GigE Vision接口攝像機(jī)及其應(yīng)用

花再軍，黃鳳辰，陳 釗

(河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水位試驗(yàn)臺(tái)(簡稱水位臺(tái))是對(duì)水位計(jì)進(jìn)行檢定的實(shí)驗(yàn)裝置，它的參考標(biāo)準(zhǔn)是具有很低膨脹系數(shù)的銦鋼尺，而10 m水位試驗(yàn)臺(tái)的銦鋼尺高達(dá)10多米，必須通過攝像機(jī)跟蹤水位攝取銦鋼尺水位圖像在計(jì)算機(jī)上顯示才能讀取標(biāo)準(zhǔn)水位值。本文選用了Basler公司機(jī)器視覺專用Scout系列以太網(wǎng)接口攝像機(jī)，該相機(jī)支持GigE Vision機(jī)器視覺的標(biāo)準(zhǔn)接口。

1 GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)和Pylon驅(qū)動(dòng)包

1.1 GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)

目前工業(yè)攝像機(jī)接口有火線 1394、GigE Vision、Camera-Link、USB等幾種?；鹁€1394接口為了延長通信距離，使用Repeater或者Hub通信距離只能達(dá)到72 m，不僅增加了功耗和使用的電纜的條數(shù)，還增加了遭受電磁干擾的可能。Camera-Link和USB最長通信距離只有30 m，而GigE Vision接口在不使用Repeater和Hub情況下通信距離就可達(dá)100 m。GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)由自動(dòng)化圖像協(xié)會(huì)AIA(Automated Imaging Association)委員會(huì)定義，委員會(huì)包括Basler AG和視覺工業(yè)領(lǐng)域的主要公司，目標(biāo)是定義基于以太網(wǎng)的應(yīng)用于機(jī)器視覺的標(biāo)準(zhǔn)接口，讓相機(jī)和軟件無縫連接。GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)由4個(gè)主要部分組成[1]：

(1)定義了讓應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)和枚舉設(shè)備的機(jī)制，定義了設(shè)備如何獲得一個(gè)有效的IP地址；

(2)定義了 GigE Vision控制協(xié)議(GVCP)，允許對(duì)被發(fā)現(xiàn)的設(shè)備進(jìn)行配置，保證傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

(3)定義了 GigE Vision流協(xié)議(GVSP)，允許應(yīng)用程序接收發(fā)自設(shè)備的信息；

(4)定義了 bootstrap寄存器，描述了設(shè)備自身，如當(dāng)前IP地址、序列號(hào)、制造商信息等。

可以借用TCP/IP的結(jié)構(gòu)來描述GigE Vision的結(jié)構(gòu)，但TCP/IP用于機(jī)器視覺性能是不夠的。GigE Vision標(biāo)準(zhǔn)是基于UDP協(xié)議的，UDP使用端口允許應(yīng)用程序之間的連接，雖然UDP不如TCP可靠，但增加了性能，特別適用于機(jī)器視覺中的高速圖像傳輸。為了克服UDP的不可靠，GigE Vision引入了兩個(gè)額外的協(xié)議：(1)GVCP協(xié)議。該協(xié)議依賴于UDP的應(yīng)用層協(xié)議，將保證圖像傳輸?shù)目煽啃詸C(jī)制引入到UDP中，允許設(shè)備配置1個(gè)或多個(gè)信道的實(shí)例化?？刂菩诺婪譃橹鞔涡诺溃餍诺烙芍鲬?yīng)用產(chǎn)生，允許對(duì)設(shè)備讀寫寄存器；次信道由次應(yīng)用產(chǎn)生，允許應(yīng)用只讀寄存器。(2)GVSP協(xié)議。該協(xié)議建立在UDP傳輸層上的應(yīng)用層協(xié)議，應(yīng)用接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)、圖像信息和其他信息，數(shù)據(jù)包總是由設(shè)備發(fā)送給應(yīng)用程序，GVSP提供了保證包傳輸可靠性的機(jī)制和讓流控最少化的機(jī)制。OSI模型和GigE Vision結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OSI模型和GigE Vision結(jié)構(gòu)

Basler Scout系列以太網(wǎng)接口攝像機(jī)應(yīng)用了高質(zhì)量的Sony CCD傳感器，支持從VGA到200萬像素的分辨率和具有體積小設(shè)計(jì)牢靠的特點(diǎn)，能夠方便地集成到用戶的機(jī)器視覺系統(tǒng)。使用Gigabit以太網(wǎng)帶寬可獲得最高70幀/s的速度。使用CAT6電纜，經(jīng)過測試圖像傳送距離可達(dá)100 m。

1.2 Basler Pylon驅(qū)動(dòng)包

Pylon驅(qū)動(dòng)包(Pylon Driver Package)是為所有的具有FireWire和GigE接口的Basler相機(jī)設(shè)計(jì)的，可以選擇最適合應(yīng)用的接口技術(shù)或者兩者同時(shí)使用。Pylon驅(qū)動(dòng)提供可靠實(shí)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C存儲(chǔ)器而只需要很低的CPU負(fù)擔(dān)。Pylon開發(fā)包結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Pylon開發(fā)包的結(jié)構(gòu)

Pylon內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于GenICam技術(shù)，Pylon API 2.1支持GenIcam標(biāo)準(zhǔn)的1.1版本，它提供了很簡單的訪問新的攝像機(jī)模型的方法。GenICam的核心是用XML描述文件對(duì)相機(jī)屬性的描述。使用該文件，解釋器能直接產(chǎn)生叫做GenAPI的C++應(yīng)用程序接口(API)和圖形用戶接口(GUI)的元件。這使得用戶可方便地鑒別相機(jī)類型以及詳細(xì)的特性和所支持的功能以及功能參數(shù)。

Pylon GigE Vision驅(qū)動(dòng)快速地把圖像數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)中分離開，使得應(yīng)用程序能用很低的CPU負(fù)擔(dān)獲得可用的圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)只能用于有特定Intel芯片的網(wǎng)卡。Pylon GigE Vision濾波器驅(qū)動(dòng)支持各種硬件、GigE網(wǎng)卡和主板上的GigE端口。利用最新的驅(qū)動(dòng)棧技術(shù)，Basler增加了服務(wù)質(zhì)量(QoS)超過了微軟(Microsoft)的標(biāo)準(zhǔn)。Pylon Viewer軟件提供了方便的測試評(píng)估Basler相機(jī)的應(yīng)用程序。

2 使用Pylon驅(qū)動(dòng)包

本文采用的是Pylon2.1版本的開發(fā)包，使用MS Visual Studio 2003或者2005進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，在開發(fā)之前要做以下準(zhǔn)備工作：

(1)包含路徑

在編譯器中添加以下兩個(gè)路徑：

$(PYLON_ROOT)include

$(PYLON_ROOT)..genicamlibrarycppinclude

(2)庫路徑和庫文件

#include

該文件包含了必須的#pragma comment lib語句。

在連接器搜索路徑中添加以下路徑以找到.lib文件：

$(PYLON_ROOT)libwin32

$(PYLON_ROOT)..genicamlibraryCPPLibWIn32_i86

(3)設(shè)置環(huán)境變量

Pylon開發(fā)包安裝過程中設(shè)置了以下的環(huán)境變量：

PYLON_ROOT：用于定位 Transport Layer庫；

我是2005年開始使用班級(jí)QQ聊天群的。起初，QQ還未廣泛使用，班級(jí)群的作用僅是個(gè)別家長與老師的交流平臺(tái)，平時(shí)也不需要怎么管理，對(duì)于家長們的發(fā)言，也能夠做到及時(shí)回復(fù)，及時(shí)反饋。

GENICAM_ROOT_V1_1：用戶定位GenApiNodeMaps所在庫；

GENICAM_CACHE：描述了GenApi的XML文件緩存的位置。

3 應(yīng)用程序開發(fā)

本次使用的相機(jī)型號(hào)是scA640-74gm/gc，分辨率為659×494。采用基于對(duì)話框的MFC應(yīng)用程序開發(fā)，主要完成圖像的顯示和縮放。

Pylon提供了Transport Layer作為物理接口的抽象，它有訪問相機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。Transport Layer提供以下功能[2]：(1)設(shè)備發(fā)現(xiàn)；(2)讀寫相機(jī)寄存器；(3)抓取圖像；(4)配置傳輸層；(5)創(chuàng)建 Camera對(duì)象；(6)刪除 Camera對(duì)象。

Transport Layer對(duì)象用于：(1)枚舉Camera設(shè)備；(2)創(chuàng)建Camera對(duì)象；(3)訪問Transport Layer參數(shù)。枚舉可用的TransportLayer和創(chuàng)建TransportLayer對(duì)象由Pylon：：CTlFactory類完成。為了方便起見，也提供枚舉所有多個(gè)Transport Layer上可用的相機(jī)的方法和不需要Transport Layer對(duì)象創(chuàng)建相機(jī)設(shè)備的方法。Pylon中物理相機(jī)設(shè)備由Camera對(duì)象代表。Camera對(duì)象由Transport Layer對(duì)象或者Pylon：：CTlFactory類創(chuàng)建。為了從數(shù)據(jù)流中抓取圖像，需要流抓取器對(duì)象。流抓取器對(duì)象由Camera對(duì)象管理。獲取圖像和顯示的流程如圖3所示。

3.1 相機(jī)設(shè)置

圖3 獲取圖像和顯示的流程

(1)設(shè)置相機(jī)的感興趣區(qū)域(AOI)設(shè)置相機(jī)分辨率為最大；

(2)關(guān)閉觸發(fā)，采用連續(xù)捕獲；

代碼參考如下[3]：

3.2 獲取圖像數(shù)據(jù)的流程

獲取圖像的流程如圖4所示。

圖4 獲取圖像的流程

3.3 顯示圖像與縮放

從攝像機(jī)獲得的圖像是YUV格式的，首先要將YUV信號(hào)轉(zhuǎn)換為RGB信號(hào)，可調(diào)用Pylon驅(qū)動(dòng)包提供的YUV信號(hào)轉(zhuǎn)RGB的函數(shù)[2]。在VC.Net中調(diào)用CreatCompatibleDC創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存設(shè)備上下文.SelectObject函數(shù)，將與設(shè)備無關(guān)的位圖選入內(nèi)存設(shè)備上下文中；然后調(diào)用BitBlt函數(shù)在內(nèi)存設(shè)備上下文和屏幕設(shè)備上下文中進(jìn)行位圖考貝，實(shí)現(xiàn)圖像顯示[4]。

要實(shí)現(xiàn)圖像的縮放就要進(jìn)行圖像插值，采用了最鄰近插值算法[4]。

所設(shè)計(jì)的程序界面如圖5所示。

圖5 應(yīng)用程序界面

本文應(yīng)用Pylon開發(fā)包進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了銦鋼尺圖像在PC上的顯示，圖像顯示清晰，滿足應(yīng)用要求。

[1]Basler vision technologies.The Elements of GigE Vision[DB/OL].http://www.baslerweb.com.

[2]Basler vision technologies. Pylon for Windows API Reference and Programmer′s Guide v2.1[DB/OL].http：//www.baslerweb.com.

[3]何斌，馬天宇.Visual C++數(shù)字圖像處理[M].北京：人民郵電出版社，2001.