Makine Görüşü için Arayüzler

Yapay görme uygulamanız için doğru arayüzü seçmek, kamera seçim sürecinizde önemli bir karardır. Aşağıdaki bölümler, ilgili artıları ve eksileri ile birlikte yapay görme uygulamaları için kullanılabilen farklı kablo ve konektör türlerine genel bir bakış sağlar.

Yapay görme arayüzleri tipik olarak iki şekilde gelir: adanmış ve tüketici.

Özel Arayüzler
Aşırı yüksek hızların veya ultra yüksek çözünürlüğün bu tür arabirimlerin kullanılmasını gerektirdiği uygulamalar için kullanışlıdır; örneğin, kameraların sıklıkla kHz aralığında çalıştığı kağıt veya plastik film üretimi gibi sürekli akış süreçlerini denetlemek için kullanılan hat taramalı kameralar. Ancak, bu arayüzler önemli ölçüde daha pahalı, daha az esnek olma ve sistem karmaşıklığına katkıda bulunma eğilimindedir. CarmeraLink (6,8 Gbit/sn'ye kadar veriyi destekler) ve CoaXPress (12 Gbit/sn'ye kadar destekler), bu tür uygulamalarda tipik olarak kullanılan özel yapay görme arayüzleridir. Kameralara ek olarak, bu arayüzleri kullanan sistemler çerçeve yakalayıcılar gerektirir. Bunlar, görüntü verilerini almak ve bunları kullanılabilir görüntüler halinde birleştirmek için özel adaptör kartlarıdır. Özel yapay görme arabirimleri de özel kablolar kullanır ve bu da diğer çevre birimleriyle entegrasyonu biraz daha zorlaştırır.

CoaXPress (CXP)
CoaXpress arabirimi, yüksek hızlı görüntüleme uygulamalarını desteklemek için 2008'de piyasaya sürüldü. CXP arabirimleri 75ohm koaksiyel kablolar kullanır ve daha da hızlı veri aktarım hızlarını desteklemek için birden fazla kanal kullanma yeteneğiyle kanal başına 6,25 Gbit/s'ye kadar veri aktarım hızlarını destekler. Bir CXP kablosu, kablo başına 13W'a kadar güç sağlayabilir ve hem "aygıtın" hem de "ana bilgisayarın" GenICam kamera programlama arabirimini desteklemesini gerektirir. Tek hatlı koaksiyel kablolar ucuz olsa da, çok hatlı kablo tertibatları ve çerçeve tutucuları kurmanın maliyeti çok hızlı bir şekilde toplanır.

Kamera Bağlantısı
CameraLink standardı 2000 yılında Automated Imaging Association (AIA) tarafından başlatıldı ve daha yüksek veri hızlarını desteklemek için kademeli olarak yükseltildi, bazı versiyonlar iletim için iki kablo gerektiriyor. Mevcut üç ana konfigürasyon Temel (2.04 Gbit/s), Orta (5.44 Gbit/s) ve Deca/Genişletilmiş (6.8 Gbit/s) tir. Temel standart, MDR ("Mini D Şerit") 26 pimli konektör kullanır, orta/tam yapılandırma ise ikinci bir kablo kullanarak kapasiteyi ikiye katlar. Deca/Genişletilmiş sürümler, 6,8 Gbit/s'ye kadar veri taşıyarak CameraLink tarafından belirlenen sınırların ötesine geçer. CXP arayüzleri gibi, CameraLink de çerçeve yakalayıcılar gerektirir ve ayrıca güç sağlamak için Power over Camera Link (PoCL) standardıyla uyumlu olması gerekir. CameraLink, sinyal bütünlüğünü en üst düzeye çıkararak düşen görüntüleri denemek ve ortadan kaldırmak için pahalı ve hantal kablo kurulumları gerektiren herhangi bir hata düzeltme veya yeniden gönderme özelliğinden yoksundur.

Tüketici Arayüzleri
Bu arayüzler, makine görüş kameralarının yaygın olarak bulunan USB ve Ethernet standartlarını kullanarak ana sistemlere bağlanmasını sağlar. Çoğu yapay görme uygulaması için, USB 3.1 Gen 1 ve Gigabit Ethernet tüketici arabirimleri, kolaylık, hız, basitlik ve satın alınabilirliğin kazanan bir kombinasyonunu sağlar. Ayrıca, tüketici arayüzleri, yapay görme uygulaması için yaygın olarak bulunan donanım ve çevre birimlerini destekler. USB ve Ethernet hub'ları, anahtarları, kabloları ve arabirim kartları, gereksinimlerinize tam olarak uyacak şekilde Amazon'dan yerel bilgisayar veya elektronik mağazanıza kadar çeşitli fiyat aralığından satın alınabilir. Çoğu PC, dizüstü bilgisayar ve gömülü sistem, Gigabit Ethernet ve USB 3.1 Gen 1'in her birinin en az bir bağlantı noktası içerir.

Bu arayüz kategorileri arasındaki en belirgin fark bant genişliğidir. Daha hızlı arayüzler, belirli bir çözünürlük için daha yüksek kare hızları sağlar (Şekil 1). Daha hızlı bir arayüz, her saniye daha fazla görüntü yakalamanıza veya verimden ödün vermeden daha yüksek çözünürlüklü görüntüler yakalamanıza olanak tanır.

Örneğin, 8” yonga plakalarından 12 inç plakalara yükseltilen bir yarı iletken plaka denetim sistemi için daha yüksek çözünürlüklü kameralar gerekli olacaktır. Bu durumda, sistem tasarımcısının mevcut arayüzlerini korumak ve daha düşük verim için daha yüksek çözünürlükle ticaret yapmak veya verimi korumak veya geliştirmek için daha hızlı bir arayüze yükseltme arasında seçim yapması gerekecektir.

Şekil 1. Sensör çözünürlüğü ve sonuçta ortaya çıkan kare hızına karşı her arayüz için mevcut bant genişliği.

Çözünürlük, kare hızı, kablo uzunluğu ve ana sistem yapılandırması gereksinimleriniz, ihtiyacınız olandan fazlasını harcamadan ihtiyacınız olan performansı elde etmenizi sağlamak için dikkate alınmalıdır. FLIR'in yapay görme kameraları, güvenilir ve yaygın olarak kullanılabilen üç arabirimi de destekler.

Evrensel Seri Veri Yolu (USB)
USB her yerde. Etrafınıza bakın ve çevrenizdeki USB cihazlarının ve aksesuarların sayısını sayın. Ne demek istediğimizi gördün mü? Çoğu USB makine görüş kamerası, USB 3.1 Gen 1 arabirimini kullanır. Bu arayüz, kamera ve ana sistem arasında 4Gibt/s'ye kadar görüntü verisi bant genişliği sağlar. USB3 Vision standardı, ortak bir cihaz algılama, görüntü aktarımı ve kamera kontrol protokolleri seti tanımlayarak çok çeşitli kameralar ve yazılımlar arasında uyumluluğun sağlanmasına yardımcı olur.

Şekil 2. USB 3.1 Gen1 kablosu (USB'den kilitleme USB'sine)

USB, Doğrudan Bellek Erişimini (DMA) destekler. Bu DMA özelliğiyle, görüntü verileri USB'den doğrudan yazılım tarafından kullanıma uygun olduğu belleğe aktarılabilir. DMA, yaygın USB desteği ve hemen hemen her donanım platformunda USB denetleyicileri için sürücülerin kullanılabilirliği ile birleştiğinde, USB'yi gömülü sistemlerde kullanım için ideal hale getirir. USB 3.1 Gen 1'in maksimum 5m kablo uzunluğu genellikle gömülü sistemler için bir sorun değildir. USB 3.1 Gen 1, bir kameraya 4,5 W'a kadar güç sağlayarak sistem tasarımını basitleştirebilir. Yakın zamanda geliştirilen USB Güç Dağıtımı özelliği, bazı ana bilgisayarların hızlı şarjlı cep telefonları gibi cihazlara daha fazla güç sağlamasına olanak tanır; bu özellik, temel USB 3.1 Gen 1 standardından bağımsızdır ve makine görüş kamerası üreticileri tarafından benimsenmemiştir.

Şekil 3. Farklı USB konektörleri türleri

Yüksek esnekliğe sahip USB kabloları, kameranın tekrar tekrar hareket ettirilmesi gereken sistemlerde kabloların ömrünü en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur. Aktif optik kablolar (AOC'ler), çalışma mesafesini büyük ölçüde uzatmak ve Elektromanyetik Girişim (EMI) direnci sağlamak için kullanılabilir. Aktif optik kabloların performansı, çıktı gereksinimlerine ve ana sistem yapılandırmasına bağlıdır. FLIR, kablo aracılığıyla güç sağlayanlar da dahil olmak üzere optik kablolar kullanırken, GPIO aracılığıyla harici olarak güç sağlayan kameraların kullanılmasını önerir. Ek olarak, kilitlenen USB kabloları, kablolar, kameralar ve ana sistemler arasında güvenli bir bağlantı sağlar. Kilitleme kabloları satın almadan önce FLIR, çeşitli seçenekler mevcut olduğundan kilitleme vidası konumunun ve boşluk uyumluluğunun kontrol edilmesini önerir.

USB 3.1 Gen 1, FLIR Blackfly S - Kasalı ve Kart düzeyindeki sürümlerde ve küçük Firefly S'de mevcuttur.

Gigabit Ethernet (GigE)
GigE, 1 Gbit/s'ye kadar görüntü verisi bant genişliği sağlar. Sadeliği, hızı, maksimum 100 m kablo uzunluğu ve tek bir kablo üzerinden kameralara güç sağlama özelliği, onu son derece popüler bir kamera arayüzü haline getiriyor. Ethernet kabloları sağlam ekranlamalı olarak mevcuttur. Bu, bazı robotlarda ve metroloji ekipmanlarında bulunan güçlü motorlara yakınlıktan kaynaklanan yüksek elektromanyetik parazit bulunan ortamlar için idealdir. FLIR GigE kameraları ayrıca iletim güvenilirliğini daha da artıran bir paket yeniden gönderme özelliğini de destekler.

USB'den farklı olarak GigE, DMA'yı desteklemez. Görüntü verilerini içeren paketler, yazılım tarafından erişilebilir belleğe kopyalanmadan önce görüntü çerçevelerine yeniden birleştirilmeleri gereken ana bilgisayara iletilir. Bu işlem, modern bilgisayarlar için önemsiz olsa da, sınırlı sistem kaynaklarına sahip bazı düşük güçlü gömülü sistemler için gecikmeye neden olabilir.

Şekil 4. Gigabit Ethernet / GigE Kablosu (RJ45 - RJ45)

Gigabit Ethernet'in yaygın olarak benimsenmesi, her türlü proje gereksinimini karşılamaya hazır, kablolardan anahtarlara kadar inanılmaz derecede geniş bir destekleyici ürün yelpazesi olduğu anlamına gelir. GigE kameralar, IEEE1588 PTP zaman senkronizasyon protokolünü destekleyerek kameraların ve aktüatörler ve endüstriyel Programlanabilir Mantık Denetleyicileri gibi diğer Ethernet özellikli cihazların hassas bir şekilde senkronize edilmiş ortak bir zaman temelinde çalışmasına olanak tanır.

Ethernet'in birçok endüstride yaygın olarak benimsenmesi, çok çeşitli kullanım durumları için birçok özel kablo ve konektörün kullanılabilirliğini sağlamıştır. Örneğin, EMI'ye (Elektromanyetik Girişim), yüksek sıcaklığa ve kimyasal dirence karşı koruma sağlamak üzere tasarlanmış Ethernet kabloları vardır, bazıları ise yüksek esneklik gereksinimlerini karşılar.

Ethernet kablolarının yapılarına bağlı olarak bir kategori numarası vardır. CAT5e GigE için en yaygın olanıdır, CAT6A, CAT7 ve CAT8 ise daha yüksek maliyet ve artan kablo çapı pahasına ek EMI direnci için kullanılabilir. Bazı endüstriyel cihazlar, artırılmış koruma sağlamak için X Kodlu M12 (Şekil 3, sağ) konektör kullanır, ancak çoğu uygulama için tanıdık RJ-45 konektörü yeterince iyidir ve daha düşük maliyetle daha fazla ikna sağlar. Ek olarak, vida kilitlemeli RJ45 konektörleri, RJ45 kablolarına kolayca ek güvenlik sağlar.

Şekil 5. Her yerde bulunan RJ45 konektörü (solda) ve daha az yaygın olan X Kodlu M12 konektörü (sağda)

Not: RJ45 konektörünün bağlanması ve çıkarılması hızlıdır. X Kodlu M12 konektörü (sağda) bağlanması daha yavaştır, ancak daha sağlamdır ve IP dereceli sürümlerde mevcuttur.

GigE, FLIR Blackfly S - Kasalı ve FLIR Blackfly S - Kart Seviyesi Kameralarında mevcuttur.

10Gigabit Ethernet (10GigE)
10GigE, bant genişliğini 10Gbit/sn'ye çıkararak GigE'nin güçlü yanlarını geliştirir. 10GigE, yüksek çözünürlüklü 3D tarama, hacimsel yakalama ve hassas metroloji için ideal bir arayüzdür. GigE ve 10GigE çeşitli şekillerde birleştirilebilir. Bir ana sistemdeki tek bir 10GigE bağlantı noktası üzerinden birden fazla GigE kamerayı tam hızda desteklemek için birden çok GigE kamerası bir 10GigE anahtarına bağlanabilir. CAT5e kabloları 30m'den daha kısa mesafelerde 10GigE kameralarla çalışacak olsa da, CAT6A veya daha yüksek kablolar önerilir.

10Gbit/sn çok fazla veridir! Yüksek hızlı CPU'lara, PCIe 3.0'a ve çift kanal belleğe sahip modern PC sistemleri bunu iyi bir şekilde halledebilirken, daha yüksek performanslı sistemler birden fazla 10GigE kamerayı destekleyebilir. Azaltılmış sistem kaynaklarına sahip gömülü sistemler, genellikle gelen görüntü verilerine ayak uydurmak için gereken bellek bant genişliği ve işlemci hızından yoksun olacaktır.

10GgiE, FLIR Oryx kameralarda mevcuttur.

Özet
Birçok yapay görme uygulamasında hem tüketici hem de özel arabirimler kullanılır. Daha önceki bölümlerde bahsedilen artılar ve eksiler, belirli bir kullanım durumu için eninde sonunda birinin diğerine uygunluğunu belirleyecektir. Ancak performans, kullanım kolaylığı, yaygın kullanılabilirlik ve düşük maliyetin birleşimi, tüketici arayüzlerini çoğu yapay görme uygulaması için çekici bir seçim haline getirir.