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   随着工业相机的发展,图像的分辨率越来越大,帧率越来越高,接口的类型越来越多样,以至图像采集存储系统的需求也越来越多。所以用户在选择图像采集存储系统时,需要考虑诸多要素。本文章主要针对图像采集存储系统的各要素展开介绍,方便用户进行选择。


  图像采集存储系统的接口类型

  目前常见的相机输出接口有CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI、CameraLink、HS-LINK、CoaXPress等。现在对接口一一介绍:

  CVBS是CompositeVideoBroadcastSignal的缩写,中文翻译为复合视频广播信号。这是最常见的视频接口,最初在广播电视领域应用,后来很多相机输出都支持了CVBS接口,CVBS信号是隔行视频信号,分辨率为720x576(PAL制)或者720X480(NTSC制),CVBS是标清模拟视频信号接口,目前已经逐步被数字视频信号接口和高清视频信号接口替换掉。

  VGA是VideoGraphicsArray的缩写,是计算机的常用模拟输出接口。常见的分辨率有1024x768、1280x1024、1600x1200。目前一部分工业相机也提供这种输出接口,可以直接接液晶显示器进行显示监看。常见的VGA信号的视频在数字化后时钟主频一般不超过162MHz,传输的图像数据率一般不超过3.7Gbps。

  DVI是DigitalVisualInterface的缩写,也是计算机的常用输出接口,该接口是数字接口,VGA接口输出的是模拟信号,经过显卡的DA转换,再经过显示器的AD转换后,会有一部分损失,而DVI信号是纯数字接口,没有信号上的损失。随着时间的发展,DVI接口在计算机领域越来越广泛,目前有部分工业相机也提供DVI接口,可以直接接液晶显示器进行显示监看。单口的DVI最大时钟频率:165MHz,传输的图像数据率一般不超过3.7Gbps。

  HDMI是HighDefinitionMultimediaInterface的缩写,是数字高清多媒体接口。HDMI接口一开始主要应用于机顶盒、媒体播放机、电视机、摄像机输出等消费领域,因为HDMI兼容DVI接口,同时HDMI可以内嵌声音,所以HDMI接口应用越来越广泛,同时HDMI接口的连接器体积小,现在很多工业相机也开始使用HDMI作为信号输出口。HDMI1.2的最大视频带宽为3.96Gbps,这在工业相机应用比较广泛,但是在消费电子领域HDMI目前已经发展到2.0版本,最大视频带宽为14.4Gbps,随着时间的发展,很多高速相机也会采用该接口作为图像输出口。HDMI接口的最大缺点就是紧固性不好,所以如果相机需要移动的话,容易导致信号接触不良。

  SDI是SerialDigitalInterface的缩写,是一种广播级的高清数字输入和输出端口,常用于广播电视的摄像机接口,SDI接口的传输速率上限为2.97Gbps。SDI接口采用和CVBS接口一样的BNC接口,采用单根铜轴进行信号传输,布线施工非常方便,传输距离可达300米,在最初的广电领域和安防领域非常受欢迎。

  Cameralink标准规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口,采用了统一的物理接插件和线缆定义。Cameralink包括Base,Medium,Full三种规范。CameraLinkBase使用4个数据通道,Medium使用了8个数据通道,Full使用12个数据通道。Cameralink接口的始终速率最快是85MHz,则Base的有效带宽为2Gbps,Medium的有效带宽4Gbps,Full的有效带宽5.3Gbps。最近Cameralink又新增加了规范CameralinkFull+,支持80MHz,传输80bit数据,带宽可达6.4Gbps。

  HS-LINK接口是由DALSA公司牵头定义,支持更高速的传输带宽,单一线缆为CameraLink的4倍,信号协议与CameraLink兼容,也可称为CameraLink-HS。CameraLink-HS的最大传输带宽可达12Gpbs。

  CoaXPress该标准容许相机设备通过单根同轴电缆连接到主机,以高达6.25G比特/秒的速度传输数据,4根线缆可达25Gbit/s。标准同轴电缆和带宽的采用,使得CoaXPress不仅可以引起机器视觉应用领域的兴趣,还适合广泛采用同轴电缆的医疗与安保市场的应用。

  目前在视频会议领域CVBS、VGA、DVI、HDMI、SDI使用最广泛,在广播电视领域CVBS、HDMI、SDI使用最广泛,在安防领域CVBS、SDI使用最广泛,在上述3个领域,大部分领域都有图像采集存储的需求,这几个领域的图像主要都是满足娱乐、欣赏、监测等需求,所以图像经过压缩之后,大部分还能满足观看的需求,而图像一旦经过压缩,数据量将大幅减少,比如常见的1080P30的视频,经过H.264算法的压缩,码率一般能控制在8Mbps,亦即1MB/s量级,数据带宽很小,所以用常规的嵌入式主控芯片,ARM等即可实现存储的需求,如果并发路数很多,则只需要用高性能的ARM系统或者PC系统即可。

  在工业领域和军用领域,目前标清分辨率的相机大部分为CVBS和CameralinkBase接口。而高分辨率的领域,目前使用最广泛的是SDI和Cameralink接口,目前还推出了HS-LINK、CoaxPress等更高带宽接口。在这个领域,对图像的画质要求非常的高,往往不能对图像进行压缩,相机输出的带宽非常高,所以需要采用高速图像采集存储系统来实现图像存储的目的。

  高速图像采集存储系统的架构

  高速图像采集存储系统一般分为两类,一类是基于PC机的图像采集存储系统,一类是嵌入式的图像采集存储系统。

  基于PC机的图像采集存储系统一般由硬件部分和采集存储、回放软件部分组成。硬件部分一般由一台PC机和显示器组成,PC机则集成了图像采集卡、高速存储卡。常见的高速存储卡有基于PCIE的固态盘也有基于SATA的固态盘。软件部分一般由图像采集卡的驱动程序,图像采集程序,图像存储卡的驱动程序,图像存储卡的数据写入和读出程序及图像回放软件(播放器软件)组成。部署在PC机上的软件实时的把采集到的图像显示和存储。

  嵌入式的图像采集存储系统,一般由ARM+SSD或者FPGA+FLASH或者FPGA+SSD组成,ARM+基于SATA接口的SSD系统相对比较容易实现,但是因为ARM的IO吞吐能力一般都不高,所以一般只能保证50-60MB/s的硬盘写入速度,由于ARM上运行的linux不是强实时操作系统,所以对于需要保证实时图像采集存储的场合,ARM+SSD系统一般不能适用。

  FPGA+FLASH是早期的嵌入式图像采集存储系统中主流的解决方案,当时单片FLASH的容量一般都不大,如果要支持大容量的存储,还得用FLASH阵列,FPGA+FLASH架构的产品,结构的设计可以非常灵活,因为系统全部由芯片组成,所以在军用领域使用的尤其多,但是FPGA+FLASH架构的产品需要通过更换FLASH芯片达到扩容目的,更换容量相对不那么方便,在目前高速发展的工业相机领域,难以满足各式各样的需求,所以慢慢的就被FPGA+基于SATA接口的SSD架构的产品替代。

  FPGA+SSD的产品采用的是标准SATA接口的固态盘,所以在容量的选择上非常的灵活,同时基于SATA接口的固态盘目前是非常成熟的标准产品,这种标准产品紧跟摩尔定律的发展,容量扩增非常的快,价格下降的也非常快,性价比很高,所以采用FPGA+SSD架构的产品要比FPGA+FLASH架构的产品性价比高很多。

  基于PC机的图像采集存储系统通常适用于科研实验室的环境,对设备的体积要求不高,功耗要求不高,主要为科研人员提供相机采集后的图像。

  航空拍摄领域对存储设备提出了苛刻的要求,国内外的一些企业主要是通过工控计算机+定制专用的FLASH存储板卡的架构来满足该需求,产品的订制成本非常的高,同时采用该架构的设备体积大,功耗大。嵌入式的图像采集存储系统具有体积小,功耗低,能满足航拍领域特殊的振动要求,在航拍领域广受欢迎。同时有些场合,需要在户外用工业相机进行图像采集实验,需要携带图像采集存储系统,基于PC机的图像采集存储系统体积大,功耗大,携带非常不方便,此时,也会考虑使用嵌入式的图像采集存储系统。

  拓目科技的高速图像采集存储系统

  拓目科技一直专注于嵌入式的图像采集存储系统的研发和生产,推出了多款嵌入式的图像采集存储系统。

  TMS-F231是基于FLASH架构的产品,体积小,早期在军方机载领域应用广泛,但是需要通过更换FLASH芯片达到扩容目的,更换容量相对不那么方便,在目前高速发展的工业相机领域,难以满足格式各样的需求。为了推动工业相机存储市场的发展,拓目科技发布了基于SATA接口的SSD盘存储系统TMS-S231,随着消费电子的发展,SSD的单盘容量不断的扩大,价格不断的降低,使得TMS-S231得到广泛的应用。随着存储带宽需求的提升,2012年拓目科技发布了TMS-S531,带宽能力为TMS-S231的2倍。在国防军事领域,机载航空拍摄设备对存储组件的体积,功耗,温度范围,抗振能力提出了更高的要求。TMS-S231和TMS-S531在工业领域获得了一致的认可,但是它们均是针对工业领域设计的,体积相对较大,没有为高强度的振动环境做过特殊的处理,于是拓目科技对TMS-S231设备进行重构,2013年设计了军品级存储产品TMS-S231M,不仅重量轻,体积小,功耗低,而且还能满足机载领域特殊的振动要求,同时TMS-S231M集成了管理功能,不需要再配备一台微型计算机进行管理,即可和机载的其它外设进行通讯。上述几个型号均是针对Cameralink接口设计的存储系统,2014年拓目科技将推出TMS-S231C和TMS-S531C,将支持更多的图像输入接口,比如SDI接口,HS-LINK接口等,同时将支持更多的图像分辨率,从而能满足更多客户的需求。下表是拓目科技的嵌入式的图像采集存储系统的各种型号:

  总结下拓目科技嵌入式的图像采集存储系统的产品特点:

  1.独立工作,不需要计算机控制即可实现信号采集和信号存储

  2.采用业界领先的掉电保护技术,令您的数据安全无忧

  3.性能卓越,拥有单盘高达250MB/s的写带宽,目前可支持4个盘位

  4.单盘8GB~1TB大容量可选,存储容量大小也可以根据用户需求定制

  5.支持CameraLink视频输入接口和其它定制的视频输入接口

  6.支持RS422接口,可以接受外设进行飞行参数设置

  7.支持LVDS差分触发信号

  8.板载军品级SSD盘,满足零下40度至零上70度的温度要求

  9.支持千兆以太网下载或浏览

  10.满足各种恶劣环境应用要求,能在高温度或者超低温度、多灰尘、高海拔、强振动等应用场合下正常使用。

  随着对行业理解的加深和技术储备的深入,拓目科技将会为图像采集存储领域推出更多完整的产品级解决方案。 

 

 

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