圖像採集卡

圖像採集卡

圖像採集卡(Image Capture Card),又稱圖像捕捉卡,是一種可以獲取數位化影片圖像信息,並將其存儲和播放出來的硬體設備。很多圖像採集卡能在捕捉影片信息的同時獲得伴音,使音頻部分和影片部分在數位化時同步儲存、同步播放。

  • 中文名稱
    圖像採集卡
  • 外文名稱
    Image Capture Card
  • 別稱
    圖像撲捉卡

概念

圖像採集卡,其功能是將圖像信號採集到電腦中,以資料檔案的形式儲存在硬碟上。它是我們進行圖像處理必不可少的硬體設備,通過它,我們就可以把攝像機拍攝的影片信號從攝像帶上轉存到電腦中,利用相關的影片編輯軟體,對數位化的影片信號進行後期編輯處理、比如剪下畫面、增加濾鐿、字幕和音效、設定轉場效果以及加入各種影片特效等等,最後將編輯完成的影片信號轉換成標準的VCD、DVD以及網上流行媒體等格式,方便傳播。

釋意

圖像採集卡用來採集DV或其他影片信號到電腦裏進行編輯、刻錄的板卡硬體。

圖像採集卡是圖像採集部分和圖像處理部分的接口。圖象經過採樣、量化以後轉換為數位圖象並輸入、存儲到幀存儲器的過程,叫做採集。由于圖像信號的傳輸需要很高的傳輸速度,通用的傳輸接口不能滿足要求,因此需要圖像採集卡。圖像採集卡還提供數位I/O的功能。

由于通過高速PCI匯流排可實現直接採集圖象到VGA顯存或主機系統記憶體,這不僅可以使圖象直接採集到VGA,實現單屏工作方式,而且可以利用PC機記憶體的可擴展性,實現所需數量的序列圖象逐幀連續採集,進行序列圖象處理分析。此外,由于圖象可直接採集到主機記憶體,圖象處理可直接在記憶體中進行,因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高,因而使得對主機記憶體的圖象進行並行即時處理成為可能。

影片(Video)是多幅靜止圖像(圖像幀)與連續的音頻信息在時間軸上同步運動的混合媒體,多幀圖像隨時間變化而產生運動感,因此影片也被稱為運動圖像。由此很多時候採集卡,被人們稱為影片採集卡和圖像採集卡。

一般圖像採集卡和其他的1394卡差不多,都是一塊晶片,連結在台式機的PCI擴展槽上,就是顯示卡旁邊的插槽,經過高速PCI匯流排能夠直接採集圖象到VGA顯存或主機系統記憶體,此外不僅可以使圖象直接採集到VGA,實現單屏工作方式,而且可以利用PC機記憶體的可擴展性,實現所需數量的序列圖象逐幀連續採集,進行序列圖象處理分析。此外,由于圖象可直接採集到主機記憶體,圖象處理可直接在記憶體中進行,因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高,因而使得對主機記憶體的圖象進行並行即時處理成為可能。

影片

按照影片的存儲與處理方式不同,可分為模擬影片和數位影片兩種。在高清影片採集錄製方面,圖像採集卡是數位信息化行業快速發展,很多領域對VGA信號採集的要求提高出現的一種高端產品。現在在不論是在工業行業上機器視覺系統套用,還是在教學上,都套用十分廣泛,它綜合許多電腦軟硬體技術,更涉及到圖像處理、人工智慧等多個領域。

影片圖像採集卡是機器視覺系統的重要組成部分,其主要功能是對相機所輸出的影片資料進行即時的採集,並提供與PC的高速接口.採集卡是我們進行影片處理必不可少的硬體設備,是影片數位化合數位化影片編輯後期製作中必不可少的硬體設備。

通過影片採集卡,我們就可以把攝像機拍攝的影片信號從攝像帶上轉存到電腦中,利用相關的影片編輯軟體,對數位化的影片信號進行後期編輯處理,比如剪下畫面,增加濾鐿,字幕和音效,設定轉場效果以及加入各種影片特效等等,最後將編輯完成的影片信號轉換成標準的VCD,DVD以及網上流媒體等格式,方便傳播和儲存.

技術參數

(1) 圖像傳輸格式

格式是影片編輯最重要的一種參數,圖像採集卡需要支持系統中攝像機所採用的輸出信號格式。大多數攝像機採用RS422或EIA644(LVDS)作為輸出信號格式。在數位相機中,IEEE1394,USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛套用。

(2) 圖像格式(像素格式)

黑白圖像:通常情況下,圖像灰度等級可分為256級,即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時,可用10位,12位等來表示。

彩色圖像:彩色圖像可由RGB(YUV)3種色彩組合而成,根據其亮度級別的不同有8-8-8,10-10-10等格式。

(3) 傳輸通道數

當攝像機以較高速率拍攝高解析度圖像時,會產生很高的輸出速率,這一般需要多路信號同時輸出,圖像採集卡應能支持多路輸入。

一般情況下,有1路,2路,4路,8路輸入等。隨出現著科技的不斷發展和行業的不斷需求,路數更多的採集卡也出現在市面上。

(4) 解析度

採集卡能支持的最大點陣反映了其解析度的性能。一般採集卡能支持768*576點陣,而性能優異的採集卡其支持的最大點陣可達64K*64K。單行最大點數和單幀最大行數也可反映採集卡的解析度性能。同三維推出的採集卡能達到1920x1080解析度。

(5) 採樣頻率

採樣頻率反映了採集卡處理圖像的速度和能力。在進行高度圖像採集時,需要註意採集卡的採樣頻率是否滿足要求。目前高檔的採集卡其採樣頻率可達65MHZ。

(6) 傳輸速率

主流圖像採集卡與主機板間都採用PCI接口,其理論傳輸速度為132MB/S。

特點

在電腦上通過圖像採集卡可以接收來自影片輸入端的模擬影片信號,對該信號進行採集、量化成數位信號,然後壓縮編碼成數位影片。大多數圖像採集卡都具備硬體壓縮的功能,在採集影片信號時首先在卡上對影片信號進行壓縮,然後再通過PCI接口把壓縮的影片資料傳送到主機上。一般的PC影片採集卡採用幀內壓縮的演算法把數位化的影片存儲成AVI檔案,高檔一些的影片採集卡還能直接把採集到的數位影片資料即時壓縮成MPEG-1格式的檔案。

由于模擬影片輸入端可以提供不間斷的信息源,影片採集卡要採集模擬影片序列中的每幀圖像,並在採集下一幀圖像之前把這些資料傳入PC系統。因此,實現即時採集的關鍵是每一幀所需的處理時間。如果每幀影片圖像的處理時間超過相鄰兩幀之間的相隔時間,則要出現資料的丟失,也即丟幀現象。採集卡都是把獲取的影片序列先進行壓縮處理,然後再存入硬碟,也就是說影片序列的獲取和壓縮是在一起完成的,免除了再次進行壓縮處理的不便。不同檔次的採集卡具有不同質量的採集壓縮性能。

原理

採集,影片/圖象經過採樣、量化以後轉換為數位圖象並輸入、存儲到幀存儲器的過程。由于圖像信號的傳輸需要很高的傳輸速度,通用的傳輸接口不能滿足要求,因此需要圖像採集卡。

從影片源得到的信號,經過影片接口送到影片採集卡,信號首先進過模數轉換,然後送到數位解碼器解碼。模數轉換器ADC實際上也是一個影片解碼器,可以看出它對來自影片源的影片信號解碼和數位化,另外,採用不同的顏色空間可選擇不同的影片輸入解碼器晶片。

圖像採集卡

影片採集就是將影片源的模擬信號通過處理轉變成數碼信息,並將這些數碼信息存儲在電腦硬碟上的過程。這種模擬數碼轉變是通過影片採集卡上的採集晶片進行的。通常在採集過程,對數碼信息還進行一定形式的即時壓縮處理。

圖像採集卡的信號輸入速率較高時,需要考慮圖像採集卡與圖像處理系統之間的頻寬問題。在使用PC時,圖像採集卡採用PCI接口的理論頻寬峰值為132MB/S。在實際使用中,有可能在傳輸瞬間不能滿足高傳輸率的要求。為了避免與其他PCI設備產生沖突時丟失資料,圖像採集卡上應有資料快取。一般情況下,2MB的板載存儲器可以滿足大部分的任務要求。

1、視野(FOV)或現場是相機及光學系統“看”到的真實世界的具體部分。

2、CCD晶片將光能轉化為電能。

3、相機將此信息以模擬信號的格式輸出至圖像採集卡。

4、AD – 轉換器將模擬信號轉換成 8 位(或多位)的數位信號。每個象素獨立地把光強以灰度值(Gray level)的形式表達。

5、這些光強值從CCD晶片的矩陣中被存儲在記憶體的矩陣資料結構中。

灰度值(Gray Level)—— 象素光強弱信息的表示灰度值為真實世界圖像量化的表現方法。通常灰度值從最黑到最白為0 - 255。光線進入CCD象素,如果光強達到CCD感應的極限,此象素為純白色。對應于記憶體中該象素灰度值為255。如果完全沒有光線進入CCD象素,此象素為純黑色。對應于記憶體中該象素灰度值為0。

分類

圖像採集卡按照影片信號源,可以分為數位採集卡(使用數位接口)和模擬採集卡。

圖像採集卡按照安裝連結方式,可以分為外置採集卡(盒)和內置式板卡

圖像採集卡按照影片壓縮方式,可以分為軟壓卡(消耗CPU資源)和硬壓卡。

圖像採集卡按照影片信號輸入輸出接口,可以分為1394採集卡、USB採集卡、HDMI採集卡、DVI/VGA影片採集卡、PCI影片卡。

圖像採集卡按照其性能作用,可以分為電視卡、圖像採集卡、DV採集卡、電腦影片卡、監控採集卡、多屏卡、流媒體採集卡、分量採集卡、高清採集卡、筆記本採集卡、DVR卡、VCD卡、非線性編輯卡(簡稱非編卡)。

圖像採集卡按照其用途可分為廣播級圖像採集卡,專業級圖像採集卡,民用級圖像採集卡,它們檔次的高低主要是採集圖像的質量不同。他們的區別主要是採集的圖像指標不同。由于現在的VGA圖像採集卡一般都是內置式板卡,也就是在安裝使用時,需要插在PCI擴展槽中。

現在配置的台式電腦主機板中都帶有固定的擴展插槽,其直接與電腦的系統匯流排連線。使用者可以根據自身使用情況增加音效卡、顯示卡、影片採集卡等設備。影片採集卡是連線影片源和電腦的橋梁,所以在採集卡的板卡中都有兩個連線設備,一個是連線影片源的影片接口,比如VGA接口DVI接口USB接口1394接口等。連線電腦採用與主機板相連,一般採用插槽系列或USB接口,而板卡擴展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽 、AGP插槽等。 

由于採用PCI和PCI-E標準,現在的VGA採集卡的採集速率更高,因此也常常被稱為PCI圖像採集卡,由于通過高速PCI匯流排可實現直接採集圖象到VGA顯存或主機系統記憶體,這不僅可以使圖象直接採集到VGA,實現單屏工作方式,而且可以利用PC機記憶體的可擴展性,實現所需數量的序列圖象逐幀連續採集,進行序列圖象處理分析。此外,由于圖象可直接採集到主機記憶體,圖象處理可直接在記憶體中進行,因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高,因而使得對主機記憶體的圖象進行並行即時處理成為可能。

圖像採集

影片圖像採集的方法較多,基本可分為2大類:數位信號採集和模擬信號採集。因此常見的圖像採集卡也有數位採集卡和模擬採集卡、AV+DV二合一採集卡幾種類型。

1、採集模擬影片

1)建立模擬影片採集環境

將模擬影片源(如攝像機,攝像頭,錄像機,VCD機,DVD機等)與裝有影片採集卡的MPC(或者蘋果電腦PowerMac)相連線,構成模擬影片採集的硬體環境.

2)安裝影片採集軟體

3)影片採集

①設定要用的影片源

②從影片源設備播放影片

③由影片採集軟體完成影片採集.

2、採集數位影片

採集數位影片是指利用可連線DV影片信號的IEEE1394接口,完成將數碼攝像機拍攝的DV信號採集到多媒體電腦系統的功能.首先建立一個硬體環境,包括無線傳輸系統。

安裝 IEEEl394(FireWire或i.Link)接口卡,並用連線電纜連線DV攝像機.註意,DV連線電纜的兩端接口不同,一端為4 針連線埠,用于連線數位攝像機,另一端為6針連線埠,用于連線IEEE1394卡.

選裝調節DV攝像機的聲音

輸出的音頻混頻器.

安裝外部揚聲器.

安裝影片處理軟體.

還需要安裝或選配其他軟硬體:

組成

· 影片輸入模組;

· 模數轉換(A/D)模組;

· 時序及採集控製模組;

· 圖像處理模組;

· 匯流排接口及控製模組;

· 輸出及控製模組

圖象速率及採集的計算公式

幀圖像大小(Image Size):W×H(長×寬)---您必須首先了解:需要採集多大的圖象尺寸?

顏色深度∶d(比特數)---希望採集到的圖象顏色(8Bit灰度圖象還是16/24/32Bit真彩色)

幀 速∶f---標準PAL製當然就是25幀,非標準就沒準了!500-1000幀都有可能

數 據 量∶Q(MB)---圖象信號的資料量

採 樣 率∶A(MB)---採集卡的採樣率,通過其產品手冊可知

計算公式∶ Q=W×H×f×d/8

判斷標準∶如果A>Q×1.2,則該採集卡能夠勝任採集工作。

圖像採集卡附加功能

相機觸發功能

燈源控製功能

基本I/O功能

相機復位功能

相機時序輸出功能

圖像採集卡的三種不同工作模式

(1)PLL(Phase Lock Loop)模式:相機向採集卡提供A/D 轉換的時鍾信號,此時鍾信號來自相機輸出的Video 信號,HS 和VS 同步信號可以有三種來源:composite video,composite sync,separate sync;

(2)XTAL 模式:圖像採集卡給相機提供時鍾信號以及HD/VD 信號,並用提供的時鍾信號作為A/D 轉換的時鍾,但同步信號仍可用相機輸出的HS/VS;

(3)VScan 模式:由相機向分別卡提供Pixel Clock 信號、HS 和VS 信號。

基本技術參數

· 輸入接口:數位 ,模擬;

· 灰度等級;

· 解析度

· 頻寬

· 傳輸速率;

套用

在實際使用中,PCI接口的平均傳輸速率為50~90MB/S,有可能在傳輸瞬間不能滿足高傳輸率的要求。為了避免與其他PCI設備產生沖突時丟失資料,圖像採集卡上應有資料快取。一般情況下,2MB的板載存儲器可以滿足大部分的任務要求。

在工業檢測,交通道路,醫學,軍事以及科研等系統中,輸入/輸出的控製很重要。系統中常要根據處理過程的需要來決定攝像機的拍攝時間。如果採用了可重設的攝像機,需要產生重設信號。在一些系統中,由于需要設定拍攝的幀率,應該有像素時鍾發生器。外同步是指不同的影片設備之間用同一同步信號來保證影片信號的同步,它可以保證不同設備輸出的影片信號具有相同的幀行起止時間。為了實現外同步,需要給攝像機輸入一個復契約步信號或復合影片信號。如果圖像採集卡已經具有數位 I/ O功能,能夠產生攝像機和其他電子設備所需的選通、觸發及其他電子信號,對系統是很有用的,否則將需要獨立的數位 I/ O卡。

● 教育課件錄製、多媒體錄播錄像、會議錄製、影片會議,遠程教育培訓

● 大螢幕拼接、電視牆行業、虛擬演播室、虛擬現實、工控、遊戲機等設備

● 安檢X光機、雷達圖像信號、VDR紀錄儀、醫療X光機、CT機、胃腸機、陰道鏡等

● VGA相機、VGA攝像機等VGA信號、RGB信號輸出設備的圖像採集和處理

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