GenICam標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)器視覺應(yīng)用的推動(dòng)引擎

圖1：GenICam模塊圖。由歐洲機(jī)器視覺聯(lián)盟（EMVA）主導(dǎo)制定的GenICam標(biāo)準(zhǔn)雖然是機(jī)器視覺領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，但卻很容易被忽視。蒸汽時(shí)代在工業(yè)機(jī)器視覺的早期（20世紀(jì)80年代），機(jī)器視覺組件的選擇非常有限。一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)通常包括一臺(tái)模擬CCD相機(jī)和一個(gè)圖像采集卡，彼此之間通過(guò)同軸電纜連接。如果必要的話，也可以用幾個(gè)小型DIP（雙列直插式封裝）開關(guān)來(lái)完成配置。到了20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初，出現(xiàn)了數(shù)字接口。數(shù)字接口最先被消費(fèi)電子產(chǎn)品采用；很快，數(shù)字接口做了一些改進(jìn)以適用于機(jī)器視覺應(yīng)用。數(shù)字接口可以比模擬相機(jī)接口進(jìn)行更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，這為配置和控制機(jī)器視覺系統(tǒng)提供了許多新選擇。一些流行的接口（如FireWire或USB接口）明確指定使用寄存器設(shè)計(jì)，以確保良好的互操作性。但機(jī)器視覺市場(chǎng)想要更大的靈活性，而接口又缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此在一段時(shí)間內(nèi)，市場(chǎng)上至少有十幾家特定供應(yīng)商的API（應(yīng)用程序接口）存在。標(biāo)準(zhǔn)化很明顯，過(guò)多的供應(yīng)商特定接口存在，是對(duì)寶貴資源的一種浪費(fèi)。因此，在21世紀(jì)初，為實(shí)現(xiàn)相機(jī)和PC之間更好的互操作性，機(jī)器視覺行業(yè)開始對(duì)新的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在接下來(lái)的幾年中，機(jī)器視覺行業(yè)定義了CameraLink、GigEVision、USB3Vision和CoaXPress等接口。然而，在接口拼圖中還少了一塊：這些采用不同接口的器件，彼此之間如何實(shí)現(xiàn)互操作性？同時(shí)又能使制造商之間能夠自由競(jìng)爭(zhēng)呢？

GenICam接口解決方案是GenICam，或者它的圖形形式GEN<i>CAM。在行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、小型公司、硬件和軟件供應(yīng)商的共同合作下，GenICam的第一個(gè)版本于2006年發(fā)布。名稱中的尖括號(hào)說(shuō)明，GenICam用XML文件（一種用于存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)的標(biāo)記語(yǔ)言）描述器件功能集的基本思想。GenApi標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)的視覺器件，XML文件有三個(gè)主要功能：?

在應(yīng)用友好的水平上對(duì)器件的功能進(jìn)行描述。每個(gè)功能都以一個(gè)唯一的名稱及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型列出。您還可以找到其他有用的描述、單位，以及此功能與其他功能的聯(lián)系等。?

它描述了器件的底層接口。這里假定器件是通過(guò)一組尋址寄存器進(jìn)行配置的。?

XML文件提供數(shù)據(jù)在應(yīng)用層和底層接口之間轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流圖。對(duì)更復(fù)雜的器件，XML文件可能還包括如何解釋數(shù)據(jù)從器件到應(yīng)用的信息，以及一些其他事項(xiàng)。然而，關(guān)鍵思想始終是一樣的：使數(shù)據(jù)在供應(yīng)商特定的底層接口和更通用的高級(jí)應(yīng)用接口之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)閄ML文件非常通用，同時(shí)對(duì)API進(jìn)行了描述，所以GenICam的XML部分被稱為GenApi（通用應(yīng)用程序接口）。參考實(shí)現(xiàn)然而，在使用視覺器件時(shí)，僅憑標(biāo)準(zhǔn)化的接口描述并沒有多大幫助。理論上，可以為XML文本編寫一個(gè)代碼生成器或解釋器，但在整個(gè)操作系統(tǒng)都是免費(fèi)的時(shí)代，誰(shuí)愿意承擔(dān)這種編寫代碼的工作負(fù)擔(dān)呢？有了免費(fèi)的程序庫(kù)，參考實(shí)現(xiàn)就誕生了。為了方便起見，這個(gè)參考實(shí)現(xiàn)以二進(jìn)制形式分布在幾個(gè)操作系統(tǒng)和處理器架構(gòu)中。標(biāo)準(zhǔn)特征命名約定（SFNC）有了機(jī)器可讀的功能描述和對(duì)功能進(jìn)行解釋的軟件，現(xiàn)在唯一缺少的就是，對(duì)視覺器件的標(biāo)準(zhǔn)功能應(yīng)如何工作的共同理解。舉個(gè)例子：大多數(shù)工業(yè)相機(jī)都提供了一種選擇圖像大小和方向的方法。但是，這個(gè)功能應(yīng)該被稱為“圖像大小”還是“感興趣面積”？亦或是“感興趣區(qū)”？應(yīng)該在設(shè)置圖像的邊角之前還是之后進(jìn)行圖像翻轉(zhuǎn)？這些問(wèn)題在“標(biāo)準(zhǔn)特征命名約定”（簡(jiǎn)稱SFNC）中得到了回答。SFNC可以被認(rèn)為是機(jī)器視覺器件行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)精華。它促進(jìn)了高水平互操作性的發(fā)展，同時(shí)允許根據(jù)需要自由添加新功能，或創(chuàng)建完全定制的解決方案。附加模塊在接下來(lái)的幾年中，初始規(guī)范和參考實(shí)現(xiàn)都得到進(jìn)一步發(fā)展，并有更多的規(guī)范添加進(jìn)來(lái)，以對(duì)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充。最著名的規(guī)范可能是GenTL——通用傳輸層的縮寫。例如，如果你將圖像采集卡與第三方圖像處理軟件結(jié)合使用，那么GenTL很可能提供即插即用的便利性，從而使兩者無(wú)縫地協(xié)同工作。一個(gè)鮮為人知的模塊是通用控制協(xié)議，簡(jiǎn)稱GenCP。GenCP定義了一種與機(jī)器視覺器件溝通的標(biāo)準(zhǔn)化方式，因此新標(biāo)準(zhǔn)不需再做重復(fù)性的工作。USB3Vision和CoaXPress就是基于GenCP的最知名的標(biāo)準(zhǔn)。最新添加的規(guī)范是GenDC，它代表“通用數(shù)據(jù)容器”。GenDC定義了一種統(tǒng)一方式，來(lái)描述從簡(jiǎn)單的單器件圖像到最復(fù)雜的多器件格式圖像的任何內(nèi)容。新品發(fā)布GenICam標(biāo)準(zhǔn)家族的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)都已經(jīng)成熟，但所有部分都在不斷維護(hù)中。就在最近，作為2023.07GenICam軟件包發(fā)布的一部分，GenICam標(biāo)準(zhǔn)家族發(fā)布了參考實(shí)現(xiàn)的3.4.1版本。這個(gè)版本中，最令人期待的改進(jìn)可能是對(duì)Python3.8到3.11版本的支持。此外，Python包現(xiàn)在可用于運(yùn)行在ARM處理器上的Linux系統(tǒng)。蘋果macOS用戶可能喜歡新的通用二進(jìn)制文件，因?yàn)檫@使得為不同代別的硬件部署軟件變得更容易。當(dāng)然，新版本也糾正了一些錯(cuò)誤。詳細(xì)信息可到官方的發(fā)布說(shuō)明文件中查詢。最后但同樣重要的是，新版本代碼經(jīng)過(guò)了優(yōu)化，以減少各種GenICam模塊引用的第三方許可證的數(shù)量。前景GenICam工作組目前專注于該標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)主要擴(kuò)展項(xiàng)：驗(yàn)證（Validation）和通用功能訪問(wèn)（GenericFeatureAccess）。Validation工具（2023.07GenICam包中提供了預(yù)覽版）將使用戶更容易根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢查自己的工作，也更不容易出錯(cuò)。GenericFeatureAccess背后的理念是在GenApi參考實(shí)現(xiàn)之上