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.
Рис. 1. | Принцип работы оптических систем измерения расстояний. |
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.
Рис. 2. | Так выглядит мир «глазами» светочувствительного ИК-модуля. |
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).
Рис. 3. | Технология OHC15L позволяет на одном кристалле размещать светочувствительную матрицу, цифровые и аналоговые схемы, силовые компоненты, память и различные датчики. |
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.
Рис. 4. | Благодаря использованию технологии SoC удается получать сверхкомпактные решения. |
Преимуществами светочувствительных SoC-модулей от компании Espros являются:
- Значительное упрощение конечной системы машинного зрения за счет реализации большинства блоков на одном кристалле;
- Высокая светочувствительность в ближнем ИК-диапазоне (>70% при длине волны 905 нм);
- Широкий спектральный диапазон;
- Увеличенный радиус действия, достигающий нескольких сотен метров;
- Высокое быстродействие за счет разводки всех сигналов на одном кристалле;
- Низкое потребление;
- Сверхкомпактные габариты.
ПЗС-матрицы от Espros имеют очень высокую чувствительность по сравнению с традиционными CMOS-решениями (Рис. 5).
Рис. 5. | Высокая чувствительность – важное достоинство матриц Espros. |
В настоящий момент Espros предлагает три светочувствительных SoC-модуля с различным разрешением (Рис. 6):
- epc611 с размером матрицы 8 × 8 пикселов;
- epc635 с размером матрицы 160 × 60 пикселов;
- epc660 с размером матрицы 320 × 240 пикселов.
Рис. 6. | Внешний вид SoC-модулей компании Espros. |
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).
Рис. 7. | Структура светочувствительного SoC-модуля epc611. |
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:
- До 3000 кадров в секунду при использовании полноценного 64-пиксельного режима TIM (ultra low noise);
- До 8000 кадров в секунду при использовании производительного 4-пиксельного режима UFS (ultra fast & sensitive);
- До 4000 кадров в секунду при использовании малошумного 1-пиксельного режима ULN (ultra low noise);
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.
Рис. 8. | Структура светочувствительного SoC-модуля epc635. |
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.
Рис. 9. | Отладочные наборы epc635 Evaluation Kit и epc660 Evaluation Kit представляют собой законченную оптическую систему. |
Характеристики светочувствительных SoC-модулей epc635:
- Тип: SoC-модуль, включающий светочувствительную матрицу, аналоговые и цифровые блоки;
- Тип матрицы: ПЗС (CCD);
- Разрешение: 160 × 160 пикселов;
- Размер пиксела: 20 × 20 мкм;
- Размер светочувствительной области: 0.16 × 0.16 мм;
- Производительность: 488 кадров/ в секунду;
- Диапазон действия: 7.5…240 м.
- Интерфейс данных: 8-бит TCMI 80 МГц;
- Интерфейс управления: I2C;
- Питание: +10 В, +5 В, +2.5/3.3 В, +1.8 В, –10 В;
- Потребление (среднее): 300 мВт;
- Корпусное исполнение и габариты: CSP44 6.3 × 4.2 мм;
- Диапазон рабочих температур кристалла: –40...+85 °C.
О компании
ESPROS Photonics – швейцарская компания, специализирующаяся на разработке и производстве светочувствительных электронных блоков, в том числе светочувствительных SoC-модулей и спектрометров.
Посмотреть технические характеристики светочувствительных SoC-модулей от ESPROS Photonics