【虹科】如何借助PTP來做高精度相機(jī)同步

在某些應(yīng)用場合中，如果需要處理來自多臺(tái)相機(jī)的圖像時(shí)，則圖像記錄的精確時(shí)間或準(zhǔn)確的先后順序?qū)罄m(xù)處理至關(guān)重要。若相機(jī)能夠提供時(shí)間戳，則可為不同的圖像數(shù)據(jù)建立時(shí)間基準(zhǔn)。然而，相機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)要能夠精確匹配，這一點(diǎn)至關(guān)重要。通過使用“精確時(shí)間協(xié)議”(PTP)，HK IDS GigE Vision相機(jī)（固件版本2.2或以上）能夠輕松實(shí)現(xiàn)同步。

借助精確時(shí)間協(xié)議(PTP)同步HK IDS GigE Vision相機(jī)

精確時(shí)間協(xié)議(PTP)是一種時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)(IEEE1588)，它使通過網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。支持此標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)可在特定的周期內(nèi)與主時(shí)鐘交換同步信息。利用各自發(fā)送和接收時(shí)間中的時(shí)間戳信息，相機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)精確地校準(zhǔn)和同步。

所有固件版本為2.2及以上的HK IDS?GigE?Vision相機(jī)都可與PTP兼容！

IEEE1588時(shí)間戳是以1970年1月1日0時(shí)0分為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，支持1納秒(1 GHz)的時(shí)間分辨率。然而，由于延遲和信號(hào)運(yùn)行時(shí)的不準(zhǔn)確性，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的時(shí)間同步精度達(dá)微秒級(jí)。

PTP應(yīng)用案例

PTP作為一種基礎(chǔ)協(xié)議，通過為圖像數(shù)據(jù)提供時(shí)間基準(zhǔn)，為各種應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。視應(yīng)用要求及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的復(fù)雜性的不同，PTP可以通過不同的方式來實(shí)現(xiàn)。

1. 相對(duì)時(shí)間戳同步

在本案例中，所有相機(jī)都在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其中一臺(tái)相機(jī)為主服務(wù)器，其余相機(jī)為從服務(wù)器。所有從相機(jī)的時(shí)間戳與主相機(jī)同步。相機(jī)既不提供絕對(duì)時(shí)間戳（實(shí)時(shí)），同時(shí)在無其他操作的情況下，也無法實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。

優(yōu)勢(shì)：

• 在該應(yīng)用場合中，相對(duì)時(shí)間戳確定所有相機(jī)圖像記錄的時(shí)間分配。此外，相對(duì)時(shí)間戳還能確定哪一張圖像為第一張，以及不同相機(jī)的圖像時(shí)差大小。
• 無需額外的操作和成本，即可為特定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)生成相對(duì)時(shí)間戳。

2. 利用絕對(duì)時(shí)間同步時(shí)間戳

本案例中，聯(lián)網(wǎng)相機(jī)與外部主時(shí)鐘同步。該P(yáng)TP主時(shí)鐘可以是支持“硬件時(shí)間戳”的網(wǎng)卡——若無硬件支持，同步精度將顯著降低。除必要的硬件外，還需要支持PTP的軟件。

優(yōu)勢(shì)：

• 具備全局（實(shí)時(shí)）時(shí)間戳的圖像內(nèi)容可跨越當(dāng)前的應(yīng)用限制，與任何其他使用實(shí)時(shí)時(shí)間基準(zhǔn)的信息相關(guān)聯(lián)。
• 對(duì)于其它使用全局時(shí)間基準(zhǔn)的應(yīng)用場合或評(píng)估，圖像內(nèi)容可以重用。

使用PTP：“相對(duì)同步”

硬件設(shè)置

兩臺(tái)不同的固件版本為2.2（支持PTP）的HK IDS GigE Vision相機(jī)（GV-526xFA-C和GV-504xCP-M）連至同一網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。一臺(tái)額外的主機(jī)PC，僅用于控制和配置相機(jī)，不涉及相機(jī)的PTP同步。

軟件設(shè)置

可通過“PtpControl”下的相機(jī)功能節(jié)點(diǎn)圖查找所有PTP配置功能。只有固件需為2.2或以上版本的相機(jī)才能使用這些功能。我們?cè)谥鳈C(jī)PC上安裝配套軟件，來設(shè)置PTP同步。

將一臺(tái)相機(jī)配置為PTP主時(shí)鐘

GV-526xFA-C相機(jī)應(yīng)設(shè)置為PTP主時(shí)鐘。在軟件中打開相機(jī)，并將“PtpEnable”設(shè)為“True”，啟用PTP。另外，將“PtpSlaveOnly”設(shè)為“False”為相機(jī)賦予“主時(shí)鐘”角色。
# Configure master camera
PtpEnable = True
PtpSlaveOnly?=?False

將另一臺(tái)相機(jī)配置為PTP從時(shí)鐘

GV-504xCP-M相機(jī)應(yīng)設(shè)為PTP從時(shí)鐘。同理，將“PtpEnable”設(shè)為“True”以啟用PTP。此時(shí)，這臺(tái)相機(jī)僅作為從時(shí)鐘使用。將“PtpSlaveOnly”仍設(shè)為“True”。
# Configure slave camera
PtpEnable = True
PtpSlaveOnly = True

創(chuàng)建主從等級(jí)

在完成主從時(shí)鐘配置后，主-從等級(jí)將自動(dòng)創(chuàng)建。對(duì)于主時(shí)鐘相機(jī)，可通過“PtpStatus”由“Listening?”變成“Master”來確定。對(duì)于從時(shí)鐘相機(jī)，可通過“PtpStatus”先由“Listening”變?yōu)椤癠ncalibrated”，并在與主時(shí)鐘相機(jī)同步后變?yōu)椤癝lave”來確定。

在通過相機(jī)的新PTP功能完成主從等級(jí)創(chuàng)建后，“相對(duì)同步”也隨之完成。

啟用時(shí)間戳

如果您希望對(duì)圖像數(shù)據(jù)使用已同步相機(jī)生成的時(shí)間戳，則必須將時(shí)間戳作為元數(shù)據(jù)，啟用元數(shù)據(jù)（及塊數(shù)據(jù)）傳輸。

首先，將“ChunkModeActive”設(shè)為“True”，以通過圖像緩沖區(qū)啟用塊數(shù)據(jù)傳輸。然后，通過“ChunkSelector”選擇“Timestamp”，并通過“ChunkEnable”開關(guān)啟用時(shí)間戳。

# activate chunk data creation
ChunkModeActive = True

# enable "ChunkTimestamp"
ChunkSelector = Timestamp
ChunkEnable = True

這時(shí)，相機(jī)所采集的每一張圖像將具備相應(yīng)的時(shí)間戳，并借助圖像緩沖區(qū)（通過塊數(shù)據(jù)）傳輸至主機(jī)PC。這樣，塊數(shù)據(jù)及時(shí)間戳可通過任何視覺標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行讀取。

圖像采集

如果應(yīng)用中需要對(duì)帶時(shí)間戳的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則圖像的記錄時(shí)間和相機(jī)的觸發(fā)至關(guān)重要。這種情況取決于來自多臺(tái)相機(jī)的圖像是否需要完全相同的采集時(shí)間（同步圖像采集）以及時(shí)間關(guān)聯(lián)偏差（時(shí)間戳抖動(dòng)）有多大。根據(jù)應(yīng)用要求，須選擇適合相機(jī)的觸發(fā)模式。在做出這一選擇時(shí)，要考慮的決定性的因素不僅包括不同軟件和硬件信號(hào)模式的精度，也包括部署和使用所需操作和成本。為檢查先前配置的“相對(duì)同步”，我們使用每秒脈沖數(shù)(PPS)信號(hào)來觸發(fā)相機(jī)，以實(shí)現(xiàn)同步自由運(yùn)行。

同步自由運(yùn)行

顧名思義，在PTP功能啟用的情況下，每臺(tái)相機(jī)（主時(shí)鐘相機(jī)和從時(shí)鐘相機(jī)）的PPS信號(hào)會(huì)每秒生成一個(gè)。因此我們可借助PPS信號(hào)檢查相機(jī)的同步狀態(tài)。這一信號(hào)被設(shè)置為觸發(fā)源，因此每秒鐘將觸發(fā)一次圖像采集。除了由“相對(duì)同步”導(dǎo)致的幾微妙的偏差，相機(jī)生成的圖像時(shí)間戳應(yīng)為一致。通過PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)所有相機(jī)同步自由運(yùn)行的操作如下：

# image acquisition configuration for both cameras
LineSelector = Line2
LineMode = Output
LineSource = PPS
TriggerSelector = ExposureStart
TriggerMode = On
TriggerSource = Line2

# Limit bandwidth on both cameras
DeviceLinkThroughputLimit = 60000000

# Start acquisition on both cameras
Execute AcquisitionStart

同步PPS觸發(fā)信號(hào)將觸發(fā)相機(jī)在同一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行圖像采集

讀取時(shí)間戳

為在應(yīng)用場合中處理時(shí)間戳和圖像內(nèi)容，您須讀取當(dāng)前圖像緩沖區(qū)的塊數(shù)據(jù)。塊數(shù)據(jù)為制造商相關(guān)的有效負(fù)載緩沖區(qū)，其存儲(chǔ)布局通常未知，因此我們將通過節(jié)點(diǎn)圖來讀取各個(gè)元數(shù)據(jù)。為此，所有現(xiàn)有的元數(shù)據(jù)及其標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)名稱將從GenTL傳輸至節(jié)點(diǎn)圖，以便通過標(biāo)準(zhǔn)的API進(jìn)行訪問。

以下的源代碼片段為您演示如何從圖像緩沖區(qū)中提取時(shí)間戳。安裝包也為您提供了有關(guān)塊數(shù)據(jù)處理的完整源代碼示例。

// Get buffer from device's datastream
const auto buffer = m_dataStream->WaitForFinishedBuffer(5000);

// check buffer for chunks
if (buffer->HasChunks())
{
// update nodemap with current chunk data
m_nodemapRemoteDevice->UpdateChunkNodes(buffer);

// Get the value of the timestamp chunk
const auto chunktimestamp = m_nodemapRemoteDevice->FindNode<peak::core::nodes::FloatNode>("ChunkTimestamp")->Value();
}

總結(jié)

當(dāng)涉及圖像內(nèi)容的時(shí)間分配時(shí)，PTP是多相機(jī)應(yīng)用場合中一個(gè)重要的基礎(chǔ)功能，能夠輕松實(shí)現(xiàn)相機(jī)間的相對(duì)同步，無需額外的硬件和軟件支持。在許多應(yīng)用場合中，相對(duì)相機(jī)同步也足以確保圖像在“相同”的時(shí)間或以正確的順序使用。相機(jī)還配備外部定時(shí)器，適用于全局同步。如果您對(duì)通過PTP同步時(shí)間存有疑問或需要了解更多信息，請(qǐng)聯(lián)系我們。