Оптические системы машинного зрения используют способность объектов отражать свет (Рис. 1). Для формирования импульсов ИК-диапазона применяют светодиоды или лазерные диоды, а прием отраженного излучения осуществляет фотодетектор. При этом для определения расстояния до объекта можно либо измерять время пролета прямого и отраженного пучка, либо вычислять падение интенсивности света.
Благодаря возможности измерения расстояния до объекта формируемая картинка оказывается трехмерной. На Рис. 2 показан пример того, как выглядит мир «глазами» оптической системы машинного зрения – чем темнее цвет, тем больше дистанция до объекта. Здесь стоит отметить, что представленная картинка подкрашена для удобства, и на самом деле изображение, получаемое описанным выше способом, является монохромным, так как излучатель, как правило, формирует монохромные импульсы света.
При создании оптических систем машинного зрения разработчики сталкиваются с множеством проблем, в том числе с необходимостью достижения высокой чувствительности в ИК-диапазоне и с необходимостью обеспечения высочайшей скорости обработки сигналов. Например, ToF-системы, измеряющие время пролета (Time of flight), и лидары требуют разрешения в диапазоне сотен пикосекунд, поэтому к электронике, используемой для обработки сигналов, предъявляются достаточно жесткие требования. Еще одной проблемой становится разводка высокоскоростных сигналов и чувствительных аналоговых цепей на одной плате с цифровыми микросхемами. К счастью, начинают появляться технологии, позволяющие реализовать практически все элементы системы машинного зрения на одном кристалле. Примером такой технологии является технология OHC15L от швейцарской компании Espros (Рис. 3).
Технология OHC15L подразумевает создание SoC-модулей, объединяющих на одном кристалле светочувствительную ПЗС-матрицу (CCD), аналоговые и цифровые блоки с частотным диапазоном более 1 ГГц, силовые элементы с рабочими напряжениями до 12 В, память и различные датчики. При этом конечный модуль помещается в компактный CSP-корпус (Рис. 4). Для производства OHC15L-чипов используется SiCMOS-технология с топологическими нормами 150 нм.
Преимуществами светочувствительных SoC-модулей от компании Espros являются:
ПЗС-матрицы от Espros имеют очень высокую чувствительность по сравнению с традиционными CMOS-решениями (Рис. 5).
В настоящий момент Espros предлагает три светочувствительных SoC-модуля с различным разрешением (Рис. 6):
epc611 – светочувствительный SoC-модуль общего назначения с разрешением матрицы 8 × 8 пикселов, способный обнаруживать объекты на удалении до 30 метров (Рис. 6). Модуль epc611 представляет собой законченную измерительную систему. Для его подключения потребуется только управляющий микроконтроллер или процессор, система питания, а также источник света (светодиод или лазерный диод). В состав модуля входят: светочувствительная ПЗС-матрица, драйвер светодиода, аналого-цифровые преобразователи, управляющий контроллер, система обработки сигналов, регулятор напряжения, память, датчик температуры и вспомогательные блоки (Рис. 7).
Модули epc611 поддерживают семь режимов работы, которые отличаются разрядностью матрицы, способом обработки данных, уровнем потребления и шумов. Скорость обновления изображения зависит от выбранного режима работы epc611:
Для взаимодействия с epc611 используется высокоскоростной SPI-интерфейс. Несмотря на столь внушительный набор блоков, габариты epc611 оказываются чрезвычайно компактными – 2.7 × 2.78 мм, – что еще раз доказывает преимущества SoC-систем. По мнению инженеров Espros ключевыми приложениями для модулей epc611 станут: альтиметры для дронов, счетчики людей и объектов, датчики открытия дверей, системы распознавания жестов и т. д. epc635 – SoC -модуль со светочувствительной матрицей разрешением 160 × 60 пикселов, способный создавать трехмерную картину на дистанциях 7.5…240 м (Рис. 6). Как и в случае с epc611, SoC -модуль epc635 представляет собой законченную систему, в состав которой входят аналоговые и цифровые блоки, ПЗС-матрица, драйвер ИК-светодиода (или лазера), память, система питания и т. д. (Рис. 8). Модуль самостоятельно выполняет построение трехмерной картинки окружающего мира и выдает ее пользователю в виде массива 12-битных пикселов. Для обеспечения требуемой пропускной способности между epc635 и управляющим контроллером (процессором) используется высокоскоростной параллельный 8-битный интерфейс TCMI, работающий с частотой до 80 Мбайт/с.
При необходимости модуль epc635 способен обеспечивать пиковую частоту обновления изображения до 128 кадров в секунду. Модули epc635 выпускаются в корпусном исполнении CSP44 с габаритными размерами всего 6.3 × 4.2 мм. Наиболее вероятными приложениями для epc635 станут автомобильные системы предотвращения столкновений, вертолетные системы помощи при приземлениях, охранные системы обнаружения движения, роботы и станки, системы распознавания жестов и т. д. epc660 – наиболее продвинутый светочувствительный модуль от Espros. Разрешение ПЗС-матрицы для epc660 составляет 320 × 240 пикселов (QVGA), а его радиус действия – 6.25…200 метров. Структура epc660 практически идентична epc635. Для передачи данных во внешний контроллер используется параллельная 8-битная шина, работающая с частотой до 48 Мбайт/с. При использовании максимального разрешения модули epc660 обеспечивают частоту 39 кадров в секунду. Корпус модулей epc660 имеет размеры 9.7 × 8.66 мм. Области применения epc660 аналогичны областям применения epc635. Для изучения возможностей светочувствительных SOC-модулей epc660 и epc635 компания Espros предлагает очень любопытные оценочные наборы epc635 Evaluation Kit и epc660 Evaluation Kit (Рис. 9). Каждый из этих наборов представляет собой законченную 3D-камеру, включающую плату со светочувствительным SoC-модулем, оптическую систему, управляющую плату BeagleBone Black и вспомогательные элементы (корпусные части, штатив и др.). Также для работы с отладочными наборами поставляется сопутствующее прикладное ПО.
Характеристики светочувствительных SoC-модулей epc635:
О компании
Посмотреть технические характеристики светочувствительных SoC-модулей от ESPROS Photonics Экскурсия по огромной фабрике печатных плат: https://www.youtube.com/watch?v=_XCznQFV-Mw
При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна. Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта. |
|