图像采集卡发展史

如何将摄像机输出的模拟视频信号转换成数字图像数据并传送到计算机中进行算法处理呢？图像采集卡就承担了这一重任。长久以来，图像卡一直是整个机器视觉系统的核心部件，它负责将模拟信号数字化，并以一定的格式传输到计算机的内存中以方便用户处理这些图像数据。

主流的模拟图像采集卡可以支持标准格式的模拟视频信号，如PAL，NTSC，CCIR， RS-170，其采集图像的最高分辨率和最高帧率是由这些模拟视频信号来决定的。比如，对于PAL 标准的视频信号，图像卡在进行图像采集时一般可以达到的最高帧率是25 帧每秒，可达到的最高图像分辨率是768x576 个像素；对于NTSC 标准的视频信号，可达到30 帧每秒，640x480 的图像分辨率。

少数的模拟图像采集卡是专门为连接非标准信号而设计，比如RGB 三分量输入的图像卡，或连接高分辨率面阵或模拟线阵的图像卡，这些图像卡由于采用非标准的视频输入信号，因此并非应用的主流并且正在被数字图像卡取代。

图像卡发展到今天已经不仅仅局限于连接模拟摄像机。专门用于连接数字摄像机的图像卡已经成为了图像卡家族的另一大分支。数字摄像机虽然可以不再依赖图像卡来完成图像的数字化处理，但它们仍需要图像卡来提供数据传输的接口并负责将从摄像机输出的并行图像数据重新组织后输送到计算机的内存中。

在数字摄像机发展的初期，各个摄像机制造商大多采用LVDS 方式来输出图像数据，因此，早期的数字图像卡也多采用LVDS 输入。但是，LVDS 并没有规定采用的连接线以及相应的接插件规范，摄像机厂商和采集卡厂商各自定义了自己产品的接插件和连接线规范，因此造成了市场的混乱和使用者的迷惑。

为解决这个问题，统一的Camera Link 标准被制定出来并且已开始投入使用。Camera Link 标准规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，采用了统一的物理接插件和线缆定义。只要是符合Camera Link 标准的摄像机和图像卡就可以物理上互联。Camera Link 标准中包含Base，Medium，Full 三个规范，但都使用统一的线缆和接插件。Camera Link Base 使用4 个数据通道，Medium 使用了8 个数据通道，Full 使用12 个数据通道。Camera Link 标准支持的最高数据传输率可达680MB/s。

Camera Link 标准中还提供了一个双向的串行通讯连接。图像卡和摄像机可以通过它进行通信，用户可以通过从图像卡发送相应的控制指令来完成摄像机的硬件参数设置和更改，方便用户以直接编程的方式控制摄像机。

从Camera Link 标准推出之日起，各个图像卡生产商就积极支持该标准，因此，LVDS 和Channel Link 接口的硬件已经淡出了市场。如果用户需要开发一个新的高性能机器视觉系统，无论是选择摄像机还是图像卡时，都应该优先考虑采用Camera Link 接口的产品。

纵观图像采集卡发展的过程，无论其类型，接口方式，采用的总线技术如何变化，其关注的功能是一致的。我们可以将图像卡的功能概括为以下几点：图像数字化、摄像机控制、图像获取、图像数据存储、图像分析处理、同步控制、数据传输、通信和I/O 控制。

理想的图像卡会覆盖以上全部功能，比如配备板载帧存，带有DSP 或FPGA 可内嵌前处理算法并提供多路I/O 控制的CameraLink 数字图像卡。用户可以采用这种图像卡开发出高性能的机器视觉系统。但当需求相对简单，预算有限时，一片配合模拟摄像机使用的普通图像卡仍可提供以上大部分功能，虽然此时用于图像数据存储的帧存可能只是保留在主机内存中的一个固定区域，但使用效果并不受到影响。由此可见，图像采集卡的功能组成是类似的，但这些功能的性能和集成层次却是因“卡”而异的。

伴随着新技术不断成熟，图像采集卡这一机器视觉中的传统重要部件也正在面临着巨大的挑战。采用IEEE 1394 或USB2.0 接口的工业数字摄像机的出现使得很多机器视觉系统根本不再需要任何图像采集卡。但是，就目前市场而言，模拟图像卡的价格优势和Camera Link 图像卡的高数据带宽优势仍然是这些新摄像机所不具备的，因此，图像采集卡仍将在机器视觉的应用中继续发挥其应有的作用。