如何根據相機來(lái)選擇相應的(de)圖像采集卡

Data  Flow analysis (數據流分析)

評估一(yī / yì ／yí)個(gè)基于(yú)PC的(de)工業圖像采集系統運行速度并不(bù)是(shì)簡單的(de)任務。此篇文章的(de)目的(de)是(shì)使大(dà)家能夠正确選擇出(chū)配合使用的(de)相機和(hé / huò)圖像采集卡。

需要(yào / yāo)考慮的(de)三個(gè)要(yào / yāo)素：(1) 相機 (2) 圖像采集卡 (3)PC

圖1所示，Front-end data flow（前端數據流）指的(de)是(shì)相機傳送數據到(dào)圖像采集卡内部幀緩沖存儲的(de)視頻數據的(de)速率。

Back-end data flow(後端數據流)指的(de)是(shì)從圖像采集卡的(de)内部緩沖區中提取數據，最終儲存到(dào)PC的(de)内存緩沖區。

數據流進入圖像采集卡和(hé / huò)從采集卡到(dào)PC的(de)内存緩沖區的(de)速率不(bù)應超過圖像采集卡的(de)吞吐量。後端數據流的(de)吞吐量不(bù)應超過PCI總線的(de)有效帶寬。

一(yī / yì ／yí)、關于(yú)Front-enddata flow（前端數據流）

（1）前端數據的(de)峰值數據流量

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)計算前端數據流的(de)峰值數據流量，使用相機的(de)像素時(shí)鍾(Data Clock Speed)乘以(yǐ)Tap（數據傳輸通道(dào)）來(lái)表示，Tap 結構如下表所示：

當相機的(de)像素組成部分的(de)編碼超過8bit（Single-W型），它們将被保存到(dào)一(yī / yì ／yí)個(gè)double byte的(de)幀緩沖區中，相應相機的(de)傳送數據的(de)有效數據流量增加一(yī / yì ／yí)倍。

例如：
一(yī / yì ／yí)個(gè)白攝像機（Dual-W），Data Clock Speed是(shì)40 MHz數據時(shí)鍾。從表1-1可以(yǐ)看出(chū)Tap structure 爲(wéi / wèi)Dual-W的(de)時(shí)候，其Mulitplier爲(wéi / wèi)4，所以(yǐ)前端的(de)峰值數據流量爲(wéi / wèi)160MByte/S。

(2) Front-end average data flow（前端平均數據流量）

在(zài)傳輸有效的(de)視頻信号的(de)過程中，數據傳輸率可達到(dào)峰值數據傳輸速率。
    一(yī / yì ／yí)個(gè)視頻信号不(bù)斷的(de)以(yǐ)峰值數據傳輸速率将視頻數據傳送出(chū)去。在(zài)隔行掃描中，奇行的(de)數據傳送出(chū)去，而(ér)偶行的(de)數據要(yào / yāo)等下一(yī / yì ／yí)次才傳送出(chū)去，所以(yǐ)在(zài)同一(yī / yì ／yí)個(gè)周期内，偶行中的(de)數據不(bù)需要(yào / yāo)傳送，因此，前端平均數據流量在(zài)一(yī / yì ／yí)段相當長的(de)時(shí)間内數據傳輸率比峰值數據流量低。

①   計算線掃描相機的(de)前端平均數據流

圖像傳感器的(de)尺寸爲(wéi / wèi)H （H爲(wéi / wèi)有效像素，單位爲(wéi / wèi)Pixel），B爲(wéi / wèi)所需的(de)字節數來(lái)存儲一(yī / yì ／yí)個(gè)像素（單位爲(wéi / wèi)Byte）,F爲(wéi / wèi)線陣相機的(de)線率單位爲(wéi / wèi)Hz ,則前端平均數據流爲(wéi / wèi)H×B×F。

例如：

       一(yī / yì ／yí)個(gè)2048像素，Single-W型的(de)相機，其LineRate（線率）爲(wéi / wèi)15kHz，即

       H = 2048, B = 2Byte/Pixel , F = 15,000Hz

       所以(yǐ)，前端平均數據流 = 2048 × 2 × 15000 =61,440,000Byte/S = 61.44MByte/S。

②   計算面陣掃描相機的(de)前端平均數據流

圖像傳感器的(de)尺寸爲(wéi / wèi)H × V（H爲(wéi / wèi)水平有效像素，V爲(wéi / wèi)垂直有效像素，單位爲(wéi / wèi)Pixel），B爲(wéi / wèi)所需的(de)字節數來(lái)存儲一(yī / yì ／yí)個(gè)像素（單位爲(wéi / wèi)Byte）,FR爲(wéi / wèi)面陣相機的(de)幀率單位爲(wéi / wèi)fps,則前端平均數據流爲(wéi / wèi)H×V×B×FR。

例如：

一(yī / yì ／yí)個(gè)2048×1024像素，Single-W型的(de)相機，其幀率爲(wéi / wèi)25fps，即

       H = 2048, V = 1024 ,B= 2 Byte/Pixel , FR = 25fps

所以(yǐ)，前端平均數據流 = 2048 ×1024 × 2 × 25 =104,857,600Byte/S =105MByte/S。

二、PCI Data flow(PCI 數據流)

(1) PCI available bandwidth(PCI 有效帶寬)

PCI的(de)有效帶寬取決于(yú)所用電腦的(de)PCI總線，下表顯示的(de)是(shì)實際帶寬，所有連接到(dào)總線上(shàng)的(de)設備的(de)同步數據流量之(zhī)和(hé / huò)小于(yú)有效帶寬。

(2) PCIdelivery bandwidth（PCI 傳輸帶寬）

三、Back-end data flow(後端數據流)

要(yào / yāo)實現平衡隻需後端數據流率等于(yú)前端平均數據流量。這(zhè)就(jiù)保證了(le／liǎo)圖像采集卡上(shàng)的(de)FIFO不(bù)會溢出(chū)。

若是(shì)闆卡上(shàng)有幾個(gè)通道(dào)來(lái)接相機，需要(yào / yāo)考慮當所有通道(dào)都接相機的(de)時(shí)候，能夠保證後端數據流的(de)總和(hé / huò)要(yào / yāo)小于(yú)PCI的(de)有效帶寬。

四、Frame buffer throughput（圖像采集卡上(shàng)的(de)幀緩存區的(de)吞吐量）

數據流進入圖像采集卡和(hé / huò)從采集卡到(dào)PC的(de)内存緩沖區的(de)速率不(bù)應超過圖像采集卡的(de)吞吐量。後端數據流的(de)吞吐量不(bù)應超過PCI總線的(de)有效帶寬。

幀緩沖區的(de)實際吞吐量爲(wéi / wèi)理論吞吐量的(de)85％。

Frame bufferperformance

Grablink Value incorporates an 8 Mbytes frame buffer implementedby a 2 M x 32 SDRAM (Synchronous DRAM) clocked at 80 MHz. This provides atheoretical memory throughput of 320 Mbytes/s.

例如：

一(yī / yì ／yí)塊Grablink Expert2的(de)闆卡接兩款高端的(de)CameraLink 相機，并且同時(shí)對兩顆相機進行操作。

這(zhè)個(gè)應用需要(yào / yāo)相機A的(de)前端平均數據流速率爲(wéi / wèi)62 Mbytes/s,相機B的(de)前端平均數據流速率爲(wéi / wèi)105 Mbytes/s。此應用需要(yào / yāo)獲取和(hé / huò)存儲到(dào)PC内存中時(shí)不(bù)會出(chū)現延遲現象，因此需要(yào / yāo)每個(gè)通道(dào)的(de)後端數據流等于(yú)平均前端數據流。

将所有流量統計如表1-4所示:

通過表1-5可知，在(zài)做采集圖像的(de)同時(shí)将采集到(dào)的(de)圖像保存到(dào)PC内存中，總共的(de)數據量爲(wéi / wèi)334MByte/S,而(ér)Grablink Expert2的(de)幀緩存區實際吞吐量爲(wéi / wèi)680MByte/S,同時(shí)要(yào / yāo)保證後端數據流速度要(yào / yāo)比PCI有效帶寬小，這(zhè)樣将圖像存儲到(dào)内存中才不(bù)會丢失。從表1-4我們可以(yǐ)知道(dào)後端數據流爲(wéi / wèi)167MByte/S，如果主機的(de)PCI總線擁有64bits 33Mhz或32bits 64Mhz（這(zhè)種情況下PCI的(de)傳輸帶寬爲(wéi / wèi) 180MByte見表1-3所示），累計的(de)後端數據流爲(wéi / wèi)167MByte/s，有足夠的(de)傳送帶寬來(lái)将圖像存儲到(dào)内存中。所以(yǐ)此卡，可滿足上(shàng)述的(de)應用。

總結：

在(zài)根據相機來(lái)選擇相應闆卡的(de)時(shí)候，需要(yào / yāo)注意以(yǐ)下幾項：

1、  The data clock Frequency for Camera不(bù)能超過66MHz

2、  前端數據的(de)峰值數據流量不(bù)能大(dà)于(yú)闆卡的(de)幀緩存的(de)實際吞吐量

3、  前端平均數據流和(hé / huò)後端數據流的(de)速率之(zhī)和(hé / huò)不(bù)能超過圖像采集卡幀緩存區的(de)實際吞吐量。

4、  後端數據流速率和(hé / huò)不(bù)能大(dà)于(yú)PCI傳輸帶寬。

5、  計算機上(shàng)所有闆卡的(de)後端數據流速率和(hé / huò)不(bù)能大(dà)于(yú)PCI的(de)有效帶寬。