基于1394總線的工業(yè)相機圖像采集程序設計

0 引言
      目前，以CCD技術為核心的圖像獲取設備可以分為兩類：
1）由CCD攝像頭、圖像采集卡和計算機組成的圖像采集系統(tǒng)，利用圖像采集卡把CCD傳來的模擬圖像信號轉換為數(shù)字圖像信號并傳送給計算機處理；
2）由CCD相機本身帶有的數(shù)字化設備直接將數(shù)字圖像信號通過端口傳送給計算機。
      其中前者作為經(jīng)典的圖像采集系統(tǒng)在圖像采集的應用中一直居于主導地位[1]，但是，性能較好的采集卡價格昂貴，同時由于需求不同，常常需要對采集卡進行二次開發(fā)，而大多采集卡生產廠家封裝了自己的函數(shù)和鏈接庫，因此在二次開發(fā)時對開發(fā)人員的專業(yè)素質要求較高。近年來隨著CCD相機技術的不斷進步，以數(shù)碼相機為代表的第二類圖像采集設備以其方便快捷、采集速度快、高分辨率、高性價比等特點受到人們的廣泛關注，已經(jīng)在一些領域取得了很好的應用。
      對于第二類圖像采集設備，因為是CCD相機直接提供數(shù)字信號，因此可以獲得高品質的圖像，但同時，也對圖像數(shù)據(jù)的傳輸速率提出了較高的要求。一般CCD輸出可以遵循RS-422、RS-644和IEEE1394等數(shù)字輸出接口標準。其中，RS-422的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，不能滿足大量圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；而RS-644在進行傳輸數(shù)據(jù)時，必須外加圖像采集卡，這樣就增加了整個系統(tǒng)的造價。而IEEE1394不僅能夠提供高速的數(shù)據(jù)速率，克服RS-422數(shù)據(jù)傳輸速率低的缺點，同時在和CCD相連的時候不需要外加圖像采集卡[2]。
      IEEE1394,又稱FireWire（火線），是1987年Apple公司發(fā)布的一個高速串行總線標準。該標準在1995年被電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）采納，稱之為IEEE1394。1995年的IEEE1394-1995其數(shù)據(jù)傳輸率為100/200/400Mbps，后來其改進版IEEE1394b的數(shù)據(jù)傳輸率可達到800Mbps,1.6Gbps及3.2Gbps。所以，IEEE1394總線是目前為止最快的串行總線[3]。IEEE1394總線具有如下特點：（1）數(shù)字接口：數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳輸，不需數(shù)模轉換，從而降低了設備的復雜性，保證了信號的質量；（2）即插即用；（3） 速度快，支持同步和異步兩種數(shù)據(jù)傳輸模式；（4） 物理體積小，制造成本低，易于安裝；（5） 價廉?；谶@些特點，1394被廣泛應用于多媒體領域，特別是數(shù)碼攝像機。
目前，接觸最多的是對圖像采集卡的編程控制，而關于利用第二類圖像采集設備進行圖像采集時的編程方法介紹很少。因此，本文著重闡述在VC++平臺下應用基于1394接口的第二類圖像采集設備進行圖像采集的編程過程。
1 圖像采集系統(tǒng)的硬件組成及開發(fā)平臺
      本文中圖像采集的硬件組成：工業(yè)數(shù)碼相機，1394b卡和PC機。在PC機主機的空余PCI插槽上安裝上系統(tǒng)所需的1394b卡，通過1394接口把相機在PC機并安裝驅動程序，這樣，本系統(tǒng)所需要的硬件環(huán)境就完成了。
      使用的系統(tǒng)平臺時Windows 2000，開發(fā)環(huán)境時Microsoft VC++6.0。
2 圖像采集的實現(xiàn)
      圖像采集系統(tǒng)的編寫，主要內容包括：人機交互界面、從CCD相機接收圖像信號并保存、圖像在采集界面顯示及對相機的控制。以下將對其逐一闡述。
2.1  建立采集界面
      對于采集界面，可以創(chuàng)建為對話框形式，也可以采用文檔結構，本文采用后者：
1）生成一個MFC AppWizard（exe）多文檔應用程序框架（應用程序名稱：PictureTest）。
2）連接相機的動態(tài)鏈接庫（因為要控制相機采圖，所以會用到相機的庫函數(shù)）。找到相機安裝的目錄文件，把include文件夾的文件路徑加入到Project->Setting->C/C++->;preprocessor->Additional include directories的編輯框中；把lib文件夾的文件路徑加入到Project->Setting->Link->Input->Additional library path的編輯框中，同時在…->Input->Object/library modules編輯框中輸入pgrflycapture.lib pgrflycapturegui.lib。
3）包含相機控制類的頭文件，在工程中的CPictureTestDoc.h文件中加入頭文件：
#include <pgrflycapture.h>
#include <pgrcameragui.h>
并定義共有變量：
FlyCaptureContext    context;       //相機功能句柄
CameraGUIContext             m_guicontext;  //圖形用戶界面（GUI）句柄
4）用相機采圖時，首先需要對其初始化，這部分工作我們希望在應用程序打開時由系統(tǒng)自己完成。在工程中的CPictureTestDoc.cpp文件中對相機進行初始化：
首先，在構造函數(shù)中對定義的功能句柄初始化：
        context=NULL;       //相機功能句柄初始化
        m_guicontext=NULL;  //圖像用戶界面句柄初始化
然后，在OnNewDocument（）函數(shù)中連接相機并初始化：
        flycaptureCreateContext（ &context ）;//連接相機
        guierror=pgrcamguiCreateContext（ &m_guicontext ）;//創(chuàng)建GUI連接
        flycaptureInitialize（ context, _CAMERA_INDEX ）;//相機初始化
2.2  圖像抓取
      在一些自動化系統(tǒng)中，可能在多處用到抓圖代碼，因此為增強程序的可讀性，減少編程代碼，我們編寫一個功能函數(shù)，由它來完成抓圖并保存功能，這樣在需要的時候，直接調用函數(shù)即可。在CPictureTestDoc.cpp文件中加入功能函數(shù)PictureGrab（），用它來實現(xiàn)圖像抓取，其核心代碼如下：
flycaptureStart（ context, 
   FLYCAPTURE_VIDEOMODE_ANY,
   FLYCAPTURE_FRAMERATE_ANY ）;//相機開啟，其中三個參數(shù)分別為：相機功能句柄，視頻模式，幀頻
flycaptureGrabImage2（ context, &image ）;//抓圖，image是圖像在內存中的存放地址
        flycaptureConvertImage（ context, &image, &imageConverted ）;//圖像格式轉換，imageConverted為轉換后圖像在內存中的地址
flycaptureSaveImage（context,&imageConverted,（"TestPicture.bmp"）,SAVE_FORMAT_C ）;//保存圖像，TestPicture.bmp為圖像保存名稱，SAVE_FORMAT_C為圖像保存格式，即BMP格式
flycaptureStop（ context ）;//停止相機
通過上述程序抓到的圖像，保存在本工程文件夾中，這樣，在后續(xù)的圖像處理時，可以在程序中直接通過文件名訪問圖像文件，而不需要添加路徑，簡化了程序代碼。
2.3  圖像顯示
      Windows位圖由兩種：DDB和DIB。前者依賴于設備（Device Dependent Bitmap），與MFC 6.0中的CBitmap類相對應，它們在內存中的結構和位置依賴于管理它們的設備驅動。DIB是一種“格式”，它可以存放在內存中，也可以存儲成文件，即常見的BMP文件。Visual C++的MFC中，以CBitmap類代表DDB圖像，極大地方便了編程人員對DDB的使用。然而通常情況下，沒有人會把DDB圖像存儲成文件，因此我們使用更多的是DIB，遺憾的是MFC對于DIB的支持幾乎可以說是沒有，因此在編制圖像處理的程序時，有必要設計可以重復使用的類CDib，專門用來處理DIB[4]（關于CDib，讀者可以參閱相關書目，本文不再累述）。本文中，為了方便后續(xù)的圖像處理，在圖像顯示時采用類CDib技術。因為在實際應用中，我們往往需要圖像的連續(xù)讀入，因此本文直接采用文件名讀入圖像，這樣可以使采集的圖像實時的顯示。
      首先，定義類CDib，并在CPictureTestDoc.h中定義共有變量：
CDib m_dib;//CDib類對象，用于位圖文件的讀寫
然后，在CPictureTestDoc.cpp文件中添加功能函數(shù)：PictureRead（），在其中加入代碼：
CString strPathName;
strPathName = _T（"TestPicture.bmp"）;
if （m_dib.Read（strPathName） == TRUE） 
｛        
                SetModifiedFlag（FALSE）;     // start off with unmodified
                return ;
｝
并在CPictureTestView.cpp文件中的OnDraw（CDC＊ pDC）函數(shù)中，加入如下代碼：
CPictureTestDoc＊ pDoc = GetDocument（）;
CDib ＊pDib=pDoc->GetPDib（）;//返回m_dib的指針
CSize sizeFileDib = pDib->GetDimensions（）;//獲取DIB的尺寸
pDib->Draw（pDC, CPoint（0, 0）, sizeFileDib）; //顯示DIB
在OnInitialUpdate（）函數(shù)中設置滾動窗口：
CDib ＊pDib=pDoc->GetPDib（）;//獲取DIB的指針
if（pDib!=NULL）
    SetScrollSizes（MM_TEXT, pDib->GetDimensions（））;//根據(jù)DIB尺寸設置視窗大小
最后，添加圖像采集命令菜單，其響應函數(shù)為：
void CPictureTestView::OnTestStart（） 
｛
        　　CPictureTestDoc ＊ pDoc = GetDocument（）;
        　　pDoc->;pictureGrab （）;//抓圖
        　　pDoc->;pictureRead（）;//把圖像讀入內存
        　　OnInitialUpdate（）;//設置滾動窗口
｝
編譯通過后，單擊圖像采集命令，即可實時獲取圖像。


2.4  相機設置
      在圖像采集時，我們往往需要對相機的參數(shù)如圖像格式、分辨率、幀頻等進行設定，同時，為了獲取高品質圖像，我們還需要做白平衡調節(jié)。當然，這些參數(shù)的設定我們可以在相機初始化時由代碼實現(xiàn)，但是，在實際應用中，為了達到最佳效果，我們需要多次調試才能達成，如果采用修改代碼的方法，調試過程會很麻煩。數(shù)碼相機一般都有設置菜單，我們要做的就是，通過代碼來調用相機的設置菜單，設置好參數(shù)后，參數(shù)會自動保存并加載。這樣，調試的時候會方便很多。創(chuàng)建相機設置菜單命令，其響應函數(shù)如下：
void CPictureTestDoc::OnTestCameraset（） 
｛
        pgrcamguiToggleSettingsWindowState（
       m_guicontext, AfxGetApp（）->m_pMainWnd->GetSafeHwnd（） ）;//相機設置對話框
｝


3 結  論
      本文實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)可通過1394接口對數(shù)碼機進行格式/模式/幀率的設置，光學參數(shù)的設定，采集畫面的實時顯示，而且能夠對攝像機進行自動控制，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，利用它可以完成一些復雜項目中的實時連續(xù)的圖像采集過程，如高速公路車輛和車牌的自動識別管理系統(tǒng)、工業(yè)生產中的產品外包裝檢測系統(tǒng)等，具有很大的實用性．