Ассоциация AIA (Advanced Imaging Association) создала новый интерфейс GigE Vision для видеокамер, используемых в системах машинного зрения. Этот стандарт определяет методы передачи изображений и способы передачи управляющих сигналов между камерами и компьютерами по стандартному гигабитному Ethernet (GigE), без использования специальных фреймграбберов и кабелей. Такой подход позволяет сделать совместимым оборудование для систем машинного зрения от разных производителей, что особенно важно для системных интеграторов в области машинного зрения.
Существенные преимущества видеокамер с интерфейсом GigE Vision
Содержание протокола GigE Vision (version 1.0)
В XML-файле видеокамеры должны быть следующие обязательные параметры:
В дополнение к этим основным 7 параметрам, стандарт GigE Vision содержит принцип описания рекомендуемых и дополнительных параметров для GigE камер.
Что означает соостветствие стандарту GigE Vision
Соответствие стандарту GigE Vision означает, что к данному оборудованию (например, к видеокамере) можно подключиться определённым образом. Это не означает гарантии качества или надёжности в работе. Это соответствие вовсе не означает, что оборудование будет долго и надёжно работать, эффективно устранять потери пакетов при передаче данных по гигабитному Ethernet, доставлять данные в гарантированные промежутки времени и т.д.
Что такое GenICam™
Создание стандарта GenICam™ началось в 2004 году. Основная идея стандарта состоит в том, чтобы предоставить пользователю и разработчику универсальный интерфейс для видеокамер всех типов, независимо от их внутренней архитектуры и от способа подключения к компьютеру (GigE, Camera Link, IEEE 1394/DCAM и т.д.).
Первая версия GenICam™ была выпущена ассоциацией EMVA (European Machine Vision Association) в сентябре 2006 года. Стандарт определяет правила создания и форматирования XML-файла описания камеры. К стандарту прилагаются образцы реализации библиотеки прикладных программных интерфейсов, использующих XML-файл для представления параметров камеры для разработчиков и пользователей. Следование стандарту GenICam™ не является обязательным для соответствия стандарту GigE Vision.
GigE Vision, USB3 Vision, FireWire, Camera Link: цифровые интерфейсы для камер машинного зрения
Сравним наиболее популярные цифровые интерфейсы для систем машинного зрения, их особенности и преимущества.
Gigabit Ethernet/GigE Vision
Многокамерная съемка, длинный кабель, отсутствие плат видеозахвата
Стандарт Gigabit Ethernet (GigE) широко используется для передачи видеосигнала в системах машинного зрения с 2006 г. По количеству инсталляций это наиболее быстро распространяющийся интерфейс для цифровых камер промышленного применения. Причина в том, что GigE избавляет пользователей от традиционных проблем.
1. Позволяет получать от камеры изображения при значительных длинах кабеля. Так, длина 5-й категории кабеля (CAT5) может достигать 100 м. Имеются стандартные способы увеличения этого расстояния, вплоть до использования оптики. Такие длины кабеля невозможны для протоколов Camera Link, USB 2.0 и FireWire.
2. Упрощает применение нескольких камер, подключаемых к одному компьютеру. При пропускной способности 100 Мбайт/с и длине кабеля 100 м Gigabit Ethernet является универсальным цифровым интерфейсом, поэтому отпадает необходимость в платах видеозахвата (фреймграбберах) и специальных кабелях для работы со скоростной камерой в системе машинного зрения.
Цифровые системы стандарта GigE являются альтернативой традиционным системам на базе аналоговых телекамер почти в любой сфере применения. На сегодня GigE преобладает в ряде областей – от производственных объектов до интеллектуальных транспортных систем.
При работе с сетевым интерфейсом Gigabit Ethernet поставщик решения должен учитывать следующие требования:
Gigabit Ethernet/GigE Vision
Скорость: 100 Мбайт/с.
Длина кабеля: до 100 м.
Ограничения: требуется высокая процессорная мощность
USB 3.0/USB3 Vision
Высокие скорости, отсутствие плат видеозахвата, низкая нагрузка на процессор, простота установки
Стандарт USB 3.0 стал стандартом потребительского рынка. Большинство компьютеров на сегодня оснащены портами USB 3.0. Спецификация USB3 Vision была официально принята в 2013 г.; она отвечает всем необходимым требованиям передачи видео в системах машинного зрения.
Скорость передачи данных, которую обеспечивает USB 3.0, в 9 раз выше по сравнению с предшествующим стандартом USB 2.0. Он также имеет более низкий уровень ошибок передачи видео, дает меньше задержки и искажения, поддерживает более высокую мощность питания, позволяет использовать более длинные кабели. В USB 3.0 управление питанием реализовано на уровне соединения – инициировать переход в режим энергосбережения при простое может как хост-компьютер, так и само устройство (что актуально для уличных камер и камер с питанием от аккумуляторной батареи).
Можно выделить несколько ключевых преимуществ USB 3.0. Реальная пропускная способность может достигать 350 Мбайт/с без использования фреймграббера. Интерфейс поддерживает технологию Plug-and-Play. Технология Direct Memory Access (DMA) позволяет снизить нагрузку на процессор при передаче данных до минимума и масштабировать вычислительные ресурсы в соответствии с потребностями.
USB 3.0/USB3 Vision
Скорость: 350 Mбайт/с.
Длина кабеля: до 8 м.
FireWire
Устаревший ограниченный интерфейс
FireWire (также известный как IEEE 1394) многие годы являлся популярным цифровым интерфейсом. Чем же он был так привлекателен? Тем, что поддерживал подключение видеокамер с протоколом обмена DCAM, обеспечивал отличную совместимость программного обеспечения и устройств и давал необходимую мощность питания на каждом порту. А рынок до сих пор предлагает широкий выбор камер.
Тем не менее доля рынка устройств, использующих стандарт FireWire, снижается. На то несколько причин. Пропускная способность не превышает 64 Мбайт/с (IEEE 1394b), что резко ограничивает разрешение и частоту кадров в секунду. Длина кабеля всего 4,5 м. Стандарт FireWire уходит с потребительского рынка, как результат – рост цен, невысокий выбор оборудования и ПО.
В общем, при организации новых систем машинного зрения не рекомендуется рассматривать FireWire в качестве интерфейса передачи видео. Более целесообразным вариантом с аналогичными преимуществами, но со значительно более высокой скоростью передачи будет USB 3.0.
FireWire
Скорость: l IEEE 1394a – максимум 32 Mбайт/с l IEEE 1394b – максимум 64 Mбайт/с
Длина кабеля: до 4,5 м.
Camera Link
Высочайшие скорости, более сложное решение
Camera Link является очень функциональным и мощным интерфейсом, разработанным специально для камер машинного зрения.
Диапазон частот интерфейса Camera Link позволяет работать с камерами, габариты которых не превышают размеров кубика сахара, а также с камерами, разрешающая способность которых достигает 2 Мпкс, а скорость – нескольких сотен кадров в секунду. Для камер, расчитанных на пропускную способность канала 100–850 Мбайт/с, рекомендуется использовать стандартизованный интерфейс Camera Link.
Поскольку Camera Link был разработан специально для камер машинного зрения, он гарантирует очень высокую скорость видеосигнала, простоту использования и сохранность данных. Все компоненты решения должны поддерживать стандарт Camera Link. Кабели, соединения и платы видеозахвата стандарта Camera Link обычно предназначены для применения только в ТВ-системах и являются дорогостоящими. Каждый компонент решения должен быть сертифицирован производителем и совместим с другими компонентами.
Интерфейс Camera Link имеет три варианта конфигурации:
Camera Link
Скорость для разных вариантов конфигурации: Base – 255 Mбайт/с, Medium – 510 Mбайт/с; Full – 850 Mбайт/с.
Длина кабеля: до 10 м при 85 МГц.
Перспективные стандарты
Универсального интерфейса для цифровых камер машинного зрения не существует. Однако есть очевидные претенденты на эту роль в будущем. По мнению экспертов, некоторые интерфейсы со временем могут исчезнуть с рынка систем машинного зрения: FireWire – из-за ухода с потребительского рынка, и USB 2.0 – из-за нестабильной передачи видео. Оба этих стандарта не соответствуют современным требованиям по высокому разрешению изображения и частоте передачи кадров.
Поскольку интерфейс Gigabit Ethernet поддерживает наибольшую длину кабеля и простую организацию многокамерного режима съемки, для многих различных задач он окажется предпочтительным.
Будет расти популярность стандарта USB 3.0/ USB3 Vision благодаря высоким скоростям, низким нагрузкам на процессор и демократичной стоимости решений. USB 3.0 придет на смену существующим системам на базе интерфейсов FireWire и USB 2.0.
Для пользователей, чьими главными приоритетами являются скорость и разрешение, наилучшим выбором будет Camera Link Full. Ожидается, что на смену решениям на базе Camera Link Base и Medium придет интерфейс USB 3.0 как более экономически выгодный.
GigE, USB 3.0 и Camera Link Full являются наиболее перспективными и массовыми стандартами на сегодня и в перспективе.
GigE Vision, USB3 Vision, FireWire, Camera Link: цифровые интерфейсы для камер машинного зрения
Сравним наиболее популярные цифровые интерфейсы для систем машинного зрения, их особенности и преимущества.
Gigabit Ethernet/GigE Vision
Многокамерная съемка, длинный кабель, отсутствие плат видеозахвата
Стандарт Gigabit Ethernet (GigE) широко используется для передачи видеосигнала в системах машинного зрения с 2006 г. По количеству инсталляций это наиболее быстро распространяющийся интерфейс для цифровых камер промышленного применения. Причина в том, что GigE избавляет пользователей от традиционных проблем.
1. Позволяет получать от камеры изображения при значительных длинах кабеля. Так, длина 5-й категории кабеля (CAT5) может достигать 100 м. Имеются стандартные способы увеличения этого расстояния, вплоть до использования оптики. Такие длины кабеля невозможны для протоколов Camera Link, USB 2.0 и FireWire.
2. Упрощает применение нескольких камер, подключаемых к одному компьютеру. При пропускной способности 100 Мбайт/с и длине кабеля 100 м Gigabit Ethernet является универсальным цифровым интерфейсом, поэтому отпадает необходимость в платах видеозахвата (фреймграбберах) и специальных кабелях для работы со скоростной камерой в системе машинного зрения.
Цифровые системы стандарта GigE являются альтернативой традиционным системам на базе аналоговых телекамер почти в любой сфере применения. На сегодня GigE преобладает в ряде областей – от производственных объектов до интеллектуальных транспортных систем.
При работе с сетевым интерфейсом Gigabit Ethernet поставщик решения должен учитывать следующие требования:
Gigabit Ethernet/GigE Vision
Скорость: 100 Мбайт/с.
Длина кабеля: до 100 м.
Ограничения: требуется высокая процессорная мощность
USB 3.0/USB3 Vision
Высокие скорости, отсутствие плат видеозахвата, низкая нагрузка на процессор, простота установки
Стандарт USB 3.0 стал стандартом потребительского рынка. Большинство компьютеров на сегодня оснащены портами USB 3.0. Спецификация USB3 Vision была официально принята в 2013 г.; она отвечает всем необходимым требованиям передачи видео в системах машинного зрения.
Скорость передачи данных, которую обеспечивает USB 3.0, в 9 раз выше по сравнению с предшествующим стандартом USB 2.0. Он также имеет более низкий уровень ошибок передачи видео, дает меньше задержки и искажения, поддерживает более высокую мощность питания, позволяет использовать более длинные кабели. В USB 3.0 управление питанием реализовано на уровне соединения – инициировать переход в режим энергосбережения при простое может как хост-компьютер, так и само устройство (что актуально для уличных камер и камер с питанием от аккумуляторной батареи).
Можно выделить несколько ключевых преимуществ USB 3.0. Реальная пропускная способность может достигать 350 Мбайт/с без использования фреймграббера. Интерфейс поддерживает технологию Plug-and-Play. Технология Direct Memory Access (DMA) позволяет снизить нагрузку на процессор при передаче данных до минимума и масштабировать вычислительные ресурсы в соответствии с потребностями.
Скорость: 350 Mбайт/с.
Длина кабеля: до 8 м.
FireWire
Устаревший ограниченный интерфейс
FireWire (также известный как IEEE 1394) многие годы являлся популярным цифровым интерфейсом. Чем же он был так привлекателен? Тем, что поддерживал подключение видеокамер с протоколом обмена DCAM, обеспечивал отличную совместимость программного обеспечения и устройств и давал необходимую мощность питания на каждом порту. А рынок до сих пор предлагает широкий выбор камер.
Тем не менее доля рынка устройств, использующих стандарт FireWire, снижается. На то несколько причин. Пропускная способность не превышает 64 Мбайт/с (IEEE 1394b), что резко ограничивает разрешение и частоту кадров в секунду. Длина кабеля всего 4,5 м. Стандарт FireWire уходит с потребительского рынка, как результат – рост цен, невысокий выбор оборудования и ПО.
В общем, при организации новых систем машинного зрения не рекомендуется рассматривать FireWire в качестве интерфейса передачи видео. Более целесообразным вариантом с аналогичными преимуществами, но со значительно более высокой скоростью передачи будет USB 3.0.
Скорость: l IEEE 1394a – максимум 32 Mбайт/с l IEEE 1394b – максимум 64 Mбайт/с
Длина кабеля: до 4,5 м.
Camera Link
Высочайшие скорости, более сложное решение
Camera Link является очень функциональным и мощным интерфейсом, разработанным специально для камер машинного зрения.
Диапазон частот интерфейса Camera Link позволяет работать с камерами, габариты которых не превышают размеров кубика сахара, а также с камерами, разрешающая способность которых достигает 2 Мпкс, а скорость – нескольких сотен кадров в секунду. Для камер, расчитанных на пропускную способность канала 100–850 Мбайт/с, рекомендуется использовать стандартизованный интерфейс Camera Link.
Поскольку Camera Link был разработан специально для камер машинного зрения, он гарантирует очень высокую скорость видеосигнала, простоту использования и сохранность данных. Все компоненты решения должны поддерживать стандарт Camera Link. Кабели, соединения и платы видеозахвата стандарта Camera Link обычно предназначены для применения только в ТВ-системах и являются дорогостоящими. Каждый компонент решения должен быть сертифицирован производителем и совместим с другими компонентами.
Интерфейс Camera Link имеет три варианта конфигурации:
Скорость для разных вариантов конфигурации: Base – 255 Mбайт/с, Medium – 510 Mбайт/с; Full – 850 Mбайт/с.
Длина кабеля: до 10 м при 85 МГц.
Перспективные стандарты
Универсального интерфейса для цифровых камер машинного зрения не существует. Однако есть очевидные претенденты на эту роль в будущем. По мнению экспертов, некоторые интерфейсы со временем могут исчезнуть с рынка систем машинного зрения: FireWire – из-за ухода с потребительского рынка, и USB 2.0 – из-за нестабильной передачи видео. Оба этих стандарта не соответствуют современным требованиям по высокому разрешению изображения и частоте передачи кадров.
Поскольку интерфейс Gigabit Ethernet поддерживает наибольшую длину кабеля и простую организацию многокамерного режима съемки, для многих различных задач он окажется предпочтительным.
Будет расти популярность стандарта USB 3.0/ USB3 Vision благодаря высоким скоростям, низким нагрузкам на процессор и демократичной стоимости решений. USB 3.0 придет на смену существующим системам на базе интерфейсов FireWire и USB 2.0.
Для пользователей, чьими главными приоритетами являются скорость и разрешение, наилучшим выбором будет Camera Link Full. Ожидается, что на смену решениям на базе Camera Link Base и Medium придет интерфейс USB 3.0 как более экономически выгодный.
GigE, USB 3.0 и Camera Link Full являются наиболее перспективными и массовыми стандартами на сегодня и в перспективе.
Qt + OpenCV. Новое устройство GigE интерфейса доступа к сетевым видеокамерам как CvCapture
Варианты реализаций собственного устройства видеозахвата.
Спасибо разработчикам библиотеки OpenCV за код, распрпостраняемый под BSD лицензией.
Речь идёт о версии 2.4.2.
Изучим часть исходников в каталоге modules/highgui/src. Как видим, всё несложно. Можно, просто скопировав похожий модуль, например cap_pvapi.cpp, под собственное устройство cap_giganetix.cpp сделать надлежащие правки, внести изменения (новый метод и элементы перечислений enum) в код precomp.hpp и соответствующие файлы директив для cmake и запустить сборку.
Это — первый метод. Основной минус — всё меняется от версии к версии, и пересборки новых релизов неизбежны.
Существует и более стабильный, если так можно назвать, вариант — реализация собственного CvCaptute для нового устройства, совместимого со структурой из OpenCV. Плюс в том, что разработчик помещает всю эту байду все свои зазработки в отдельную библиотеку, которая по требованиям зависимостей подгрузит и SDK на новое устройство, и OpenCV.
Минус, как всегда, в наличии «кота в мешке» — реализации на стороне разработчиков OpenCV скрытой структуры CvCapture.
Рассмотрим последний вариант.
Внешняя библиотека устройства видеозахвата типа CvCapture.
Участок приведёт код к правилам разработки модулей OpenCV. В чужой монастырь со своим уставом не лезь!
А так, мы просто добавили некоторые свойства для нашего устройства.
Создадим методы-оболочки для функций SDK нашей камеры. Это позволит минимизировать изменения в нашем коде при возможной правке разработчиками SDK собственного. Думаю, это — хороший стиль.
Обратите внимание на то, что объявление struct CvCapture взято из исходных кодов OpenCV (каталог modules/highgui/src, файл precomp.hpp). Вот оно, узкое место библиотеки!
Показано, как использовать макросы согласно стилю программирования от OpenCV.
Под привилегиями cуперпользователя в каталоге /usr/lib размещаем ссылки на новую библиотеку и… приступаем к тестированию.
Как получить видеопоток с камеры машинного зрения
Процесс получение потока изображения с GigE, USB камер машинного зрения, а также с фрейм-грабберов для CoaXPress, Оптоволоконных, CameraLink отличается от получения изображений с обычных WEB или IP камер.
Как получить изображение с GigE/10 GigE/USB камер
1. Скачайте и установите свежую версию API от производителя нужной вам камеры
Производитель
Название API
2. В установленных API есть основные программы, такие как Camera Explorer (Baumer), через которые вы можете получить изображение с камеры, а также настроить её параметры.
3. Для получения изображения непосредственно в своем ПО необходимо добавить библиотеки API к своему проекту, подробнее вы можете прочитать в инструкциях по программированию из API.
Примечание: каждый вышеперечисленный API позволяет вам написать ПО для работы с изображением от камеры своего производителя. У некоторых API (SDK) присутствует расширенный, платный функционал, позволяющий работать камерами различных производителей, а также добавлять расширенный функционал по обработке изображений в ваше ПО (коэффициент фокусировки, программная автоэкспозиция и т.д.)
Как получить изображение с фрейм-грабберов
1. Скачайте ПО для вашей платы
| Производитель платы видеозахвата | Название API |
| Kaya Instruments | Vision Point Software-Package |
| Silicon Software | Basler pylon и setup Applets для вашей версии граббера |
| Teledyne Dalsa | Teledyne DALSA Sapera LT + драйвер для вашей платы |
2. В распакованном ПО вы найдете основную программу для работы с платой захвата и камерой, а также примеры по захвату изображения и работе с платой захвата для встраивания в ваше ПО.
Примечание: Для настройки камеры через платы- фрейм-грабберы необходимо изучить инструкцию камеры, так как все параметы камеры транслируются в интерфейс ПО фрейм-граббера.
Как получить изображение с видеорегистратора
У высокоскоростных видеорегистраторов IO Industries имеется программа конфигурирования камер, регистратора и просмотра записи.
Также есть свое SDK, позволяющее совместить видеорегистрацию с другими процессами в системе, добавить показания на видеоряд и т.д.
