Come semplificare la progettazione di sistemi di visione per applicazioni industriali

L’uso di sensori di immagine in un gran numero di applicazioni industriali, tra cui stabilimenti, gestione del traffico, sorveglianza e robotica, oltre che nei settori scientifico e medicale, sta aumentando in maniera significativa grazie al fatto che le aziende sono sempre più impegnate a monitorare con maggiore efficacia i loro processi al fine di migliorare la qualità e controllare i costi.

Nelle fabbriche i sensori di immagine contribuiscono a migliorare le ispezioni durante la lavorazione e a fine linea (EOL – End Of Line) e la sicurezza dei lavoratori grazie ai robot dotati di sistemi di visione. Nel settore scientifico e medicale i sensori di immagine sono elementi essenziali per la radiografia digitale e la diagnostica distribuita, dove vengono utilizzati per la cristallografia a raggi x, la profilazione del DNA, l’astrofotografia e in molte altre applicazioni.

La sicurezza è una preoccupazione sempre presente in molteplici aspetti della nostra vita quotidiana Sensori di immagini in grado di assicurare elevati livelli di risoluzione e qualità dell’immagini sono usati in droni/UAV per garantire la sicurezza delle frontiere. Le nostre strade stanno diventando sempre più sicure e protette da quando i sensori di immagine vengono utilizzati per monitorare gli incroci e rilevare le violazioni del codice della strada, nonché per identificare i veicoli attraverso il riconoscimento automatico delle targhe (ANPR – Automatic Number Plate Recognition).

Fig. 1 – I sensori di immagine vengono impiegati in un’ampia gamma di applicazioni industriali

L’aumento delle richieste degli utenti ha comportato un rapido incremento della potenza e della qualità di questi sensori di immagine, al fine di migliorare le prestazioni delle applicazioni esistenti e ampliare i campi di applicazione di tali dispositivi.

I fattori tecnologici che trainano la crescita

Vi sono alcuni progressi tecnologici nel campo del rilevamento dell’immagine alla base di questi miglioramenti delle prestazioni. La retro-illuminazione (BSI – Backside Illumination) riorganizza gli elementi chiave che concorrono alla formazione dell’immagine (imaging) del sensore mediante il capovolgimento (flipping) del wafer di silicio in fase di produzione: in questo modo lo strato del fotocatodo si trova davanti ai fili metallici, migliorando significativamente le prestazioni del sensore di immagine in condizioni di scarsa illuminazione.

Uno dei parametri chiave che definisce la qualità di un flusso (feed) video è il numero di fotogrammi al secondo (fps – frame per second) che il sensore può fornire. L’abbinamento di questo parametro con una maggiore risoluzione significa che in ciascun fotogramma sono contenute più informazioni per ognuno dei pixel: l’architettura del sensore dovrà quindi garantire un significativo incremento della velocità per poter fornire flussi video fluidi e privi di movimenti a scatto (jerkiness).

Un gran numero di moderne telecamere non prevede la presenza di otturatori meccanici in quanto ingombranti e soggetti a guasti dopo un lungo periodo di utilizzo. Le odierne telecamere utilizzano in misura sempre Maggiore un otturatore elettronico che acquisisce tutti i pixel contemporaneamente, una tecnica questa conosciuta come “global shutter” (otturatore globale).

Poichè i sensori vengono utilizzati in misura sempre maggiore in applicazioni in cui il movimento è un fattore determinante (sia che si tratti di un sensore montato su un veicolo in moto sia che si tratti di acquisire una scena al cui interno sono presenti oggetti in movimento), è necessario ricorrere a dispositivi che integrano un otturatore globale veloce per evitare il problema dello “smearing” (sbavature) dell’immagine o la comparsa di artefatti (disturbi all’interno dell’immagine) indesiderati associati all’utilizzo della tecnologia “rolling shutter” (otturatore progressivo).

Le problematiche dei progettisti di sistemi di visione industriali

Nella progettazione di telecamere destinate alle moderne applicazioni vi sono parecchi fattori da tenere in considerazione, molti dei quali sono correlati alla scelta del sensore di immagine. Si tratta di una decisione critica che può determinare la riuscita o meno del progetto stesso.

Nella maggior parte delle applicazioni è necessario un sensore di immagine ad alta risoluzione: si pensi a quelle in ambito medicale, dove ci si aspetta che la telecamera sia in grado di individuare i segnali precoci di una malattia oppure alle ispezioni in fabbrica, dove è necessario rilevare il più piccolo difetto. L’aggiunta della risoluzione ha implicazioni sul resto del progetto, in quanto comporta una maggiore ampiezza di banda per il trasferimento dei dati, una potenza di elaborazione superiore e una capacità di memoria più elevata per l’archiviazione. Di conseguenza è essenziale che le specifiche del sensore risultino adeguate per i compiti che deve assolvere ma è necessario evitare di sovra-specificare il sensore stesso in quanto ciò comporterebbe un aumento generalizzato dei costi di progetto.

Poichè i sensori di immagine vengono integrati in applicazioni mobili quali droni/UAV e AGV (Automatically Guided Vehicle) che sono alimentate a batteria, il consumo di potenza complessivo della telecamera, incluso quello del sensore di immagine, è un parametro da tenere nella massima considerazione. Anche se il sensore di immagine è un elemento fondamentale, la corrente che assorbe contribuirà a scaricare la batteria, riducendo in tal modo il tempo che intercorre tra una carica e la successiva del veicolo.

In parecchi casi, le telecamere sono chiamate ad assolvere compiti differenti che richiedono risoluzioni diverse: per rilevazioni semplici sono sufficienti telecamere a bassa risoluzione mentre laddove è richiesto il rilevamento di dettagli è necessario adottare telecamere ad alta risoluzione. Poiché bisogna utilizzare differenti sensori in base alla risoluzione, in molti casi è richiesto un differente progetto per ciascuno di essi. Ciò inevitabilmente comporta un incremento significativo di oneri e tempi di progettazione. Anche nel momento in cui i progetti sono completi, poiché ciascuno è differente dall’altro, la possibilità di sfruttare i vantaggi dell’economia di scala diminuisce drasticamente.

Poichè numerose aziende implementano per la prima volta sensori di immagine al fine di aggiungere funzionalità utili ai loro prodotti, la curva di apprendimento può risultare particolarmente ripida. Alcuni produttori mettono a disposizione una gamma completa di tool per ridurre e i rischi di progetto e aiutare i progettisti nel processo di sviluppo. In parecchi casi, questi tool risultano utili anche ai progettisti esperti, che devono realizzare in tempi rapidi un prototipo che possa essere convertito senza problemi nella versione finale destinata alla produzione.

Un approccio basato sul concetto di famiglia di prodotti con supporto alla progettazione

Con l’introduzione dei sensori di immagine XGS, onsemi® ha voluto adottare un concetto basata sulla “famiglia di prodotti”. Si tratta di un totale di sette dispositivi con risoluzioni comprese tra 2,3 e 16 Mp (Megapixel) che condividono un medesimo ingombro (footprint) compatibile con il layout standard industriale (29 x 29 mm). Allo stesso modo, i quattro dispositive con risoluzioni comprese tra 20 e 45 Mp sono caratterizzati dal medesimo footprint.

Per i progettisti, il maggior vantaggio di questo approccio è legato al fatto che possono sfruttare un unico progetto hardware della telecamera, le cui prestazioni sono quindi note, per ciascuno intervallo di risoluzione mentre le IP, come a esempio il firmware, possono essere riutilizzate per tutte le serie di telecamere. In questo modo è possibile ridurre sensibilmente rischi e tempi di progetto e sfruttare le economie di scala in produzione.

Fig. 2 – La serie XGS garantisce eccellenti prestazioni e prevede un supporto completo per la progettazione

L’avanzato progetto dei pixel (di dimensioni pari a 3,2 µm) di questi sensori assicura un’eccellente qualità dell’immagine con bassi livelli di rumore anche in condizioni di scarsa illuminazione. Un otturatore globale veloce consente l’acquisizione di immagini di elevata qualità senza gli artefatti tipici associati all’uso della tecnologia a otturatore progressivo. Sono previste versioni caratterizzate da diverse velocità, in modo da consentire un uso efficiente dell’ampiezza di banda dell’interfaccia disponibile e permettere ai progettisti di gestire efficacemente il costo del sistema. Nonostante le elevate prestazioni, i dispositivi XGS con risoluzioni fino a 45 Mp consumano una potenza inferiore a 1.000 mW anche nel funzionamento alla massima velocità.

Per garantire un adeguato supporto alla progettazione, onsemi propone questi tre diversi sistemi di valutazione:

  1. Un kit demo che include una piattaforma hardware con il software DevSuite che consente di effettuare una completa valutazione del sensore con possibilità di accesso a tutti i registri.
  2. 2.    La piattaforma X-celerator che include il codice per FPGA pubblico e si interfaccia direttamente con il software Altera® e l’ambiente di sviluppo Xilinx®.
  3. La piattaforma X-Cube è un progetto di riferimento in formato 29 x 29 mm2 che utilizza un FPGA di Lattice per la conversione HiSPi-MIPI. X-Cube impiega inoltre il software DevSuite per l’acquisizione, l’elaborazione e l’analisi dell’immagine.

Considerazioni conclusive

Il rilevamento dell’immagine è una tecnologia in rapida crescita in molti settori applicativi, incluso quello industriale, in quanto consente ai sistemi di riconoscere e interagire con il mondo che li circonda. Sono quindi numerose le aziende che, perseguendo l‘obbiettivo di proporre soluzioni avanzate, integrano per la prima volta funzionalità di visione nei loro sistemi. Per i progettisti ciò può comportare una curva di apprendimento molto ripida, specialmente nel momento in cui è necessario sviluppare un design dedicato in funzione della risoluzione del sensore.

Grazie ai sensori di immagine ad alte prestazioni della serie XGS che garantiscono ridotti consumi, basso rumore e condividono un ingombro comune e alla disponibilità di più piattaforme di sviluppo di semplice uso, onsemi fornisce un supporto completo che permette ai progettisti di sviluppare telecamere avanzate in tempi brevi.

Danny Scheffer

Product Line Manager – Industrial and Commercial Solutions Division (onsemi)
Redazione Fare Elettronica