HALCON：图像采集之同步采集（synchronous）与异步采集（asynchronous）

HALCON图像采集之同步采集（synchronous）与异步采集（asynchronous）

通常情况下，当我们抓取帧的时候是从一个连续的视频流序列中去抓取一个或者多个视频帧。尽管近来有许多专业设备使用数字信号，但大多数情况下，视频信号是模拟信号（analog）。最常见的模拟视频格式是

NTSC: 640 × 480 pixel, 30 frames per second and
PAL: 768 × 576 pixel, 25 frames per second

这两种格式都是彩色视频信号，还有许多图像获取设备尽管有一个彩色视频信号，但是只传输灰度图像。下面让我们假设使用的是模拟信号的图像采集卡。

让我们看一下模拟信号：实际上它由许多不同信号组成，有垂直或者水平的同步信号，原始数据信号。有时，彩色和亮度大的信号是混合信号，他们在不同的输入频道上传送（RGB）。因为在录像时帧抓取是同步的，所以它必须等到下一个垂直同步信号到达才开始抓取新的图像。当随机抓取一帧图像时会引起一个大约半帧时间的延迟。如下图，也就是说，你如果想节省时间的话必须在抓完前一帧的情况下紧接着抓取下一帧。但是这样做的结果就是，我们没有时间去处理图像。在这种同步模式下，上位机只顾着发送抓取图像的命令而没有时间去处理图像。因此，Halcon也支持异步抓取。

同步抓取和异步抓取

为了明白什么是异步抓取，我们先来看一下图像采集设备对于采集到的帧到底做了什么。明白这个很简单，一个数字化的帧必须存储在一些存储器里。基本上有三种类型的存储器：

图像采集设备里的存储器
上位机的存储器
主存

第一个是挂载在存储设备主板上的专用存储器。这样的话，图像采集设备可以直接把获取的图像存储在自己的存储器里，并且上位机的每一个处理步骤都可以在任何时候获取到数据。另一方面，它的存储大小是固定的。而且很小，很难存储许多张图片。如果它很大，那么主板将会非常的贵。

上位机的存储器是一个被帧抓取设备驱动动态分配的未分页系统存储。因此，存储大小可以很容易的调整。但是另一方面，如果图像采集设备频繁的往上位机存储设备里传送，这很容易造成数据拥塞。因此，我们通常情况下不使用一些图像采集设备里连续抓取图像模式，而是根据需求来抓取图像。

主存是用户分配的在应用的地址空间的某个地方。因为主存是可分页的，因此在通常情况下从图像采集设备传送的图像都会准确的复制到他的存储区（除非DMA失败）。

上位机的工作，就是上面提到的那样，发出命令，当需要采集一张新的图像时触发采集设备，但是它没有必要在设备数字化帧的时候去等待。当使用片上存储时，很明显上位机会这样工作，但是当存储系统是上位机上的存储器时，如果要实现上述的功能，很可能就要使用DMA技术。所以上位机唯一要做的事情就是在需要采集图像之前提前一点五帧的时间出发图像采集。这个技术就叫做异步抓取。在很容易明白这就是可以说是实时抓取，应为我们抓取图像的时间（PAL40毫秒，NTSC33毫秒）比在视频中两个帧中间隔时间长很多。

许多的图像采集设备支持异步数据传送。因此，HALCON即提供同步抓取（grab_image）又提供异步抓取（grab_image_async）。为什么有异步抓取了又提供同步抓取，从字面上来理解就是说grab_image只有当图片处理结束后才开始抓取。因此，传送的图像都是最新的。使用异步抓取模式需要对应用时间上面有所把握。否则抓取的图像也许就已经是过期的图像了。

下面让我们看一下对于高效的图像采集有用的内存管理策略

缓存策略（Buffering Strategies）

让我们回过头去看一下实时抓取的问题，假设一个板子支持异步传送，那么它的执行顺序可能是下面这种情况：

触发一个抓取信号（抓取控制信号立即执行）
等待抓取结束
触发下一帧的抓取
处理步骤2中采集的图像
返回步骤2

对于上述步骤反映在HALCON程序中就是

while(1)

grab_image_async(Image,-1)

< process Image >

end while

步骤1和3（开始异步抓取）不会阻塞进程，当图像采集设备繁忙时没有时间会被浪费。唯一存在的问题就是为了抓取图像我们应该怎样分配内存：假设步骤3使图像采集设备传送的数据放入专用的内存区域而不知道上位机在步骤4中所做的事情，很明显，图像采集设备必须使用一个不同于上位机的存储区域。如果不这样做的话，设备也许会写入上位机正在读取的内存，那么处理的图像就会被打乱。处理这种问题的最好的方法就是使用两个可选择的缓冲区（alternative buffers）：一个用来写入新的数据，另外一个处理以前的数据。这些缓冲区在循环开始前也许只被分配一次。在每次循环后它们会互换角色（图像采集设备写入的缓冲区变成处理读取缓冲区或者反过来）。当有异步数据传送这是一个非常常见的技术我们把它叫做双缓冲区（double buffering）。以前的图像数据被重写，我们叫做volatile grabbing。

这种技术一方面使抓取性能达到最好，另一方面，灵活减少。很明显，采集过的图像会被一遍一遍的覆盖。所以“历史”痕迹都会丢失。但是这个严格的组织违背了HALCON的一般哲学即中允许创建任意个数的图像数据并且可以并行处理他们直到你在程序中确定你不再需要他们。因此，一个HALCON帧抓取接口总是应当默认创建一个新的图像对象，并且把volatile grabbing最为一个可选择的选项。