Системи за машинно зрение

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2008

Системи за машинно зрениеСистеми за машинно зрениеСистеми за машинно зрениеСистеми за машинно зрение
 

Част III. Комуникационни протоколи, използвани в системи за машинно зрение

Като правило, при изграждането на една система за машинно зрение камерите се разполагат в непосредствена близост до обектите за наблюдение, а устройствата за контрол, обработка и архивиране на информацията - на подходящо отдалечено място. Това обуславя необходимостта от надежден начин за пренос на информация от и към всяка от камерите. В настоящата статия се разглеждат най-разпространените интерфейси за камери от системи за машинно зрение.

В таблица 1 са показани основни характеристики на различни комуникационни интерфейси, намерили приложение в системите за машинно зрение.

 

Стандарти за цифрови камери IEEE 1394

Стандартите от тази група са известни още и под търговското наименование FireWire на Apple. Наред с Apple и други компании регистрират търговски марки, базирани на същата група стандарти, например i.LINK на Sony, както и DV на Matsushita.

FireWire е замислен от Apple като сериен вариант за замяна на паралелния интерфейс SCSI (Small Computer System Interface), а така също осигурява свързване на цифрово аудио- и видеооборудване.

Apple започва разработването на стандарта в края на 80-те години на миналия век и го завършва през 1995 г. под наименованието FireWire 400 (IEEE 1394-1995). Впоследствие стандартът е бил изменен, като през 2000 година е утвърден като IEEE 1394а, а през 2002 е приет IEEE 1394b (или FireWire 800). Най-новият стандарт за цифрови камери от групата - IEEE 1394c, е публикуван на 8 юни 2007 година.

Основните характеристики на IEEE 1394а са дадени в таблица 1. Обменът на информация е полудуплексен. В него е добавена поддръжката на асинхронен поток от информация, по-бърза реконфигурация на магистралата, пакетна конкатенция (представлява вид сливане на множество информационни пакети в един с цел оптимизация на мрежата) и енергоспестяващ режим.

Стандартът IEEE 1394b предлага освен двукратно увеличение на скоростта, спрямо предходните версии, и обмен от типа “пълен дуплекс”, реализирано посредством нова схема за декодиране, наречена “бета режим” (beta mode). Новата версия е съвместима със старите и по-бавни версии и позволява използването на същите конектори с шест извода. Това не се отнася за FireWire 800, който използва нов модел конектор с 9 извода (фиг.2).

 

Комуникационен протокол Camera Link

Camera Link е сериен комуникационен протокол, проектиран за приложения в системи за машинно зрение. Базиран е на интерфейса Channel Link, разработен от National Semiconductor. Базова цел на разработването му е била стандартизирането на различни видеопродукти, включително камери, кабели и кадрови уловители. Стандартът Camera Link се поддържа и администрира от AIA (Automated Imaging Association).

Основният Camera Link стандарт използва 28 бита, които представляват 24 бита данни за пикселите и 3 бита видеосигнали за синхронизация (“валидни данни”, “валиден кадър” и “валидна линия”). Предвиден е още един бит, който е оставен като резерв за бъдещо използване.

Информацията се преобразува в сериен вид със съотношение 7:1 и се предава по четири сигнални линии (двужилни), а по пета линия се предава тактов сигнал. Петте сигнални чифта са от типа LVDS (Low Voltage Differential Signaling). LVDS представлява интерфейс за обща употреба с висока скорост и ниска енергийна консумация (максималният размах е 350 mV диференциално, като се допуска ±1 V синфазна съставна шум). За да се преобразуват сигналите в паралелен вид, се използват преместващи регистри. Използваните кабели са със специално изработени конектори с 26 извода. Захранването на камерите се осъществява по отделни кабели, специфицирани от конкретните производители.

 

Стандартът GigE Vision

GigE или Гигабит Етернет (Gigabit Ethernet) представлява Ethernet протокол от най-ново поколение. Скорости на трансфер от порядъка на 10 Mbps и дори 100 Mbps, характерни за т.нар. Fast Ethernet, са твърде ниски за предаване на информация за изображения от системите за машинно зрение. Възможност за използването на Ethernet технологията в областта на машинното зрение се появява с навлизането на GigE, който предлага скорости на трансфер от 1000 Mbps или 1 Gbps.

Стандартът GigE Vision е сравнително нов стандарт за интерфейс, дефиниран от AIA и разработен специално за високопроизводителни камери за машинно зрение. Разработен е от група от около 50 компании, сред които са - Adimec, Atmel, Basler AG, CyberOptics, DALSA, JAI A/S, JAI PULNiX, Matrox, National Instruments, Photonfocus, Pleora Technologies и Stemmer Imaging и др. GigE Vision е изграден на базата на GigE, който използва стандартно Ethernet окабеляване и има сравнително опростена мрежова структура.

Стандартът GigE Vision обхваща едновременно хардуерен интерфейсен стандарт - т.е. GigE, комуникационни протоколи и стандартизирани управляващи регистри на камерата. Базиран е на командна структура, наречена GenICam. Понастоящем, GenICam е част от стандарта GigE Vision.

Наименованието GenICam произлиза от

 

Generic Interface for Cameras

Идеята за разработването на GenICam възниква, тъй като от съвременните цифрови камери се изисква не само да осигуряват изображения, но и да поддържат широка функционалност. Обработката на изображенията, управлението на външния хардуер и изпълнението на част от приложенията в реално време са често срещани задачи, извършвани от цифровите камери за машинно зрение. В резултат от все по-високите изисквания към цифровите камери, програмният интерфейс за тях става все по-сложен.

Целта на GenICam е да осигури общ програмен интерфейс за всички видове камери. Без значение от използваната интерфейсна технология (GigE Vision, Camera Link, 1394 DCAM, USB и др.) или притежаваните характеристики, приложният програмен интерфейс (API) е винаги един и същ. Групата стандарти GenICam се притежава от EMVA (European Machine Vision Association) и включва няколко модула, в съответствие с основните задачи, които следва да решава. Основните модулите са:

l GenApi - конфигуриране на камерата;

l SFNC (Standard Feature Naming Convention) - препоръчителни имена и типове на общите характеристики;

l GenTL - интерфейс на транспортния слой.

GenApi и SFNC вече са официална част от GenICam, а спецификациите на GenTL се очаква да бъдат завършени скоро.

 

Позволява свързване на камерите в мрежа

Използването на камери, съвместими със стандарта GigE Vision, предлага редица съществени предимства. Сред основните от тях е, че GigE портовете вече са еднакви за стационарните и за преносимите компютри, поради което отпада необходимостта от специални интерфейсни карти и скъпоструващи кадрови уловители. На следващо място GigE Vision предлага широка честотна лента за предаване на информация за образи в реално време, при това със скорост, покриваща изискванията на около 90% от индустриалните приложения на камери за машинно зрение. Разглежда се като добра алтернатива на сложни и скъпи интерфейси като Camera Link. Друго предимство на GigE Vision е, че стандартът дава възможност за използване на сравнително евтини кабели от типа CAT5 иCAT6 с дължина до 100 метра.

GigE Vision е напълно съвместим с хардуер за Гигабит Етернет, включително суичове и хъбове, което позволява свързване на камерите в мрежа. А това е особено полезно в случаите, изискващи многоточково наблюдение, и дава зелена улица за прилагане на машинното зрение в приложения като ITC (Inteligent Trafik Control - интелигентно управление на пътното движение) и заснемане на изображения за целите на обществената сигурност.

 

GigE Vision камери и GigE камери

Не бива да се смесват двете понятия: камери за Ethernet и Gigabit Ethernet съществуват не от скоро, но те се различават от камерите за GigE Vision. Отличителна специфика на GigE камерите са вградените в тях компютри, които “пакетират” данните още в самата камера и след това разпределят информацията в компресиран вид към основния компютър. Следователно, изображенията не се получават в реално време.

Този подход е приложим за “интелигентните камери”, които обикновено не изпращат изображението в “суров” вид, а използват вградения компютър за анализ на образа и едва след това изпращат по-скоро информация за изображението, отколкото самото изображение. Тези камери, като правило, не са подходящи за системи за машинно зрение.

 

Интерфейсът USB 2

Днес се предлагат много камери, които работят с интерфейса USB 2. Интерфейсът е широко разпространен за потребителски компютърни продукти и web-камери. Следва да се има предвид, че USB 2 не е стандартизиран интерфейс, съвместим с вече изброените комуникационни технологии. Освен това, принципът му на работа предполага създаването на допълнителен товар за процесора и отнема доста от ценните ресурси на компютъра, които могат да се използват за други цели, например обработка на изображенията. Поради тези причини, USB 2 не е намерил съществено приложение в промишлените системи за машинно зрение.

 

Стандарти за черно-бели и цветни аналогови камери

Въпреки че с основание са определяни като морално остаряло техническо решение, аналоговите камери все още се използват, макар и ограничено, в областта на индустрията. Съществува голямо разнообразие видове на предавания сигнал, кадровите уловители и софтуера за обработка. Стандартът RS-170A се отнася за черно-бял композитен видеосигнал, който съдържа едновременно синхронизация и информация за изображението. Видеосистемата притежава 525 линии с честота 30 кадъра в секунда. Амплитудата на видеосигнала е 1 волт, от -0.286 V до +0.714 V (фиг.3). Подобни на RS-170A са стандартите RS-330 и RS-343. Те са разпространени предимно в Северна и Южна Америка, както и Япония. В Европа се използва CCIR, който има близки характеристики.

За цветни камери разпространение са получили трицветните стандарти NTSC, PAL и SECAM. NTSC се използва предимно на американския пазар и в някои азиатски държави. Съдържа 525 линии с 30 кадъра (60 полукадъра) в секунда. Стандартите PAL и SECAM са разпространени в Европа и се характеризират с 625 линии и 25 кадъра (50 полукадъра) в секунда.

Съществуват и други видеосигнали за камери извън изброените, например видео с поредова развивка (progressive scan), съдържащ едновременно четни и нечетни компоненти. Сред стандартите от групата са и т.нар. high resolution, който се характеризира с увеличен брой на линиите и на пикселите, Negative-going video, при който бялото е най-отрицателната стойност на сигнала, и др.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top