Ievads borta līmeņa kamerās: kāpēc mazāks ir labāks iegultai redzei

Ievads
Gadu desmitiem rūpniecisko mašīnu redzi noteica tās lielākā daļa. Tradicionālā rūpnīcas automatizācija balstījās uz lielām, smagām, slēgtām kamerām, kas ar bieziem, stingriem kabeļiem savienotas ar attāliem rūpnieciskajiem datoriem. Šie iestatījumi bija ļoti efektīvi stacionārām montāžas līnijām, taču tos būtiski ierobežoja to fiziskais nospiedums, milzīgais enerģijas patēriņš un augstās izvietošanas izmaksas. Rūpnieciskajai ainavai pārejot uz decentralizāciju, -lietu interneta (IoT) ekosistēmām un malu skaitļošanu, notika dramatiskas pārmaiņas. Nozare pieprasīja, lai redzes sistēmas kļūtu autonomas, gudras un lokalizētas. Tas radīja iegulto redzējumu-attēlu uzņemšanas un apstrādes iespēju integrāciju tieši atsevišķās ierīcēs.
Šīs tehnoloģiskās evolūcijas absolūtā avangardā ir dēļa līmeņa kamera.
Pēc definīcijas plates līmeņa kamera ir attēlveidošanas ierīce, kas ir notīrīta līdz pašai būtībai: attēla sensoram, būtiskai apstrādes shēmai, interfeisa portam un objektīva stiprinājumam, kas viss ir izvietots uz vienas, neievietotas iespiedshēmas plates (PCB). Atmetot smagos alumīnija vai plastmasas aizsargapvalkus, kas raksturīgi tradicionālajām industriālajām kamerām, šīm sastāvdaļām ir pilnībā no jauna noteiktas dizaina robežas. Iegultās vīzijas jomā frāze "mazāks, jo labāk" nav tikai mārketinga sauklis; tā ir inženierijas realitāte. Plātnes līmeņa kameras kalpo kā galvenais katalizators mūsdienu iegultajām sistēmām, nodrošinot nepārspējamas priekšrocības telpiskajā optimizācijā, svara samazināšanā, izmaksu efektivitātē un dizaina elastībā, vienlaikus saglabājot ātrdarbīgu -ātruma un augstas-izšķirtspējas veiktspēju, kas nepieciešama mūsdienu mākslīgā intelekta lietojumprogrammām.
Dēļa līmeņa kameras anatomija — noņemta veiktspējai
Lai saprastu, kāpēc dēļa līmeņa kamera ir tik traucējoša, vispirms ir jāaplūko tās izsvītrotā{0}}anatomija. Standarta rūpnieciskā kamera ir daudzslāņu izstrādājums, kurā ir iekšējie paneļi, iekšējais ekranējums, termopaliktņi un biezs ārējais metāla korpuss, kas paredzēts elektronikas aizsardzībai no ārējiem rūpnīcas elementiem. Turpretī paneļa līmeņa kamera izmet šo ārējo iepakojumu. Tas parāda attēlveidošanas sensora tukšo inženierijas skeletu tieši sistēmas integratoram, nodrošinot nepārspējamu brīvības pakāpi.
Arhitektūra parasti sastāv no viena PCB, lai gan daži īpaši -kompakti vairāku-plates varianti atdala sensoru no apstrādes saskarnes, lai pārvietotos neparocīgos fiziskos izkārtojumos. Tieši uz šīs plates ir uzstādīts attēla sensors,{3}}sākot no ļoti jutīgiem globālā slēdža sensoriem ātrdarbīgai kustības izsekošanas Sensoru ieskauj minimālie elektroniskie komponenti, kas nepieciešami jaudas regulēšanai, pamata signāla pulksteņrādīšanai un datu serializācijai. Objektīva stiprinājums, kas parasti atbalsta standartizētus kompaktos formātus, piemēram, M12 (S-mount) vai C/CS-stiprinājumu, tiek pielīmēts vai pieskrūvēts tieši virs sensoru bloka, nodrošinot, ka optiskais ceļš ir ideāli saskaņots ar pikseļu matricu.
Tas, kas iegultā ekosistēmā patiešām atšķir šos tukšos dēļus, ir tas, kā tie sazinās ar resursdatora procesoru. Tradicionālās kameras ir atkarīgas no apjomīgām saskarnēm, piemēram, standarta Gigabit Ethernet (GigE) vai smagajiem USB tipa -A savienotājiem. Platformas līmeņa kameras apiet šīs arhitektūras vājās vietas, iekļaujot racionalizētas, lielas{3}}joslas platuma iegultās saskarnes. Visizplatītākais no tiem ir MIPI CSI-2 (Mobile Industry Processor Interface Camera Serial Interface 2), protokols, ko sākotnēji atbalsta tādas malas skaitļošanas platformas kā NVIDIA Jetson, NXP i.MX un Raspberry Pi moduļi. Izmantojot elastīgus plakanos drukātos kabeļus (FFC), lai pārsūtītu neapstrādātus, nesaspiestus video datus tieši uz procesora iekšējo attēla signālu procesoru (ISP), plates līmeņa sistēmas novērš latentumu, ietaupa enerģiju un novērš nepieciešamību pēc smagiem, jaudu{11}}izsalkušiem raiduztvērēja mikroshēmām. Lai nodrošinātu ilgāku kabeļa darbību, uzlabotie varianti izmanto seriālās saskarnes, piemēram, FPD{12}}Link vai GMSL, pārraidot ātrdarbīgus datus pa vienu plānu koaksiālo vadu.
Galvenās priekšrocības — kāpēc "mazāks" no jauna izgudro iegulto redzējumu
Izstrādājot iegulto redzes ierīci, telpa ir galvenā valūta. Neatkarīgi no tā, vai tiek izstrādāts automatizēts medicīniskās diagnostikas rīks vai viedās mājas drošības mezgls, izstrādātāji ir ieslodzīti pastāvīgā cīņā, lai palielinātu apstrādes jaudu, akumulatora ietilpību un sensoru iespējas arvien ierobežojošākos formas faktoros. Šeit vienādojumu pilnībā maina miniatūrais dēļa līmeņa kameras profils.
Noņemot kameras korpusu, inženieri var atgūt kritiskos kubikmilimetrus iekšējā tilpuma. Plātnes līmeņa kamera var ieslīdēt šauros iekšējos dobumos, kuros nekad nevar ievietot standarta rūpniecisko kameru. Piemēram, rokas medicīnas ierīcēs, ko izmanto intraorālai skenēšanai vai -aprūpes dermatoloģijā, kamerai ir jāietilpst zizlim-līdzīgā profilā, kas ir ērti lietojams klīnicistam. Atklātais-plates izkārtojums ļauj attēlveidošanas aparatūrai nemanāmi iekļauties izstrādājuma rūpnieciskajā dizainā, efektīvi paslēpjot kameras tehnoloģiju ierīces apvalkā.
Tikpat svarīgi ir dramatisks masas samazinājums. Svars ir kritisks ierobežojošs faktors jebkurai ierīcei, kurai ilgstoši jālido, jāpeld vai jādarbojas ar akumulatora enerģiju. Bezpilota lidaparātu (UAV) un komerciālās kartēšanas dronu jomā katrs grams, kas pievienots lietderīgajai slodzei, eksponenciāli paātrina akumulatora iztukšošanu un samazina kopējo lidojuma laiku. Izvēloties paneļa līmeņa komponentus, nevis alternatīvas, kas atrodas, dronu izstrādātāji var zaudēt ievērojamu pašsvaru. Šī svara optimizācija ir jūtama visā mobilās robotikas jomā, kur vieglāki komponenti ļauj automatizētiem vadāmiem transportlīdzekļiem (AGV) un autonomiem mobilajiem robotiem (AMR) pārvietoties ātrāk, precīzāk apstāties un darboties ilgākā maiņā starp uzlādes cikliem.
Turklāt mazāka, neiebūvēta kamera nodrošina izcilu termisko un mehānisko optimizāciju. Ja kamera ir noslēgta tās rūpnieciskajā korpusā, attēla sensora un apstrādes mikroshēmas radītais siltums var iestrēgt, izraisot attēlos termiskos trokšņus un iespējamu sensora degradāciju. Plates līmeņa kamera novērš šo problēmu, ļaujot sistēmu dizaineriem integrēt kameru tieši ierīces globālajā siltuma pārvaldības sistēmā. Atklāto PCB var novietot tiešā saskarē ar izstrādājuma galveno alumīnija rāmi vai koplietojamo siltuma izlietni, izmantojot ierīces esošo šasiju, lai tīri un efektīvi izkliedētu siltumu.
Arhitektūras un izmaksu efektivitāte
Papildus tūlītējām fiziskajām priekšrocībām, ko sniedz izmērs un svars, migrēšana uz Board Level Camera arhitektūru paver milzīgu ekonomisko un skaitļošanas efektivitāti, kas ir ļoti svarīga, lai tirgū laistu{0}}liela apjoma produktus.
Tiešākais finansiālais ieguvums ir izmaksu samazinājums par materiālu rēķinu (BOM). Tradicionālās rūpnieciskās kameras ir dārgas tieši tāpēc, ka tās ir veidotas kā atsevišķi, izturīgi izstrādājumi. Pircēji maksā piemaksu par precīzi-apstrādātu alumīnija korpusu, izturīgiem savienotājiem, iekšējiem montāžas kronšteiniem un specializēto mazumtirdzniecības iepakojumu. Iegultā redzes lietojumprogrammā šie aizsargslāņi ir pilnīgi lieki, jo ierīces ārējais apvalks jau nodrošina vides aizsardzību. Iegādājoties tukšas-plate kameras, oriģinālā aprīkojuma ražotāji un sistēmu izstrādātāji samazina šīs nevajadzīgās ražošanas izmaksas, ļaujot viņiem iegādāties augstas kvalitātes-attēlveidošanas sensorus par niecīgu daļu no to kolēģu izmaksām. Šie izmaksu ietaupījumi kļūst par ražošanas-vai-pārtraukuma faktoru, mērogojot projektu no dažām prototipu vienībām uz masu tirgus komerciālo ražošanu.
Arhitektūras dēļ paneļa līmeņa kameras nodrošina ļoti tiešu, zemu{0}}latences datu plūsmu. Tradicionālajām mašīnredzes kamerām ir nepieciešams starpposma pārveidošanas slānis, lai attēla datus iesaiņotu standarta tīkla protokolos, piemēram, GigE Vision, kas pēc tam ir jāatšifrē ar programmatūru saņēmējā datorā. Šis process ievieš nenovēršamu programmatūras papildu izmaksas un latentumu. Plates līmeņa vienības, kas izmanto MIPI CSI-2 saskarnes, straumē neapstrādātus pikseļu datus tieši resursdatora sistēmas-uz-čipā (SoC) aparatūras deserializatoros. Uzņēmēja procesors veic demosaicināšanu, krāsu korekciju un ekspozīcijas regulēšanu silīcija līmenī. Šis tiešais-uz-procesoram nodrošina īpaši zemu latentumu, ļaujot malas AI algoritmiem veikt tūlītēju objektu noteikšanu, sejas atpazīšanu vai šķēršļu novēršanu reāllaikā.
Visbeidzot, tukšās{0}}plates aparatūras modulārais raksturs racionalizē liela apjoma{1}}automatizētās ražošanas līnijas. Tā kā šīs kameras būtībā ir specializētas PCB, tās var apstrādāt, novietot un ievietot lielākās sistēmas aizmugurējās plāksnēs, izmantojot standarta automatizētās atlases{3}}un-izvietošanas elektroniskās montāžas iekārtas. Tas novērš manuālo darbu, kas saistīts ar atsevišķu kameru uzstādīšanu un apjomīgu iekšējo kabeļu maršrutēšanu, samazinot montāžas izmaksas un samazinot cilvēku kļūdas rūpnīcas stāvā.
Kritiski lietojumi, kas virza miniatūru kameru revolūciju
Board Level Camera unikālās stiprās puses ir padarījušas to par primāro izvēli dažādās strauji augošās{0}}nozarēs, nospiežot robežas tam, ko automatizētās iekārtas var redzēt un darīt.
Robotikas nozarē nākamās{0}}paaudzes AGV un autonomie piegādes roboti paļaujas uz šīm miniatūrajām kamerām, lai panāktu visaptverošu situācijas izpratni. Tā vietā, lai izmantotu vienu centralizētu kameru, kas atstāj aklās zonas, roboti var iegult vairākas paneļa līmeņa kameras ap šasijas perimetru,{2}}kas ir diskrēti integrētas buferos, sānos un augšējos paneļos. Šie decentralizētie sensori ievada vienlaicīgas video straumes centrālās malas AI procesorā, nodrošinot 360 grādu telpisko kartēšanu, klinšu noteikšanu un gājēju izvairīšanos, neietekmējot robota fizisko profilu.
Medicīnas diagnostikas nozare ir piedzīvojusi paralēlu revolūciju. Mūsdienu laboratorijas analizatoriem, kas automātiski pārbauda asins paraugus vai veic ģenētisko secību, ir nepieciešamas iekšējās optiskās sistēmas, lai nolasītu svītrkodus, izsekotu šķidruma līmeni un tvertu augstas -izšķirtspējas attēlus no šūnu struktūrām. Tā kā šīm laboratorijas iekārtām ir jābūt pietiekami kompaktām, lai tās varētu sēdēt uz standarta slimnīcas galda, vieta ir ļoti ierobežota. Valdes līmeņa sistēmas ļauj medicīnas iekārtu ražotājiem iegult daudz-spektrālo un augstas{5}}izšķirtspējas attēlveidošanas blokus tieši šķidruma apstrādes sistēmu iekšējā mehānikā, saglabājot pēc iespējas mazāku iekārtas kopējo nospiedumu.
Viedā mazumtirdzniecība un automatizētie AI kioski ir vēl viens masveida izvēršanas pamats. Automātiskie pašnodarbinātie-kases, viedie tirdzniecības automāti un interaktīvas digitālās zīmes izmanto slēptās kameras, lai analizētu klientu demogrāfiskos datus, izsekotu krājumu līmeni un noteiktu veikalu zādzību mēģinājumus, izmantojot uzvedības AI. Standarta rūpnieciskā kamera būtu acīmredzami acīmredzama un vizuāli traucējoša klientiem. Dēļa līmeņa kameras var novietot nemanāmi aiz mazām caurumu atverēm kioska stiklā vai metāla loksnē, saglabājot tīru, neuzbāzīgu estētiku, vienlaikus nodrošinot malas mākslīgā intelekta dzinēju ar skaidru, augstas{5}}izšķirtspējas vizuālo telemetriju.
Dizaina izaicinājumi un kā tos pārvarēt
Lai gan paneļa līmeņa kameras priekšrocības ir nenoliedzamas, aizsargājošā rūpnieciskā korpusa noņemšana rada unikālu inženiertehnisko izaicinājumu kopumu, kas sistēmu integratoriem ir proaktīvi jāpārvalda produkta izstrādes cikla laikā.
Galvenās bažas rada absolūts vides aizsardzības trūkums. Ja nav noslēgta korpusa, attēla sensora jutīgās stiepļu saites un PCB virsmas{1}}montētie komponenti ir pilnībā pakļauti putekļiem, atmosfēras mitrumam, statiskajai elektrībai un fiziskai ietekmei. Ja putekļu daļiņa montāžas laikā nosēžas tieši uz sensora stikla, tas video plūsmā radīs paliekošus tumšus artefaktus. Lai mazinātu šo risku, integrācijai jānotiek kontrolētā tīras telpas vidē. Turklāt galaprodukta korpusam jābūt rūpīgi izstrādātam ar pielāgotām elastomēra blīvēm, aizsargstikla logiem vai atbilstošiem pārklājumiem, lai aizsargātu tukšo kameras paneli no īpašajiem vides apdraudējumiem, kas rodas tā paredzētā lietojuma gadījumā, atkārtoti neieviešot nevajadzīgu apjomu.
Optiskā izlīdzināšana ir vēl viens kritisks izaicinājums. Iebūvētā kamerā rūpnīca garantē, ka objektīva stiprinājums ir saskaņots ar sensoru ar mikrometra{1}}līmeņa precizitāti. Izmantojot paneļa līmeņa sistēmu, sistēmas integrators bieži uzņemas atbildību par objektīva turētāja uzstādīšanu uz paneļa. Jebkurš mikroskopisks slīpums vai telpiska novirze starp objektīva asi un sensora plakni radīs nevienmērīgu attēla fokusu, kur viena kadra puse šķiet asa, bet pretējā puse ir izplūdusi. Inženieriem montāžas laikā ir jāizmanto precīzas džigas armatūra un automatizēta optiskā kalibrēšanas programmatūra, lai pārbaudītu, vai objektīva stiprinājums ir nofiksēts ideāli paralēli attēla sensora plaknei.
Visbeidzot, dizaineriem ir jāņem vērā elektromagnētiskie traucējumi (EMI). Plaka-plates kamera, kas darbojas ar lielu pulksteņa ātrumu, darbojas gan kā elektromagnētiskā trokšņa emitētājs, gan potenciāls uztvērējs. Ja neekranētās video līnijas atrodas tuvu augstfrekvences mobilo antenām, Wi-Fi moduļiem vai jaudīgiem motora draiveriem iegultā sistēmā, signāls var tikt bojāts, izraisot horizontālu līniju troksni vai izkrītot kadri. Lai to atrisinātu, ir nepieciešama stingra PCB izkārtojuma disciplīna, tostarp zemējuma plakņu stratēģisks izvietojums, īsi maršrutēšanas garumi ātrgaitas diferenciāļa pāriem un viegla, klipša{7}}selektīva uzlikšana uz metāla aizsargkārbām tieši virs kritiskajām apstrādes mikroshēmām uz kameras plates.
Secinājums
Mašīnredzes evolūcija ir sasniegusi galveno punktu, kur inteliģence ir jāizvieto tiešā malā. Tā kā automatizētās ierīces kļūst autonomākas, mobilākas un dziļi integrētas mūsu ikdienas vidē, tām ir nepieciešama redzes dāvana bez fiziskas slodzes.
Board Level Camera atspoguļo perfektu optiskā jaudas un arhitektūras minimālisma saplūšanu. Noņemot tradicionālo rūpniecisko korpusu strukturālo pašsvaru, šie elegantie, tukšie-platformas attēlveidošanas dzinēji sniedz inženieriem brīvību projektēt bez kompromisiem. Tie atrisina pastāvīgās problēmas, ko rada telpas ierobežojumi un stingri svara ierobežojumi, vienlaikus nodrošinot ievērojamu izmaksu samazinājumu un zemas-latences apstrādes priekšrocības, kas ir būtiskas liela-apjoma komerciālai mērogošanai. Lai gan aizsargapvalka trūkums prasa stingru inženierijas disciplīnu attiecībā uz tīrās telpas integrāciju, optisko izlīdzināšanu un EMI ekranēšanu, peļņa ir milzīga. Tā kā progresīvais mākslīgais intelekts turpina attīstīties, nepārtraukta redzes aparatūras miniaturizācija joprojām būs svarīgs spēks šajā nozarē, -pierādot, ka nākotnē, izmantojot iegulto redzi, mazāks ir ne tikai labāks, bet arī vienīgais ceļš uz priekšu.