Откройте для себя встраиваемые технологии

Встраиваемые технологии визуализации стремительно набирают популярность. Стиву тоже хочется идти в ногу со временем. Предлагаем вместе с ним разобраться с его первым проектом встраиваемой системы машинного зрения.

Просто нажмите Play!

Что подразумевается под встраиваемыми технологиями визуализации?

В последние годы во многих направлениях электроники наблюдается тенденция к миниатюризации. Например, степень интеграции интегральных схем продолжает расти, а печатные платы в электротехнической промышленности уменьшаются в размерах, но при этом демонстрируют все более высокую производительность. Как следствие, производятся все более компактные и мощные ПК, мобильные телефоны и камеры. Эта тенденция также наблюдается в сфере технологий визуализации.

Классическая система машинного зрения включает в себя промышленную камеру и ПК.

Всего несколько лет назад оба этих ключевых компонента были значительно больше в размерах. Однако за короткий промежуток времени стали появляться все более и более компактные ПК, при этом в отрасли были впервые представлены одноплатные компьютеры, т. е. компьютеры, состоящие из единственной платы. Одновременно с этим электронные компоненты камеры также становились все миниатюрнее, а камеры, соответственно, уменьшались в размерах. Тенденция к повышению уровня интеграции привела к появлению камер без корпуса, которые проще интегрировать в компактные системы.

Эти два фактора – уменьшение размеров ПК и камер – обусловили возможность проектирования буквально микроскопических систем машинного зрения, открывающих новые возможности применения. Такие системы получили название встраиваемых систем.

Проектирование и эксплуатация встраиваемых систем машинного зрения

Встраиваемая система машинного зрения состоит из камеры (обычно бескорпусной камеры), которая напрямую подключена к плате обработки изображения. Платы обработки изображения выполняют те же функции, что и компьютер в классической системе машинного зрения. Поскольку платы обработки изображения намного дешевле классических промышленных ПК, система машинного зрения оказывается не только компактнее, и выгоднее в ценовом отношении. К стандартным интерфейсам встраиваемых систем машинного зрения относятся USB и Basler BCON for LVDS.

Встраиваемые системы машинного зрения применяются в самых разнообразных устройствах, в том числе в медицинских приборах и транспортных средствах, в промышленной и бытовой электронике. Встраиваемые технологии подстегивают инновационные разработки и тем самым открывают интересные возможности в различных сферах.

Какие встраиваемые системы предлагаются на рынке?

Встраиваемые системы обычно реализуются на базе популярных одноплатных компьютеров (Single-Board Computer, SBC), таких как Raspberry Pi®. Raspberry Pi ® представляет собой мини-компьютер со стандартными интерфейсами и предлагает набор функций, сходных с классическим ПК или ноутбуком.

Встраиваемые решения также могут быть реализованы на базе называемых одномодульных систем (System-on-Module, SoM) или одномодульных компьютеров (Computer-on-Module, CoM). Подобные одномодульные устройства по сути представляют собой вычислительный блок. Для получения возможности работы с определенными интерфейсами необходима отдельная так называемая несущая плата. Такую плату относительно просто спроектировать и изготовить, она подключается одномодульной системе посредством особых разъемов. Одномодульные системы и одномодульные компьютеры (как и встраиваемая система в целом), с одной стороны, обещают выгоду с точки зрения затрат, поскольку производятся серийно и доступны в широкой продаже, а с другой стороны, их можно адаптировать в соответствии с существующими требованиями посредством несущей платы.

Если речь идет о крупных промышленных партиях, рекомендуется выбрать отдельную плату обработки изображения.

В основе всех модулей, одноплатных систем и одноплатных компьютеров лежит однокристальная система (System-on-Chip, SoC). Этот элемент, в который интегрированы процессоры, контроллеры, модули памяти, схемы управления питанием и другие компоненты, представляет собой единственную микросхему.

Исключительно благодаря миниатюрным размерам и при этом высокой производительности однокристальных систем, встраиваемые системы машинного зрения сегодня настолько компактны и выгодны по цене.

Характеристики встраиваемых и стандартных систем машинного зрения

Большинство из вышеупомянутых одноплатных компьютеров и одноплатных модулей реализуются на процессорах с архитектурой, отличной от x86 (какими обычно оснащают стандартные ПК). Процессоры для таких систем, как правило, строятся на архитектуре ARM. С процессорами на базе архитектуры ARM обычно используется операционная система Linux с открытым исходным кодом. Под ОС Linux разрабатывается множество бесплатных прикладных программ, а также свободно распространяемых программных библиотек. Однако в последнее распространение получают и одноплатные компьютеры с процессорами на базе архитектуры x86. Неизменно важным критерием выбора компьютера для встраиваемой системы машинного зрения является доступное пространство.
Принцип разработки программного обеспечения для встраиваемых систем также отличается от принципа разработки ПО для стандартного ПК. Как правило, в целевой системе не предусмотрен пользовательский интерфейс, в котором можно было бы программировать. Разработчику ПО необходимо при наличии возможности подключиться к встраиваемой системе через подходящий интерфейс (например, по сети), либо выполнить разработку ПО на стандартном ПК, а затем перенести его в целевую систему.

При разработке ПО следует помнить, что архитектура аппаратных средств встраиваемой системы ориентирована на решение конкретной задачи и, таким образом, существенно отличается от универсальной архитектуры стандартного ПК.

Тем не менее порой сложно провести границу между встраиваемыми и настольными вычислительными системами. Взять, например мобильный телефон, который, с одной стороны, демонстрирует все характеристики встраиваемой системы (процессор на базе архитектуры ARM, одноплатная концепция), но с другой стороны, справляется с самыми разными задачами и поэтому схож с универсальным ПК.

Преимущества встраиваемых систем машинного зрения

В ряде случаев многое зависит от архитектуры встраиваемой системы машинного зрения. Зачастую логично выбрать для встраиваемой системы одноплатный компьютер, поскольку они выпускаются массово и отвечают определенным стандартам. Одноплатный компьютер отличается компактными размерами и простотой в использовании. Такое решение также подойдет для разработчиков без опыта программирования для встраиваемых систем машинного зрения.

Однако, с другой стороны, одноплатный компьютер так или иначе будет содержать неиспользуемые аппаратные компоненты, т. е. не позволит получить действительно рациональную и экономичную конфигурацию системы. Это решение подходит для предприятий, поставляющих малые и средние партии. Наиболее рациональная архитектура достигается за счет проектирования системы по индивидуальным требованиям, однако в этом случае повышаются затраты на разработку и интеграцию. Таким образом, это решение подходит для предприятий, поставляющих крупные партии.
Кратко о преимуществах встраиваемых систем машинного зрения
  • Рациональная и экономичная архитектура
  • Очень малый вес
  • Выгодная стоимость за счет отсутствия неиспользуемых аппаратных компонентов
  • Низкие затраты на производство
  • Сниженное энергопотребление
  • Компактность

Какие интерфейсы подходят для встраиваемых систем машинного зрения?

Встраиваемые технологии визуализации применяются для решения множества задач, соответственно, требования к архитектуре системы значительно варьируются. Исходя из технических требований, Basler предлагает широкий ассортимент камер с различным разрешением, оборудованных различными сенсорами и интерфейсами.

Камеры Basler для встраиваемых систем машинного зрения оснащаются интерфейсами двух типов:
  • USB3 Vision – удобство и простота интеграции
  • Basler BCON for LVDS – рациональная и экономичная архитектура системы
SDK в составе Basler pylon предусматривает поддержку обеих технологий, что упрощает переход с одного интерфейса на другой.
USB3 Vision
Интерфейс USB 3.0 обеспечивает максимальную простоту интеграции камеры в систему благодаря технологии Plug-and-Play и идеально подходит для соединения камеры с одноплатным компьютером. С помощью SDK в составе пакета ПО Basler pylon можно моментально подключиться к камере (к примеру, для просмотра изображений и установки параметров), поскольку камеры USB 3.0 полностью соответствуют стандарту и совместимы с GenICam.

Преимущества

  • Простота подключения к одноплатным компьютерам по интерфейсу USB 2.0 или USB 3.0
  • Проверенные на практике решения на базе Raspberry Pi®, NVIDIA Jetson TK1 и многими другими системами
  • Возможность разработки экономичных решений на базе одномодульных систем с несущей платой
  • Стабильная передача данных с пропускной способностью до 350 МБ/с
Интерфейс BCON for LVDS
BCON – это проприетарный интерфейс Basler на базе технологии LVDS, который позволяет подключать камеру непосредственно к плате обработки изображения, а следовательно, к интегрированным в нее логическим модулям, таким как программируемые вентильные матрицы (FGPA), или аналогичным компонентам. За счет этого достигается действительно экономичная конфигурация системы, а кроме того, пользователь получает преимущества прямого подключения и передачи данных.

Таким образом, этот интерфейс идеально подходит для интеграции камеры с одномодульной системой на несущей/адаптерной плате или разработанным в соответствии с особыми требованиями процессором.

Если планируется система на базе FPGA, то интерфейс BCON поможет в полной мере реализовать все преимущества этой технологии.

Интерфейс BCON предусматривает 28-контактный разъем типа ZIF для гибких плоских кабелей. Наряду с линиями LVDS для передачи данных изображения и сигналов триггера, в интерфейсе BCON предусмотрена линия питания 5 В. Конфигурирование камеры выполняется по шине стандарта I²C.

SDK в составе пакета ПО Basler pylon предусматривает средства для работы с интерфейсом BCON for LVDS. Благодаря этому с помощью имеющегося программного кода и API pylon можно быстро изменить настройки камеры, такие как длительность экспозиции, коэффициент усиления и параметры изображения. Реализация алгоритмов захвата изображения представляет собой отдельную задачу, поскольку эти алгоритмы определяются используемым аппаратным обеспечением.

Преимущества
  • Обработка изображения на стороне камеры. За счет этого достигается безупречное качество изображения без необходимости потребления и так ограниченных ресурсов платы обработки изображения.
  • Прямое подключение к FPGA за счет технологии обмена данными изображения на основе LVDS.
  • Значительное снижение затрат на интеграцию. Конфигурирование камеры выполняется посредством SDK в составе пакета ПО pylon по стандартной шине I²C, без необходимости написания дополнительного программного кода. Совместимость со стандартом GenICam.
  • Подробно задокументированный и открытый программный протокол для передачи данных изображения.
  • Комплект средств разработки с примером реализации алгоритма захвата изображения.
  • Гибкий плоский кабель и небольшой разъем для систем, в которых предъявляются строгие требования к занимаемому пространству.
  • Стабильная и надежная передача данных с пропускной способностью до 254 МБ/с.

Возможности разработки для встраиваемых систем машинного зрения видение и принципы интеграции камеры

Даже если разработчик имеет слабое представление о встраиваемых технологиях визуализации, существует множество удобных средств разработки для встраиваемых систем машинного зрения. В частности, они особенно пригодятся при переходе со стандартной системы машинного зрения на встраиваемую. Помимо обширного ассортимента компонентов для встраиваемых систем, Basler предлагает разнообразные инструменты для упрощения интеграции.

Узнайте из видеоролика ниже, как разработать встраиваемую систему машинного зрения и без излишних хлопот интегрировать в нее камеру.

Роль машинного обучения во встраиваемых системах машинного зрения

Перед встраиваемыми системами машинного зрения нередко ставится задача классификации передаваемых камерой изображений: например, необходимо идентифицировать круглое и квадратное печенье, перемещаемое на конвейере. В прошлом разработчики программного обеспечения тратили много времени и сил на разработку интеллектуальных алгоритмов для классификации печенья по его характеристикам (особенностям) на сорт A (круглые) и сорт ип B (квадратные). Этот пример может показаться относительно простым, однако чем сложнее характеристики объекта съемки, тем сложнее разработать соответствующие алгоритмы.

Однако в случае алгоритмов машинного обучения, например сверточных нейронных сетей (Convolutional Neural Network, CNN), не требуется ввод каких-либо характеристик в качестве входных данных. Если через этот алгоритм пропустить множество изображений круглого и квадратного печенья вместе с информацией, какое изображение соответствует какому сорту печенья, то алгоритм автоматически определит, как их различать. Печенье на неизвестном алгоритму изображении будет отнесено к одному из двух сортов исходя из накопленного «опыта» на основе других проанализированных изображений. Такие алгоритмы особенно быстро работают на графических процессорах (GPU) и FPGA.

Какие продукты Basler предлагает для встраиваемых систем машинного зрения?

Basler dart с интерфейсом BCON for LVDS или USB 3.0
Какая камера подойдет для моей встраиваемой системы?

Откройте для себя широкий ассортимент надежных камер и модулей на базе камер Basler для различных встраиваемых систем машинного зрения.
Комплекты PowerPack для встраиваемых систем машинного зрения
Ищете подходящую камеру для интеграции во встраиваемую систему визуализации? Чтобы упростить вашу задачу, Basler предлагает оценочный комплект с готовым к использованию решением на базе камеры Basler dart с интерфейсом USB.

Узнайте больше об оценочных комплектах Basler PowerPack и интеграции технологий обработки изображения во встраиваемые системы.
ПО Basler pylon для встраиваемых систем машинного зрения
Уже зарекомендовавший себя пакет ПО Basler pylon содержит удобный SDK, который подходит для работы со встраиваемыми системами машинного зрения.

Узнайте больше о пакете ПО pylon для встраиваемых систем машинного зрения
Компоненты для встраиваемых систем машинного зрения
Встраиваемая система машинного зрения состоит не только из камеры и платы обработки изображения. Для построения действительно стабильной системы необходимы компоненты, идеально совместимые с камерой и отвечающие всем предъявляемым требованиям.

У вас остались вопросы?

Хотите задать вопросы о предлагаемых нами компонентах для встраиваемых систем машинного зрения? Мы будем рады помочь вам построить систему, полностью отвечающую вашим требованиям.
*
*
*
*
*
Все для встраиваемых систем машинного зрения

Мы всегда рады помочь

Хотите задать вопросы о наших камерах для встраиваемых систем?
Свяжитесь с нами!

Советы по интеграции и разработке

Требуется помощь по интеграции модуля обработки изображений во встраиваемую систему?
Партнерская сеть Basler
 
Включите cookies, чтобы загружать файлы без необходимости повторного ввода данных при каждом последующем посещении.