决方案，以满足极端高速的应用的需求，如半导体检测、医学成像和连转物检测等。
Matrox公司的处理器板整合了高带宽采集和实时可升级处理的视频处理技术。在处理器板上带有Intel PowerPC微处理器，对视频图像的处理、控制能力大大增强。 图像处理卡的实现方式
从Coreco、Matrox公司的图像处理卡情况来看，实现这种在板图像处理算法的方法主要有以下几种类型：
ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）：相对于集成电路而言，ASIC是拥有像RAM等模块的专用芯片。这种芯片可以实现某些具体的、特定的功能，同时具有集成电路价格低的特点，应用很广泛。但是ASIC的设计成本较高。随着FPGA的发展，FPGA的设计灵活、开发周期短等优点有取代ASIC的可能。目前FPGA价格的走低给用户提供了应用的机会。
DSP：专注于数据处理，随着近年来高性能的DSP的出现，图像处理应用过程中也越来越多的应用到
DSP，在速度和性能要求高的场合，还可以实现并行DSP结构。
PowerPC：在PowerPC架构基础上，Motorola、苹果、IBM等公司为了实现对数据处理能力的提升开发了一系列相关的PowerPC处理器，比较典型的有Motorola G4 PowerPC，在Coreco公司的图像处理卡上得到了充分的应用。Motorola G4 PowerPC微处理器包含了通用CPU和DSP，它的极佳性能在给定的时钟频率时能够提供极高的性能。Motorola G4 PowerPC是高端图像处理可设计中的首选。
InterCPU：InterCPU具有很强的控制和数据处理功能。在图像采集板卡的基础上集成InterCPU，可以实现功能强大的图像处理功能，甚至可以实现全部的图像算法功能。这种图像处理卡主要是针对大量的复杂的图像算法，缓解主控系统的负担。这种板卡一般带有一个独立的操作系统，板卡的成本较高，目前很少有公司生产。
嵌入式板卡及设备
嵌入式板卡和PC图像采集卡的实现方法相似，在相机接口、数据采集控制、数据传输控制等实现原理一样。嵌入式设备是针对具体应用的，侧重于功能、性能的具体应用化，而不是性能、功能的最大化。嵌入式板卡的指标主要有：
板卡接口：如相机控制方式、数字I/O的具体形式、算法的具体实现等等；
总线方式：为了实现具体的工业应用，嵌入式板卡的总线结构也会有变化，如PCI、CompactPCI、PXI、PC/104、PC/104 Plus等。
板卡功能：根据具体应用实现板卡的功能。最重要的就是板卡上的算法实现。嵌入式板卡的具体应用形式导致板卡功能的差异。 当前主流厂商的嵌入式设备情况
各公司生产的嵌入式板卡，一方面为了扩充板卡在图像嵌入式应用市场的份额外，同时也为本公司的嵌入式设备提供支持，下图就是当前各公司嵌入式图像处理设备的实现情况：
与PC系统(装载有Windows系统)比较，嵌入式视觉系统完成的是较为具体的功能，并不要求全能，但必须能够依据系统设计规格，有效率的发挥出硬体的运算能力，使得产品达到效率/价格比的最佳化，同时要求自动完成所设定的工作。 嵌入式视觉系统组成
嵌入式视觉系统主要有相机、嵌入式采集卡、嵌入式主控系统。嵌入式主控系统主要包括嵌入式主板、模块计算机、工业仪器等。嵌入式主控系统可以根据实际应用的需要做裁减，增加需要的功能，去掉不必要的部分。在硬件的配置上以具体视觉系统应用程度为原则。这样做可以实现嵌入式系统的性能价格比的
合理化。嵌入式主控系统的CPU、内存、外围接口、体积、环境特性都可以实现各种形式的配置。嵌入式系统的操作系统也可以实现裁减，如Linux、WindowsCE、Windows Embedded等等。
为了进一步提高嵌入式系统的集成度，可以在嵌入式主控系统中集成图像采集功能，这样就形成了嵌入式视觉采集、处理模块，这种模块通常整合了视觉处理的功能，进一步提高了系统的效率。这种系统的应用界面一般为具体的视觉应用操作模块，如NI CVS-145x视觉系统的LabView、NetSight II(智能视觉检测系统)的Sherlock（软件环境），相对于带有操作系统的嵌入式视觉系统来说，这种应用实现难度更大一些。这种系统进一步演化就成为智能相机。 嵌入式视觉系统的实现