生命科学应用中的成像板

在传统的机器视觉应用中，相机需要一个帧抓取器与它的控制计算机进行接口。当相机不具备板载处理能力，并且需要在尽可能快的时间内从数据中得到结果时，帧抓取器使系统设计人员能够在客户需要的地方处理数据。它们提供了更多的控制或实时查看或分析结果的能力。

帧抓取器从模拟到PCMCIA Type I，再到PCMCIA Type II，再到可以进入台式机和笔记本电脑的卡总线类型，因为对微型外形因素的推动一直在继续。现在，有成千上万的模拟、高清和HD- sdi帧抓取器，每个板都有不同的用途。

即时结果在生命科学应用中被鼓励，比如使用x射线的基因组测序，其中帧抓取器是唯一没有中断的解决方案，以及在眼科医生的办公室扫描32-64张眼睛图像。

成像板的特点，使其适合于生命科学应用

使成像板适用于任何行业的第一个因素是它将与相机一起使用的输出类型。相机输出可以是模拟或两种类型的数字之一，不同类型的电路板用于每种类型。

模拟输出来自具有单一RCA或SVIDEO电缆的摄像机，使用NTSC或PAL，并且仍用于一些超声和检查摄像机。然而，分辨率受到模拟信号提供交错视频的限制，因此大多数相机都在数字领域，以提供更高分辨率的图像和视频。

两种类型的数码相机提供更高密度的输出，相机连接和高清晰度串行数字接口(高清-SDI)，这是一个与美国电影电视工程师协会(Society of Motion Picture and Television Engineers)制定的预先定义分辨率标准的界面。HD-SDI摄像机提供标准的720p或1080p视频。高清晰度相机在高分辨率生命科学应用中比模拟相机更常用，如手术相机或检查，无论是与标准可见光相机，红外技术，还是专门的超光谱相机。

对于生命科学应用领域的客户来说，该板的可用时间至关重要，因为他们必须处理可能需要数年时间的漫长FDA审批流程。那些设计了至少可以使用十年或更长时间的电路板的制造商选择了可以使用很长时间的组件和软件。在生命科学领域，Linux操作软件是客户在机器视觉方面优于Windows的选择。

在大型传感器或1200 - 2000万像素相机以180fps的速度产生大量数据的应用程序中，比如基因组测序，NVIDIA的GPUDirect等功能可以帮助处理高达每秒2gb或更高的数据。有益的,CoaXPress和一些Camera Link硬件，这个选项直接在GPU中处理数据，让CPU以最小的负载运行，增加吞吐量和减少延迟。

下一个需要考虑的问题是，该系统是否将进入基于笔记本电脑或桌面pc的系统或其他平台。一个为癌症治疗提供放射治疗的肿瘤学应用程序使用基于桌面pc的系统，该系统具有高分辨率摄像机和PCI帧抓取器，如Matrox Meteor-II MC/4。

PCI Express (PCIe)板也被用于许多笔记本电脑或其他空间受限的应用中，例如在机器人手术中，每个机器人上将使用多个摄像头，需要精确的触发和定时，以便在外科医生工作时提供实时视频。对于那些想要小型便携式系统的客户来说，笔记本电脑仍然是首选平台，但随着摄像头进入许多其他小型系统和嵌入式pc，这种情况已经发生了变化，这些系统和嵌入式pc有几个PCIe插槽可供主板使用。现在有更多的USB 3.0帧抓取器可用，但它们很少用于同时需要精确触发或实时处理和分析的生命科学领域。

一些应用程序需要帧抓取器，而许多应用程序不需要。中高端应用程序通常使用它们，而决定是否需要它们的主要是分辨率、帧速率和高位色信息。SEM应用程序使用帧抓取器。插入笔记本电脑的GigE相机是一个低端的框架抓取应用的例子。

使用区域相机拍摄静态或静态图像的应用程序对成像板、观察幻灯片中的荧光或基因突变或制药应用程序中检测片剂大小的自动化没有任何独特的要求。如果使用plc，通常是桌面或嵌入式系统中基于pci的成像板。在有以太网接口的包测试中使用的GigE摄像机，电路板也可以进入计算机。当使用智能相机(在实验室自动化应用中很常见)时，pc基础已经在相机中，因此不需要帧抓取器。

这也取决于用户是否需要压缩。硬件压缩通常比软件压缩快。任何需要记录很长一段时间(无论是几分钟还是几小时，取决于有多少磁盘空间可用)的人都可能需要执行压缩任务的板。

独特的行业要求

生命科学应用中使用的成像板与其他行业中使用的类似。当有大量数据时，使用帧抓取器，因为它们可以获得高分辨率和快速传输速率。每一种生命科学应用都有其自身的挑战，为了获得认证，电路板需要成为设备中严格的质量部件链的可靠部分，这些部件将具有质量和其他标准。

传统产品倾向于坚持PC平台。新产品正在转向使用SDI板，但如果它只需要显示图像而不需要进行分析，则可能不需要帧抓取器，就像外科医生只看显示器而不是病人一样。

与其他行业相比，生命科学应用程序更有可能需要可移植性。笔记本电脑可以帮助医院里的几个手术室同时运转，桌面系统则放在推车上。用户不需要在每个医生的办公室的每个房间都配备超声波机，为了节省时间和金钱，他们通常是被推着走的。当出现更好的系统时，可移植系统更容易更新和交换。

对于希望在系统中使用帧抓取器的用户来说，可用的驱动程序的数量和类型是一个重要的考虑因素。正确编写的软件可以与许多不同类型的电路板通信。使用通用的驱动程序而不是sdk，以及像DirectShow捕获支持这样的框架抓取器和计算机之间的通信层，可以很容易地在不同类型的系统上重用该技术，比如笔记本电脑和台式机。对于开发人员来说，最重要的是电路板是否有许多驱动程序和一个非常大的最新sdk库，可以不断增长并响应客户当前的需求和未来的更新。此外，sdk应该具有易于编写的函数，一个非常成熟的sdk库也可以帮助实现这一点。

最大的进步

随着业界看到更小、更快的相机，以及相机传感器分辨率的进步，对能够处理更高分辨率的更高帧率的卡的需求已经产生。现在的趋势是使用CoaXPress帧抓取器，其高速可以打开以前传统上没有机器视觉解决方案的新应用程序。

CoaXPress2009年引入技术，2011年引入标准。CoaXPress帧抓取器可以处理对于GigE或USB 3.0来说太快或太大的数据，并允许长电缆长度达到60米。计算机可以放置在干净的手术室之外，或者在生物医学应用中远离危险化学品，使人类可以安全地控制3D系统的大量摄像机。

它们就像单向水龙头一样，提供视频输出和双向控制，而无需使用单独的电缆。它类似于SDI或GigE，因为它通过电缆供电，上行/下行链路和视频输出，用于每秒100帧及以上的高速应用，这是医疗设备的发展方向。

显像板成本

大多数使用成像板的生命科学应用程序不需要大量的内存，大多数不需要大量的处理。他们根据图像进行测量，测量胸部动脉中有多少斑块，或者测量癌细胞的视觉表征的大小。

在低数量的电路板范围内，从用于标准模拟单输入笔记本电脑的框架抓取器约400美元到用于桌面系统的最高端的2500美元不等CoaXPress以及多个高清频道。这个行业的电路板成本与其他行业相同，因为服务于生命科学应用的电路板并没有什么独特之处。如果董事会能做到这一点，定价是次要的。

主要挑战

对于电路板制造商来说，生命科学应用所带来的主要挑战是兼容性问题。用户必须了解相机的技术，因为取景器的技术必须匹配。相机链接的版本和有多少电缆从相机出来是重要的。当一个需要6GB 1080p相机和3GB SDI的客户来询问是否有可以处理他们需要的数据速率的帧抓取器时，挑战是找出是否有可用的板，以及是否需要编写相机文件或驱动程序。

转换器有一个完整的子行业，但不是每个人都想把它们添加到他们的系统中，因为它们增加了成本和复杂性。通常转换器将旧技术更新为新技术，但通常如果今天正在构建一个新系统，它将使用最新的技术。

与电脑和相机相比，制造商不希望他们的电路板是最慢的。所有行业面临的挑战是如何足够快地传输数据。一般来说，电路板总是比摄像头快。

增长最快的应用

20年前，显像板的新兴市场是在装配线上检查瓶盖和读取车牌。文档处理和邮件分类仍然很大，但今天，生命科学应用是增长最快和更强大的市场。在这个市场中，任何与研究相关的东西都在起飞，因为越来越多的传感器问世，用户希望更快、更详细，而电路板能够满足这些标准。

机器人手术和诊断是另一个强劲的领域，3D活检和远程摄像机位于一个大陆，由另一个大陆的医生控制，这是一个正在起飞的全新市场。在肾脏手术中，两个摄像头引导探头，这样外科医生就可以看到3D情况。这一增长的原因是，无论是在偏远地区，还是在国外，以及在美国，随着婴儿潮一代的年龄增长，都没有足够的医生来为需要他们的地方服务。

需要考虑的关键因素

在为生命科学应用考虑成像板时，要考虑的最重要因素是它是否提供所需的功能。电路板制造商遇到的一个常见问题是，指定电路板的设计师不是机器视觉专家，不了解其局限性。大型生命科学oem可能有一个视觉工程类型的部门，但在较小的公司，设计任务通常由电气工程师完成，他们可能了解电路，但不了解这个不同的工程领域。

为了达到许多生命科学应用所需的高速，电路板的延迟是另一个需要考虑的因素。在拍摄图像后，如果拍摄了一帧并将其处理到内存中，计算机可能需要几帧才能渲染图像。在30fps时，图像可能落后40帧。4-5帧非常快可以变成10-15帧，如果任何东西在缓冲期间慢，也就是半秒。在需要实时反馈来做出决策的应用程序中，这种类型的延迟看起来非常糟糕。

在医疗领域，在身体扫描、观察液体流动、测试化疗药物是否到达身体的正确部位或在手术中移动摄像机时知道在哪里做切口等应用中，都需要具有良好延迟的电路板。在生物学应用中，缓冲和掉落帧可能意味着缺少部分反应。

一些电路板制造商提供了不同的策略来避免这些问题，例如双触发模式，需要非常接近的两帧时间。

另一个需要考虑的因素是供应商支持，因为随着时间的推移，平台会发生变化。计算机将变得更小，能够做更多，更快，相机也将变得更小，更快，更便宜。董事会也将如此。如今，员工在跳槽前平均要在一份工作上工作2.5年。生命科学领域的大多数公司都无法雇佣到他们所需的专业人才，而且它们处于不断的过渡之中。他们越来越依赖于供应商的支持，可能得到，也可能得不到。这发生在所有行业，但生命科学行业是一个独特的考虑，比其他行业更关键的时间(和寿命)。了解供应商的历史以及他们明天是否还会存在，以及如果在开发或产品生命周期中出现问题，是否会提供支持是很重要的。