Модули на базе камер для встраиваемых систем: разработать или купить?

Опубликовано: 02.09.2018

видео Модули на базе камер для встраиваемых систем: разработать или купить?

NONSENSE

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций


NAB 2018 Live Press Conference

Визуальные данные играют все более важную роль в самых различных сферах. Во многих из них требуется интеграция камер непосредственно в рабочее оборудование, то есть создание встраиваемой системы машинного зрения. Перед разработчиками немедленно встает вопрос: какие аппаратные средства использовать для съемки изображений? Здесь существует два подхода. В рамках первого предлагается использовать готовый модуль на базе камеры, который, как правило, представляет собой камеру, размещенную на однокристальной интегральной схеме, функционирующей как универсальный аппаратный модуль и подключающейся плоским кабелем. Другой подход предполагает привлечение штатных инженеров компании к интеграции светочувствительных сенсоров на печатные платы, особенно если речь идет о большом количестве модулей

Томас Радемахер

Менеджер по продукции компании Basler AG, доктор наук

Давайте разберемся в преимуществах и недостатках самостоятельной интеграции сенсора и использования готового модуля на базе камеры.

Что такое "интеграция сенсора" и каково назначение модулей на базе камер?

Интеграция светочувствительного сенсора на печатную плату (например, во встраиваемой системе) сопровождается необходимостью решения задач как на аппаратном, так и на программном уровнях. Во-первых, компоненты должны быть соединены друг с другом физически; во-вторых, система и сенсор должны иметь возможность обмениваться сигналами и обрабатывать их, в том числе управляющие сигналы и сигналы для установки параметров настройки, отправляемые приложением. Разумеется, необходимо предусмотреть возможность передачи и обработки собственно данных изображения.

Более подробно все эти факторы будут рассмотрены ниже, но важно сразу отметить, что каждый из них оказывает значительное влияние на итоговое качество изображения. Это одна из причин того, что, несмотря на использование одинаковых сенсоров, модули на базе камер от разных производителей зачастую сильно различаются, в особенности по уровню качества съемки.

Во встраиваемых системах машинного зрения термин "модуль на базе камеры" часто используется как синоним термина "бескорпусная камера". Такие модули, как правило, менее функциональны по сравнению с промышленными камерами, но более функциональны, чем просто сенсоры. На печатной плате модуля обычно предусмотрены четко описанные (в ряде случаев – стандартизованные) интерфейсы для передачи данных изображения и установки параметров камеры. Наряду с этим на стороне модулей на базе камер также может выполняться первичная обработка сигнала, коррекция искажений изображения, оптимизация изображения, реализация мер электробезопасности и многое другое. Более подробно все эти аспекты будут рассмотрены далее.

Технические препятствия для интеграции сенсоров

Если пользователь решает провести самостоятельную интеграцию сенсоров, ему необходимо быть готовым к решению определенных проблем, присущих процессу интеграции аппаратных компонентов. Несмотря на то что специфические характеристики корпуса сенсора, например тонкие контакты для пайки, обычно в корпусе BGA (Ball Grid Array), часто встречаются и на других компонентах печатной платы, требование строгого соблюдения стандартов чистоты при пайке сенсора (критически значимое в оптических системах) может значительно осложнить процесс производства. Другой аспект – точное размещение сенсора на плате, что особенно важно в случае больших сенсоров. Даже небольшой наклон способен серьезно сказаться на качестве изображения.

Точки пайки должны быть прочными и надежными, способными выдерживать вибрацию и перепады температуры на протяжении многих лет эксплуатации. При этом необходимо уделить особое внимание точному расположению оптического элемента сенсора, поскольку этот фактор оказывает огромное влияние на качество изображения. Несоблюдение этих и других критически важных требований при подготовке сенсора может привести к определенному проценту производственного брака, что следует учитывать в расчетах общей стоимости производства. Модули на базе камер предъявляют конструкционные ограничения к оборудованию, в которое они будут встроены. Размеры платы и корпуса жестко заданы, что, безусловно, усложняет размещение модуля на базе камеры в оборудовании. Несмотря на то что на рынке предлагаются одноплатные камеры, лишь немного превосходящие по размерам сам сенсор, они представляют интерес только в тех случаях, когда габариты имеют решающее значение.

Артефакты и оптимизация изображения

Современные КМОП-сенсоры выдают цифровой выходной сигнал, однако это не значит, что простое считывание данных дает оптимальное изображение на выходе. На изображении могут появляться артефакты – перманентно или в определенных условиях. Более того, для оптимального использования сенсора очень важно знать его отличительные особенности. Речь идет в том числе о периоде прогрева (типичный пример – первое изображение всегда неполное), нелинейности и условиях, вызывающих отказ в работе.

Так, в случае цветных изображений необходимо сначала вычислить цветовые значения отдельных пикселей (выполнить дебайеризацию). Даже после этого на изображении остаются шумы, цветовые ошибки или упомянутые выше артефакты (например, полосы). Для их устранения требуется задействовать определенные механизмы, в том числе компенсацию паразитного сигнала и алгоритмы шумоподавления. Выполнение этих процедур создает существенную нагрузку на процессор, что необходимо учитывать при разработке программного обеспечения для обработки изображений. В определенных ситуациях может даже потребоваться модификация аппаратных компонентов с учетом повышенной нагрузки, что сопровождается увеличением затрат. В некоторых областях крайне важным является сохранение возможности съемки в режиме реального времени. Алгоритмы первичной обработки изображения могут выполняться на стороне программируемой вентильной матрицы (FPGA), однако такой подход также предполагает дополнительные затраты.

Все эти проблемы, сопровождающие самостоятельную интеграцию сенсоров, имеют одно общее свойство: их появление сложно прогнозировать, поскольку во многих случаях они возникают только на этапе разработки. Практически невозможно предсказать заранее, какой именно механизм корректировки может потребоваться, при этом накопленный опыт может пригодиться в весьма ограниченной степени. В связи с этим самостоятельная разработка – довольно рискованное занятие с точки зрения временных и материальных затрат.

Интерфейсы

Как правило, светочувствительные сенсоры выдают сигнал, совместимый с LVDS, CSI2 или ТТЛ. Для дальнейшей обработки этого сигнала компоненты должны быть подключены к логическому компоненту (программируемая вентильная матрица или однокристальная система) и иметь соответствующие драйверы. Выполнение этого шага может оказаться довольно сложным, в особенности при отсутствии развернутой документации.

Модули на базе камер также предлагаются с выходным сигналом на основе CSI2 или LVDS. Производители камер обычно прилагают к своим продуктам драйверы, пакеты программ для разработки приложений и IP-ядра (для использования с программируемой вентильной матрицей). Это значительно упрощает интеграцию по сравнению с интеграцией отдельного сенсора.

Отличия сенсорных модулей и модулей на базе камер

Представляется целесообразным напомнить, какие технологии существуют сегодня на рынке и какие из них включают в себя камеры. Сегодня покупателям предлагаются не только модули на базе камер, но и простые сенсорные модули, представляющие собой просто светочувствительные сенсоры, размещенные на печатной плате, иногда с адаптированным соединением. Такое устройство сложно назвать камерой – это чуть больше, чем модуль с упрощенным аппаратным соединением, способный передавать (необработанные) данные с сенсора. Преимущества и недостатки использования этого устройства аналогичны самостоятельной интеграции сенсоров, хотя здесь можно отметить более широкие возможности аппаратной интеграции.

Сенсорные модули значительно дешевле модулей на базе камер, однако не предоставляют пользователям такого же спектра функций. Модули на базе камер, как описано выше, предлагают гораздо больше функций, например первичную обработку изображений, стабилизацию данных, определенные интерфейсы и многое другое.

В заключение предлагаем подытожить все вышеизложенные аргументы, влияющие на принятие решения о самостоятельной интеграции или покупке готового решения (см. таблицу).

Резюме

Интеграция сенсоров подразумевает не только считывание с них данных. Помимо проблем, связанных с аппаратным и программным дизайном, ключевое значение имеет обработка данных, полученных с сенсора. Она определяет процедуры корректировки ошибок и обработки изображений. Что касается собственно обработки изображений, то здесь технический уровень готовых модулей на базе камер является недостижимым для самостоятельно разработанных продуктов. Несмотря на то что, на первый взгляд, модули на базе камер предлагают пользователям больше функций, чем им обычно нужно, то есть обладают определенной избыточностью, эта сложность необходима для того, чтобы добиться максимально возможной производительности сенсора.

По этой причине мы рекомендуем проводить самостоятельную интеграцию только при необходимости производства крупных партий и в тех областях применения, где оптимальное качество изображения или надежность являются второстепенными факторами. Во всех остальных случаях лучше использовать модули на базе камер, что позволит обеспечить высокий уровень надежности и качества. Следует также учитывать невозможность предсказать конечную стоимость системы при самостоятельной интеграции сенсоров.

Стандартные интерфейсы – еще одно преимущество модулей на базе камер, которое приобретает особую значимость при необходимости замены сенсоров или возникновении новых технологических требований. При этом следует отличать модули на базе камер с обширным набором функций от простых сенсорных модулей, функции и возможности подключения которых ближе к сенсорам.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2017

Посещений: 1601

   Автор

Томас РадемахерМенеджер по продукции компании Basler AG, доктор наук

Всего статей:  1

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик   |   К списку авторов   |   К списку публикаций

Добавить комментарий

rss