GigE Vision 2.0/GenICam-Schnittstelle

Gigabit Ethernet for Machine Vision (oder kurz „GigE Vision®“) ist eine industrieller Kameraschnittstellen-Standard basierend auf UDP/IP (siehe http://www.gigevision.com). Der rc_visard nutzt den GigE Vision®-Standard der Version 2.0 und ist damit mit allen GigE Vision®-2.0-Standard-konformen Frameworks und Bibliotheken kompatibel.

GigE Vision® verwendet GenICam (Generic Interface for Cameras), um die Eigenschaften der Kamera bzw. des Geräts zu beschreiben. Für nähere Informationen zu dieser generischen Programmierschnittstelle für Kameras siehe http://www.genicam.org/.

Über diese Schnittstelle stellt der rc_visard folgende Funktionen zur Verfügung:

  • Discovery-Mechanismus,
  • IP-Konfiguration,
  • Konfiguration kamerabezogener Parameter,
  • Bildaufnahme und
  • Zeitsynchronisierung über das im Standard IEEE 1588-2008 definierte Precision Time Protocol (PTPv2).

Hinweis

Der rc_visard unterstützt Jumbo-Frames mit einer Größe bis 9000 Byte. Für höchste Leistung wird empfohlen, die maximale Übertragungseinheit (MTU) des GigE-Vision-Clients auf 9000 zu stellen.

Hinweis

Über seine Homepage stellt Roboception (http://www.roboception.com/download) Tools und eine C++-Programmierschnittstelle mit Beispielen zum Discovery-Mechanismus, zur Konfiguration und zum Bild-Streaming über die GigE Vision/GenICam-Schnittstelle zur Verfügung.

Wichtige Parameter der GenICam-Schnittstelle

Die folgende Liste enthält einen Überblick über relevante GenICam-Parameter des rc_visard, die über die GenICam-Schnittstelle abgerufen und/oder geändert werden können. Neben den Standardparametern, die in der Standard Feature Naming Convention (SFNC, siehe http://www.emva.org/standards-technology/genicam/genicam-downloads/) definiert werden, bietet der rc_visard zudem eigene Parameter, die sich auf spezielle Eigenschaften der Module Stereokamera und Stereo-Matching beziehen.

Wichtige Standardparameter der GenICam-Schnittstelle

ComponentSelector
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Intensity, IntensityCombined, Disparity, Confidence oder Error
  • Voreinstellung: -
  • Beschreibung: Erlaubt dem Benutzer, einen der fünf Bild-Streams zur Konfiguration auszuwählen (siehe Verfügbare Bild-Streams).
ComponentIDValue (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: ID des vom ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams.
ComponentEnable
  • Typ: Boolean
  • Voreinstellung: -
  • Beschreibung: Ist der Parameter auf true gesetzt, aktiviert er den im ComponentSelector ausgewählten Bild-Stream. Anderenfalls deaktiviert er diesen Stream. Über ComponentSelector und ComponentEnable lassen sich einzelne Bild-Streams ein- und ausschalten.
Width, WidthMax (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Maximale Breite eines Bildes (beträgt immer 1280 Pixel).
Height, HeightMax (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Maximale Höhe eines Bildes im Stream. Der Wert beträgt aufgrund der gestapelten Bilder der linken und rechten Kamera im IntensityCombined-Stream immer 1920 Pixel (siehe Verfügbare Bild-Streams).
PixelFormat
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Mono8 oder YCbCr411_8 (nur bei Farbsensoren)
  • Beschreibung: Pixelformat der linken und rechten rektifizierten Bilder die von den Komponenten Intensity und IntensityCombined zurückgegeben werden. Das YCbCr411_8-Format ist nur für Farbsensoren verfügbar.
AcquisitionFrameRate
  • Typ: Float, Wertebereich: 1–25 Hz
  • Voreinstellung: 25 Hz
  • Beschreibung: Bildwiederholrate der Kamera (FPS).
ExposureAuto
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Continuous oder Off
  • Voreinstellung: Continuous
  • Beschreibung: Lässt sich für die manuelle Belichtung auf Off bzw. für die automatische Belichtung auf Continuous setzen (Belichtung).
ExposureTime
  • Typ: Float, Wertebereich: 66–18000 µs
  • Voreinstellung: 5000 µs
  • Beschreibung: Belichtungszeit der Kamera für den manuellen Belichtungsmodus, ausgedrückt in Mikrosekunden (Manual).
GainSelector (schreibgeschützt)
  • Typ: Aufzählung, Wert: ist immer All
  • Voreinstellung: All
  • Beschreibung: Der rc_visard unterstützt aktuell nur einen globalen Verstärkungsfaktor.
Gain
  • Typ: Float, Wertebereich: 0–18 dB
  • Voreinstellung: 0 dB
  • Beschreibung: Verstärkungsfaktor der Kamera für den manuellen Belichtungsmodus, ausgedrückt in Dezibel (Gain).
BalanceWhiteAuto (nur für Farbsensoren)
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Continuous oder Off
  • Voreinstellung: Continuous
  • Beschreibung: Lässt sich für den manuellen Weißabgleich auf Off bzw. für den automatischen Weißabgleich auf Continuous setzen. Dieser Parameter ist nur für Farbsensoren verfügbar (wb_auto).
BalanceRatioSelector (nur für Farbsensoren)
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Red oder Blue
  • Voreinstellung: Red
  • Beschreibung: Auswahl des Verhältnisses welches mit BalanceRatio einstellbar ist. Red bedeutet Verhältnis von Rot zu Grün und Blue bedeutet Verhältnis von Blau zu Grün. Diese Einstellung ist nur für Farbsensoren verfügbar.
BalanceRatio (nur für Farbsensoren)
  • Typ: Float, Wertebereich: 0.125 – 8
  • Voreinstellung: 1.2 wenn Red und 2.4 wenn Blue im BalanceRatioSelector eingestellt sind
  • Beschreibung: Gewichtung vom roten oder blauen zum grünen Farbkanal. Dieses Merkmal ist nur für Farbkameras verfügbar (wb_ratio).
GevIEEE1588
  • Typ: Boolean
  • Voreinstellung: false
  • Beschreibung: Schaltet die PTP-Synchronisierung ein und aus.
Scan3dDistanceUnit (schreibgeschützt)
  • Typ: Aufzählung, Wert: ist immer Pixel
  • Beschreibung: Einheit für die Disparitätsmessungen, ist immer Pixel.
Scan3dOutputMode (schreibgeschützt)
  • Typ: Aufzählung, Wert: ist immer DisparityC
  • Beschreibung: Modus für die Tiefenmessungen, ist immer DisparityC.
Scan3dCoordinateScale (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Der Skalierungsfaktor, der mit den Disparitätswerten im Disparitätsbild-Stream zu multiplizieren ist, um die tatsächlichen Disparitätswerte zu erhalten. Der Wert beträgt immer 0,0625.
Scan3dCoordinateOffset (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Der Versatz, der zu den Disparitätswerten im Disparitätsbild-Stream addiert werden muss, um die tatsächlichen Disparitätswerte zu erhalten. Der Wert beträgt jedoch immer 0 und kann daher ignoriert werden.
Scan3dInvalidDataFlag (schreibgeschützt)
  • Typ: Boolean
  • Beschreibung: Ist immer true, was bedeutet, dass ungültige Daten im Disparitätsbild mit einem spezifischen Wert markiert werden, der durch den Parameter Scan3dInvalidDataValue definiert wird.
Scan3dInvalidDataValue (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Ist der Wert, der für ungültige Disparität steht. Der Wert ist immer 0, was bedeutet, dass Disparitätswerte von 0 immer ungültigen Messungen entsprechen. Um zwischen ungültigen Disparitätsmessungen und Messungen, bei denen die Disparität aufgrund der unendlich weit entfernten Objekte 0 beträgt, unterscheiden zu können, wird der Disparitätswert für den letztgenannten Fall auf 0,0625 gesetzt. Dies entspricht noch immer einer Objektentfernung von mehreren hundert Metern.

Besondere Parameter der GenICam-Schnittstelle des rc_visard

ExposureTimeAutoMax
  • Typ: Float, Wertebereich: 66–18000 µs
  • Voreinstellung: 7000 µs
  • Beschreibung: Maximale Belichtungszeit im automatischen Belichtungsmodus (Auto).
FocalLengthFactor (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Brennweite skaliert auf eine Bildbreite von einem Pixel. Um die Brennweite für ein bestimmtes Bild in Pixeln zu ermitteln, muss dieser Wert mit der Breite des empfangenen Bilds multipliziert werden.
Baseline (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Abstand zwischen der linken und der rechten Kamera, ausgedrückt in Metern.
DepthQuality
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Low, Medium, High oder StaticHigh
  • Voreinstellung: High
  • Beschreibung: Qualität der Disparitätsbilder. Eine geringere Tiefenqualität führt zu Disparitätsbildern mit einer geringeren Auflösung (Qualität).
DepthDispRange
  • Typ: Integer, Wertebereich: 32–512 Pixel
  • Voreinstellung: 256 Pixel
  • Beschreibung: Maximaler Disparitätswert in Pixeln (Disparitätsbereich).
DepthFill
  • Typ: Integer, Wertebereich: 0–4 Pixel
  • Voreinstellung: 3 Pixel
  • Beschreibung: Wert in Pixeln für Füllen.
DepthSeg
  • Typ: Integer, Wertebereich: 0–4000 Pixel
  • Voreinstellung: 200 Pixel
  • Beschreibung: Wert in Pixeln für Segmentierung.
DepthMedian
  • Typ: Integer, Wertebereich: 1–5 Pixel
  • Voreinstellung: 1 Pixel
  • Beschreibung: Wert in Pixeln für den Median-Filter.
DepthMinConf
  • Typ: Float, Wertebereich: 0.0–1.0
  • Voreinstellung: 0.0
  • Beschreibung: Wert für die Minimale Konfidenz-Filterung.
DepthMinDepth
  • Typ: Float, Wertebereich: 0.1–100.0 m
  • Voreinstellung: 0.1 m
  • Beschreibung: Wert in Metern für die Minimale Abstands-Filterung.
DepthMaxDepth
  • Typ: Float, Wertebereich: 0.1–100.0 m
  • Voreinstellung: 100.0 m
  • Beschreibung: Wert in Metern für die Maximale Abstands-Filterung.
DepthMaxDepthErr
  • Typ: Float, Wertebereich: 0.01–100.0 m
  • Voreinstellung: 100.0 m
  • Beschreibung: Wert in Metern für die Maximale Fehler-Filterung.

Verfügbare Bild-Streams

Der rc_visard stellt über die GenICam-Schnittstelle die folgenden fünf Bild-Streams zur Verfügung:

Name der Komponente PixelFormat Breite × Höhe Beschreibung
Intensity
Mono8 (monochrome Sensoren)
YCbCr411_8 (Farbsensoren)
 1280 × 960 Rektifiziertes Bild der linken Kamera
IntensityCombined
Mono8 (monochrome Sensoren)
YCbCr411_8 (Farbsensoren)
 1280 × 1920 Rektifiziertes Bild der linken Kamera, gestapelt auf das rektifizierte Bild der rechten Kamera
Disparity Coord3D_C16
640 × 480
320 × 240
214 × 160
 Disparitätsbild in gewünschter Auflösung, d. h. High, Medium, oder Low
Confidence Confidence8 wie Disparity Konfidenzbild
Error Sonderformat: 0x81080001 wie Disparity Fehlerbild

Jedes Bild wird mit einem Zeitstempel und dem in der oben angegeben Tabelle angegebenen PixelFormat ausgegeben. Dieses PixelFormat sollte verwendet werden, um zwischen den verschiedenen Bildtypen zu unterscheiden. Bilder, die den gleichen Aufnahmezeitpunkt haben, können durch Vergleich der GenICam-Zeitstempel einander zugeordnet werden.

Umwandlung von Bild-Streams

Das Disparitätsbild enthält vorzeichenlose 16-Bit-Ganzzahlwerte. Diese Werte müssen mit dem im GenICam-Parameter Scan3dCoordinateScale angegebenen Skalierungsfaktor multipliziert werden, um die Disparitätswerte \(d\) in Pixeln zu ermitteln. Um die 3D-Objektkoordinaten aus den Disparitätswerten berechnen zu können, werden die Brennweite und der Basisabstand benötigt. Diese Parameter werden als GenICam-Parameter FocalLengthFactor und Baseline übertragen. Um die Brennweite \(f\) für die angegebene Disparitätsbildauflösung zu ermitteln, muss der FocalLengthFactor mit der Breite des Disparitätsbildes multipliziert werden. Sind diese Werte bekannt, können die Pixel-Koordinaten und die Disparitätswerte mithilfe der in Berechnung von Tiefenbildern und Punktwolken angegebenen Gleichungen in 3D-Objektkoordination im Sensor-Koordinatensystem umgerechnet werden.

Angenommen, dass es sich bei \(d_{ik}\) um den 16-Bit-Disparitätswert in der Spalte \(i\) und Zeile \(k\) eines Disparitätsbildes mit \(w\) Spalten und \(h\) Zeilen handelt, lässt sich die 3D-Rekonstruktion (in Metern) wie folgt mit den GenICam-Parametern durchführen:

\[\begin{split}P_x&=\left(i-\frac{w}{2}\right) \frac{\mathrm{Baseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}},\\ P_y&=\left(k-\frac{h}{2}\right) \frac{\mathrm{Baseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}},\\ P_z&=\left(\mathrm{FocalLengthFactor} \cdot w \right) \frac{\mathrm{Baseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}}.\end{split}\]

Das Konfidenzbild umfasst vorzeichenlose 8-Bit-Ganzzahlwerte. Diese Werte müssen durch 255 geteilt werden, um die zwischen 0 und 1 liegenden Konfidenzwerte zu berechnen.

Das Fehlerbild umfasst vorzeichenlose 8-Bit-Ganzzahlwerte. Der Fehler \(e_{ik}\) muss mit dem im GenICam-Parameter Scan3dCoordinateScale angegebenen Skalierungsfaktor multipliziert werden, um die Disparitätsfehlerwerte \(d_{eps}\) in Pixeln zu ermitteln. Der Beschreibung in Konfidenz- und Fehlerbilder zufolge lässt sich der Tiefenfehler \(z_{eps}\) (in Metern) mit den GenICam-Parametern wie folgt berechnen:

\[z_{eps}=\frac{e_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale} \cdot \mathrm{FocalLengthFactor} \cdot w \cdot \mathrm{Baseline}} {(d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale})^2}.\]

Für nähere Informationen zu Disparitäts-, Fehler- und Konfidenzbildern siehe Stereo-Matching.