La evolución de la visión integrada

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Jan-Erik Schmitt, de Vision Components, traza el auge de la visión integrada y las muchas ventajas que ofrece la tecnología

Los dispositivos perimetrales nos hacen la vida más fácil, más inteligente y permiten soluciones más sostenibles, desde la agricultura de precisión para reducir el uso de fertilizantes hasta aplicaciones de tráfico inteligente que ayudan a evitar la congestión y dispositivos médicos alimentados por IA que detectan enfermedades en función del reconocimiento de patrones.

La visión integrada es una tecnología clave para estos dispositivos.

El análisis detallado de datos directamente en el borde está habilitado por cámaras ultracompactas, procesadores integrados potentes y de bajo consumo y las últimas tecnologías de IA.

Con estos desarrollos, la integración de la visión integrada se ha vuelto más fácil que nunca.

El estándar para aplicaciones de visión hasta la década de 1990 ha sido cámaras conectadas a unidades de procesamiento externas. Esta configuración proporcionó la potencia informática necesaria para manejar datos de imágenes. Pero el diseño y la implementación de estos sistemas, generalmente para el control de calidad industrial, requería mucho tiempo, era costoso y estaba lejos de la definición actual de integrado. En 1995, Michael Engel presentó la VC11, la primera cámara inteligente industrial del mundo basada en un procesador de señal digital (DSP). Su objetivo era crear un sistema compacto que permitiera capturar y procesar imágenes dentro del mismo dispositivo. La cámara se ofreció a un costo significativamente menor en comparación con los sistemas basados ​​en PC y abrió el camino para las cámaras inteligentes y los sistemas de visión integrados de la actualidad. Esta invención también fue la piedra angular para la fundación de Vision Components (VC).

Por primera vez, la cámara inteligente VC11 aplicó lo que aún hoy son señas de identidad integradas: Sistemas que se adaptan perfectamente a sus aplicaciones, sin sobrecarga ni componentes innecesarios, optimizados para usos industriales, producción en masa y bajo costo por unidad. En general, estas soluciones son lo más pequeñas posible y se adaptan de manera óptima a dispositivos de borde y aplicaciones móviles. Por lo tanto, el bajo consumo de energía también es un aspecto importante de los sistemas de visión integrados. Además, los rangos operativos robustos y la calidad de grado industrial, así como la disponibilidad a largo plazo, también están firmemente vinculados al término electrónica integrada.

Hoy en día, la tecnología se puede utilizar y encontrar en diversas aplicaciones, desde productos finales de consumo hasta usos industriales altamente especializados. Este es el resultado de una gran evolución tecnológica en los últimos 30 años: durante los años posteriores a la invención de Michael Engel, los DSP eran estándar para el procesamiento de imágenes de las cámaras inteligentes. La tecnología evolucionó desde los primeros chips de compañías como Analog Devices hasta los nuevos modelos con potencia de cómputo de gigahercios de Texas Instruments en los primeros años del siglo XXI, pero el principio fundamental se mantuvo: los datos de imagen fueron capturados por un sensor de imagen controlado por el DSP. Luego, los datos se transfirieron a la memoria interna a través de un controlador de bus. Todo el procesamiento tuvo lugar en una unidad de procesamiento. Con DSP avanzados, incluso se han habilitado aplicaciones como sensores de perfil 3D con procesamiento de datos integrado.

Un hito en la evolución de los sistemas de visión integrados estuvo marcado por la introducción de los procesadores ARM de doble núcleo con un FPGA de Xilinx. Vision Components desarrolló sus primeros sistemas de visión integrados basados ​​en esta arquitectura heterogénea en 2014. Combinaron las ventajas de las capacidades de procesamiento paralelo en tiempo real de la FPGA con núcleos ARM libremente programables que ejecutan un sistema operativo Linux. Esta configuración hizo que el desarrollo de sistemas de visión integrados fuera más versátil y flexible y abrió nuevas posibilidades para que los desarrolladores codificaran e implementaran software para sus aplicaciones específicas.

El poder de cómputo aumentó con los nuevos procesadores que se han desarrollado, impulsados ​​por la gran demanda de dispositivos electrónicos pequeños y potentes para productos de consumo, hogar inteligente e industria, así como nuevas aplicaciones en la industria automotriz. Como resultado, los sistemas de visión integrados se han diseñado para adaptarse a cualquier requisito del mercado, desde cámaras a nivel de placa con potencia de procesamiento de múltiples núcleos hasta sistemas de visión integrados extremadamente pequeños que combinan adquisición y procesamiento de imágenes con núcleos ARM y FPGA en una sola placa. del tamaño de un sello de correos.

Los módulos de cámara MIPI están disponibles con varios sensores de imagen, compactos y flexibles para implementar con todas las placas de procesador comunes (Imagen: Componentes de visión)

Las tecnologías de vanguardia son hoy en día enfoques de sistemas heterogéneos con múltiples unidades de procesamiento que utilizan ARM-CPU y FPGA de gama alta, así como unidades de procesamiento especializadas como DSP, unidades de procesamiento de gráficos (GPU), unidades de procesamiento de tensor (TPU) especialmente desarrolladas para aprendizaje automático y unidades de procesamiento neuronal (NPU) optimizadas para IA. En el diseño de estos sistemas, las unidades de procesamiento se pueden implementar utilizando sistemas en módulos respectivos que ya contienen todos los procesadores. También es posible combinar diferentes módulos y así beneficiarse de una mayor libertad para seleccionar el procesador que mejor se adapte a las tareas respectivas.

Al diseñar una solución con visión integrada, los desarrolladores pueden elegir el nivel perfecto de integración para sus proyectos: desde un módulo de cámara MIPI hasta sistemas de visión integrados completos que combinan la adquisición y el procesamiento de imágenes en un factor de forma ultracompacto, hasta sistemas listos para usar. utilice soluciones OEM que se puedan adaptar de manera flexible para adaptarse a su aplicación final.

Cámaras MIPI: flexibles, rentables y fáciles de integrar

Los módulos de cámara MIPI se han convertido en un estándar para innumerables aplicaciones en la industria, impulsados ​​por su uso generalizado en el mercado de consumo y el amplio soporte de la interfaz MIPI-CSI-2 por parte de los modernos procesadores integrados. Los módulos de cámara MIPI son flexibles, rentables y fáciles de integrar. Están disponibles desde sensores de bajo costo hasta sensores de gama alta con resolución de 20MP y más con obturador de reinicio global o global. Estos últimos brindan la mejor calidad de imagen en su clase, combinada con altas velocidades de cuadro y las ventajas de la interfaz MIPI. Los desarrolladores eligen el sensor de imagen deseado y, en el mejor de los casos, un proveedor que también proporcione controladores en el código fuente y accesorios como cables, soportes de lentes, óptica, iluminación y placas adaptadoras. De este modo, los módulos de cámara se pueden implementar fácilmente con todas las placas de procesador comunes con interfaz MIPI CSI 2 e implementarse fácilmente en su producto final.

VC Power SoM es un pequeño acelerador de hardware basado en FPGA para el procesamiento de imágenes complejas, que mide solo 2,8 x 2,4 cm. Se puede integrar de manera fácil, rápida y rentable en la electrónica de visión integrada, como un componente directamente en el diseño de la placa base o como se muestra en la imagen con una placa de interfaz (Imagen: Componentes de visión)

Para diseños aún más rápidos, VC presentó recientemente VC PowerSoM, un módulo acelerador de hardware basado en FPGA que se puede implementar en flujos de datos MIPI. El diminuto módulo, que mide solo 28 mm x 24 mm, completa cálculos complejos de procesamiento de imágenes y transfiere los resultados directamente a una placa de procesador principal. Puede integrarse directamente en los diseños de placa base de visión integrada como un módulo o combinarse con una placa de E/S con múltiples interfaces MIPI. Los OEM se benefician de la tecnología FPGA madura de VC Power SoM y de las funcionalidades integrales de procesamiento de imágenes, y pueden elegir libremente la placa del procesador integrada y utilizar toda su potencia informática para la aplicación principal.

Cámaras de placa, incluidas las CPU: componentes perfectamente adaptados

El siguiente nivel superior de integración son las cámaras de placa, que combinan módulos de cámara y unidades de procesamiento multinúcleo, ya sea con todos los componentes, incluidos uno o varios sensores de imagen, perfectamente integrados en una sola placa, o con cámaras de placa conectadas a través de cables FPC. Ambas configuraciones son ultracompactas, con componentes que combinan perfectamente y se adaptan a sus respectivas aplicaciones. Se pueden diseñar en cualquier sistema mayor. A menudo, el procesador de estos sistemas también se puede utilizar para ejecutar aplicaciones específicas del cliente basadas en los datos de la imagen. Para producción en masa o aplicaciones industriales, se pueden hacer adaptaciones individuales. También son posibles desarrollos personalizados para requisitos especiales, incluidos la carcasa y el software. Una ventaja de las cámaras de placa es su diseño probado, que acorta los ciclos de desarrollo y ayuda a mantener un presupuesto.

Sistemas de visión integrados listos para usar: opción ideal para aplicaciones estándar

Lo mismo ocurre con las soluciones OEM llave en mano que se pueden utilizar para muchas aplicaciones estándar. Un ejemplo perfecto son los sensores de perfil que combinan un módulo de triangulación láser y un sistema de visión integrado inteligente y que pueden hacerse cargo de tareas como escaneos 3D y medición de volumen, inspección de calidad óptica y posicionamiento de alta precisión de robótica guiada automática, etc.

Los sistemas de visión integrados pueden ser ultracompactos, prescindir de todos los componentes innecesarios y, gracias al procesamiento de datos integrado, no requieren una unidad informática externa. Están disponibles en numerosas variantes, desde kits electrónicos hasta sistemas completos listos para usar para numerosas aplicaciones industriales. (Imagen: Componentes de la visión)

Estos sistemas a menudo se pueden personalizar en términos de alojamiento y etiquetado y se pueden adaptar a los requisitos específicos del proyecto con el software del cliente. Dado el alto nivel de prefabricación, estos sistemas permiten el menor tiempo de comercialización.

Ya se trate de cámaras MIPI o soluciones llave en mano, existe una demanda creciente de soluciones de visión integrada en todos los mercados, tanto para productos de consumo como para aplicaciones industriales. Los sistemas de visión integrados más pequeños y potentes se utilizan cada vez en más aplicaciones, desde agricultura inteligente y sistemas de tráfico inteligentes hasta dispositivos inteligentes para dispositivos de consumo, automatización de fábricas y logística. Las ciencias de la salud, la medicina y la vida también hacen uso de la profundidad de datos proporcionada por los sistemas de visión integrados avanzados. La gama de componentes que se adaptan perfectamente a sus respectivas áreas de uso y aplicaciones crece en consecuencia. Otro desarrollo se está moviendo hacia aplicaciones móviles que no requieren una conexión a una unidad informática externa y, por lo tanto, pueden usarse de manera extremadamente flexible.

Con el alto poder de cómputo de los procesadores integrados modernos, los sistemas de visión integrados ahora son adecuados para todas las aplicaciones que estaban equipadas con sistemas basados ​​en PC en el pasado. Además, ofrecen ventajas decisivas: los sistemas de visión integrados son ultracompactos y se pueden integrar perfectamente en los dispositivos. Son autosuficientes, requieren poca energía y prescinden de todos los componentes que no se necesitan. Esto los hace ideales para su uso en dispositivos de borde, de mano y móviles.

Jan-Erik Schmitt es vicepresidente de ventas de Vision Components. Fue ascendido a este puesto en 2008 y es responsable del desarrollo estratégico de la empresa en todo el mundo. Schmitt ha ampliado continuamente la red de ventas global y ha llevado al éxito numerosos proyectos de visión integrados como gerente de cuentas clave.