Data  Flow analysis (數(shù)據(jù)流分析)

評估一個(gè)基于PC的工業(yè)圖像采集系統(tǒng)運(yùn)行速度并不是簡單的任務(wù)。此篇文章的目的是使大家能夠正確選擇出配合使用的相機(jī)和圖像采集卡。

需要考慮的三個(gè)要素：(1) 相機(jī) (2) 圖像采集卡 (3)PC

圖1所示，F(xiàn)ront-end data flow（前端數(shù)據(jù)流）指的是相機(jī)傳送數(shù)據(jù)到圖像采集卡內(nèi)部幀緩沖存儲的視頻數(shù)據(jù)的速率。

Back-end data flow(后端數(shù)據(jù)流)指的是從圖像采集卡的內(nèi)部緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)，最終儲存到PC的內(nèi)存緩沖區(qū)。

數(shù)據(jù)流進(jìn)入圖像采集卡和從采集卡到PC的內(nèi)存緩沖區(qū)的速率不應(yīng)超過圖像采集卡的吞吐量。后端數(shù)據(jù)流的吞吐量不應(yīng)超過PCI總線的有效帶寬。

一、關(guān)于Front-enddata flow（前端數(shù)據(jù)流）

（1）前端數(shù)據(jù)的峰值數(shù)據(jù)流量

為了計(jì)算前端數(shù)據(jù)流的峰值數(shù)據(jù)流量，使用相機(jī)的像素時(shí)鐘(Data Clock Speed)乘以Tap（數(shù)據(jù)傳輸通道）來表示，Tap 結(jié)構(gòu)如下表所示：

當(dāng)相機(jī)的像素組成部分的編碼超過8bit（Single-W型），它們將被保存到一個(gè)double byte的幀緩沖區(qū)中，相應(yīng)相機(jī)的傳送數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)流量增加一倍。

例如：
一個(gè)白攝像機(jī)（Dual-W），Data Clock Speed是40 MHz數(shù)據(jù)時(shí)鐘。從表1-1可以看出Tap structure 為Dual-W的時(shí)候，其Mulitplier為4，所以前端的峰值數(shù)據(jù)流量為160MByte/S。

(2) Front-end average data flow（前端平均數(shù)據(jù)流量）

在傳輸有效的視頻信號的過程中，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到峰值數(shù)據(jù)傳輸速率。
    一個(gè)視頻信號不斷的以峰值數(shù)據(jù)傳輸速率將視頻數(shù)據(jù)傳送出去。在隔行掃描中，奇行的數(shù)據(jù)傳送出去，而偶行的數(shù)據(jù)要等下一次才傳送出去，所以在同一個(gè)周期內(nèi)，偶行中的數(shù)據(jù)不需要傳送，因此，前端平均數(shù)據(jù)流量在一段相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸率比峰值數(shù)據(jù)流量低。

①   計(jì)算線掃描相機(jī)的前端平均數(shù)據(jù)流

圖像傳感器的尺寸為H （H為有效像素，單位為Pixel），B為所需的字節(jié)數(shù)來存儲一個(gè)像素（單位為Byte）,F為線陣相機(jī)的線率單位為Hz ,則前端平均數(shù)據(jù)流為H×B×F。

例如：

       一個(gè)2048像素，Single-W型的相機(jī)，其LineRate（線率）為15kHz，即

       H = 2048, B = 2Byte/Pixel , F = 15,000Hz

       所以，前端平均數(shù)據(jù)流 = 2048 × 2 × 15000 =61,440,000Byte/S = 61.44MByte/S。

②   計(jì)算面陣掃描相機(jī)的前端平均數(shù)據(jù)流

圖像傳感器的尺寸為H × V（H為水平有效像素，V為垂直有效像素，單位為Pixel），B為所需的字節(jié)數(shù)來存儲一個(gè)像素（單位為Byte）,FR為面陣相機(jī)的幀率單位為fps,則前端平均數(shù)據(jù)流為H×V×B×FR。

例如：

一個(gè)2048×1024像素，Single-W型的相機(jī)，其幀率為25fps，即

       H = 2048, V = 1024 ,B= 2 Byte/Pixel , FR = 25fps

所以，前端平均數(shù)據(jù)流 = 2048 ×1024 × 2 × 25 =104,857,600Byte/S =105MByte/S。

二、PCI Data flow(PCI 數(shù)據(jù)流)

(1) PCI available bandwidth(PCI 有效帶寬)

PCI的有效帶寬取決于所用電腦的PCI總線，下表顯示的是實(shí)際帶寬，所有連接到總線上的設(shè)備的同步數(shù)據(jù)流量之和小于有效帶寬。

(2) PCIdelivery bandwidth（PCI 傳輸帶寬）

三、Back-end data flow(后端數(shù)據(jù)流)

要實(shí)現(xiàn)平衡只需后端數(shù)據(jù)流率等于前端平均數(shù)據(jù)流量。這就保證了圖像采集卡上的FIFO不會溢出。

若是板卡上有幾個(gè)通道來接相機(jī)，需要考慮當(dāng)所有通道都接相機(jī)的時(shí)候，能夠保證后端數(shù)據(jù)流的總和要小于PCI的有效帶寬。

四、Frame buffer throughput（圖像采集卡上的幀緩存區(qū)的吞吐量）

數(shù)據(jù)流進(jìn)入圖像采集卡和從采集卡到PC的內(nèi)存緩沖區(qū)的速率不應(yīng)超過圖像采集卡的吞吐量。后端數(shù)據(jù)流的吞吐量不應(yīng)超過PCI總線的有效帶寬。

幀緩沖區(qū)的實(shí)際吞吐量為理論吞吐量的85％。

Frame bufferperformance

Grablink Value incorporates an 8 Mbytes frame buffer implementedby a 2 M x 32 SDRAM (Synchronous DRAM) clocked at 80 MHz. This provides atheoretical memory throughput of 320 Mbytes/s.

例如：

一塊Grablink Expert2的板卡接兩款高端的CameraLink 相機(jī)，并且同時(shí)對兩顆相機(jī)進(jìn)行操作。

這個(gè)應(yīng)用需要相機(jī)A的前端平均數(shù)據(jù)流速率為62 Mbytes/s,相機(jī)B的前端平均數(shù)據(jù)流速率為105 Mbytes/s。此應(yīng)用需要獲取和存儲到PC內(nèi)存中時(shí)不會出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，因此需要每個(gè)通道的后端數(shù)據(jù)流等于平均前端數(shù)據(jù)流。

將所有流量統(tǒng)計(jì)如表1-4所示:

通過表1-5可知，在做采集圖像的同時(shí)將采集到的圖像保存到PC內(nèi)存中，總共的數(shù)據(jù)量為334MByte/S,而Grablink Expert2的幀緩存區(qū)實(shí)際吞吐量為680MByte/S,同時(shí)要保證后端數(shù)據(jù)流速度要比PCI有效帶寬小，這樣將圖像存儲到內(nèi)存中才不會丟失。從表1-4我們可以知道后端數(shù)據(jù)流為167MByte/S，如果主機(jī)的PCI總線擁有64bits 33Mhz或32bits 64Mhz（這種情況下PCI的傳輸帶寬為 180MByte見表1-3所示），累計(jì)的后端數(shù)據(jù)流為167MByte/s，有足夠的傳送帶寬來將圖像存儲到內(nèi)存中。所以此卡，可滿足上述的應(yīng)用。

總結(jié)：

在根據(jù)相機(jī)來選擇相應(yīng)板卡的時(shí)候，需要注意以下幾項(xiàng)：

1、  The data clock Frequency for Camera不能超過66MHz

2、  前端數(shù)據(jù)的峰值數(shù)據(jù)流量不能大于板卡的幀緩存的實(shí)際吞吐量

3、  前端平均數(shù)據(jù)流和后端數(shù)據(jù)流的速率之和不能超過圖像采集卡幀緩存區(qū)的實(shí)際吞吐量。

4、  后端數(shù)據(jù)流速率和不能大于PCI傳輸帶寬。

5、  計(jì)算機(jī)上所有板卡的后端數(shù)據(jù)流速率和不能大于PCI的有效帶寬。