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Serveur embarqué GigE Vision

Tout système de vision est en principe composé de deux unités fonctionnelles essentielles : la source de l’image et la destination de l’image. De nos jours, des caméras CMOS compactes sont généralement utilisées comme source d'image dans le secteur de la vision industrielle. La destination de l’image est l’unité de traitement qui extrait des résultats à partir de l’image. Actuellement, il s’agit majoritairement de systèmes classiques sur PC avec processeur Intel et système d’exploitation Windows.

La communication entre la source et la destination de l’image peut avoir lieu via différentes interfaces, présentant des avantages particuliers liés aux exigences de longueurs de câbles, de débit de données et de topologie du système. Les caméras haute résolution dotées d’un débit d’images très élevé génèrent des volumes de données considérables qui nécessitent des interfaces optimisées et, donc, des cartes d'interfaces spéciales au sein de l’ordinateur (p.ex. CoaXPress, CameraLink, CameraLink HS).

La définition même de source d’image et de destination d’image suggère implicitement que la transmission des données d’images (c’est-à-dire du volume de données substantiel) a généralement lieu de manière unidirectionnelle. Les interfaces de caméras susmentionnées reproduisent ce fait car les largeurs de bande de transmission entre la source et la destination sont asymétriques. Pour la plupart des applications du secteur industriel, des caméras moins élaborées, dont les débits de données permettent une transmission via des interfaces standard habituelles, disponibles sur des systèmes PC conventionnels (USB, Ethernet, Firewire), suffisent.

Avantages de l'interface Ethernet

L’interface Ethernet, généralement développée aujourd'hui sur la technologie du Gigabit-Ethernet (1 GigE), propose la fonctionnalité « Full-Duplex ». Grâce à cette interface, et contrairement à ses concurrentes mentionnées ci-dessus, les données peuvent être reçues et envoyées simultanément et sans interférence, en utilisant la bande passante complète.

Ce n’est qu’en cas d’utilisation complète de la largeur de bande de transmission dans les deux sens que la transmission du protocole de contrôle (paquets Heartbeat) nécessaire peut échouer, engendrant ainsi une interruption de la connexion. Mais cet effet peut lui-même être évité si l'on effectue les réglages correspondants (interpacket delay). L’interface Ethernet permet donc d’éviter la répartition classique des rôles de source d’image (caméra) et de destination de l'image (ordinateur) dans un système de vision.

Ceci étant, la plupart des fabricants de caméras industrielles à interface GigE et logiciel de vision se sont accordés sur l’utilisation du standard d'interface GigE Vision comme protocole hardware et de GenICam comme interface logicielle. Grâce à l’utilisation de ces matériels et logiciels standard, il existe désormais une très large compatibilité, rigoureusement testée, entre caméras et progiciels établis sur des ordinateurs très divers.

Le fait que le standard d’interface GigE Vision comme protocole matériel, avec GenICam comme interface logicielle, ne soit pas limité à l'interface 1 GigE est particulièrement intéressant. Les interfaces Ethernet avec de plus grandes bandes passantes (p.ex. 10 GigE) profitent à l’identique des avantages mentionnés plus haut. Il est essentiel de veiller à la distinction terminologique précise entre protocole matériel et interface logicielle, étant donné qu’une prise en charge GenICam comme interface logicielle est également exigée par le CoaxPress. Une utilisation inappropriée de ces termes risque fortement de donner lieu à des malentendus et peuvent conduire à des disfonctionnements.

Prise en charge intégrale de GigE Vision

Grâce au développement du serveur CVB GigE Vision Server, STEMMER IMAGING a revisité la répartition classique des rôles entre caméras et ordinateurs en exploitant les caractéristiques de l’interface Ethernet, avec une prise en charge intégrale du standard GigE Vision et la certification correspondante. En utilisant le module logiciel standard à partir de la bibliothèque de programmation Common Vision Blox, l’ordinateur peut dorénavant servir de source d’image et envoyer des données d'image à d’autres destinations d’image grâce à la transmission Full-Duplex de l’interface Ethernet via GigE Vision. Étant donné qu’il s’agit d’une prise en charge GigE Vision complète, la source d'image fonctionne exactement comme une caméra GigE Vision « normale » et offre ainsi une communication (autrement dit, des transmissions d’images) vers toutes les destinations d’image compatibles avec GigE Vision.

Ce qui pourrait à première vue être considéré comme un gadget technique présente, quand on y regarde de plus près, des possibilités insoupçonnées qui donneront naissance à de toutes nouvelles topologies de systèmes. Et depuis que STEMMER IMAGING a présenté une version CVB pour processeurs ARM et LINUX, les anciens modes de pensée concernant la conception des systèmes doivent inéluctablement être remis en question.

Systèmes embarqués décentralisés et compacts

La combinaison avec les plateformes System-On-Chip (SoC) a tout particulièrement repoussé les limites jusqu’alors bien définies entre les systèmes de vision type « caméras intelligentes » et les systèmes de vision basés sur ordinateurs. Désormais, des systèmes embarqués décentralisés et compacts, sur base SoC hautement spécialisés (p.ex. INTEL CYCLONE V ou NVIDIA JETSON TX1), sont en mesure de prendre en charge et de prétraiter les données d’images de plusieurs caméras pour émettre ensuite les résultats d’images comme caméra GigE Vision. En même temps, la commande complète et la transmission des résultats peuvent avoir lieu de manière totalement transparente au moyen de la fonctionnalité GenICam. Ainsi, aucune adaptation propriétaire n’est nécessaire.

L’interface GenICam démontre ici son haut niveau de flexibilité : la caméra indique elle-même au logiciel les fonctions spéciales de la caméra qui seront mises à disposition. Dans le cas du serveur GigE Vision, ces « fonctionnalités caméra » sont librement programmables et peuvent ainsi décrire des fonctions système qui vont bien au-delà de simples fonctions caméra. La caméra « virtuelle » ainsi obtenue peut être entièrement télécommandée avec les fonctionnalités caméra correspondantes. La technologie serveur CVB GigE Vision est donc immédiatement disponible pour chaque utilisateur d’un logiciel compatible GigE Vision sur n’importe quelle destination d’image, c'est-à-dire indépendamment du fabricant, du système d’exploitation et de la plateforme.

La puissance de calcul déjà disponible des SoC existants et la diversité des interfaces prises en charge sont surprenantes. Grâce à plusieurs interfaces USB3, GigE et MIPI, les plateformes SoC actuelles peuvent être utilisées comme système de vision décentralisé pour l’enregistrement de sources d'image les plus diverses.

Exemples d'applications

Les différents cas d’application vont de la simple transposition locale d’une caméra USB ou MIPI sur l’interface GigE Vision, en passant par le prétraitement local d’une image de caméra individuelle par exemple sur le FPGA de l’Intel Cyclone V et la transmission de l’image prétraitée via GigE Vision, jusqu’à la prise en charge de plusieurs caméras et la transmission de résultats d'images complets après un prétraitement intensif en termes de calcul sur le processeur graphique local d'un SoC NVIDIA Jetson TX1. Enfin, rien ne s'oppose au développement d'une caméra compatible GigE Vision en utilisant le serveur CVB GigE Vision sur un processeur ARM à base SoC. Il suffit uniquement de relier un capteur CCD ou CMOS au système.

Plus on se penche sur les possibilités du serveur GigE Vision sur les plates-formes SoC, plus les définitions établies s’effacent. Finalement, c’est à l’observateur qu'il revient de qualifier cet outil de vision, devenu partie prenante du système complet : il a le choix entre « caméra », « caméra intelligente », « ordinateur » ou « capteur Vision ».