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

Kategorie: ImageFormatControl

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 Chunk Daten).
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 (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Bildbreite in Pixeln des vom ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams.
Height (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Bildhöhe in Pixeln des vom ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams.
WidthMax (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Maximale Breite eines Bildes (beträgt immer 1280 Pixel).
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 Chunk Daten).
PixelFormat
  • Typ: Aufzählung mit einigen Werten von Mono8 oder YCbCr411_8 (nur bei Farbsensoren), Coord3D_C16, Confidence8 und Error8
  • Beschreibung: Pixelformat der selektierten Komponente. Die Aufzählung erlaubt nur aus Pixelformaten auszuwählen die für die ausgewählte Komponente möglich sind. Bei einem Farbsensor kann man bei den Komponenten Intensity und IntensityCombined zwischen den Pixelformaten Mono8 oder YCbCr411_8 wählen.

Kategorie: AcquisitionControl

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).

Kategorie: AnalogControl

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).

Kategorie: DigitalIOControl

Hinweis

Falls die IOControl Lizenz nicht verfügbar ist, dann werden die Ausgänge entsprechend den Voreinstellungen gesetzt und können nicht geändert werden. Die Eingänge liefern immer den logischen Wert für falsch, unabhängig davon welche Signale an den physikalischen Eingängen anliegen.

LineSelector
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Out1, Out2, In1 oder In2
  • Voreinstellung: Out1
  • Beschreibung: Wählt den Ein- oder Ausgang um den aktuellen Zustand abzufragen oder die Betriebsart zu setzen.
LineStatus (schreibgeschützt)
  • Typ: Boolean
  • Beschreibung: Aktueller Zustand des mit LineSelector ausgewählten Ein- oder Ausgangs.
LineStatusAll (schreibgeschützt)
  • Typ: Integer
  • Beschreibung: Aktueller Zustand der Ein- und Ausgänge welche in den unteren vier Bits angegeben werden.
Tab. 38 Bedeutung der Bits des LineStatusAll Parameters.
Bit 4 3 2 1
GPIO Eingang 2 Eingang 1 Ausgang 2 Ausgang 1
LineSource (schreibgeschützt falls das IOControl Modul nicht lizensiert ist)
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: ExposureActive, ExposureAlternateActive, Low oder High
  • Voreinstellung: ExposureActive für Out1 und Low für Out2
  • Beschreibung: Betriebszustand des mit LineSelector gewählten Ausgangs, wie im Abschnitt zum IOControl Modul beschrieben (out1_mode und out2_mode). Siehe auch den Parameter AcquisitionAlternateFilter zum Filtern von Bildern im Betriebszustand ExposureAlternateActive.

Kategorie: TransportLayerControl / PtpControl

PtpEnable
  • Typ: Boolean
  • Voreinstellung: false
  • Beschreibung: Schaltet die PTP-Synchronisierung ein und aus.

Kategorie: Scan3dControl

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.
Scan3dFocalLength (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Brennweite in Pixeln des mit ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams. Im Fall der Komponenten Disparity, Confidence und Error hängt der Wert auch von der Auflösung ab die implizit über DepthQuality eingestellt wurde.
Scan3dBaseline (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Basisabstand der Stereokamera in Metern.
Scan3dPrinciplePointU (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Horizontale Position des Bildhauptpunktes des mit ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams. Im Fall der Komponenten Disparity, Confidence und Error hängt der Wert auch von der Auflösung ab die implizit über DepthQuality eingestellt wurde.
Scan3dPrinciplePointV (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Beschreibung: Vertikale Position des Bildhauptpunktes des mit ComponentSelector ausgewählten Bild-Streams. Im Fall der Komponenten Disparity, Confidence und Error hängt der Wert auch von der Auflösung ab die implizit über DepthQuality eingestellt wurde.
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. Für den rc_visard beträgt der Wert 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.

Kategorie: ChunkDataControl

ChunkModeActive
  • Typ: Boolean
  • Voreinstellung: false
  • Beschreibung: Schaltet Chunk Daten an, die mit jedem Bild mitgeliefert werden.

Besondere Parameter der GenICam-Schnittstelle des rc_visard

Kategorie: ImageFormatControl

ExposureTimeAutoMax
  • Typ: Float, Wertebereich: 66–18000 µs
  • Voreinstellung: 7000 µs
  • Beschreibung: Maximale Belichtungszeit im automatischen Belichtungsmodus (Auto).
ExposureRegionOffsetX
ExposureRegionOffsetY
ExposureRegionWidth
ExposureRegionHeight

Kategorie: AcquisitionControl

AcquisitionAlternateFilter (schreibgeschützt falls das IOControl Modul nicht lizensiert ist)
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: Off, OnlyHigh oder OnlyLow
  • Voreinstellung: Off
  • Beschreibung: Falls dieser Parameter auf OnlyHigh (oder entsprechend OnlyLow) und die LineSource für mindestens einen Ausgang auf ExposureAlternateActive eingestellt wird, dann werden nur die Kamerabilder übertragen welche aufgenommen wurden während der konfigurierte Ausgang an war, d.h. ein potentiell angeschlossener Projektor war an (oder bei OnlyLow entsprechend aus, d.h. ein potentiell angeschlossener Projektor was aus). Dieser Parameter ist ein einfaches Mittel um nur Bilder ohne ein projiziertes Muster zu bekommen. Der minimale Zeitunterschied zwischen einem Kamera- und einem Disparitätsbild ist in diesem Fall etwa 40 ms (siehe IOControl).
AcquisitionMultiPartMode
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: SingleComponent oder SynchronizedComponents
  • Voreinstellung: SingleComponent
  • Beschreibung: Nur wirksam im MultiPart-Modus. Ist dieser Parameter auf SingleComponent gesetzt, werden die Bilder jeweils sofort als einzelne Komponente pro Frame/Puffer geschickt, sobald sie verfügbar sind. Dies entspricht dem Verhalten von Clients, die MultiPart nicht unterstützen. Ist dieser Parameter auf SynchronizedComponents gesetzt, werden die aktivierten Komponenten auf dem rc_visard zeitlich synchronisiert und in einem gemeinsamen Frame/Puffer versendet – allerdings nur, falls alle für diesen Zeitpunkt verfügbar sind.

Kategorie: Scan3dControl

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. Siehe auch den Parameter Scan3dFocalLength.
Baseline (schreibgeschützt)
  • Typ: Float
  • Besschreibung: Dieser Parameter ist überholt. Der Parameter Scan3dBaseline sollte statt dessen benutzt werden.

Kategorie: DepthControl

DepthAcquisitionMode
  • Typ: Aufzählung, mögliche Werte: SingleFrame oder Continuous
  • Voreinstellung: Continuous
  • Beschreibung: Im SingleFrame Modus wird das Stereomatching mit jedem Aufruf von DepthAcquisitionTrigger durchgeführt. Im Continuous Modus wird das Stereomatching kontinuierlich durchgeführt.
DepthAcquisitionTrigger
  • type: Command
  • Beschreibung: Dieses Kommando triggert das Stereomatching auf den nächsten verfügbaren Stereobildern, falls DepthAcquisitionMode auf SingleFrame eingestellt ist.
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.

Chunk Daten

Der rc_visard unterstützt Chunk Parameter die mit jedem Bild mitgeschickt werden. Chunk Parameter haben alle den Prefix Chunk. Ihre Bedeutung entspricht den gleichlautenden nicht Chunk Parametern. Sie passen jedoch immer zu dem zugehörigen Bild. Z.B. hängt Scan3dFocalLength von ComponentSelector und DepthQuality ab, da die Bildauflösung von beiden Parametern abhängt. Der Parameter ChunkScan3dFocalLength welcher zu einem Bild geliefert wird passt hingegen zu der Auflösung dieses Bildes.

Nützliche Chunk Parameter:

  • ChunkComponentSelector selektiert für welche Komponente Chunk Daten aus dem MultiPart Puffer gelesen werden.
  • ChunkComponentID und ChunkComponentIDValue dienen der eindeutigen Zuordnung des Bildes zu seiner Komponente (z.B. Kamerabild oder Disparitätsbild), ohne dies vom Bildformat oder der Bildgröße ableiten zu müssen.
  • ChunkLineStatusAll bietet den Status der Ein- und Ausgänge zum Zeitpunkt der Bildaufnahme. Siehe LineStatusAll für eine Beschreibung der Bits.
  • ChunkScan3d... sind nützlich zur 3D Rekonstruktion wie im Abschnitt Umwandlung von Bild-Streams beschrieben.
  • ChunkPartIndex gibt den Index des Bild Parts im MultiPart Block für die ausgewählte Komponente (ChunkComponentSelector) zurück.

Chunk Daten werden eingeschaltet durch das Setzen des GenICam Parameters ChunkModeActive auf True.

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 Error8 (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, der Basisabstand und der Bildhauptpunkt benötigt. Diese Parameter werden als GenICam-Parameter Scan3dFocalLength, Scan3dBaseline, Scan3dPrincipalPointU und Scan3dPrincipalPointV zur Verfügung gestellt. Die Brennweite und der Bildhauptpunkt hängen von der Bildauflösung der mit dem ComponentSelector selektierten Komponente ab. Sind diese Werte bekannt, können die Pixel-Koordinaten und die Disparitätswerte mithilfe der im Abschnitt Berechnung von Tiefenbildern und Punktwolken angegebenen Gleichungen in 3D-Objektkoordination im Sensor-Koordinatensystem umgerechnet werden.

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

\[\begin{split}P_x&=\left(i-\mathrm{Scan3dPrincipalPointU}\right) \frac{\mathrm{Scan3dBaseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}},\\ P_y&=\left(k-\mathrm{Scan3dPrincipalPointV}\right) \frac{\mathrm{Scan3dBaseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}},\\ P_z&=\mathrm{Scan3dFocalLength} \frac{\mathrm{Scan3dBaseline}}{d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale}}.\end{split}\]

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:

\[z_{eps}=\frac{e_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale} \cdot \mathrm{Scan3dFocalLength} \cdot \mathrm{Scan3dBaseline}} {(d_{ik} \cdot \mathrm{Scan3dCoordinateScale})^2}.\]

Hinweis

Chunk Daten sollten nach Möglichkeit mit dem Parameter ChunkModeActive angeschaltet und die zum Bild zugehörigen Parameter ChunkScan3dCoordinateScale, ChunkScan3dFocalLength, ChunkScan3dBaseline, ChunkScan3dPrincipalPointU und ChunkScan3dPrincipalPointV genutzt werden, denn deren Werte passen zu der Auflösung des zugehörigen Bildes.

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