精確時間同步協議（PTP）——輕松實現多相機的精確同步
http://www.debgrams.com 2022-05-17 10:23 來源：
在某些應用場合中，如果需要處理來自多臺相機的圖像時，則圖像記錄的精確時間或準確的先后順序對后續處理至關重要。若相機能夠提供時間戳，則可為不同的圖像數據建立時間基準。然而，相機的時間基準要能夠精確匹配，這一點至關重要。通過使用“精確時間協議”(PTP)，HK IDS GigE Vision相機（固件版本2.2或以上）能夠輕松實現同步。
借助精確時間協議(PTP)同步HK IDS GigE Vision相機
精確時間協議(PTP)是一種時間同步標準(IEEE1588)，它使通過網絡連接的設備實現時間同步。支持此標準的相機可在特定的周期內與主時鐘交換同步信息。利用各自發送和接收時間中的時間戳信息，相機內部的計數器可實現精確地校準和同步。
所有固件版本為2.2及以上的HK IDS GigE Vision相機都可與PTP兼容！
IEEE1588時間戳是以1970年1月1日0時0分為計時起點，支持1納秒(1 GHz)的時間分辨率。然而，由于延遲和信號運行時的不準確性，聯網設備的時間同步精度達微秒級。
PTP應用案例
PTP作為一種基礎協議，通過為圖像數據提供時間基準，為各種應用奠定基礎。視應用要求及網絡基礎設施的復雜性的不同，PTP可以通過不同的方式來實現。
01 相對時間戳同步
在本案例中，所有相機都在同一個網絡。其中一臺相機為主服務器，其余相機為從服務器。所有從相機的時間戳與主相機同步。相機既不提供絕對時間戳（實時），同時在無其他操作的情況下，也無法實現同步觸發。
優勢：
■ 在該應用場合中，相對時間戳確定所有相機圖像記錄的時間分配。此外，相對時間戳還能確定哪一張圖像為第一張，以及不同相機的圖像時差大小。
■ 無需額外的操作和成本，即可為特定的網絡基礎架構生成相對時間戳。
02 利用絕對時間同步時間戳
本案例中，聯網相機與外部主時鐘同步。該PTP主時鐘可以是支持“硬件時間戳”的網卡——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。
優勢：
■ 具備全局（實時）時間戳的圖像內容可跨越當前的應用限制，與任何其他使用實時時間基準的信息相關聯。
■ 對于其它使用全局時間基準的應用場合或評估，圖像內容可以重用。
使用PTP：“相對同步”
硬件設置
兩臺不同的固件版本為2.2（支持PTP）的HK IDS GigE Vision相機（GV-526xFA-C和GV-504xCP-M）連至同一網絡交換機。一臺額外的主機PC，僅用于控制和配置相機，不涉及相機的PTP同步。
軟件設置
可通過“PtpControl”下的相機功能節點圖查找所有PTP配置功能。只有固件需為2.2或以上版本的相機才能使用這些功能。我們在主機PC上安裝配套軟件，來設置PTP同步。
將一臺相機配置為PTP主時鐘
GV-526xFA-C相機應設置為PTP主時鐘。在軟件中打開相機，并將“PtpEnable”設為“True”，啟用PTP。另外，將“PtpSlaveOnly”設為“False”為相機賦予“主時鐘”角色。
# Configure master camera
PtpEnable = True
PtpSlaveOnly = False
將另一臺相機配置為PTP從時鐘
GV-504xCP-M相機應設為PTP從時鐘。同理，將“PtpEnable”設為“True”以啟用PTP。此時，這臺相機僅作為從時鐘使用。將“PtpSlaveOnly”仍設為“True”。
# Configure slave camera
PtpEnable = True
PtpSlaveOnly = True
創建主從等級
在完成主從時鐘配置后，主-從等級將自動創建。對于主時鐘相機，可通過“PtpStatus”由“Listening ”變成“Master”來確定。對于從時鐘相機，可通過“PtpStatus”先由“Listening”變為“Uncalibrated”，并在與主時鐘相機同步后變為“Slave”來確定。
在通過相機的新PTP功能完成主從等級創建后，“相對同步”也隨之完成。
啟用時間戳
如果您希望對圖像數據使用已同步相機生成的時間戳，則必須將時間戳作為元數據，啟用元數據（及塊數據）傳輸。
首先，將“ChunkModeActive”設為“True”，以通過圖像緩沖區啟用塊數據傳輸。然后，通過“ChunkSelector”選擇“Timestamp”，并通過“ChunkEnable”開關啟用時間戳。
# activate chunk data creation
ChunkModeActive = True
# enable "ChunkTimestamp"
ChunkSelector = Timestamp
ChunkEnable = True
這時，相機所采集的每一張圖像將具備相應的時間戳，并借助圖像緩沖區（通過塊數據）傳輸至主機PC。這樣，塊數據及時間戳可通過任何視覺標準軟件進行讀取。
圖像采集
如果應用中需要對帶時間戳的圖像數據進行處理，則圖像的記錄時間和相機的觸發至關重要。這種情況取決于來自多臺相機的圖像是否需要完全相同的采集時間（同步圖像采集）以及時間關聯偏差（時間戳抖動）有多大。根據應用要求，須選擇適合相機的觸發模式。在做出這一選擇時，要考慮的決定性的因素不僅包括不同軟件和硬件信號模式的精度，也包括部署和使用所需操作和成本。為檢查先前配置的“相對同步”，我們使用每秒脈沖數(PPS)信號來觸發相機，以實現同步自由運行。
同步自由運行
顧名思義，在PTP功能啟用的情況下，每臺相機（主時鐘相機和從時鐘相機）的PPS信號會每秒生成一個。因此我們可借助PPS信號檢查相機的同步狀態。這一信號被設置為觸發源，因此每秒鐘將觸發一次圖像采集。除了由“相對同步”導致的幾微妙的偏差，相機生成的圖像時間戳應為一致。通過PPS信號實現所有相機同步自由運行的操作如下：
# 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觸發信號將觸發相機在同一時間點進行圖像采集
讀取時間戳
為在應用場合中處理時間戳和圖像內容，您須讀取當前圖像緩沖區的塊數據。塊數據為制造商相關的有效負載緩沖區，其存儲布局通常未知，因此我們將通過節點圖來讀取各個元數據。為此，所有現有的元數據及其標準的節點名稱將從GenTL傳輸至節點圖，以便通過標準的API進行訪問。
以下的源代碼片段為您演示如何從圖像緩沖區中提取時間戳。安裝包也為您提供了有關塊數據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
當涉及圖像內容的時間分配時，PTP是多相機應用場合中一個重要的基礎功能，能夠輕松實現相機間的相對同步，無需額外的硬件和軟件支持。在許多應用場合中，相對相機同步也足以確保圖像在“相同”的時間或以正確的順序使用。相機還配備外部定時器，適用于全局同步。
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