摘  要： GigE Vision接口技術(shù)成為了機(jī)器視覺(jué)工業(yè)的一項(xiàng)非常具有吸引力的技術(shù)，Basler scout系列GigE Vision攝像機(jī)具有卓越的性能， Basler提供了Pylon驅(qū)動(dòng)包開(kāi)發(fā)包，可方便用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)。將該攝像機(jī)應(yīng)用于10 m水位試驗(yàn)臺(tái)銦鋼尺圖像獲取并在計(jì)算機(jī)上顯示。
關(guān)鍵詞： GigE Vision；攝像機(jī)；Pylon API；圖像顯示和縮放

　水位試驗(yàn)臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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(jué)專(zhuān)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(jué)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(xiàn)1394、GigE Vision、Camera-Link、USB等幾種?；鹁€(xiàn)1394接口為了延長(zhǎng)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(zhǎng)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(jué)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(jué)的標(biāo)準(zhǔn)接口，讓相機(jī)和軟件無(wú)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?xiě)?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?br /> 　(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(lái)描述GigE Vision的結(jié)構(gòu)，但TCP/IP用于機(jī)器視覺(jué)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(jué)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(lài)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?，主信道由主應(yīng)用產(chǎn)生，允許對(duì)設(shè)備讀寫(xiě)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。

　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(wàn)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(hù)的機(jī)器視覺(jué)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(guò)測(cè)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(kāi)發(fā)包結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　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(jiǎn)單的訪(fǎng)問(wèn)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(hù)接口(GUI)的元件。這使得用戶(hù)可方便地鑒別相機(jī)類(lèi)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(kāi)，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(guò)了微軟(Microsoft)的標(biāo)準(zhǔn)。Pylon Viewer軟件提供了方便的測(cè)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(kāi)發(fā)包，使用MS Visual Studio 2003或者2005進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，在開(kāi)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)\..\genicam\library\cpp\include
　(2)庫(kù)路徑和庫(kù)文件
　#include <pylon/PylonIncludes.h>
　該文件包含了必須的#pragma comment lib語(yǔ)句。
　在連接器搜索路徑中添加以下路徑以找到.lib文件：
　$(PYLON_ROOT)\lib\win32
　$(PYLON_ROOT)\..\genicam\library\CPP\Lib\WIn32_i86
　(3)設(shè)置環(huán)境變量
　Pylon開(kāi)發(fā)包安裝過(guò)程中設(shè)置了以下的環(huán)境變量：
　PYLON_ROOT：用于定位Transport Layer庫(kù)；
　GENICAM_ROOT_V1_1： 用戶(hù)定位GenApi Node Maps所在庫(kù)；
　GENICAM_CACHE： 描述了GenApi的XML文件緩存的位置。
3 應(yīng)用程序開(kāi)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(huà)框的MFC應(yīng)用程序開(kāi)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(fǎng)問(wèn)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(xiě)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(fǎng)問(wèn)Transport Layer參數(shù)。枚舉可用的Transport Layer和創(chuàng)建Transport Layer對(duì)象由Pylon：：CTlFactory類(lèi)完成。為了方便起見(jiàn)，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(lèi)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
　(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；
　(3)設(shè)置自動(dòng)曝光以適應(yīng)不同強(qiáng)度的光線(xiàn)。
　代碼參考如下[3]：
m_pCamera = m_pTlFactory->CreateDevice (m_devices[m_ixCamera])；
//創(chuàng)建Camera對(duì)象
m_pStreamGrabber=m_pCamera->GetStreamGrabber(0)；//創(chuàng)建圖像抓取器
m_pCamera->Open ()；//打開(kāi)Camera對(duì)象
m_pStreamGrabber->Open ()；//打開(kāi)圖像抓取器
m_pCameraNodeMap = m_pCamera->GetNodeMap()；
//獲取Camera節(jié)點(diǎn)圖
//Set AOI
CIntegerPtr ptrOffsetX=m_pCameraNodeMap->GetNode("OffsetX")；//獲取X方向偏移節(jié)點(diǎn)
CIntegerPtr ptrOffsetY=m_pCameraNodeMap->GetNode("OffsetY")；//獲取Y方向偏移節(jié)點(diǎn)
CIntegerPtr ptrAoiWidth=m_pCameraNodeMap->GetNode ("Width")；//獲取寬度節(jié)點(diǎn)
CIntegerPtr ptrAoiHeight=m_pCameraNodeMap->GetNode ("Height")；//獲取高度節(jié)點(diǎn)
m_AoiSize.cx=(ptrAoiWidth->GetMax())；
//圖像最大寬度
m_AoiSize.cy=(ptrAoiHeight->GetMax())；
//圖像最大高度
m_AoiSize.cx=m_AoiSize.cx & ~3；
ptrOffsetX->SetValue(0)；//X偏移設(shè)置為0
ptrOffsetY->SetValue(0)；//Y偏移設(shè)置為0
ptrAoiWidth->SetValue(m_AoiSize.cx)；//圖像寬度設(shè)置
ptrAoiHeight->SetValue(m_AoiSize.cy)；//圖像高度設(shè)置
CEnumerationPtr ptrTriggerSelector=
 m_pCameraNodeMap->GetNode("TriggerSelector")；
ptrTriggerSelector->FromString("AcquisitionStart")；
CEnumerationPtr ptrTriggerMode=m_pCameraNodeMap->GetNode("TriggerMode")；
ptrTriggerMode->FromString("Off")；
CEnumerationPtr ptrAcquisitionMode=
m_pCameraNodeMap->GetNode("AcquisitionMode")；
ptrAcquisitionMode->FromString("Continuous")；
CEnumerationPtr ptrExposureMode=
m_pCameraNodeMap->GetNode("ExposureMode")；
ptrExposureMode->FromString("Timed")；
CEnumerationPtr ptrExposureAuto=
m_pCameraNodeMap->GetNode("ExposureAuto")；
ptrExposureAuto->FromString("Continuous")；
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。

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(wú)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。

　本文應(yīng)用Pylon開(kāi)發(fā)包進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)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(mǎn)足應(yīng)用要求。
參考文獻(xiàn)
[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.