机器视觉_HALCON_图像采集接口编程手册_1.第一章节介绍
文章目录
- 一、前言
- 二、图像采集接口编程第一章
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- 2.1 HALCON的通用图像采集接口
- 2.2 图像采集基础
- 2.3 同步抓取 vs. 异步抓取⭐
- 2.4 缓冲策略⭐
- 2.5 A/D转换和多路复用
- 2.6 HALCON图像采集算子⭐
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- 2.6.1 open_framgrabber
- 2.6.2 close_framegrabber
- 2.6.3 info_framegrabber
- 2.6.4 grab_image
- 2.6.5 grab_image_async
- 2.6.6 grab_image_start
- 2.6.7 grab_data
- 2.6.8 grab_data_async
- 2.6.9 set_framegrabber_param、get_framegrabber_param
- 2.6.10 set_framegrabber_lut、get_framegrabber_lut
- 2.6.11 set_framegrabber_callback、get_framegrabber_callback
- 2.7 参数命名约定
- 2.8 与HDevelop图像采集助手的最佳交互
- 2.9 图像采集集成接口 vs. 图像采集接口
- 三、注解
一、前言
用HALCON联合C#进行编程时，发现图像采集设备（/相机）初始化参数列表有许多参数，如下：
framegrabber = new HFramegrabber("GigEVision2", 0, 0, 0, 0, 0, 0, "progressive",
-1, "default", -1, "false", "default", cameraName, 0, -1);
此外，我还发现部分参数在刚初始化完是可以正确设置的：
framegrabber.SetFramegrabberParam("Width", _cameraParamSetting.Width);
framegrabber.SetFramegrabberParam("Height", _cameraParamSetting.Height);
framegrabber.SetFramegrabberParam("OffsetX", _cameraParamSetting.OffsetX);
framegrabber.SetFramegrabberParam("AcquisitionFrameRate", _cameraParamSetting.AcquisitionFrameRate);
framegrabber.SetFramegrabberParam("Gain", _cameraParamSetting.Gain);
但在framegrabber?.GrabImageStart(-1);开启采集之后，再设置就会报错（比如上面"Width"和"Height"的设置）。
于是，我查阅了算子文档中的SetFramegrabberParam，发现里面并没有这部分的描述，甚至第一个参数（param）的建议值列表中都没提到"Width"、“Height”、“Gain”。
这使得我不太敢继续往下写代码了。
在我一番查阅后，发现HALCON中有一个文档叫 image_acquisition_interface_programmers_manual ，快速浏览了一下，了解到该文档主要描述如何创建一个HALCON图像采集接口，以及介绍如何将第三方图像采集硬件集成到HALCON系统。
直觉告诉我，它会给我一些有用信息，让我对相机初始化与配置有更清晰的认识。
注意
HALCON的文档非常多，很多操作都有专门文档。
所以使用HALCON的过程也是一个漫长的文档熟悉过程。很多时候如果不详细翻看文档而直接编程，容易引入一些难以排查的错误，得不偿失。
二、图像采集接口编程第一章
这章内容较多，主要介绍HALCON图像采集接口及其底层概念。适用于对图像采集卡/帧捕获器（frame grabber）、A/D转换、同步和异步操作模式、缓冲策略等不熟悉的用户。
2.1 HALCON的通用图像采集接口
HALCON提供了一个通用的图像采集接口，该接口允许你即时集成新的图像采集卡/相机，甚至都不用重启HALCON应用程序。
使用时有两个基本概念：
- 接口代码封装在动态可加载模块中（Windows中的DLL）。
- 它包含了一组预定义好的（用于设置和检索特定硬件参数）算子，用于图像采集。后者允许参数化一些“非标\非常规\特殊”的采集设备。
若你已经成功开发了一个新的HALCON图像采集接口（基于本手册给定的信息），接着你要使用新的图像采集设备需要以下几步：
- 插入硬件并安装特定厂商的设备驱动程序和库。
- 将新的HALCON接口（即封装了硬件相关代码的模块库）复制到DLL或共享库的搜索路径中。
- 在
open_framegrabber算子中指定新图像采集设备的名称（即对应接口的名称）。 - 体验你在新图像采集接口中集成的所有功能。
这个过程简单讲就是：
- 物理连接上硬件并安装好驱动 2. 将相关库复制到库目录下（程序执行能找到的） 3. open_framegrabber中指定设备接口名称 4. 连接并使用
用于图像采集的HALCON算子还是与原来一样的，因此大多数情况下，现有的程序代码不需要进行大改。在首次调用 info_framegrabber 和 open_framegrabber 时，HALCON会自动加载接口。因此，你甚至可以在不重启应用程序的情况下替换或添加图像采集接口。通过通用参数设置机制，可以访问图像采集设备的特殊功能。
由于通过USB、IEEE 1394或GigE连接的数字相机，严格意义上并不是图像采集卡/板，所以我们不再使用 “HALCON帧捕获器/图像采集卡（HALCON frame grabber）” 这个术语，而使用 “HALCON采集接口（HALCON acquisition interface）” ，并用“ 图像采集设备（image acquisition device） ” 这个术语来替代 帧捕获器/图像采集卡和数字相机。出于向后兼容的原因，HALCON算子的名称以及底层数据结构和错误代码的名称保持不变。因此，像open_framegrabber、info_framegrabber和close_framegrabber这样的算子名称可能听起来有点过时（old-fashioned）。
示例文件
作为图像采集集成的指南，HALCON发行版包含一个图像采集接口模板（参阅%HALCONEXAMPLES%\ia_integration\source中的hAcqTemplate.c）。它涵盖了在编程此类接口时可能遇到的大多数情况（如支持有多个相机的多个板等）。尽管模板有很多注释，但在阅读本手册前，理解代码可能还是相当困难。另一方面，该模板也为集成提供了强大的框架。
2.2 图像采集基础
注意，本章以下部分主要描述模拟相机（analog camera）连接到图像采集卡的情况。不过，对于数字采集设备（如IEEE 1394、USB或GigE相机）来说，大部分这些准则也很重要。
总的来说，图像采集卡的作用是接收视频信号，可以理解为连续的视频帧流，并在触发时从序列中抓取一个或多个视频帧。在许多情况下，视频信号是模拟的，尽管现在更专业的设备经常使用数字信号。最常见的模拟视频格式有：
- NTSC：640×480 pixel，30fps
- PAL：768×576 pixel，25fps
这两种格式都携带了颜色信息，尽管许多图像采集设备只提供灰度图像（grayscale image），即使是从彩色视频信号中。以下解释假设你使用的是模拟图像采集卡。对于数字图像采集卡，情况可能有所不同。
先看一下模拟输入信号：实际上，它由许多不同的信号组成：有垂直和水平同步信号，当然还有原始的数据信号。有时，颜色和亮度信号是叠加的（复合信号），有时它们在不同的输入线上传输（Y/C、RGB）。由于图像采集卡通常由视频源同步，因此它必须等待下一个垂直同步信号以开始抓取新图像。
这将导致在抓取任意帧图像时平均有半帧的延时。这也意味着，如果你想达到全帧速率，你必须在接收到上一帧后立即开始抓取下一帧。因此，根本没有剩余的时间来处理图像。在这种同步模式下，主机计算机（host computer）专注于触发一个接一个的抓取。也因此，HALCON也支持异步抓取。
2.3 同步抓取 vs. 异步抓取⭐
要理解异步抓取（asynchronous grab）的含义，首先需要了解图像采集设备在抓取帧时做了什么。这很好理解，数字化的帧必须存储在某类内存中。基本上，有三种可能：
- 图像采集设备上的设备内存。
- 主机上的设备内存。
- 主机内存。
板载设备内存是指专用的内存，物理安装在板卡上。这样，图像采集设备可以直接将采集到的图像存储在其自身内存中，主机上的每个进程都可以随时获取数据，另一方面，内存大小是固定的。如果太小，也许无法存多个图像；如果太大，整个板卡可能会很贵。主机上的设备内存是由图像采集卡的设备驱动动态分配的非分页（no-paged）系统内存。因此，内存大小可轻松调整。另一方面，如果图像采集设备持续将数据传输到主机计算机的内存中，可能会导致总线流量繁忙。因此，我们通常不使用某些图像采集设备提供的连续抓取模式，而只根据需要抓取图像。主机内存由用户在应用程序的某个地址空间处分配。因此，该内存可以使用分页，通常需要将图像采集设备传输的图像显式复制到该内存中（DMA会失败）。
如上所述，主机计算机的任务是在需要新图像时触发图像采集，但在设备数字化帧时并不一定需要等待。当设备内存位于板卡上，这不言而喻（当设备内存位于板卡上时，意味着图像采集设备拥有自己的独立内存空间，可以在不占用主机计算机资源的情况下独立完成图像的数字化过程；该情况下主机计算机只需要触发图像采集，然后设备会将数字化的帧存储到板卡的内存中；这样，主机计算机无需在整个数字化过程中等待，可以在此期间执行其他任务），但即使目标内存在主机上，通常也可以使用像DMA这样的技术进行外部启动的数据传输。所以主机进程要做的“唯一的事情”就是在实际需要图像之前平均1.5帧的时间触发图像采集，然后在新的帧在后台被板卡捕获时进行其他处理。这种技术称为异步抓取。很好理解，这简化了实时抓取，因为与视频流中两个相邻帧之间的短时间间隔相比，完成帧所需的时间相当长（PAL视频为40ms，NTSC视频为33ms）。
大多数图像采集设备支持异步数据传输。HALCON提供了同步（grab_image）和异步抓取（grab_image_async）两种方式。支持相对较弱的同步模式的原因是它具有更“清晰”的语义：grab_image算子启动抓取并等待直到完成。因此，拿到的图像总是最新的。使用异步抓取则需要对应用程序的计时功能有更多了解。否则，抓取到的图像可能已经过时，无法使用。
2.4 缓冲策略⭐
我们回顾一下实时抓取的问题：假设有一个支持异步传输的板卡，一个可能的操作序列如下：
- 触发抓取（发出控制命令并立即返回到调用进程）。
- 等待抓取完成。
- 触发下一次抓取。
- 处理步骤2中得到的图像。
- 返回到步骤2.
这个操作顺序对应的HALCON程序很简单：
while(1)
grab_image_async(Image, AcqHandle, -1)
< process Image>
endwhile
由于步骤1和步骤3不会阻塞进程（启动的是异步抓取），所以在图像采集设备繁忙时不会浪费时间。剩下要考虑的问题就是抓取所用的内存的组织方式：假设步骤3使图像采集设备将数据传输到专用内存区域，而不知道主机在步骤4中的操作，可以很容易看出，图像采集设备必须使用与主机不同的内存区域。否则，设备可能在主机同时读取的内存中写入数据，处理后的图像将会损坏。解决此问题的最佳方法是使用两个备用缓冲区：一个用于写入新数据，另一个用于保存上一张图像。在循环开始前，这些缓冲区可能只分配一次。每次迭代后，它们交换角色（图像采集设备写入的缓冲区变为处理进程的读取缓冲区，反之亦然）。这是涉及异步数据传输时非常常见的技术，称为 双缓冲（double buffering）。由于旧图像数据被覆盖，我们也用术语——易失性抓取（volatile grabbing）。
这种技术提供了最大的抓取性能，但同时，灵活性降低了。很明显，旧的图像会被一次又一次地覆盖。因此，所有“历史”都丢失了。这种严格的组织方式与HALCON的理念相矛盾，HALCON的理念是允许创建任意数量的图像对象（iconic object），并能并行处理它们，直到你在应用程序中决定不再需要它们。因此，HALCON图像采集接口默认应始终创建新的图像对象，并将易失性抓取仅作为附加选项提供。
2.5 A/D转换和多路复用
请记住，我们正在谈论的是模拟视频（analog video），现在我们快速浏览学习一下连接模拟和数字域的接口：A/D转换器。其中的细节我们并不关心，除了图像采集卡的A/D转换器需要与视频信号同步，以便跟踪后续的行-line（水平同步）和帧-frame（垂直同步）。同步信息要么编码在模拟视频信号中，要么通过额外的输入线传给图像采集卡，这样A/D电路就能与视频源同步。这一点很重要，因为我们考虑具有多个输入线的图像采集卡：大多数情况下，相对昂贵且复杂的额外A/D转换器被一个模拟多路转换器（multiplexer）电路替代，它允许将多个视频源可选地连接到一个A/D转换器。这意味着，每次新视频源要连接到A/D转换器时，电路必须重新同步到新信号，通常会丢失一到两帧（某些情况下，同步可能会花更长时间，长达1s）。为了避免这种情况，可以使用genlocked相机。请记住，通常在切换不同输入线时，你需要调整图像采集板卡上的参数设置。HALCON提供了一个概念，用于处理连接到一个图像采集板卡的多个相机（以及一个主机计算机内的多个图像采集板卡）：每个相机/板卡对都由一个图像采集句柄表示（image acquisition handle）。在HALCON中，这样的句柄对应一个图像采集实例1。如果你想让你的图像采集接口支持多个相机/板卡，你需要跟踪所有与你的图像采集类对应的实例。
2.6 HALCON图像采集算子⭐
本节简单介绍了HALCON图像采集算子。这些算子内部映射到图像采集接口例程。
2.6.1 open_framgrabber
open_framegrabber用来创建一个新的图像采集句柄。它加载指定的图像采集接口并访问图像采集设备。此外，还会设置标准相机的典型参数（如图像大小、部分、色彩空间、端口等）。如果图像采集设备（这里指驱动和接口）支持在一个主机计算机内的有多个板/设备，你还可以指定目标板/设备（使用Device参数）。当然，你也可以在每个板卡上接多个相机。这种情况下，你可以通过一系列open_framegrabber调用（通过Port或LineIn参数指定相机）来为每个相机创建一个图像采集句柄。请注意，如果你想支持多个相机或板卡，你需要在图像采集接口内处理多个实例。如果你使用的是数字设备（digital device），就不必关心A/D转换器和多路的问题。因此，每个设备都有自己的图像采集句柄（在HALCON内）和一个图像采集实例。具体来讲，这个HALCON算子将调用你的接口例程FGOpenRequest()和FGOpen()。此外，当你第一次访问指定的图像采集设备时，会调用FGInit()。
2.6.2 close_framegrabber
close_framegrabber算子与open_framegrabber相对。它会释放图像采集句柄、释放相关内存，并根据你在底层接口例程FGClose()中编写的程序解锁图像采集设备。
2.6.3 info_framegrabber
算子info_framegrabber用来访问指定图像采集设备（对应接口）的基本信息。请注意，由于许多参数设置依赖于图像采集设备的特有属性，HALCON通常既不能提供有意义的默认值，也不能自动检查参数。不过，对info_framegrabber的调用应该返回有意义的值，尤其是在open_framegrabber参数中的值列表。请尽可能使用动态列表。
无论设备是否已经打开，info_framegrabber的调用应返回相同的值。在某些特殊情况下，如果设备句柄已经存在，可能会返回更多的值。此外，这些返回值中的大部分值都被HDevelop图像采集助手使用，并且应直接在open_framgrabber中工作。有一个例外是info_boards参数。它必须返回实际可用设备的列表，每个设备以"device:"开头。若返回值为空，则在自动检测后或图像采集助手中，图像采集接口的名称不会被列出。info_boards还可以返回有关可用设备的其他信息，如端口、IP地址和序列号等。另一个特殊的参数是camera_type。返回值可以在视频格式、相机型号、配置文件和一些特殊值之间变化。对于配置文件，有种语法可以改进文件的选择。需要返回三个值：“CAMFILE”；配置文件的文件扩展名，以及启用搜索的完整路径。
该算子会调用图像采集接口中的FGInfo()例程。
2.6.4 grab_image
grab_image算子用来同步（synchronously）抓取一帧新图像，这意味着启动一次新的抓取，算子会等待，直到该次抓取结束。
该算子会调用接口例程FGGrab()。
2.6.5 grab_image_async
grab_image_async会异步（asynchronously）抓取新图像。它会等待直到一次挂起的异步抓取完成（如果你把握好了时间，该抓取应该已经完成，以防止在该点上浪费时间）。接着返回该图像，除非它的时间戳比指定的阈值要旧。否则，一次新的（同步）抓取将执行。之后，grab_image_async触发一次新的异步抓取，并且返回无需等待。
该算子会调用图像采集接口中的FGGrabAsync()例程。
2.6.6 grab_image_start
grab_image_start会启动新图像的异步抓取并立即返回。图像本身将由下一次调用grab_image_async或grab_data_async传递。如果之前已经启动了异步抓取，grab_image_start将终止这个挂起的抓起并启动一个新的抓取。如果你的应用程序涉及耗时的处理，此算子会非常有用。在这种情况下（处理很耗时），如果你在抓取上一个图像后（通过grab_image_async）立即开始抓取，异步抓取图像可能会过时。grab_image_start允许你微调（fine-tune）启动抓取的时刻。在自由运行相机的情况下（不同步的），大约在需要下一张图像的前1.5帧调用该算子。
该算子将调用图像采集接口中的FGGrabStartAsync()例程。
2.6.7 grab_data
grab_data会同步抓取新图像，这意味着新的抓取启动后，算子会等待直到该次抓取结束。它还能返回预处理后的数据，包括图像、区域。XLD轮廓和控制数据。使用何种预处理取决于你（也可能取决于图像采集设备的某些特定硬件特性）。
此算子将调用图像采集接口中的FGGrabData()例程。
2.6.8 grab_data_async
grab_data_async用以异步抓取一个新图像，这表示等待一次挂起的抓取完成，并在返回之前启动一次新的异步抓取。和grab_data类似，它也能返回预处理数据。
2.6.9 set_framegrabber_param、get_framegrabber_param
set_framegrabber_param和get_framegrabber_param算子用来设置和获取图像采集实例的特定参数。它们被设计成来对图像采集硬件进行“微调”。任何图像采集设备上你认为有用的部分，只要定义对应的参数即可。你可以设置单个参数值，也可以设置参数值元组。后者可能非常有用，因为某些参数可能相互依赖，因此需要在一次get_framegrabber_param调用中设置。
grab_framegrabber_param和set_framegrabber_param不会评估参数本身，仅会将它们传递到你的接口例程FGSetParam()和FGGetParam()中。注意，由于这些参数的名称、值和语义取决于图像采集设备的特定属性，HALCON既无法提供有意义的默认值，也无法自动检查参数。这些都取决于你的图像采集接口。
2.6.10 set_framegrabber_lut、get_framegrabber_lut
算子set_framegrabber_lut和get_framegrabber_lut用以设置和检索图像采集实例的颜色查找表（从而支持如伽马校正或白平衡等功能）。
2.6.11 set_framegrabber_callback、get_framegrabber_callback
这两个算子处理特定图像采集接口的回调。这些回调允许特定图像采集接口或设备异步通知HALCON应用程序，例如，在曝光或图像传输结束时。请注意，并非所有图像采集接口都必须支持使用这些回调。如果支持回调，你还应该将avalible_callback_types添加到算子get_framegrabber_param中，以便通知用户可用回调的名称。
2.7 参数命名约定
| 参数名称 | 典型值 |
|---|---|
| ‘continuous_grabbing’ | ‘enable’,‘disable’ |
| ‘do_abort_grab’ | ‘true’ |
| ‘grab_timeout’ | |
| ‘image_available’ | 0,1 |
| ‘num_buffers’ | |
| ‘revision’ | ‘4.0’,‘4.1’,… |
| ‘start_async_after_grab_async’ | ‘enable’,‘disable’ |
| ‘volatile’ | ‘enable’,‘disable’ |
当开发一个新的图像采集接口时，请遵循以下关于参数名称的注意项：
- 建议使用与其他HALCON图像采集接口相同的参数名称和值，以简化不同图像采集接口的处理。
- 所有参数名称和参数的有效字符串都小写。
- 所有可以通过set_framegrabber_param设置的参数也应通过get_framegrabber_param查询当前设置值。
- 特殊参数（所谓的动作参数），它们不设置新的参数值，而是启动某个特定操作，应该使用前缀’do_'。显然，没有必要通过get_framegrabber_param访问这些参数的当前设置。
- 所有参数都应该有一个相应的参数后缀’_description’，该后缀应该是有提示意义的。
- 如果适用，所有参数都应该有一个后缀为’_range’或’_values’的相应参数，包含可能范围或取值的必要信息。
| 参数名称 | 典型值 |
|---|---|
| ‘brightness’ | |
| ‘do_flush_buffers’ | ‘true’ |
| ‘do_force_trigger’ | ‘true’ |
| ‘contrast’ | |
| ‘exposure’ | |
| ‘frame_rate’ | |
| ‘gain’ | |
| ‘shaft_encoder’ | ‘enable’,‘disable’ |
| ‘shutter’ | |
| ‘strobe’ | ‘enable’,‘disable’ |
| ‘strobe_delay’ | |
| ‘strobe_duration’ | |
| ‘timestamp’ | |
| ‘trigger_mode’ | ‘free-run’,‘async’,… |
| ‘trigger_signal’ | ‘rising’,‘falling’,… |
| ‘trigger_source’ | ‘line1’,‘line2’ |
2.8 与HDevelop图像采集助手的最佳交互
如果你想结合HDevelop图像采集助手来使用HALCON图像采集接口，请注意以下几个点：
-
自动检测
- 用户可以从列表中手动选择图像采集接口，或者将此列表限制为计算机上实际可用的所有图像采集接口（自动检测）。对于位于目录 bin/%HALCONARCH% （或 lib/$HALCONARCH ）中的所有已知接口，自动检测会调用 info_framegrabber(…, ‘info_boards’, …)。如果找到设备并且返回参数包含有效（即非空）字符串，则接口将被添加到检测到的图像采集接口列表中。
- 略
- 略
-
打开一个设备
- 用户必须输入必要的参数来打开设备。要提供这些参数，必要的信息通过调用info_framegrabber来查询。在不打开设备的情况下，也可以调用info_framegrabber。
- 以下查询类型实际上通过info_framegrabber调用：’defaults’,
’info_boards’, ’port’, ’camera_type’, ’horizontal_resolution’, ’vertical_resolution’, ’color_space’, ’bits_per_channel’,’field’, ’external_trigger’, ’generic’, and ’revision’.对于’camera_type’，返回的字符串也可以表示在GUI中使用的文件选择框。
-
参数化
- 连接过程中，所有参数通过info_framegrabber(…,‘paramters’,…)查询。除非存在一个只读参数’available_param_names’，该参数在通用参数情况下查询实际可用参数（例如，在GigEVision接口中），否则这些参数将显示在参数窗口中。
- 如果对单个参数调用get_framegrabber_param，返回了H_ERR_FGPARAM错误码，则该参数被遗弃了。
- 略
- 略
- 略
2.9 图像采集集成接口 vs. 图像采集接口
术语"HALCON图像采集接口"通常是指封装针对图像采集设备的特定代码的外部模块；这是你需要提供的模块。相反，"HALCON图像采集集成接口"是HALCON库内部的模块，负责管理和访问（外部）图像采集接口模块。
每当使用open_framegrabber或info_framegrabber首次访问图像采集设备时，相应的（外部）图像采集接口（一个可动态加载的模块）就会被加载。例如，像这样的调用：
open_framegrabber('GigEVision', ...)
在Windows下，这将会导致HALCON库加载hAcqGigEVision.dll；在Linux下会加载hAcqGigEVision.so。如果你使用的是HALCON XL，它将分别加载库hAcqGigEVisionxl.dll和hAcqGigEVision.so。请注意，为了该机制起作用，所有图像采集库都需要hAcq前缀（在使用HALCON XL的情况下，还要xl后缀）。
首次调用后，该模块内的接口例程（由你编写）将被相应HALCON算子调用。在查看涉及的数据结构之前，我们应该记住图像采集设备管理的某些部分发生在HALCON库中，而其他部分是由你的图像采集接口来完成的。明确谁负责什么是很重要的：
HALCON库的职责是：
- 维护图像采集类列表；
- 为每个类维护实例列表；
- 解码和预处理算子的参数。
接口的职责是：
- 定义一个类（例如，用适当数据填充数据结构）；
- 管理多个实例及其相互依赖关系；
- 解释算子参数并将它们映射到底层硬件上；
- 并基于图像采集设备的应用程序编程接口（API）抓取图像。
三、注解
句柄指的是图像采集实例的引用；图像采集实例是图像设备在HALCON中的底层操作对象。 ↩︎