導讀

機器視覺復雜應用中，高分辨率圖像的要求往往會帶來巨大的數據流和主機處理壓力。如何在確保圖像質量及其處理效果的同時，有效減少數據流、提升壓縮比？友思特圖像采集與邊緣計算機系列方案為您解答。

近年來，機器視覺行業的新一代 CMOS 傳感器逐漸興起，以高幀率提供高分辨率圖像。然而，更高的分辨率和幀率意味著傳感器輸出的數據量急劇增加，對接口帶寬提出了更高的要求。因此，具備更高帶寬的相機如 USB3 Vision、5GigE、10GigE、CoaXPress 或 Camera Link 在機器視覺領域受到了廣泛青睞，以滿足復雜應用的帶寬需求。

如今，機器視覺系統不僅局限于工廠車間內的獨立機器，還越來越多地應用于移動戶外環境，使用嵌入式計算機作為主機，并通過云或邊緣計算進行互聯網連接。盡管傳感器和接口技術已經成功解決了高速圖像數據流問題，但龐大的數據流對主機處理仍然構成了巨大挑戰。因此，圖像數據的壓縮變得至關重要，以確保主機能夠高效處理這些數據，同時保持圖像質量和處理效果不受影響。如何在不犧牲圖像質量和圖像處理效果的情況下減少數據流呢？這是友思特持續深入研究、積極克服的難題。

壓縮困境：圖像質量or壓縮比？

對于想要保存完整圖像質量的用戶而言，無損壓縮算法確實能解決部分問題。用戶可以獲得原始質量的圖像，但壓縮系數僅保持在 2：1 左右。這對于高分辨率、高速圖像處理是遠遠不夠的。

而 MPEG 等壓縮算法可以將圖像數據量減少10倍或更多，然而，這是以犧牲圖像質量為代價的。對于存檔圖像數據，消費者或某些工業或科學應用來說，部分圖像信息缺失是可以接受的。然而，對于高精度圖像處理任務，圖像質量的損失，尤其是在物體的邊緣，可能會導致軟件的性能和可靠性下降。

尤其在當前的許多視覺應用中，ROI 圖像放大處理和清晰的邊緣十分重要。因此，高分辨率或高速圖像處理系統的開發人員面臨著一個亟待解決的問題：如何實現優秀圖像質量和大壓縮比的最優化？

放大一個 ROI（感興趣區域）顯示（下圖），與原始圖像（上圖）相比，使用 Gidel Quality+ Compression 壓縮的圖像沒有明顯的質量損失（圖片來源：Gidel）

放大一個 ROI（感興趣區域）顯示（下圖），與原始圖像（上圖）相比，使用 Gidel Quality+ Compression 壓縮的圖像沒有明顯的質量損失（圖片來源：Gidel）

Quality+Compression：高壓縮比+高質圖像

Quality+Compression，這是友思特Gidel提出的一種新的壓縮算法，它同時提供高壓縮比和高質量圖像。在低功耗FPGA上，每個攝像頭每秒可實時壓縮超過1千兆像素。這使得該軟件特別適用于嵌入式系統。該方法不是像無損壓縮那樣恢復原始圖像數據，與 MPEG 等常見算法不同，Gidel Quality+ Compression 專為具有固定視角的圖像處理應用而開發和優化。

首先，Quality+Compression 通過消除原始圖像中不需要或不重要的圖像數據來優化壓縮過程，而不會降低圖像質量。這些可能是偽影、噪點或其他圖像特征，這些特征對于完整的圖像質量而言無益。

其次，Gidel Quality+Compression 與通用算法的不同之處在于它具有個性化功能。該軟件可以使用來自應用程序的真實圖像進行訓練，以便根據其特定要求優化壓縮參數。因此，它在圖像質量和數據量之間提供了最佳的比率。

應用案例

在監控設備應用中，對于固定的人或車輛經過的場景，其壓縮需求可能與醫療診斷系統或工業測試等設置截然不同。因此，根據每個應用的特定需求調整壓縮參數，是打破壓縮和圖像質量之間困境的關鍵。這也是能夠更有效地壓縮與相應應用程序無關的圖像信息的唯一方法。

Quality+Compression 算法旨在實時壓縮多個圖像流，每秒處理能力超過1千兆像素。使用友思特圖像采集卡或FantoVision 嵌入式計算機可實現最佳性能。同時系統設計人員還可以使用友思特 FPGA 模塊設計符合自身需求的器件。

由于 Quality+Compression 算法具有較低的系統功耗，因此可以在圖像采集過程的早期階段，即存儲或處理數據之前執行壓縮。這不僅減少了 GPU 和 CPU 的負載，還避免了圖像采集卡和主機處理器之間的瓶頸，從源頭上減少處理、存儲或上傳到云的數據量。Quality+Compression幾乎不消耗 FPGA 處理能力，使用友思特 Gidel 的 Infinivision 軟件能夠以每秒 1 Gigapixel 的速度實時捕獲和壓縮10多個攝像頭的數據。這使得小型而強大的機器視覺系統具有低重量和低功耗（SWaP）的優勢。

為了滿足當今高分辨率和高速成像的需求，我們需要智能的壓縮算法，這些算法能夠在保持所需圖像質量的同時，提供高壓縮率。每個應用都有其獨特的圖像質量定義，因此，壓縮比和圖像質量之間的最佳平衡，只能通過差異化的方法和可定制的壓縮算法來實現。

友思特圖像采集系列方案

Camera Link 圖像采集卡

支持所有Camera Link模式(含80bits)。提供從即插即用高性能采集卡到包括采集、開放式FPGA圖像處理和靈活的自定義相機接口完整系統解決方案。

GigE Vision 圖像采集卡

具有高達 20Gb/s 的采集帶寬，保證 100% 的幀采集，無丟幀。支持 ROI 采集，多鏈路匯聚和塊數據功能，可提供無 CPU 超快速卸載帶寬。提供高效開發和集成軟件與 FPGA 代碼的工具。

CoaX Press圖像采集卡

支持四個 cXp-12/cXp-6 鏈路，可連接1-4個 CXP-12 相機，高達 50 Gb/s的采集帶寬。提供從即插即用高性能采集卡到采集、開放式 FPGA 圖像處理和靈活的自定義相機接口完整方案。

FantoVision 邊緣計算機

支持從2-4臺 10GigE 或 CoaXPress 2.1 相機進行圖像采集和處理。將高端FPGA圖像采集與Nvidia Jetson嵌入式計算機進行實時圖像處理和/或壓縮相結合。

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審核編輯 黃宇