圖像采集存儲系統選擇應考慮的幾大要素

　　隨著(zhù)工業(yè)相機的發(fā)展，圖像的分辨率越來(lái)越大，幀率越來(lái)越高，接口的類(lèi)型越來(lái)越多樣，以至圖像采集存儲系統的需求也越來(lái)越多。所以用戶(hù)在選擇圖像采集存儲系統時(shí)，需要考慮諸多要素。本文章主要針對圖像采集存儲系統的各要素展開(kāi)介紹，方便用戶(hù)進(jìn)行選擇。

　　圖像采集存儲系統的接口類(lèi)型

　　目前常見(jiàn)的相機輸出接口有CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI、Camera Link、HS-LINK、CoaXPress等?，F在對接口一一介紹：

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

　　VGA是Video Graphics Array的縮寫(xiě)，是計算機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)行顯示監看。常見(jiàn)的VGA信號的視頻在數字化后時(shí)鐘主頻一般不超過(guò)162MHz，傳輸的圖像數據率一般不超過(guò)3.7 Gbps。

　　DVI是Digital Visual Interface的縮寫(xiě)，也是計算機的常用輸出接口，該接口是數字接口，VGA接口輸出的是模擬信號，經(jīng)過(guò)顯卡的DA轉換，再經(jīng)過(guò)顯示器的AD轉換后，會(huì )有一部分損失，而DVI信號是純數字接口，沒(méi)有信號上的損失。隨著(zhù)時(shí)間的發(fā)展，DVI接口在計算機領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，目前有部分工業(yè)相機也提供DVI接口，可以直接接液晶顯示器進(jìn)行顯示監看。單口的DVI最大時(shí)鐘頻率：165 MHz ，傳輸的圖像數據率一般不超過(guò)3.7 Gbps。

　　HDMI是High Definition Multimedia Interface的縮寫(xiě)，是數字高清多媒體接口。HDMI接口一開(kāi)始主要應用于機頂盒、媒體播放機、電視機、攝像機輸出等消費領(lǐng)域，因為HDMI兼容DVI接口，同時(shí)HDMI可以?xún)惹堵曇?，所以HDMI接口應用越來(lái)越廣泛，同時(shí)HDMI接口的連接器體積小，現在很多工業(yè)相機也開(kāi)始使用HDMI作為信號輸出口。HDMI 1.2的最大視頻帶寬為3.96 Gbps，這在工業(yè)相機應用比較廣泛，但是在消費電子領(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(zhù)時(shí)間的發(fā)展，很多高速相機也會(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，所以如果相機需要移動(dòng)的話(huà)，容易導致信號接觸不良。

　　SDI是Serial Digital Interface的縮寫(xiě)，是一種廣播級的高清數字輸入和輸出端口，常用于廣播電視的攝像機接口，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)行信號傳輸，布線(xiàn)施工非常方便，傳輸距離可達300米，在最初的廣電領(lǐng)域和安防領(lǐng)域非常受歡迎。

　　Camera link標準規范了數字攝像機和圖像采集卡之間的接口，采用了統一的物理接插件和線(xiàn)纜定義。Camera link包括Base，Medium，Full三種規范。Camera Link Base 使用4 個(gè)數據通道，Medium 使用了8個(gè)數據通道，Full使用12個(gè)數據通道。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，Full的有效帶寬5.3Gbps。最近Camera link又新增加了規范Camera link Full+，支持80MHz，傳輸80bit數據，帶寬可達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(xiàn)纜為Camera Link的4倍，信號協(xié)議與Camera Link兼容，也可稱(chēng)為Camera Link-HS。Camera Link-HS的最大傳輸帶寬可達12Gpbs。 CoaXPress該標準容許相機設備通過(guò)單根同軸電纜連接到主機，以高達6.25G比特/秒的速度傳輸數據，4根線(xiàn)纜可達25 Gbit/s。標準同軸電纜和帶寬的采用，使得CoaXPress不僅可以引起機器視覺(jué)應用領(lǐng)域的興趣，還適合廣泛采用同軸電纜的醫療與安保市場(chǎng)的應用。

　　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的需求，這幾個(gè)領(lǐng)域的圖像主要都是滿(mǎn)足娛樂(lè )、欣賞、監測等需求，所以圖像經(jīng)過(guò)壓縮之后，大部分還能滿(mǎn)足觀(guān)看的需求，而圖像一旦經(jīng)過(guò)壓縮，數據量將大幅減少，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，數據帶寬很小，所以用常規的嵌入式主控芯片，ARM等即可實(shí)現存儲的需求，如果并發(fā)路數很多，則只需要用高性能的ARM系統或者PC系統即可。

　　在工業(yè)領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域，目前標清分辨率的相機大部分為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，對圖像的畫(huà)質(zhì)要求非常的高，往往不能對圖像進(jìn)行壓縮，相機輸出的帶寬非常高，所以需要采用高速圖像采集存儲系統來(lái)實(shí)現圖像存儲的目的。

　　高速圖像采集存儲系統的架構

　　高速圖像采集存儲系統一般分為兩類(lèi)，一類(lèi)是基于PC機的圖像采集存儲系統，一類(lèi)是嵌入式的圖像采集存儲系統。

　　基于PC機的圖像采集存儲系統一般由硬件部分和采集存儲、回放軟件部分組成。硬件部分一般由一臺PC機和顯示器組成，PC機則集成了圖像采集卡、高速存儲卡。常見(jiàn)的高速存儲卡有基于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動(dòng)程序，圖像采集程序，圖像存儲卡的驅動(dòng)程序，圖像存儲卡的數據寫(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機上的軟件實(shí)時(shí)的把采集到的圖像顯示和存儲。

　　嵌入式的圖像采集存儲系統，一般由ARM+SSD或者FPGA+FLASH或者FPGA+SSD組成，ARM+基于SATA接口的SSD系統相對比較容易實(shí)現，但是因為ARM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A(yíng)RM上運行的linux不是強實(shí)時(shí)操作系統，所以對于需要保證實(shí)時(shí)圖像采集存儲的場(chǎng)合，ARM+SSD系統一般不能適用。

　　FPGA+FLASH是早期的嵌入式圖像采集存儲系統中主流的解決方案，當時(shí)單片FLASH的容量一般都不大，如果要支持大容量的存儲，還得用FLASH陣列，FPGA+FLASH架構的產(chǎn)品，結構的設計可以非常靈活，因為系統全部由芯片組成，所以在軍用領(lǐng)域使用的尤其多，但是FPGA+FLASH架構的產(chǎn)品需要通過(guò)更換FLASH芯片達到擴容目的，更換容量相對不那么方便，在目前高速發(fā)展的工業(yè)相機領(lǐng)域，難以滿(mǎn)足各式各樣的需求，所以慢慢的就被FPGA+基于SATA接口的SSD架構的產(chǎn)品替代。

　　FPGA+SSD的產(chǎn)品采用的是標準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準產(chǎn)品，這種標準產(chǎn)品緊跟摩爾定律的發(fā)展，容量擴增非常的快，價(jià)格下降的也非?？?，性?xún)r(jià)比很高，所以采用FPGA+SSD架構的產(chǎn)品要比FPGA+FLASH架構的產(chǎn)品性?xún)r(jià)比高很多。

　　基于PC機的圖像采集存儲系統通常適用于科研實(shí)驗室的環(huán)境，對設備的體積要求不高，功耗要求不高，主要為科研人員提供相機采集后的圖像。

　　航空拍攝領(lǐng)域對存儲設備提出了苛刻的要求，國內外的一些企業(yè)主要是通過(guò)工控計算機+定制專(zhuān)用的FLASH存儲板卡的架構來(lái)滿(mǎn)足該需求，產(chǎn)品的訂制成本非常的高，同時(shí)采用該架構的設備體積大，功耗大。嵌入式的圖像采集存儲系統具有體積小，功耗低，能滿(mǎn)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(hù)外用工業(yè)相機進(jìn)行圖像采集實(shí)驗，需要攜帶圖像采集存儲系統，基于PC機的圖像采集存儲系統體積大，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系統。