工业相机编程模型和流程及SDK接口使用

内容纲要：

1.工业相机编程模型和流程

2.工业相机SDK接口使用总结

3.Basler Pylon工业相机SDK的使用

4.Pylon 以实时图像采集讲解PylonC SDK使用流程

5.关于使用维视工业相机 SDK 采集图像的问题

6.工业相机SDK之opencv二次开发

一、工业相机编程模型和流程

不同的工业相机提供不同的编程接口(SDK)，尽管不同接口不同相机间编程接口各不相同，他们实际的API结构和编程模型很相似，了解了这些再对工业相机编程就很简单了。

DMA技术：

DMA是一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据，既不通过CPU，也不需要CPU干预。整个数据传输操作在一个称为"DMA控制器"的控制下进行的。CPU除了在数据传输开始和结束时做一点处理外，在传输过程中CPU可以进行其他的工作。这样，在大部分时间里，CPU和输入输出都处于并行操作。因此，使整个计算机系统的效率大大提高。

对于工业相机来说，当CMOS或CCD芯片曝光然后将数据转到相机缓存后，这时候DMA会负责将缓存中数据保存到硬盘上指定位置，正好满足相机高速大数据的传输。一般都会使用DMA来完成实时的数据采集和保存。

多数时候，DMA控制器存在各种接口的图像采集卡中，包括1394/GigE/USB/Camera Link等，这些采集卡有自己的时间控制单元完成和相机曝光的同步，并控制DMA的存取行为。

工作流程：

当相机工作时，就是连续的采集-处理-采集-处理...的过程，但是这就存在一个问题，如果采集的速度比处理速度快，处理不过来，怎么办？在实际中，我们使用队列来解决这个问题，当前帧没有处理完，下一帧到来时直接放入队列等待当前处理完成后再处理它。

如下图

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这里使用三个队列完成采集和处理同步。

DMA队列：

当CMOS或CCD芯片曝光然后将数据转到相机缓存后，这时候DMA会负责将缓存中数据写入到“DMA队列”头Buffer中。

准备队列：

一旦“DMA队列”头Buffer被填充完成，会被加到“准备队列”尾后，这时候会发送中断通知用户程序：当前又有一帧数据采集完成，您看着处理吧。

处理队列：

当用户接收到中断会自动跳转到中断函数中，使用GetFrame拿取“准备队列”头Buffer，然后加到当前用户程序“处理队列”尾，用户程序从“处理队列”头拿取Buffer处理完成后使用PutFrame将Buffer再添加到原始的“DMA队列”尾。

需要说明如下几点：

1.这里的初始队列为1-10,都是初始分配为DMA队列的，这个内存分配和释放过程有的SDK是自己负责的，有的则需要用户自己分配和释放，SDK只负责托管使用。

2.一般最开始注册一个中断处理函数，当“准备队列”填充完成会自动跳转到中断函数中，借此完成同步操作。也可以是用户自己维护同步结构体，使用查询和等待的方式判断“准备队列”头是否填充完成，是否该用户程序获取数据和处理了。

3.如果用户处理任务非常简单，可以去掉“处理队列”，每次直接GetFrame->处理->PutFrame。如果用户处理任务比较复杂而不希望出现丢帧的现象，则需要用户使用“处理队列”来保存所有可用的Buffer。

4.这里队列也只是能够解决处理速度比采集速度慢少许的情况，主要是对不同处理速度做平均来保证采集和处理同步。如果每一帧的处理时间太长，这时候“DMA队列” Buffer全部转移到“处理队列” Buffer，就会出现异常情况，这时不同的相机会有不同的处理方法。

数据传输和显示流程

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如图，每个相机可能有不同的流采集器（Grab Streamer）或同一接口上安装了多个相机(也对应多个流采集器)，对应多个通道（Channel）。对每个通道来说，在实际采集时数据传输实际上是拆分成如图的数据包(Packet) RawData形式传递的，内存中存储形式为一维数组，在每一帧图像的起始存在不同的标识表明一帧的开始和结束，每一个Packet都有标识表明当前所属的通道。为了显示图像，用户程序需要重新将一维数组数据拼装成图像形式，这一过程由用户完成，通常可借助OpenCV或MIL等图像处理包完成该操作。

编程模型和流程

对于相机来说，常见编程时我们关注三个对象——相机对象、采集对象、参数对象。

相机对象(Camera Object)：负责相机的连接、断开等工作。

采集对象(Grab Streamer)：负责相机的采集队列分配、相机单帧、连续采集。

参数对象(Parameter Object)：负责相机参数的设置。

不同的SDK可能安排不一样，一般来说要不是三种对象的功能合并到“相机对象”中，要不是分为三种对象，其实采集对象和参数对象都是在“相机对象”上封装而来。

通用编程流程如下图

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可以看到相机编程需要做三方面工作：

1.初始化操作

首先初始化相机驱动Com环境，然后遍历得到当前的相机列表，根据相机ID或List 编号选择对应相机。

之后连接指定相机，首先设置本次采集的相机参数(帧速、图像大小、缩放比等)，然后是分配和注册当前DMA队列，这里有的是用户完成，有的是SDK完成。

之后先开启DMA逻辑等待相机采图，然后使相机开始工作采图，整个系统就按照之前工作流程运作起来了，许多SDK将“开启DMA”和“相机开始工作”合并为“开始采集”。

2.结束操作

先停止相机工作再关闭DMA逻辑，许多SDK将“开启DMA”和“相机开始工作”合并为“结束采集”。

然后清理DMA队列，和分配时对应，这里有的是用户完成，有的是SDK完成。

最后断开相机并清理工作环境。

3.中断响应操作

当相机一帧采集完成后，自动跳转进入中断回调函数，这里分了两种中断回调函数。

第一种为简单的取Buffer->处理->放回。

第二种结合Windows的消息队列，在此处再给一个“处理队列”，给处理一个缓冲时间。

这里的处理包括常见的图像处理、计算和显示及RawData拼装为图像等用到Buffer的地方。

前面也说过，常用的是中断响应处理，除此之外，自己去查询Buffer填充状态并作相关同步操作在某些场合也会用到，这个请查询不同相机SDK给出的同步方案。

差不多所有的工业相机SDK都是这样的编程模型和流程，AVT 1394相机和Basler Camera Link相机和AVT GigE相机相关代码在笔者网站可下载，还有之前讲的Basler Pylon SDK相机编程，他们基本流程都是一样，恕不详述！

二、 工业相机SDK接口使用总结

相机调用 ：

我们利用相机采集图像，首先要对相机进行相关参数设置及控制，这需要对相机的SDK包比较了解，一般相机厂家都会提供相机SDK，其中包含用户手册和调用Demo，这些都大大降低了调用门槛，提高了二次开发用户的效率。目前用过Balser、海康、大华等相机，其实都是一个套路，都是按照下面几个步骤进行的。

1）枚举设备

2）创建句柄

3）打开设备

4）开始抓图

5）获取一帧并保存图像

6）停止抓图

7）关闭设备

8）销毁句柄

相机同步：

若是开发过程中用到双目或者多目的话，则需要外接同步触发器或者外部触发信号，通过相机同步触发线来实现同步问题。以实际应用过的Basler acA1300-200uc为例，其相机同步触发线具体类型如下：

1 -—— +12 VDC 红

2 —— I/O Input 1 黄

3 —— VCC(加电阻） 蓝

4 —— I/O Out 1 绿

6 —— DCcam Power GND 黑

0000—— I/O GND 白

三、 Basler Pylon工业相机SDK的使用

Pylon库有C++ .Net等各种封装版本，一般用C++版本，功能全面效率高，但对于不同接口(GigE USB3.0 CameraLink)的相机必须对应使用不同的类，之间不能通用。

基于GenAPI通用相机抽象接口使用的是Node结构，以字符串形式访问相机参数，可以统一管理不同接口类型的相机。但效率低，使用不方便。

Pylon高层用C++封装，形成本地相机对象

如何管理多个相机，最靠谱的方法是按相机ID标定顺序，需要读一个配置文件，比如XML或JSON，然而一开始不知道ID，需要先列举出来。

四、Pylon 以实时图像采集讲解PylonC SDK使用流程

一般的对于提供硬件编程来说，硬件生产厂家都会提供好SDK使用的手册和实例。手册中一般包括安装和配置流程，一些基本概念的介绍，SDK每个函数使用，SDK使用流程和实例(有些硬件实例直接写在手册中，有些会以单独文件存在，还有的两者皆有)。对于上位机软件开发人员来说拿到一个硬件上位机编程任务。

首先应该阅读了解其SDK概念，再按照其介绍的SDK开发流程阅读其提供的实例，修改相应的实例为自己所用，有不懂的函数查询一下其用法即可。有些开发人员习惯性的去记其API，这是费时费力的做法，并不推荐。下面主要以实时图像采集讲解Basler相机的PylonC SDK的使用流程。

PylonC SDK的使用的总体流程图如下

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下面是其中对于不同的工作要求，加载相机对象和卸载相机对象是通用的。而要使用其他模块，如事件对象时，相应的改为加载事件对象和卸载事件对象，以及使用事件对象完成相关任务即可。编程时一定要对整个流程做好规划，特别是硬件编程时一定留意内存泄露，前面分配的资源一定要在后面释放。

下面是五个大流程的详细解析，需要的地方已经加以说明，并注解了需要用到的函数

加载相机对象：

卸载相机对象：

加载数据流抓取对象：

卸载数据流抓取对象：

单帧或连续抓图过程：

按照以上介绍的流程即可实现实时图像采集：

在工业控制当中，用到basler工业相机sdk编程，主要是使用c或者c++，当项目庞大时，又需要良好的用户界面，用C++是不错的选择。

以实例和看过的一些参照讲讲PylonCppSDK使用流程。

首先，同C一样，这里给出一个bolg链接，写的不错，即上面文大侠这篇http://blog.csdn.net/wenzhou1219/article/details/7543420。

从中我们知道，总的开发流程图如下

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那么，用C++开发也大抵如此。

这里我们看一个basler的cpp sample：

把这个和上面的流程图对比理解，再看看文档和sdk的结构，理解起来就容易多了。

五、关于使用维视工业相机 SDK 采集图像的问题

问：最近一直在研究怎么用相机的SDK采集图像且能实时采集。用的维视MV-1300UC，它提供了DEMO，还有说明文档（一些函数的定义），我发现例子里面没有给出类，就直接定义类中的函数，看不明白。有开发经验的老师吗？给点指导，自己一个人学习一点进展也没有，谢谢！

答：

引用

工业相机的SDK，为了通用性应该提供的是C接口

既然如此，例子中的类应该就只限那个例子有效，并不是使用该相机必须的

只要你看懂了每个函数的功能，用不着照抄例子中使用的类

有包含文件（.h）和静态链接库（.lib）我看了例子都没有看到主函数基本都是void 类名::函数名（）{ }这种形式。

所以说你的问题在于看不懂例程，而不是看不懂相机开发包

一般工控领域提供的例程都是MFC程序，你到里面找main函数当然找不到

问：哦，这样啊，老师你有这方面的经验吗?这个东西我都弄了两周了，还是无从下手，难怪我还一直找主函数。给的说明文档我都看了好几遍了，感觉例子里面用到的也不多，自己想把里面的函数单独拿出来来实现功能，参数经常发生错误。

答：你说的这款相机我没用过。

建议你简单学习一下MFC。工控方面的编程用MFC比较多，毕竟搞工控的都不是专业程序员，没精力去专研那些复杂先进的软件技术，MFC算是最普及最简单的图形界面库了。

相机的话，应该是程序启动时【Open】，关闭时【Close】，采集图像前需要【设置采集参数】，采集单幅图像可以随时【采集】，采集连续图像的话需要【Start】和【Stop】，Start前要【设置连续采集参数】大多还需要【设置回调函数】。你可以去找这些功能的函数以及它们在例程中的位置和用法，配合MFC简单编程的学习，应该能快一点上手吧。

转自：CSDN论坛

六、工业相机SDK之opencv二次开发

做视觉的第一步是选好相机镜头等硬件设备，接下来就是将自己开发的算法在硬件上实现。我最近做一个项目，实现了一下Opencv在相机SDK上的运用，下面小结一下具体实现步骤.

1. 安装相机自带的驱动和SDK开发包；

2. 用VS2010新建一个工程，配置好SDK的动态链接库（或者静态），具体动态链接库的使用可参见孙鑫的那本书，这里不多说；

3. 条用SDK开发包中的函数建立相机和PC机件的链接；

4. 建立视频流数据，设立一个回调函数（具体参见各SDK），并将数据拷贝到Mat中的data中；

5. 有了opencv中的Mat数据结构，接下来就可以实现我们的各种算法了。