圖像采集存儲系統(tǒng)選擇應(yīng)考慮的幾大要素

作者：時(shí)間：2014-04-23 來源：慧聰電子網(wǎng)

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　　隨著工業(yè)相機(jī)的發(fā)展，圖像的分辨率越來越大，幀率越來越高，接口的類型越來越多樣，以至圖像采集存儲系統(tǒng)的需求也越來越多。所以用戶在選擇圖像采集存儲系統(tǒng)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(tǒng)的各要素展開介紹，方便用戶進(jìn)行選擇。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/245802.htm

　　圖像采集存儲系統(tǒng)的接口類型

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

　　CVBS是CompositeVideoBroadcastSignal的縮寫，中文翻譯為復(fù)合視頻廣播信號。這是最常見的視頻接口，最初在廣播電視領(lǐng)域應(yīng)用，后來很多相機(jī)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(biāo)清模擬視頻信號接口，目前已經(jīng)逐步被數(shù)字視頻信號接口和高清視頻信號接口替換掉。

　　VGA是VideoGraphicsArray的縮寫，是計(jì)算機(jī)的常用模擬輸出接口。常見的分辨率有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。常見的VGA信號的視頻在數(shù)字化后時(shí)鐘主頻一般不超過162MHz，傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)率一般不超過3.7Gbps。

　　DVI是DigitalVisualInterface的縮寫，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，經(jīng)過顯卡的DA轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過顯示器的AD轉(zhuǎn)換后，會有一部分損失，而DVI信號是純數(shù)字接口，沒有信號上的損失。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：165MHz，傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)率一般不超過3.7Gbps。

　　HDMI是HighDefinitionMultimediaInterface的縮寫，是數(shù)字高清多媒體接口。HDMI接口一開始主要應(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)也開始使用HDMI作為信號輸出口。HDMI1.2的最大視頻帶寬為3.96Gbps，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14.4Gbps，隨著時(shí)間的發(fā)展，很多高速相機(jī)也會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)需要移動的話，容易導(dǎo)致信號接觸不良。

　　SDI是SerialDigitalInterface的縮寫，是一種廣播級的高清數(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。

　　Cameralink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。Cameralink包括Base，Medium，F(xiàn)ull三種規(guī)范。CameraLinkBase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。Cameralink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Cameralink又新增加了規(guī)范CameralinkFull+，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CameraLink的4倍，信號協(xié)議與CameraLink兼容，也可稱為CameraLink-HS。CameraLink-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)25Gbit/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)療與安保市場的應(yīng)用。

　　目前在視頻會議領(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足娛樂、欣賞、監(jiān)測等需求，所以圖像經(jīng)過壓縮之后，大部分還能滿足觀看的需求，而圖像一旦經(jīng)過壓縮，數(shù)據(jù)量將大幅減少，比如常見的1080P30的視頻，經(jīng)過H.264算法的壓縮，碼率一般能控制在8Mbps，亦即1MB/s量級，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CameralinkBase接口。而高分辨率的領(lǐng)域，目前使用最廣泛的是SDI和Cameralink接口，目前還推出了HS-LINK、CoaxPress等更高帶寬接口。在這個(gè)領(lǐng)域，對圖像的畫質(zhì)要求非常的高，往往不能對圖像進(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系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)圖像存儲的目的。

　　高速圖像采集存儲系統(tǒng)的架構(gòu)

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

　　基于PC機(jī)的圖像采集存儲系統(tǒng)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(jī)和顯示器組成，PC機(jī)則集成了圖像采集卡、高速存儲卡。常見的高速存儲卡有基于PCIE的固態(tài)盤也有基于SATA的固態(tài)盤。軟件部分一般由圖像采集卡的驅(qū)動程序，圖像采集程序，圖像存儲卡的驅(qū)動程序，圖像存儲卡的數(shù)據(jù)寫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。

　　嵌入式的圖像采集存儲系統(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的硬盤寫入速度，由于ARM上運(yùn)行的linux不是強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以對于需要保證實(shí)時(shí)圖像采集存儲的場合，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，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)品需要通過更換FLASH芯片達(dá)到擴(kuò)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(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，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)格下降的也非常快，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)的圖像采集存儲系統(tǒng)通常適用于科研實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，對設(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υO(shè)備提出了苛刻的要求，國內(nèi)外的一些企業(yè)主要是通過工控計(jì)算機(jī)+定制專用的FLASH存儲板卡的架構(gòu)來滿足該需求，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系統(tǒng)具有體積小，功耗低，能滿足航拍領(lǐng)域特殊的振動要求，在航拍領(lǐng)域廣受歡迎。同時(shí)有些場合，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系統(tǒng)，基于PC機(jī)的圖像采集存儲系統(tǒng)體積大，功耗大，攜帶非常不方便，此時(shí)，也會考慮使用嵌入式的圖像采集存儲系統(tǒng)。

　　拓目科技的高速圖像采集存儲系統(tǒng)

　　拓目科技一直專注于嵌入式的圖像采集存儲系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)，推出了多款嵌入式的圖像采集存儲系統(tǒng)。

　　TMS-F231是基于FLASH架構(gòu)的產(chǎn)品，體積小，早期在軍方機(jī)載領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是需要通過更換FLASH芯片達(dá)到擴(kuò)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(jī)領(lǐng)域，難以滿足格式各樣的需求。為了推動工業(yè)相機(jī)存儲市場的發(fā)展，拓目科技發(fā)布了基于SATA接口的SSD盤存儲系統(tǒng)TMS-S231，隨著消費(fèi)電子的發(fā)展，SSD的單盤容量不斷的擴(kuò)大，價(jià)格不斷的降低，使得TMS-S231得到廣泛的應(yīng)用。隨著存儲帶寬需求的提升，2012年拓目科技發(fā)布了TMS-S531，帶寬能力為TMS-S231的2倍。在國防軍事領(lǐng)域，機(jī)載航空拍攝設(shè)備對存儲組件的體積，功耗，溫度范圍，抗振能力提出了更高的要求。TMS-S231和TMS-S531在工業(yè)領(lǐng)域獲得了一致的認(rèn)可，但是它們均是針對工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，體積相對較大，沒有為高強(qiáng)度的振動環(huán)境做過特殊的處理，于是拓目科技對TMS-S231設(shè)備進(jìn)行重構(gòu)，2013年設(shè)計(jì)了軍品級存儲產(chǎn)品TMS-S231M，不僅重量輕，體積小，功耗低，而且還能滿足機(jī)載領(lǐng)域特殊的振動要求，同時(shí)TMS-S231M集成了管理功能，不需要再配備一臺微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，即可和機(jī)載的其它外設(shè)進(jìn)行通訊。上述幾個(gè)型號均是針對Cameralink接口設(shè)計(jì)的存儲系統(tǒng)，2014年拓目科技將推出TMS-S231C和TMS-S531C，將支持更多的圖像輸入接口，比如SDI接口，HS-LINK接口等，同時(shí)將支持更多的圖像分辨率，從而能滿足更多客戶的需求。下表是拓目科技的嵌入式的圖像采集存儲系統(tǒng)的各種型號：