L'évolution de la vision embarquée

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Jan-Erik Schmitt, de Vision Components, décrit l'essor de la vision embarquée et les nombreux avantages que la technologie a à offrir

Les appareils Edge rendent nos vies plus faciles, plus intelligentes et permettent des solutions plus durables - de l'agriculture de précision pour réduire l'utilisation d'engrais, aux applications de trafic intelligentes qui aident à éviter les embouteillages, aux dispositifs médicaux alimentés par l'IA qui détectent les maladies sur la base de la reconnaissance des formes.

La vision embarquée est une technologie clé pour ces appareils.

L'analyse détaillée des données directement en périphérie est rendue possible par des caméras ultra-compactes, des processeurs intégrés puissants et économes en énergie et les dernières technologies d'intelligence artificielle.

Avec ces développements, l'intégration de la vision embarquée est devenue plus facile que jamais.

La norme pour les applications de vision jusqu'aux années 1990 était les caméras connectées à des unités de traitement externes. Cette configuration a fourni la puissance de calcul nécessaire pour gérer les données d'image. Mais la conception et la mise en œuvre de ces systèmes, généralement destinés au contrôle qualité industriel, étaient chronophages, coûteuses et très éloignées de la définition actuelle de l'embarqué. En 1995, Michael Engel a présenté la VC11, la première caméra intelligente industrielle au monde basée sur un processeur de signal numérique (DSP). Son objectif était de créer un système compact permettant la capture et le traitement d'images dans le même appareil. La caméra était proposée à un coût nettement inférieur à celui des systèmes basés sur PC et a ouvert la voie aux caméras intelligentes et aux systèmes de vision embarqués d'aujourd'hui. Cette invention a également été la pierre angulaire de la fondation de Vision Components (VC).

Pour la première fois, la caméra intelligente VC11 a appliqué ce qui reste encore aujourd'hui des caractéristiques embarquées : des systèmes parfaitement adaptés à leurs applications, sans frais généraux ni composants inutiles, optimisés pour les utilisations industrielles, la production de masse et un faible coût unitaire. En général, ces solutions sont aussi petites que possible et conviennent parfaitement aux appareils périphériques et aux applications mobiles. Par conséquent, la faible consommation d'énergie est également un aspect important des systèmes de vision embarqués. De plus, les plages de fonctionnement robustes et la qualité de qualité industrielle ainsi que la disponibilité à long terme sont également étroitement liées au terme électronique embarquée.

Aujourd'hui, la technologie peut être utilisée et trouvée dans diverses applications, des produits finaux de consommation aux utilisations industrielles hautement spécialisées. Ceci est le résultat d'une vaste évolution technologique au cours des 30 dernières années : Au cours des années qui ont suivi l'invention de Michael Engel, les DSP étaient la norme pour le traitement d'image des caméras intelligentes. La technologie a évolué des premières puces d'entreprises telles qu'Analog Devices aux nouveaux modèles dotés d'une puissance de calcul gigahertz par Texas Instruments dans les premières années du 21e siècle, mais le principe de base est resté : les données d'image étaient capturées par un capteur d'image contrôlé par le DSP. Les données étaient ensuite transférées dans la mémoire interne via un contrôleur de bus. Tout le traitement a eu lieu dans une seule unité de traitement. Avec les DSP avancés, même des applications telles que les capteurs de profil 3D avec traitement de données intégré ont été activées.

Une étape importante dans l'évolution des systèmes de vision embarqués a été marquée par l'introduction de processeurs ARM double cœur avec un FPGA par Xilinx. Vision Components a développé ses premiers systèmes de vision embarqués basés sur cette architecture hétérogène en 2014. Ils ont combiné les avantages des capacités de traitement parallèle en temps réel du FPGA avec des cœurs ARM librement programmables exécutant un système d'exploitation Linux. Cette configuration a rendu le développement de systèmes de vision embarqués plus polyvalent et flexible et a ouvert de nouvelles possibilités aux développeurs pour coder et implémenter des logiciels pour leurs applications spécifiques.

La puissance de calcul a augmenté avec les nouveaux processeurs qui ont été développés, poussés par la forte demande d'électronique petite et puissante pour les produits de consommation, la maison intelligente et l'industrie, ainsi que de nouvelles applications dans l'industrie automobile. En conséquence, les systèmes de vision embarqués ont été conçus pour répondre à toutes les exigences du marché, des caméras au niveau de la carte avec une puissance de traitement multicœur aux systèmes de vision embarqués extrêmement petits qui combinent l'acquisition et le traitement d'images avec des cœurs ARM et FPGA sur une seule carte. la taille d'un timbre-poste.

Les modules de caméra MIPI sont disponibles avec différents capteurs d'image, compacts et flexibles pour un déploiement avec toutes les cartes processeur courantes (Image : Composants de vision)

Les technologies de pointe sont aujourd'hui des approches système hétérogènes avec de multiples unités de traitement qui utilisent des processeurs ARM et des FPGA haut de gamme ainsi que des unités de traitement spécialisées telles que les DSP, les unités de traitement graphique (GPU), les unités de traitement de tenseur (TPU) spécialement développées pour l'apprentissage automatique et les unités de traitement neuronal (NPU) optimisées pour l'IA. Dans la conception de ces systèmes, les unités de traitement peuvent être déployées à l'aide de systèmes sur modules respectifs qui contiennent déjà tous les processeurs. Il est également possible de combiner différents modules et de bénéficier ainsi d'une plus grande liberté pour sélectionner le processeur le mieux adapté aux tâches respectives.

Lors de la conception d'une solution avec vision embarquée, les développeurs peuvent choisir le niveau d'intégration parfait pour leurs projets : d'un module de caméra MIPI, à des systèmes de vision embarqués complets qui combinent l'acquisition et le traitement d'images dans un facteur de forme ultra-compact, à des modules prêts à l'emploi utiliser des solutions OEM qui peuvent être adaptées de manière flexible pour s'adapter à leur application finale.

Caméras MIPI : flexibles, économiques et faciles à intégrer

Les modules de caméra MIPI sont devenus une norme pour d'innombrables applications dans l'industrie, en raison de leur utilisation généralisée sur le marché grand public et de la large prise en charge de l'interface MIPI-CSI-2 par les processeurs embarqués modernes. Les modules de caméra MIPI sont flexibles, économiques et faciles à intégrer. Ils sont disponibles des capteurs bon marché aux capteurs haut de gamme avec une résolution de 20 MP et plus avec un obturateur de réinitialisation global ou global. Ces derniers offrent la meilleure qualité d'image de leur catégorie, combinée à des fréquences d'images élevées et aux avantages de l'interface MIPI. Les développeurs choisissent le capteur d'image qu'ils souhaitent et, au mieux, un fournisseur qui fournit également des pilotes en code source et des accessoires tels que des câbles, des supports d'objectif, des optiques, des éclairages et des cartes d'adaptation. Ainsi, les modules de caméra peuvent être déployés facilement avec toutes les cartes processeur courantes avec interface MIPI CSI 2 et facilement implémentés dans leur produit final.

VC Power SoM est un petit accélérateur matériel basé sur FPGA pour le traitement d'images complexes, mesurant seulement 2,8 x 2,4 cm. Il peut être intégré facilement, rapidement et à moindre coût dans l'électronique de vision embarquée, en tant que composant directement dans la conception de la carte mère ou comme indiqué sur l'image avec une carte d'interface (Image : Vision Components)

Pour des conceptions encore plus rapides, VC a récemment présenté VC PowerSoM, un module accélérateur matériel basé sur FPGA qui peut être implémenté dans les flux de données MIPI. Le minuscule module, mesurant seulement 28 mm x 24 mm, effectue des calculs complexes de traitement d'image et transfère les résultats directement à une carte processeur principale. Il peut être directement intégré dans les conceptions de cartes mères de vision embarquée en tant que module ou combiné avec une carte d'E/S avec plusieurs interfaces MIPI. Les OEM bénéficient de la technologie FPGA mature du VC Power SoM et des fonctionnalités complètes de traitement d'image et peuvent simultanément choisir librement la carte processeur embarquée et utiliser toute sa puissance de calcul pour l'application principale.

Caméras embarquées avec CPU : composants parfaitement adaptés

Le niveau d'intégration supérieur suivant concerne les caméras embarquées, qui combinent des modules de caméra et des unités de traitement multicœurs, soit avec tous les composants comprenant un ou plusieurs capteurs d'image parfaitement intégrés sur une seule carte, soit avec des caméras embarquées connectées via des câbles FPC. Les deux configurations sont ultra compactes, avec des composants parfaitement assortis et adaptés à leurs applications respectives. Ils peuvent être intégrés à n'importe quel système plus vaste. Souvent, le processeur de ces systèmes peut également être utilisé pour exécuter des applications spécifiques au client basées sur les données d'image. Pour la production de masse ou les applications industrielles, des adaptations individuelles peuvent être réalisées. Des développements personnalisés pour des exigences particulières sont également possibles, y compris le boîtier et le logiciel. Un avantage des caméras embarquées est leur conception éprouvée, qui raccourcit les cycles de développement et permet de respecter un budget.

Systèmes de vision embarqués prêts à l'emploi : choix idéal pour les applications standard

Il en va de même pour les solutions OEM clés en main qui peuvent être utilisées pour de nombreuses applications standard. Un exemple parfait sont les capteurs de profil qui combinent un module de triangulation laser et un système de vision embarqué intelligent et qui peuvent prendre en charge des tâches telles que les scans 3D et la mesure du volume, l'inspection de la qualité optique et le positionnement de haute précision de la robotique guidée automatique, etc.

Les systèmes de vision embarqués peuvent être ultra-compacts, se passer de tous les composants inutiles et, grâce à l'informatique embarquée, ne nécessitent pas d'unité de calcul externe. Ils sont disponibles dans de nombreuses variantes, des kits électroniques aux systèmes complets prêts à l'emploi pour de nombreuses applications industrielles. (Image : composants de vision)

Ces systèmes sont souvent personnalisables en termes de boîtier et d'étiquetage et peuvent être adaptés aux exigences spécifiques du projet avec le logiciel du client. Compte tenu du haut niveau de préfabrication, ces systèmes permettent les délais de mise sur le marché les plus courts.

Qu'il s'agisse de caméras MIPI ou de solutions clés en main, il existe une demande croissante de solutions de vision embarquée sur tous les marchés, tant pour les produits grand public que pour les applications industrielles. Des systèmes de vision embarqués plus petits et plus puissants sont utilisés dans de plus en plus d'applications, de l'agriculture intelligente et des systèmes de trafic intelligents aux appareils intelligents pour les appareils grand public, l'automatisation des usines et la logistique. La santé, la médecine et les sciences de la vie utilisent également la profondeur des données fournies par les systèmes de vision intégrés avancés. La gamme de composants parfaitement adaptés à leurs domaines d'utilisation et d'application respectifs s'élargit en conséquence. Une autre évolution s'oriente vers des applications mobiles qui ne nécessitent pas de connexion à une unité de calcul externe et peuvent donc être utilisées avec une extrême souplesse.

Grâce à la puissance de calcul élevée des processeurs embarqués modernes, les systèmes de vision embarqués conviennent désormais à toutes les applications qui étaient équipées de systèmes basés sur PC dans le passé. De plus, ils offrent des avantages décisifs : Les systèmes de vision embarqués sont ultra-compacts et s'intègrent parfaitement dans les appareils. Ils sont autonomes, nécessitent peu d'énergie et se passent de tous les composants inutiles. Cela les rend idéaux pour une utilisation dans les appareils périphériques, portables et mobiles.

Jan-Erik Schmitt est vice-président des ventes chez Vision Components. Il a été promu à ce poste en 2008 et est responsable du développement stratégique de l'entreprise dans le monde. Schmitt n'a cessé d'étendre son réseau de vente mondial et a mené à bien de nombreux projets de vision embarquée en tant que Key Account Manager