精确时间同步协议（PTP）——轻松实现多相机的精确同步

　　在某些应用场合中，如果需要处理来自多台相机的图像时，则图像记录的精确时间或准确的先后顺序对后续处理至关重要。若相机能够提供时间戳，则可为不同的图像数据建立时间基准。然而，相机的时间基准要能够精确匹配，这一点至关重要。通过使用“精确时间协议”(PTP)，HK IDS GigE Vision相机（固件版本2.2或以上）能够轻松实现同步。

　　借助精确时间协议(PTP)同步HK IDS GigE Vision相机

　　精确时间协议(PTP)是一种时间同步标准(IEEE1588)，它使通过网络连接的设备实现时间同步。支持此标准的相机可在特定的周期内与主时钟交换同步信息。利用各自发送和接收时间中的时间戳信息，相机内部的计数器可实现精确地校准和同步。

　　所有固件版本为2.2及以上的HK IDS GigE Vision相机都可与PTP兼容！

　　IEEE1588时间戳是以1970年1月1日0时0分为计时起点，支持1纳秒(1 GHz)的时间分辨率。然而，由于延迟和信号运行时的不准确性，联网设备的时间同步精度达微秒级。

　　PTP应用案例

　　PTP作为一种基础协议，通过为图像数据提供时间基准，为各种应用奠定基础。视应用要求及网络基础设施的复杂性的不同，PTP可以通过不同的方式来实现。

　　01  相对时间戳同步

　　在本案例中，所有相机都在同一个网络。其中一台相机为主服务器，其余相机为从服务器。所有从相机的时间戳与主相机同步。相机既不提供绝对时间戳（实时），同时在无其他操作的情况下，也无法实现同步触发。

　　优势：

　　■ 在该应用场合中，相对时间戳确定所有相机图像记录的时间分配。此外，相对时间戳还能确定哪一张图像为第一张，以及不同相机的图像时差大小。

　　■ 无需额外的操作和成本，即可为特定的网络基础架构生成相对时间戳。

　　02  利用绝对时间同步时间戳

　　本案例中，联网相机与外部主时钟同步。该PTP主时钟可以是支持“硬件时间戳”的网卡——若无硬件支持，同步精度将显著降低。除必要的硬件外，还需要支持PTP的软件。

　　优势：

　　■ 具备全局（实时）时间戳的图像内容可跨越当前的应用限制，与任何其他使用实时时间基准的信息相关联。

　　■ 对于其它使用全局时间基准的应用场合或评估，图像内容可以重用。

　　使用PTP：“相对同步”

　　硬件设置

　　两台不同的固件版本为2.2（支持PTP）的HK IDS GigE Vision相机（GV-526xFA-C和GV-504xCP-M）连至同一网络交换机。一台额外的主机PC，仅用于控制和配置相机，不涉及相机的PTP同步。

　　软件设置

　　可通过“PtpControl”下的相机功能节点图查找所有PTP配置功能。只有固件需为2.2或以上版本的相机才能使用这些功能。我们在主机PC上安装配套软件，来设置PTP同步。

　　将一台相机配置为PTP主时钟

　　GV-526xFA-C相机应设置为PTP主时钟。在软件中打开相机，并将“PtpEnable”设为“True”，启用PTP。另外，将“PtpSlaveOnly”设为“False”为相机赋予“主时钟”角色。

　　# Configure master camera

　　PtpEnable = True

　　PtpSlaveOnly = False

　　将另一台相机配置为PTP从时钟

　　GV-504xCP-M相机应设为PTP从时钟。同理，将“PtpEnable”设为“True”以启用PTP。此时，这台相机仅作为从时钟使用。将“PtpSlaveOnly”仍设为“True”。

　　# Configure slave camera

　　PtpEnable = True

　　PtpSlaveOnly = True

　　创建主从等级

　　在完成主从时钟配置后，主-从等级将自动创建。对于主时钟相机，可通过“PtpStatus”由“Listening ”变成“Master”来确定。对于从时钟相机，可通过“PtpStatus”先由“Listening”变为“Uncalibrated”，并在与主时钟相机同步后变为“Slave”来确定。

　　在通过相机的新PTP功能完成主从等级创建后，“相对同步”也随之完成。

　　启用时间戳

　　如果您希望对图像数据使用已同步相机生成的时间戳，则必须将时间戳作为元数据，启用元数据（及块数据）传输。

　　首先，将“ChunkModeActive”设为“True”，以通过图像缓冲区启用块数据传输。然后，通过“ChunkSelector”选择“Timestamp”，并通过“ChunkEnable”开关启用时间戳。

　　# activate chunk data creation

　　ChunkModeActive = True

　　# enable "ChunkTimestamp"

　　ChunkSelector = Timestamp

　　ChunkEnable = True

　　这时，相机所采集的每一张图像将具备相应的时间戳，并借助图像缓冲区（通过块数据）传输至主机PC。这样，块数据及时间戳可通过任何视觉标准软件进行读取。

　　图像采集

　　如果应用中需要对带时间戳的图像数据进行处理，则图像的记录时间和相机的触发至关重要。这种情况取决于来自多台相机的图像是否需要完全相同的采集时间（同步图像采集）以及时间关联偏差（时间戳抖动）有多大。根据应用要求，须选择适合相机的触发模式。在做出这一选择时，要考虑的决定性的因素不仅包括不同软件和硬件信号模式的精度，也包括部署和使用所需操作和成本。为检查先前配置的“相对同步”，我们使用每秒脉冲数(PPS)信号来触发相机，以实现同步自由运行。

　　同步自由运行

　　顾名思义，在PTP功能启用的情况下，每台相机（主时钟相机和从时钟相机）的PPS信号会每秒生成一个。因此我们可借助PPS信号检查相机的同步状态。这一信号被设置为触发源，因此每秒钟将触发一次图像采集。除了由“相对同步”导致的几微妙的偏差，相机生成的图像时间戳应为一致。通过PPS信号实现所有相机同步自由运行的操作如下：

　　# 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触发信号将触发相机在同一时间点进行图像采集

　　读取时间戳

　　为在应用场合中处理时间戳和图像内容，您须读取当前图像缓冲区的块数据。块数据为制造商相关的有效负载缓冲区，其存储布局通常未知，因此我们将通过节点图来读取各个元数据。为此，所有现有的元数据及其标准的节点名称将从GenTL传输至节点图，以便通过标准的API进行访问。

　　以下的源代码片段为您演示如何从图像缓冲区中提取时间戳。安装包也为您提供了有关块数据处理的完整源代码示例。

　　// Get buffer from devices 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();

　　}

　　总结

　　当涉及图像内容的时间分配时，PTP是多相机应用场合中一个重要的基础功能，能够轻松实现相机间的相对同步，无需额外的硬件和软件支持。在许多应用场合中，相对相机同步也足以确保图像在“相同”的时间或以正确的顺序使用。相机还配备外部定时器，适用于全局同步。