3 采集卡基本原理

　　采集卡有多种种类、规格。但尽管其设计和特性不同，大多数采集卡的基本原理相同。在此，将基于pci总线的模拟图像采集卡为例加以说明。

　　近年来，数字视频产品取得了显著发展。数字视频产品通常需要对动态图像进行实时采集和处理，因此产品性能受图像采集卡的性能影响很大。由于早期图像采集卡以帧存为核心，处理图像时需读写帧存，对于动态画面还需“冻结”图像，同时由于数据传输速率的限制，因此图像处理速度缓慢。90年代初，intel公司提出了pci（peripheral component interconnect）局部总线规范。pci总线数据传宽度为32/64位，允许系统设备直接或间接连接其上，设备间可通过局部总线完成数据的快速传送，从而较好地解决了数据传输的瓶颈问题。

　　由于pci总线的高速度，使a/d转换以后的数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像处理也可将采集到内存的图像信号传送到计算机显示卡显示;甚至可将a/d输出的数字视频信号经pci总线直接送到显示卡，在计算机终端上实时显示活动图像。基于pci总线的图像采集系统框图如图1所示。图中的缓存（数据锁存器）代替了帧存储器，这个缓存是一片容量小、控制简单的先进先出（fifo）存储器，起到图像卡向pci总线传送视频数据时的速度匹配作用。将图像卡插在计算机的pci插槽中，与计算机内存、cpu、显示卡等之间形成调整数据传送。

　　由于pci总线的上述优点，许多图像板卡公司陆续推出了基于pci总线的图像采集卡。

4 与图像采集卡相关技术名词

　　4.1 dma

　　dma（ direct memory access）是一种总线控制方式，它可取代cpu对总线的控制，在数据传输时根据数据源和目的的逻辑地址和物理地址映射关系，完成对数据的存取，这样可以大大减轻数据传输时cpu的负担。

　　4.2 scatter/gather table

　　scatter/gather table实际上就是一张供dma传输时逻辑地址与物理地址的动态映射表。根据不同的板卡设计，这张表可直接位于采集卡的某个buffer模块内，称为硬件式的scatter/gather，它在pci传输时的最高速度可达120m/s;此表也可位于主机的某段内存中，称为软件式的scatter/gather，传输的最高速度一般为80bps。大部会pc系列采集卡都属于硬件式的scatter/gather。

        4.3 lut（look-up table）

　　对于图像采集卡来说，lut（look-up table）实际上就是一张像素灰度值的映射表，它将实际采样到的像素灰度值经过一定的变换如阈值、反转、二值化、对比度调整、线性变换等，变成了另外一个与之对应的灰度值，如右图为一个8位的对应表。这样可以起到突出图像的有用信息，增强图像的光对比度的作用。很多pc系列卡具有8/10/12/16甚到32位的lut，具体在lut里进行什么样的变换是由软件来定义的。如图2所示。#p#分页标题#e#

　　4.4 planar convertor

　　planar convertor能从以4位表示的彩色象素值中将r、g、b分量提取出来，然后在pci传输时分别送到主机内存中三个独立的buffer中，这样可以方便在后续的处理中对彩色信息的存取。在有些采集卡（如pc2vision）中，它也可用于在三个黑白相机同步采集时将它们各自的象素值存于主机中三个独立的buffer中。

　　如下图3所示：

　　4.5 decimation

　　decimation实际上是对原始图像进行子采样，如每隔2、4、8、16行（列）取一行（列）组成新的图像。decimation可以大大减小原始图像的数据量，同时也降低了分辨率，有点类似于相机的binning。如下图4所示：

　　4.6 pwg

　　pwg （programmable window generator）指在获取的相机原始图像上开一个感兴趣的窗口，每次只存储和显示该窗口的内容，这样也可以在一定程度上减少数据量，但不会降低分辨率。

　　一般采集卡都有专门的寄存器存放有关窗口大小、起始点和终了点坐标的有关数据，这些数据都可通过软件设置。pc系列卡的窗口可在很大范围内变化，如pc-dig最大可达64k×64k，最小可为1×1。如下图5所示：

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　　4.7 resequencing

　　resequencing可以认为是一种对多通道或不同数据扫描方式的相机所输出数据的重组能力，即将来自ccd靶面不同区域或象素点的数据重新组合成一幅完整的图像。

　　4.8 non-destructive overlay

　　overlay是指在视频数据显示窗口上覆盖的图形（如弹出式菜单，对话框等）或字符等非视频数据。non-destructive overlay，即“非破坏性覆盖”是相对于“破坏性覆盖”来说的，“破坏性覆盖”指显示窗口中的视频信息和覆盖信息被存放于显存中的同一段存储空间内，而“非破坏性覆盖”指视频信息与覆盖信息分别存放于显存中两段不同的存储空间中，显示窗口中所显示的信息是这两段地址空间中所存数据的迭加。如果采用“破坏性覆盖”，显存中的覆盖信息是靠cpu来刷新的，这样既占cpu时间，又会在实时显示时由于不同步而带来闪烁，如果采用“非破坏性覆盖”则可消除这些不利因素。

        4.9 pll、xtal和vscan此为模拟采集卡的三种不同工作模式

　　（1） pll（phase lock loop）模式：相机向采集卡提供a/d转换的时钟信号，此时钟信号来自于相机输出的video信号，hs和vs同步信号可以有三种来源：composite video，composite sync， separate sync;

　　（2）xtal模式：图像采集卡给相机提供时钟信号以及hd/vd信号，并用提供的时钟信号作为a/d转换的时钟，但同步信号仍可用相机输出的hs/vs;

　　（3） vscan模式：由相机向分别卡提供pixel clock信号、hs和vs信号。