GenICam标准：机器视觉应用的推动引擎

图1：GenICam模块图。由欧洲机器视觉联盟（EMVA）主导制定的GenICam标准虽然是机器视觉领域的一个关键标准，但却很容易被忽视。蒸汽时代在工业机器视觉的早期（20世纪80年代），机器视觉组件的选择非常有限。一个典型的机器视觉系统通常包括一台模拟CCD相机和一个图像采集卡，彼此之间通过同轴电缆连接。如果必要的话，也可以用几个小型DIP（双列直插式封装）开关来完成配置。到了20世纪90年代和21世纪初，出现了数字接口。数字接口最先被消费电子产品采用；很快，数字接口做了一些改进以适用于机器视觉应用。数字接口可以比模拟相机接口进行更为复杂的数据处理，这为配置和控制机器视觉系统提供了许多新选择。一些流行的接口（如FireWire或USB接口）明确指定使用寄存器设计，以确保良好的互操作性。但机器视觉市场想要更大的灵活性，而接口又缺少统一的标准，因此在一段时间内，市场上至少有十几家特定供应商的API（应用程序接口）存在。标准化很明显，过多的供应商特定接口存在，是对宝贵资源的一种浪费。因此，在21世纪初，为实现相机和PC之间更好的互操作性，机器视觉行业开始对新的接口进行标准化。在接下来的几年中，机器视觉行业定义了CameraLink、GigEVision、USB3Vision和CoaXPress等接口。然而，在接口拼图中还少了一块：这些采用不同接口的器件，彼此之间如何实现互操作性？同时又能使制造商之间能够自由竞争呢？

GenICam接口解决方案是GenICam，或者它的图形形式GEN<i>CAM。在行业领导者、小型公司、硬件和软件供应商的共同合作下，GenICam的第一个版本于2006年发布。名称中的尖括号说明，GenICam用XML文件（一种用于存储和共享数据的标记语言）描述器件功能集的基本思想。GenApi标准对基础的视觉器件，XML文件有三个主要功能：•

在应用友好的水平上对器件的功能进行描述。每个功能都以一个唯一的名称及其对应的数据类型列出。您还可以找到其他有用的描述、单位，以及此功能与其他功能的联系等。•

它描述了器件的底层接口。这里假定器件是通过一组寻址寄存器进行配置的。•

XML文件提供数据在应用层和底层接口之间转换的数据流图。对更复杂的器件，XML文件可能还包括如何解释数据从器件到应用的信息，以及一些其他事项。然而，关键思想始终是一样的：使数据在供应商特定的底层接口和更通用的高级应用接口之间进行转换。因为XML文件非常通用，同时对API进行了描述，所以GenICam的XML部分被称为GenApi（通用应用程序接口）。参考实现然而，在使用视觉器件时，仅凭标准化的接口描述并没有多大帮助。理论上，可以为XML文本编写一个代码生成器或解释器，但在整个操作系统都是免费的时代，谁愿意承担这种编写代码的工作负担呢？有了免费的程序库，参考实现就诞生了。为了方便起见，这个参考实现以二进制形式分布在几个操作系统和处理器架构中。标准特征命名约定（SFNC）有了机器可读的功能描述和对功能进行解释的软件，现在唯一缺少的就是，对视觉器件的标准功能应如何工作的共同理解。举个例子：大多数工业相机都提供了一种选择图像大小和方向的方法。但是，这个功能应该被称为“图像大小”还是“感兴趣面积”？亦或是“感兴趣区”？应该在设置图像的边角之前还是之后进行图像翻转？这些问题在“标准特征命名约定”（简称SFNC）中得到了回答。SFNC可以被认为是机器视觉器件行业的经验精华。它促进了高水平互操作性的发展，同时允许根据需要自由添加新功能，或创建完全定制的解决方案。附加模块在接下来的几年中，初始规范和参考实现都得到进一步发展，并有更多的规范添加进来，以对现有规范进行补充。最著名的规范可能是GenTL——通用传输层的缩写。例如，如果你将图像采集卡与第三方图像处理软件结合使用，那么GenTL很可能提供即插即用的便利性，从而使两者无缝地协同工作。一个鲜为人知的模块是通用控制协议，简称GenCP。GenCP定义了一种与机器视觉器件沟通的标准化方式，因此新标准不需再做重复性的工作。USB3Vision和CoaXPress就是基于GenCP的最知名的标准。最新添加的规范是GenDC，它代表“通用数据容器”。GenDC定义了一种统一方式，来描述从简单的单器件图像到最复杂的多器件格式图像的任何内容。新品发布GenICam标准家族的现有标准都已经成熟，但所有部分都在不断维护中。就在最近，作为2023.07GenICam软件包发布的一部分，GenICam标准家族发布了参考实现的3.4.1版本。这个版本中，最令人期待的改进可能是对Python3.8到3.11版本的支持。此外，Python包现在可用于运行在ARM处理器上的Linux系统。苹果macOS用户可能喜欢新的通用二进制文件，因为这使得为不同代别的硬件部署软件变得更容易。当然，新版本也纠正了一些错误。详细信息可到官方的发布说明文件中查询。最后但同样重要的是，新版本代码经过了优化，以减少各种GenICam模块引用的第三方许可证的数量。前景GenICam工作组目前专注于该标准的两个主要扩展项：验证（Validation）和通用功能访问（GenericFeatureAccess）。Validation工具（2023.07GenICam包中提供了预览版）将使用户更容易根据标准检查自己的工作，也更不容易出错。GenericFeatureAccess背后的理念是在GenApi参考实现之上