圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)選擇應(yīng)考慮的幾大要素

　　隨著工業(yè)相機(jī)的發(fā)展，圖像的分辨率越來(lái)越大，幀率越來(lái)越高，接口的類型越來(lái)越多樣，以至圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求也越來(lái)越多。所以用戶在選擇圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮諸多要素。本文章主要針對(duì)圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的各要素展開(kāi)介紹，方便用戶進(jìn)行選擇。

　　圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的接口類型

　　目前常見(jiàn)的相機(jī)輸出接口有CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI、Camera Link、HS-LINK、CoaXPress等。現(xiàn)在對(duì)接口一一介紹：

　　CVBS是Composite Video Broadcast Signal的縮寫(xiě)，中文翻譯為復(fù)合視頻廣播信號(hào)。這是最常見(jiàn)的視頻接口，最初在廣播電視領(lǐng)域應(yīng)用，后來(lái)很多相機(jī)輸出都支持了CVBS接口，CVBS信號(hào)是隔行視頻信號(hào)，分辨率為720x576(PAL制)或者720X480(NTSC制)，CVBS是標(biāo)清模擬視頻信號(hào)接口，目前已經(jīng)逐步被數(shù)字視頻信號(hào)接口和高清視頻信號(hào)接口替換掉。

　　VGA是Video Graphics Array的縮寫(xiě)，是計(jì)算機(jī)的常用模擬輸出接口。常見(jiàn)的分辨率有1024x768、1280x1024、1600x1200。目前一部分工業(yè)相機(jī)也提供這種輸出接口，可以直接接液晶顯示器進(jìn)行顯示監(jiān)看。常見(jiàn)的VGA信號(hào)的視頻在數(shù)字化后時(shí)鐘主頻一般不超過(guò)162MHz，傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)率一般不超過(guò)3.7 Gbps。

　　DVI是Digital Visual Interface的縮寫(xiě)，也是計(jì)算機(jī)的常用輸出接口，該接口是數(shù)字接口，VGA接口輸出的是模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)顯卡的DA轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)顯示器的AD轉(zhuǎn)換后，會(huì)有一部分損失，而DVI信號(hào)是純數(shù)字接口，沒(méi)有信號(hào)上的損失。隨著時(shí)間的發(fā)展，DVI接口在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，目前有部分工業(yè)相機(jī)也提供DVI接口，可以直接接液晶顯示器進(jìn)行顯示監(jiān)看。單口的DVI最大時(shí)鐘頻率：165 MHz ，傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)率一般不超過(guò)3.7 Gbps。

　　HDMI是High Definition Multimedia Interface的縮寫(xiě)，是數(shù)字高清多媒體接口。HDMI接口一開(kāi)始主要應(yīng)用于機(jī)頂盒、媒體播放機(jī)、電視機(jī)、攝像機(jī)輸出等消費(fèi)領(lǐng)域，因?yàn)镠DMI兼容DVI接口，同時(shí)HDMI可以內(nèi)嵌聲音，所以HDMI接口應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)HDMI接口的連接器體積小，現(xiàn)在很多工業(yè)相機(jī)也開(kāi)始使用HDMI作為信號(hào)輸出口。HDMI 1.2的最大視頻帶寬為3.96 Gbps，這在工業(yè)相機(jī)應(yīng)用比較廣泛，但是在消費(fèi)電子領(lǐng)域HDMI目前已經(jīng)發(fā)展到2.0版本，最大視頻帶寬為14.4 Gbps，隨著時(shí)間的發(fā)展，很多高速相機(jī)也會(huì)采用該接口作為圖像輸出口。HDMI接口的最大缺點(diǎn)就是緊固性不好，所以如果相機(jī)需要移動(dòng)的話，容易導(dǎo)致信號(hào)接觸不良。

　　SDI是Serial Digital Interface的縮寫(xiě)，是一種廣播級(jí)的高清數(shù)字輸入和輸出端口，常用于廣播電視的攝像機(jī)接口，SDI接口的傳輸速率上限為2.97Gbps。SDI接口采用和CVBS接口一樣的BNC接口，采用單根銅軸進(jìn)行信號(hào)傳輸，布線施工非常方便，傳輸距離可達(dá)300米，在最初的廣電領(lǐng)域和安防領(lǐng)域非常受歡迎。

　　Camera link標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡之間的接口，采用了統(tǒng)一的物理接插件和線纜定義。Camera link包括Base，Medium，F(xiàn)ull三種規(guī)范。Camera Link Base 使用4 個(gè)數(shù)據(jù)通道，Medium 使用了8個(gè)數(shù)據(jù)通道，F(xiàn)ull使用12個(gè)數(shù)據(jù)通道。Camera link接口的始終速率最快是85MHz，則Base的有效帶寬為2Gbps，Medium的有效帶寬4Gbps，F(xiàn)ull的有效帶寬5.3Gbps。最近Camera link又新增加了規(guī)范Camera link Full+，支持80MHz，傳輸80bit數(shù)據(jù)，帶寬可達(dá)6.4Gbps。

　　HS-LINK接口是由DALSA公司牽頭定義，支持更高速的傳輸帶寬，單一線纜為Camera Link的4倍，信號(hào)協(xié)議與Camera Link兼容，也可稱為Camera Link-HS。Camera Link-HS的最大傳輸帶寬可達(dá)12Gpbs。 CoaXPress該標(biāo)準(zhǔn)容許相機(jī)設(shè)備通過(guò)單根同軸電纜連接到主機(jī)，以高達(dá)6.25G比特/秒的速度傳輸數(shù)據(jù)，4根線纜可達(dá)25 Gbit/s。標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜和帶寬的采用，使得CoaXPress不僅可以引起機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域的興趣，還適合廣泛采用同軸電纜的醫(yī)療與安保市場(chǎng)的應(yīng)用。

　　目前在視頻會(huì)議領(lǐng)域CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI使用最廣泛，在廣播電視領(lǐng)域CVBS、HDMI、SDI使用最廣泛，在安防領(lǐng)域CVBS、SDI使用最廣泛，在上述3個(gè)領(lǐng)域，大部分領(lǐng)域都有圖像采集存儲(chǔ)的需求，這幾個(gè)領(lǐng)域的圖像主要都是滿足娛樂(lè)、欣賞、監(jiān)測(cè)等需求，所以圖像經(jīng)過(guò)壓縮之后，大部分還能滿足觀看的需求，而圖像一旦經(jīng)過(guò)壓縮，數(shù)據(jù)量將大幅減少，比如常見(jiàn)的1080P30的視頻，經(jīng)過(guò)H.264算法的壓縮，碼率一般能控制在8Mbps，亦即1MB/s量級(jí)，數(shù)據(jù)帶寬很小，所以用常規(guī)的嵌入式主控芯片，ARM等即可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的需求，如果并發(fā)路數(shù)很多，則只需要用高性能的ARM系統(tǒng)或者PC系統(tǒng)即可。

　　在工業(yè)領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域，目前標(biāo)清分辨率的相機(jī)大部分為CVBS和Camera link Base接口。而高分辨率的領(lǐng)域，目前使用最廣泛的是SDI和Camera link接口，目前還推出了HS-LINK、Coax Press等更高帶寬接口。在這個(gè)領(lǐng)域，對(duì)圖像的畫(huà)質(zhì)要求非常的高，往往不能對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，相機(jī)輸出的帶寬非常高，所以需要采用高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)的目的。

　　高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的架構(gòu)

　　高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)一般分為兩類，一類是基于PC機(jī)的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，一類是嵌入式的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。

　　基于PC機(jī)的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)一般由硬件部分和采集存儲(chǔ)、回放軟件部分組成。硬件部分一般由一臺(tái)PC機(jī)和顯示器組成，PC機(jī)則集成了圖像采集卡、高速存儲(chǔ)卡。常見(jiàn)的高速存儲(chǔ)卡有基于PCIE的固態(tài)盤(pán)也有基于SATA的固態(tài)盤(pán)。軟件部分一般由圖像采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，圖像采集程序，圖像存儲(chǔ)卡的驅(qū)動(dòng)程序，圖像存儲(chǔ)卡的數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀出程序及圖像回放軟件(播放器軟件)組成。部署在PC機(jī)上的軟件實(shí)時(shí)的把采集到的圖像顯示和存儲(chǔ)。

　　嵌入式的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，一般由ARM+SSD或者FPGA+FLASH或者FPGA+SSD組成，ARM+基于SATA接口的SSD系統(tǒng)相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，但是因?yàn)锳RM的IO吞吐能力一般都不高，所以一般只能保證50-60MB/s的硬盤(pán)寫(xiě)入速度，由于ARM上運(yùn)行的linux不是強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以對(duì)于需要保證實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)的場(chǎng)合，ARM+SSD系統(tǒng)一般不能適用。

　　FPGA+FLASH是早期的嵌入式圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中主流的解決方案，當(dāng)時(shí)單片F(xiàn)LASH的容量一般都不大，如果要支持大容量的存儲(chǔ)，還得用FLASH陣列，F(xiàn)PGA+FLASH架構(gòu)的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以非常靈活，因?yàn)橄到y(tǒng)全部由芯片組成，所以在軍用領(lǐng)域使用的尤其多，但是FPGA+FLASH架構(gòu)的產(chǎn)品需要通過(guò)更換FLASH芯片達(dá)到擴(kuò)容目的，更換容量相對(duì)不那么方便，在目前高速發(fā)展的工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域，難以滿足各式各樣的需求，所以慢慢的就被FPGA+基于SATA接口的SSD架構(gòu)的產(chǎn)品替代。

　　FPGA+SSD的產(chǎn)品采用的是標(biāo)準(zhǔn)SATA接口的固態(tài)盤(pán)，所以在容量的選擇上非常的靈活，同時(shí)基于SATA接口的固態(tài)盤(pán)目前是非常成熟的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品緊跟摩爾定律的發(fā)展，容量擴(kuò)增非常的快，價(jià)格下降的也非?？?，性價(jià)比很高，所以采用FPGA+SSD架構(gòu)的產(chǎn)品要比FPGA+FLASH架構(gòu)的產(chǎn)品性價(jià)比高很多。

　　基于PC機(jī)的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)通常適用于科研實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，對(duì)設(shè)備的體積要求不高，功耗要求不高，主要為科研人員提供相機(jī)采集后的圖像。

　　航空拍攝領(lǐng)域?qū)Υ鎯?chǔ)設(shè)備提出了苛刻的要求，國(guó)內(nèi)外的一些企業(yè)主要是通過(guò)工控計(jì)算機(jī)+定制專用的FLASH存儲(chǔ)板卡的架構(gòu)來(lái)滿足該需求，產(chǎn)品的訂制成本非常的高，同時(shí)采用該架構(gòu)的設(shè)備體積大，功耗大。嵌入式的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)具有體積小，功耗低，能滿足航拍領(lǐng)域特殊的振動(dòng)要求，在航拍領(lǐng)域廣受歡迎。同時(shí)有些場(chǎng)合，需要在戶外用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集實(shí)驗(yàn)，需要攜帶圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，基于PC機(jī)的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)體積大，功耗大，攜帶非常不方便，此時(shí)，也會(huì)考慮使用嵌入式的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。