緩沖技術(shù)是為了協(xié)調(diào)吞吐速度相差很大的設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送而采用的技術(shù)。

為了緩和CPU和I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設(shè)備在與處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)都用了緩沖區(qū)，并提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。總結(jié)來說，緩沖區(qū)技術(shù)用到了緩沖區(qū)，而緩沖區(qū)的引入是為了緩和CPU和I/O設(shè)備的不匹配，減少對(duì)CPU的中斷頻率，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。

在數(shù)據(jù)到達(dá)與離去速度不匹配的地方，就應(yīng)該使用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)好比是一個(gè)水庫，如果上游來的水太多，下游來不及排走，水庫就起到“緩沖”作用，先讓水在水庫中停一些時(shí)候，等下游能繼續(xù)排水，再把水送往下游。

在工業(yè)上通常指工業(yè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)為了迅速采集圖像而采用的技術(shù)，也叫圖像緩沖技術(shù)。

01

為什么使用圖像緩沖技術(shù)？

工業(yè)相機(jī)采集光信號(hào)，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的速度往往是很快的，但是由于相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口速度的限制，實(shí)際從相機(jī)處理器傳輸?shù)絇C的速度會(huì)大打折扣，所有圖像都從一個(gè)通道進(jìn)行傳輸，如圖所示。

以Sony IMX287LLR/LQR芯片為例，其分辨率為728×544，在模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)為10bit時(shí)，全分辨率下所能達(dá)到的最高幀率為436.9fps，每秒鐘所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量約為165.1MB。

由于相機(jī)數(shù)據(jù)接口的不同，帶寬不一樣，就導(dǎo)致相機(jī)和PC的吞吐速度相差較大。

例如，千兆以太網(wǎng)傳輸速率為1Gbps，與相機(jī)的吞吐量相差較大，以千兆以太網(wǎng)作為傳輸接口，最高幀率只能達(dá)到338fps左右。

而選用USB3.0作為數(shù)據(jù)傳輸接口，其傳輸速率為5Gbps，比該相機(jī)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生大小要大，所以以USB3.0作為傳輸接口，最高幀率可以到436.9fps左右。

那么千兆以太網(wǎng)傳輸就達(dá)不到芯片的理想幀率嗎？顯然不是的，使用帶圖像緩沖的千兆以太網(wǎng)相機(jī)，就可以達(dá)到理想幀率：

帶有圖像緩沖的工業(yè)相機(jī)，內(nèi)部配置了一個(gè)緩存，用來快速裝載大量的圖片，這樣就可以以最高幀率抓取多張圖片，但是在這種模式下，并不意味著相機(jī)可以一直保持最高幀率進(jìn)行連續(xù)拍攝，當(dāng)圖像緩沖區(qū)填滿之后，相機(jī)將以較慢的速度運(yùn)行，回到千兆以太網(wǎng)的傳輸速率進(jìn)行圖像傳輸，如圖所示。

02

圖像緩沖技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

對(duì)于較為常見的工業(yè)相機(jī)，運(yùn)用圖像緩沖技術(shù)，在配置緩存的情況下，可以瞬時(shí)記錄高速過程，即使用價(jià)格較低的相機(jī)實(shí)現(xiàn)性能較高相機(jī)所拍攝的效果。

對(duì)于高速相機(jī)，在相機(jī)自帶內(nèi)存的情況下，記錄圖像的過程也可以稱為圖像緩沖的過程，由于不涉及通過接口進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，由RAM接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，即可將高速捕獲的圖片暫時(shí)放置在內(nèi)存里，這也是圖像緩沖技術(shù)的一個(gè)較為成功的表現(xiàn)。

此外，圖像緩沖技術(shù)還具有廣泛的用途，主要用于實(shí)時(shí)圖像處理、傳輸優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺等領(lǐng)域，以下是一些具體的應(yīng)用實(shí)例：

1.實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控：在安防監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像緩沖技術(shù)用于臨時(shí)存儲(chǔ)連續(xù)的視頻流數(shù)據(jù)，確保在數(shù)據(jù)傳輸過程中的畫面連貫性，同時(shí)也能為后續(xù)的視頻分析（如行為識(shí)別、物體追蹤等）提供穩(wěn)定的輸入源。

2.機(jī)器視覺：在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，例如半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)、電子元器件裝配定位、產(chǎn)品包裝質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)，圖像緩沖技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在高速運(yùn)動(dòng)下的連續(xù)圖像采集與處理。通過暫存并快速分析連續(xù)圖像，系統(tǒng)能夠精確地進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)的位置、姿態(tài)估計(jì)以及缺陷檢測(cè)。

3.數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人：在精密數(shù)控加工或機(jī)器人操作過程中，圖像緩沖技術(shù)結(jié)合高速攝像頭獲取工件或工具的位置信息，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

4.遠(yuǎn)程操控與無人機(jī)：在遠(yuǎn)程操控設(shè)備如無人機(jī)、水下機(jī)器人等場(chǎng)景中，圖像緩沖技術(shù)能夠保證在無線通信可能出現(xiàn)延遲的情況下，依然能提供流暢、無間斷的實(shí)時(shí)視頻反饋，提高操控精準(zhǔn)度和安全性。

5.大數(shù)據(jù)傳輸與云計(jì)算：在大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算環(huán)境中，圖像緩沖技術(shù)可用于預(yù)處理和暫存待傳輸?shù)拇笠?guī)模圖像數(shù)據(jù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬使用，減少傳輸延遲，并支持靈活的數(shù)據(jù)分發(fā)與計(jì)算任務(wù)調(diào)度。

總之，圖像緩沖技術(shù)為諸多工業(yè)應(yīng)用提供了關(guān)鍵的支持，尤其是在需要實(shí)時(shí)處理和高效傳輸大量圖像數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

審核編輯：黃飛

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