GigE Vision接口摄像机及其应用

摘 要： GigE Vision接口技术成为了机器视觉工业的一项非常具有吸引力的技术，Basler scout系列GigE Vision摄像机具有卓越的性能， Basler提供了Pylon驱动包开发包，可方便用户二次开发。将该摄像机应用于10 m水位试验台铟钢尺图像获取并在计算机上显示。
关键词： GigE Vision；摄像机；Pylon API；图像显示和缩放

　水位试验台(简称水位台)是对水位计进行检定的实验装置，它的参考标准是具有很低膨胀系数的铟钢尺，而10 m水位试验台的铟钢尺高达10多米，必须通过摄像机跟踪水位摄取铟钢尺水位图像在计算机上显示才能读取标准水位值。本文选用了Basler公司机器视觉专用Scout系列以太网接口摄像机，该相机支持GigE Vision机器视觉的标准接口。
1 GigE Vision标准和Pylon驱动包
1.1 GigE Vision标准
　目前工业摄像机接口有火线1394、GigE Vision、Camera-Link、USB等几种。火线1394接口为了延长通信距离，使用Repeater或者Hub通信距离只能达到72 m，不仅增加了功耗和使用的电缆的条数，还增加了遭受电磁干扰的可能。Camera-Link和USB最长通信距离只有30 m，而GigE Vision接口在不使用Repeater和Hub情况下通信距离就可达100 m。GigE Vision标准由自动化图像协会AIA(Automated Imaging Association)委员会定义，委员会包括Basler AG和视觉工业领域的主要公司，目标是定义基于以太网的应用于机器视觉的标准接口，让相机和软件无缝连接。GigE Vision标准由4个主要部分组成[1]：
　(1)定义了让应用程序发现和枚举设备的机制，定义了设备如何获得一个有效的IP地址；
　(2)定义了GigE Vision控制协议(GVCP)，允许对被发现的设备进行配置，保证传输的可靠性；
　(3)定义了GigE Vision流协议(GVSP)，允许应用程序接收发自设备的信息；
　(4)定义了bootstrap寄存器，描述了设备自身，如当前IP地址、序列号、制造商信息等。
　可以借用TCP/IP的结构来描述GigE Vision的结构，但TCP/IP用于机器视觉性能是不够的。GigE Vision标准是基于UDP协议的，UDP使用端口允许应用程序之间的连接，虽然UDP不如TCP可靠，但增加了性能，特别适用于机器视觉中的高速图像传输。为了克服UDP的不可靠，GigE Vision引入了两个额外的协议：　(1)GVCP协议。该协议依赖于UDP的应用层协议，将保证图像传输的可靠性机制引入到UDP中，允许设备配置1个或多个信道的实例化。控制信道分为主次信道，主信道由主应用产生，允许对设备读写寄存器；次信道由次应用产生，允许应用只读寄存器。(2)GVSP协议。该协议建立在UDP传输层上的应用层协议，应用接收图像数据、图像信息和其他信息，数据包总是由设备发送给应用程序，GVSP提供了保证包传输可靠性的机制和让流控最少化的机制。OSI模型和GigE Vision结构如图1所示。

　Basler Scout系列以太网接口摄像机应用了高质量的Sony CCD传感器，支持从VGA到200万像素的分辨率和具有体积小设计牢靠的特点，能够方便地集成到用户的机器视觉系统。使用Gigabit以太网带宽可获得最高70帧/s的速度。使用CAT6电缆，经过测试图像传送距离可达100 m。
1.2 Basler Pylon驱动包
　Pylon驱动包(Pylon Driver Package)是为所有的具有FireWire和GigE接口的Basler相机设计的，可以选择最适合应用的接口技术或者两者同时使用。Pylon驱动提供可靠实时的图像数据传输到PC存储器而只需要很低的CPU负担。Pylon开发包结构图如图2所示。

　Pylon内部结构基于GenICam技术，Pylon API 2.1支持GenIcam标准的1.1版本，它提供了很简单的访问新的摄像机模型的方法。GenICam的核心是用XML描述文件对相机属性的描述。使用该文件，解释器能直接产生叫做GenAPI的C++应用程序接口(API)和图形用户接口(GUI)的元件。这使得用户可方便地鉴别相机类型以及详细的特性和所支持的功能以及功能参数。
　Pylon GigE Vision驱动快速地把图像数据从网络上的数据中分离开，使得应用程序能用很低的CPU负担获得可用的图像数据，驱动只能用于有特定Intel芯片的网卡。Pylon GigE Vision滤波器驱动支持各种硬件、GigE网卡和主板上的GigE端口。利用最新的驱动栈技术，Basler增加了服务质量(QoS)超过了微软(Microsoft)的标准。Pylon Viewer软件提供了方便的测试评估Basler相机的应用程序。
2 使用Pylon驱动包