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FRAME GRABBER

Nelle applicazioni di visione industriale e di analisi delle immagini per uso scientifico è necessario acquisire le immagini con la migliore qualità possibile per inviarle alla memoria del computer e processarle, analizzarle e ove necessario visualizzarle.

Ad oggi la maggior parte delle telecamere utilizzate nei sistemi di visione artificiale e analisi di immagini si collegano direttamente al calcolatore attraverso l’utilizzo di diverse interfacce di comunicazione quali: FireWire, USB e Gigabit Ethernet. Tuttavia, alcune telecamere richiedono un collegamento con il computer attraverso l’utilizzo di schede di acquisizione dedicate chiamate “Frame Grabber”. Le caratteristiche ed il costo di questi dispositivi variano molto e di conseguenza è molto importante la scelta del dispositivo corretto per l’applicazione di utilizzo.

Inizialmente, nel mondo della visione industriale e scientifico, le telecamere avevano un’interfaccia analogica. Per poter acquisire le immagini prodotte dalla telecamera all’interno del PC era quindi necessario utilizzare una scheda di acquisizione o Frame Grabber Analogico. Questo dispositivo, da inserire all’interno del PC, si occupava della conversione del segnale analogico, proveniente dalla telecamera, in segnale digitale per trasferirlo poi attraverso il BUS del PC alla memoria RAM.

Le telecamere analogiche avevano un limite di risoluzione e di velocità. Per sopperire a questo, la conversione del segnale analogico è stata spostata all’interno della telecamera stessa. In questo modo è stato possibile trasferire i dati tramite un protocollo digitale (LVDS o RS-422) che risultava essere più veloce in quanto era possibile trasferire dati in parallelo su più canali. Anche in questo caso era necessario un Frame Grabber per acquisire il segnale e trasportarlo nella memoria RAM del PC. I Frame Grabber definivano uno standard a livello elettrico ma non a livello di connessioni e di protocollo di comunicazione. Ogni produttore utilizzava il proprio connettore e la propria disposizione dei segnali all’interno del connettore stesso.

La naturale evoluzione di questo protocollo digitale è stata quella di standardizzare non solo l’interfaccia elettrica ma anche i connettori, il pin out dei connettori e la logica di utilizzo dei segnali stessi. E nato così il primo protocollo standard di acquisizione, la comunicazione CameraLink.

Questo protocollo tuttora esistente e ampiamente utilizzato, è stato definito, mantenuto e viene evoluto da un comitato di produttori di telecamere e di Frame Grabber e rende l’interfacciamento telecamera/Frame Grabber estremamente semplice in quanto lo stesso standard sia meccanico, che elettrico che logico viene condiviso sia dai produttori di telecamere che dai produttori di Frame Grabber. Questo rende estremamente semplice far coesistere all’interno di un sistema di visione componenti prodotti da diversi fornitori.

Contemporaneamente allo standard CameraLink e grazie all’evoluzione dei PC, il mondo della visione ha iniziato ad interessarsi alle interfacce standard presenti su un PC. Questo ha portato allo sviluppo di telecamere FireWire, USB 2 e successivamente basate su protocollo Gigabit Ethernet e infine su protocollo USB 3.

Nonostante il proliferare di protocolli di acquisizione sempre più veloci e che non richiedono schede di acquisizione, in quanto supportate da interfacce presenti a livello nativo all’interno dei moderni PC, le schede di acquisizione sono ancora ampiamente usate e sono attualmente necessarie alla realizzazione di un sistema di processing ad alte prestazioni.

Lo sviluppo di sensori sempre più veloci in grado di produrre migliaia di immagini al secondo, le richieste di analisi di immagini in tempi sempre minori in alcuni casi ha portato allo sviluppo di nuovi Frame Grabber.

Una prima famiglia di Frame Grabber, con capacità di processing a bordo bastata su FPGA. In questo caso i PC possono essere sgravati da pesanti algoritmi di processing che vengono eseguiti direttamente dai Frame Grabber mentre l’immagine transita dalla telecamera alla memoria del PC.

Il ritardo nel trasferire l’immagine dalla telecamera alla memoria del PC è praticamente nullo in quanto il flusso di pixel viene processato mentre transita attraverso l’FPGA della scheda. Parallelamente a queste schede di acquisizione sono stati sviluppati SDK grafici per la programmazione delle risorse di calcolo presenti sulla scheda stessa. In questo modo anche l’utente non esperto di programmazione FPGA tramite linguaggi nativi può sfruttare le risorse di calcolo presenti direttamente sulla scheda di acquisizione. Queste schede di processing sono disponibili con interfaccia CameraLink, GigE Vision e CoaXPress. Nel caso GigE Vision l’interfaccia non è una scheda di rete standard ma un vero e proprio Frame Grabber con interfaccia GigE Vision.

Sono state definite nuove interfacce di acquisizione per elevare ulteriormente la banda disponibile sull’interfaccia CameraLink. Queste nuove interfacce sulle quali si sono sviluppati i più moderni Frame Grabber sono in grado di trasferire verso il PC fino a 3600 Mbytes/sec per l’interfaccia CoaXPress e fino a 16800 Mbytes/sec per l’interfaccia Camera Link HS.

Queste nuove interfacce e la possibilità di processing di immagine a livello Hardware all’interno delle schede di acquisizione sono attualmente l’espressione più evoluta dell’acquisizione e processing di immagini per l’industria e per il mondo scientifico.