圖像採集卡

圖像採集卡，其功能是將圖像信號採集到電腦中，以數據文件的形式保存在硬碟上。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視頻信號從攝像帶上轉存到計算機中，利用相關的視頻編輯軟體，對數字化的視頻信號進行後期編輯處理，比如剪切畫面、添加濾鐿、字幕和音效、設置轉場效果以及加入各種視頻特效等等。最後將編輯完成的視頻信號轉換成標準的VCD、DVD以及網上流行媒體等格式，方便傳播。

圖像採集卡用來採集DV或其他視頻信號到電腦里進行編輯、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介面。圖象經過採樣、量化以後轉換為數字圖象並輸入、存儲到幀存儲器的過程，叫做採集。圖像採集卡還提供數字I/O的功能。

視頻(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，因此視頻也被稱為運動圖像。由此很多時候採集卡，被人們稱為視頻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，都是一塊晶元，鏈接在台式機的PCI擴展槽上，就是顯卡旁邊的插槽，經過高速PCI匯流排能夠直接採集圖象到VGA顯存或主機系統內存，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機內存的可擴展性，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，由於圖象可直接採集到主機內存，圖象處理可直接在內存中進行，因此圖象處理的速度隨CPU速度的不斷提高而得到提高，因而使得對主機內存的圖象進行并行實時處理成為可能。

按照視頻的存儲與處理方式不同，可分為模擬視頻和數字視頻兩種。在高清視頻採集錄製方面，圖像採集卡是數字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。在不論是在工業行業上機器視覺系統應用，還是在教學上，都應用十分廣泛，它綜合許多計算機軟硬體技術，更涉及到圖像處理、人工智慧等多個領域。

視頻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視頻數據進行實時的採集，並提供與PC的高速介面。採集卡是我們進行視頻處理必不可少的硬體設備，是視頻數字化合數字化視頻編輯後期製作中必不可少的硬體設備。

(1) 圖像傳輸格式

格式是視頻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。在數字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應用。

(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，需要注意採集卡的採樣頻率是否滿足要求。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板間都採用PCI介面，其理論傳輸速度為132MB/S。

在電腦上通過圖像採集卡可以接收來自視頻輸入端的模擬視頻信號，對該信號進行採集、量化成數字信號，然後壓縮編碼成數字視頻。大多數圖像採集卡都具備硬體壓縮的功能，在採集視頻信號時首先在卡上對視頻信號進行壓縮，然後再通過PCI介面把壓縮的視頻數據傳送到主機上。一般的PC視頻採集卡採用幀內壓縮的演演算法把數字化的視頻存儲成AVI文件，高檔一些的視頻採集卡還能直接把採集到的數字視頻數據實時壓縮成MPEG-1格式的文件。

由於模擬視頻輸入端可以提供不間斷的信息源，視頻採集卡要採集模擬視頻序列中的每幀圖像，並在採集下一幀圖像之前把這些數據傳入PC系統。因此，實現實時採集的關鍵是每一幀所需的處理時間。如果每幀視頻圖像的處理時間超過相鄰兩幀之間的相隔時間，則要出現數據的丟失，也即丟幀現象。採集卡都是把獲取的視頻序列先進行壓縮處理，然後再存入硬碟，也就是說視頻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。

採集，視頻/圖象經過採樣、量化以後轉換為數字圖象並輸入、存儲到幀存儲器的過程。由於圖像信號的傳輸需要很高的傳輸速度，通用的傳輸介面不能滿足要求，因此需要圖像採集卡。

從視頻源得到的信號，經過視頻介面送到視頻採集卡，信號首先經過模數轉換，然後送到數字解碼器解碼。模數轉換器ADC實際上也是一個視頻解碼器，可以看出它對來自視頻源的視頻信號解碼和數字化，另外，採用不同的顏色空間可選擇不同的視頻輸入解碼器晶元。

視頻採集就是將視頻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視頻採集卡上的採集晶元進行的。通常在採集過程，對數碼信息還進行一定形式的實時壓縮處理。

當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帶寬問題。在使用PC時，圖像採集卡採用PCI介面的理論帶寬峰值為132MB/S。

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晶元將光能轉化為電能。

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）的數字信號。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晶元的矩陣中被存儲在內存的矩陣數據結構中。

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。對應於內存中該象素灰度值為255。如果完全沒有光線進入CCD象素，此象素為純黑色。對應於內存中該象素灰度值為0。

圖像採集卡按照視頻信號源，可以分為數字採集卡（使用數字介面）和模擬採集卡。

圖像採集卡按照安裝鏈接方式，可以分為外置採集卡（盒）和內置式板卡。

圖像採集卡按照視頻壓縮方式，可以分為軟壓卡（消耗CPU資源）和硬壓卡。

圖像採集卡按照視頻信號輸入輸出介面，可以分為1394採集卡、USB採集卡、HDMI採集卡、DVI/VGA視頻採集卡、PCI視頻卡。

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、電腦視頻卡、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。由於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。

配置的台式計算機主板中都帶有固定的擴展插槽，其直接與計算機的系統匯流排連接。用戶可以根據自身使用情況增加音效卡、顯卡、視頻採集卡等設備。視頻採集卡是連接視頻源和計算機的橋樑，所以在採集卡的板卡中都有兩個連接設備，一個是連接視頻源的視頻介面，比如VGA介面、DVI介面、USB介面、1394介面等。連接計算機採用與主板相連，一般採用插槽系列或USB介面，而板卡擴展插槽主要有PCI插槽、PCI-E插槽、ISA插槽、AGP插槽等。

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

1、採集模擬視頻

1)建立模擬視頻採集環境

將模擬視頻源(如攝像機，攝像頭，錄像機,VCD機,DVD機等)與裝有視頻採集卡的MPC(或者蘋果電腦PowerMac)相連接，構成模擬視頻採集的硬體環境.

2)安裝視頻採集軟體

3)視頻採集

①設置要用的視頻源

②從視頻源設備播放視頻

③由視頻採集軟體完成視頻採集.

2、採集數字視頻

採集數字視頻是指利用可連接DV視頻信號的IEEE1394介面，完成將數碼攝像機拍攝的DV信號採集到多媒體計算機系統的功能。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)介面卡，並用連接電纜連接DV攝像機。注意,DV連接電纜的兩端介面不同，一端為4 針埠，用於連接數字攝像機，另一端為6針埠，用於連接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.

安裝視頻處理軟體.

還需要安裝或選配其他軟硬體:

· 視頻輸入模塊；

· 模數轉換（A/D）模塊；

· 時序及採集控制模塊；

· 圖像處理模塊；

·匯流排介面及控制模塊；

· 輸出及控制模塊

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制當然就是25幀，非標準就沒準了!500-1000幀都有可能

數 據 量∶Q(MB)---圖象信號的數據量

采 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。

相機觸發功能

燈源控制功能

基本I/O功能

相機複位功能

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 轉換的時鐘信號，此時鐘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鐘信號以及HD/VD 信號，並用提供的時鐘信號作為A/D 轉換的時鐘，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。

·輸入介面：數字，模擬；

·灰度等級；

· 解析度；

·帶寬；

· 傳輸速率；

在實際使用中，PCI介面的平均傳輸速率為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設備產生衝突時丟失數據，圖像採集卡上應有數據緩存。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/輸出的控制很重要。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，由於需要設定拍攝的幀率，應該有像素時鐘發生器。外同步是指不同的視頻設備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可以保證不同設備輸出的視頻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複合同步信號或複合視頻信號。如果圖像採集卡已經具有數字 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字 I/ O卡。

● 教育課件錄製、多媒體錄播錄像、會議錄製、視頻會議，遠程教育培訓

● 大屏幕拼接、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