Tomislav Ribarić
Zagreb, 1999.
Frame grabber kartice su neizostavni dio hardware za primanje podataka iz kamere (analogne ili digitalne), te njegove pretvorbe u oblik primjeren za daljnju obradu na računalu. Najčešća izvedba im je u obliku standardne PCI kartice, ali u novije vrijeme mnogi proizvođači prelaze na standardne AGP kartice. Prednost korištenja AGP interfacea je u tome što oslobađa PCI slot za druge periferije, a pored toga AGP podržava veće frekvencije osvježavanja grafike, te ujedno oslobađa CPU ciklus računala za druge aplikacije.
Slika 1. Izvedba frame grabbera kao PCI i AGP kartice.
Na samoj kartici može biti nekoliko različitih priključaka (VGA, NTSC/PAL) što ovisi o proizvođaču, te o modelu. Mnogi modeli imaju VGA izlaz što im omogućuje da nadomjeste običnu grafičku karticu u računalu, te je takav frame grabber moguće konfigurirati kao sekundarnu grafičku karticu. NTSC/PAL video izlaz omogućuje spajanje video rekordera, te real-time snimanje slike na video kasetu. Nadalje postoji jedan ili više ulaza za kameru, ti ulazi podržavaju različite standardne ili ne standardne video signale. Frame grabberi novije generacije imaju mogućnost automatske konfiguracije softwarea, tj.prilagođuju software za različite standarde analognog video signala (RS-170, CCIR, S-Video, 8-bitni digitalni video signal).
Frame grabberi su visoko precizni, uređaji koji služe za hvatanje i digitalizaciju slika analognog signala u realnom vremenu sa mogućnošću prikaza digitalizirane slike visoke rezolucije (do 1600×1200). Zbog tih mogućnosti prikaza digitalizirane slike velike rezolucije koriste se u medicini, znanosti, industriji, machine vision, biometričkoj identifikaciji ...
 |
 |
 |
 |
 |
Slika 2. Primjena frame grabbera.
Osnovni dio bilo kojeg frame grabbera je programska podrška. Najčešće je to skup alata koji omogućuje programeru da pomoću C/C++ biblioteka izprogramira sklopovske funkcije frame grabbera, te jednostavan razvoj aplikacija namijenjenih različitim računalnim sustavima. Neke od podržanih funkcija omogućuju prilagodbu video ulaza, upravljanje memorijom, kontrolu i obradu prekida, kontrolu video prikaza itd. Osnovni zahtjev za programske alate je da su jednostavni za korištenje.
Frame grabbere moguće je podjeliti u tri kategorije:
PRVA KATEGORIJA
Osnovni frame grabberi za standardni color ili monokromatski signal (npr. PAL, RGB ili CCIR) izrađeni su od diskretnih elemenata, npr. video dekoder čip proizvođača kao što su Philips, Brooktrr ili Samsung, A/D kovnertori ili PLL.
Iz blok sheme na Slici 3. vidljivo je da se digitlani signal sastoji od diskretnih reprezanata orginalnog signala dobivenih iz jednog ili više multipleksera koji su spojeni na jedan ili više A/D konvertora.
Slika 3. Blok shema varijabilnog frame grabbera
Logika za slanje i primanje kontrolnih signala iz kamere (timing i drugi signali) implementirana je u drugoj diskretnoj komponenti, tj. u FPGA zajedno s analognim ili digitalnim PLL za video sinkronizaciju kompletnog dizajna. LUT (Look Up Tabel) koristi se za remapiranje slikovnih podataka.
Kako su ovi frame grabberi izrađeni iz diskretnih komponenti njihova kvaliteta i performanse variraju od proizvođača do proizvođača. Kvaliteta i performanse pojedinih frame grabbera definirani su na osnovi efektivne dinamike ulaznog signala, maksimalne frekvencije otipkavanja, te o pixel jitteru. Danas se u frame grabberima najčešće koriste A/D konverteri s 8-bitnom preciznošću, što daje mogučnost prikaza slike s 256 nivoa sive boje. Za posebne aplikacije, kao što su npr. medicinske, koriste se A/D konverteri s većom preciznošću od 8-bita. Pixel jitter ovisi o stabilnosti frekvencije sempliranja koju generira PLL na osnovi reference video signala.
Kod zahtjevnijih aplikacija (zahtjev na većoj dinamici) nije moguće koristiti analogne kamere, pa se koriste digitalne. Digitalne kamere digitalizirju sliku, a frame grabber se koristi samo kao interface pri prijenosu podatak iz kamere na računalo. Standard koji se koristi pri prijenosu podataka je RS-422. RS-422 opisuje diferencijalni (simetrični) signal, te zbog toga je slabo osjetljiv na preslušavanje, te na smetnje. Noviji frame grabberi koriste novi standard LVDS (Low Voltage Differential Signalling) ili EIA-644 koji su razvili proizvođači kamera u suradnji s proizvođačima frame grabbera. Prednost ovog standarda nad RS-422 je to što se postižu veće brzine prijenosa na većim udaljenostima. RS-232 port se koristi za konfiguraciju moda rada kamere.
Svi frame grabberi imaju na kartici RAM, dovojlno velik da se u njega spremi nekoliko pixela, jedna linija slike, jedan okvir ili nekoliko okvira. Uloga RAM-a na kartici je da spremi podatke kada je sustav opterećen nekim drugim poslom ili ako je PCI zauzeta.
DRUGA KATEGORIJA
Prikaz može biti koristan u vizualizaciju procesa kako bi bili sigurni da sustav radi dobro. Isto tako može biti koristan za kalibraciju sustava koristeći referentnu sliku. Nadalje integrirani prikaz na kartici frame grabbera je potreban za real-time vizualizaciju bez utjecaja na performanse procesiranja slike ili na analizu. Takav frame grabber zahtjeva posebne adaptere za prikaz, najčešće posjeduju konektore za VGA, te za NTSC/PAL izlaz.
Slika 4. Blok shema frame grabbera s sustavom za prikaza
Odvojeno korištenje frame grabbera i video kartice donosi niz prednosti kod mnogih aplikacija, ali to postavlja veće zahtjeve na računalo jer mora podržavati dva toka podataka, jedan prema memoriji računala, te drugi prema video memoriji pri prikazu u živo.
Frame grabberi s integriranim sustavom za prikaz ne opterćuje sustav jer oslobađa PCI slot. Na samoj kartici frame grabbera nalazi se lokalna sabirnica za prijenos digitalizirane slike prema sustavu za prikaz. Isto tako postoji dizajn s dvostrukim putem podataka, podaci slike mogu biti preneseni u memoriju računala i u video memoriju za vrijeme procesiranja i vizualizacije podataka slike.
TREĆA KATEGORIJA
Zahtijev za on-line nadzor može biti važniji nego što frame grabber realiziran na računalu može obraditi. U tom slučaju rješenje je procesiranje podataka na kartici frame grabbera. Kao procesor koristi se DSP jer on objedinjuje programsku fleksibilnost i procesorsku snagu, ali sam po sebi procesor na kartici frame grabbera nije dovolja.
Danas u Svijetu postoji niz proizvođača frame grabbera, neki od njih su: Matrox, Integraltech, Imagraph... Svaki od tih proizvođača nudi široku paletu frame grabbera različite kvlitete i performansi. Svaka pojedina aplikacija, koja zahtjeva upotrebu frame grabbera, se razlikuje pa treba voditi računa o tome koji će se frame grabber upotrijebiti, npr. kod medicinskih aplikacija imamo zahtjev na što više nivoa sive boje (dubina slike), dok kod machine viziona inamo zahtjev na što većoj dinamici ulaznog signala.