エンベデッドビジョンの進化

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Vision Components の Jan-Erik Schmitt 氏は、組み込みビジョンの台頭と、このテクノロジーが提供する多くの利点を図示しています。

エッジ デバイスは私たちの生活をより簡単、スマートにし、肥料使用量を削減する精密農業から、渋滞回避に役立つスマート交通アプリケーション、パターン認識に基づいて病気を検出する AI を活用した医療機器に至るまで、より持続可能なソリューションを可能にします。

エンベデッドビジョンは、これらのデバイスにとって重要なテクノロジーです。

超小型カメラ、強力でエネルギー効率の高い組み込みプロセッサ、最新の AI テクノロジーによって、エッジで直接詳​​細なデータ分析が可能になります。

これらの発展により、組み込みビジョンの統合はこれまで以上に簡単になりました。

1990 年代までのビジョン アプリケーションの標準は、外部処理装置に接続されたカメラでした。 この設定により、画像データを処理するために必要な計算能力が提供されました。 しかし、これらのシステムの設計と実装は、通常は産業品質管理を目的としており、時間と費用がかかり、今日の組み込みの定義からは程遠いものでした。 1995 年、Michael Engel は、デジタル シグナル プロセッサ (DSP) をベースとした世界初の産業用スマート カメラ VC11 を発表しました。 彼の目標は、同じデバイス内で画像のキャプチャと処理を可能にするコンパクトなシステムを作成することでした。 このカメラは PC ベースのシステムに比べて大幅に低コストで提供され、今日のスマート カメラや組み込みビジョン システムへの道を切り開きました。 この発明は、Vision Components (VC) の基礎の基礎でもありました。

スマート カメラ VC11 は、今日でも組み込まれている特徴を初めて適用しました。つまり、アプリケーションに完全に適合し、オーバーヘッドや不要なコンポーネントがなく、産業用途に最適化され、大量生産され、ユニットあたりのコストが低いシステムです。 一般に、これらのソリューションは可能な限り小型であり、エッジ デバイスやモバイル アプリケーションに最適です。 したがって、低消費電力も組み込みビジョン システムの重要な側面です。 さらに、堅牢な動作範囲、産業グレードの品質、および長期の可用性も、組み込みエレクトロニクスという用語にしっかりと結びついています。

現在、この技術は消費者向け最終製品から高度に専門化された産業用途に至るまで、さまざまな用途で利用され、見出されています。 これは、過去 30 年間にわたる大幅な技術進化の結果です。Michael Engel の発明後の数年間、DSP はスマート カメラの画像処理の標準でした。 この技術は、アナログ・デバイセズなどの企業による最初のチップから、21 世紀の最初の数年間にテキサス・インスツルメンツによるギガヘルツのコンピューティング能力を備えた新しいモデルに進化しましたが、主な原則は変わりませんでした。画像データは、によって制御されるイメージ センサーによってキャプチャされました。 DSP。 その後、データはバス コントローラーを介して内部メモリに転送されました。 すべての処理は 1 つの処理ユニットで行われます。 高度な DSP を使用すると、オンボード データ処理を備えた 3D プロファイル センサーなどのアプリケーションも有効になります。

エンベデッド ビジョン システムの進化のマイルストーンは、ザイリンクスによる FPGA を備えたデュアル コア ARM プロセッサの導入によってマークされました。 Vision Components は、2014 年にこのヘテロジニアス アーキテクチャに基づいた最初の組み込みビジョン システムを開発しました。彼らは、FPGA の並列リアルタイム処理機能の利点と、Linux オペレーティング システムを実行する自由にプログラム可能な ARM コアを組み合わせました。 このセットアップにより、組み込みビジョン システムの開発がより多用途かつ柔軟になり、開発者が特定のアプリケーション向けにソフトウェアをコーディングおよび実装するための新たな可能性が開かれました。

コンシューマ製品、スマートホームおよび産業向けの小型で強力なエレクトロニクス、さらには自動車業界の新しいアプリケーションに対する高い需要によって、開発された新しいプロセッサによってコンピューティング能力が向上しました。 その結果、組み込みビジョン システムは、マルチコア処理能力を備えたボードレベルのカメラから、単一ボード上の ARM および FPGA コアによる画像取得と処理を組み合わせた非常に小型の組み込みビジョン システムに至るまで、あらゆる市場の要件に適合するように設計されています。切手サイズ。

MIPI カメラ モジュールはさまざまなイメージ センサーで利用可能で、コンパクトで柔軟性があり、すべての一般的なプロセッサ ボードに導入できます (画像: Vision Components)

現在、最先端のテクノロジーは、ARM-CPU やハイエンド FPGA を使用する複数のプロセッシング ユニットに加え、DSP、グラフィックス プロセッシング ユニット (GPU)、テンソル プロセッシング ユニット (TPU) などの専用に開発された特殊なプロセッシング ユニットを使用したヘテロジニアス システム アプローチです。機械学習、AI に最適化されたニューロン プロセッシング ユニット (NPU)。 これらのシステムの設計では、すべてのプロセッサがすでに含まれているそれぞれのシステムオンモジュールを使用して処理ユニットを展開できます。 また、異なるモジュールを組み合わせることができるため、それぞれのタスクに最適なプロセッサをより自由に選択できるという利点があります。

組み込みビジョンを備えたソリューションを設計する場合、開発者はプロジェクトに最適な統合レベルを選択できます。MIPI カメラ モジュールから、超コンパクトなフォーム ファクターで画像の取得と処理を組み合わせた完全な組み込みビジョン システム、すぐに使用できる組み込みビジョン システムまで、最終用途に合わせて柔軟に適応できる OEM ソリューションを使用します。

MIPI カメラ: 柔軟性があり、コスト効率が高く、統合が簡単です

MIPI カメラ モジュールは、消費者市場での広範な使用と、最新の組み込みプロセッサによる MIPI-CSI-2 インターフェイスの広範なサポートによって、業界の無数のアプリケーションの標準となっています。 MIPI カメラ モジュールは柔軟性があり、コスト効率が高く、統合が簡単です。 低コストのセンサーから、グローバルまたはグローバル リセット シャッターを備えた 20MP 解像度などのハイエンド センサーまで利用できます。 後者は、高いフレーム レートと MIPI インターフェイスの利点を組み合わせて、クラス最高の画質を提供します。 開発者は、希望するイメージ センサーを選択し、せいぜい、ソース コードのドライバーと、ケーブル、レンズ ホルダー、光学部品、照明、アダプター ボードなどのアクセサリも提供するサプライヤーを選択します。 これにより、カメラ モジュールは、MIPI CSI 2 インターフェイスを備えたすべての一般的なプロセッサ ボードに簡単に導入でき、最終製品に簡単に実装できます。

VC Power SoM は、複雑な画像処理を行う小型の FPGA ベースのハードウェア アクセラレータで、大きさはわずか 2.8 x 2.4 cm です。 メインボード設計のコンポーネントとして直接、またはインターフェイス ボードを備えた図に示すように、組み込みビジョン エレクトロニクスに簡単、迅速、コスト効率よく統合できます (画像: ビジョン コンポーネント)

さらに高速な設計を実現するために、VC は最近、MIPI データ ストリームに実装できる FPGA ベースのハードウェア アクセラレータ モジュールである VC PowerSoM を発表しました。 わずか 28 mm x 24 mm の小さなモジュールは、複雑な画像処理計算を完了し、結果をメイン プロセッサ ボードに直接転送します。 組み込みビジョンのメインボード設計にモジュールとして直接統合したり、複数の MIPI インターフェイスを備えた I/O ボードと組み合わせたりすることができます。 OEM は、VC Power SoM の成熟した FPGA テクノロジーと包括的な画像処理機能の恩恵を受けると同時に、組み込みプロセッサ ボードを自由に選択して、メイン アプリケーションにそのコンピューティング能力を最大限に活用することができます。

CPUを含むボードカメラ: 最適に適合したコンポーネント

次に高いレベルの統合はボード カメラです。これは、カメラ モジュールとマルチコア プロセッシング ユニットを組み合わせたもので、1 つまたは複数のイメージ センサーを含むすべてのコンポーネントが 1 つのボード上に完全に統合されているか、ボード カメラが FPC ケーブルを介して接続されています。 どちらのセットアップも超コンパクトで、完全に一致するコンポーネントを備えており、それぞれのアプリケーションに適合しています。 これらは、より大きなシステムに組み込むことができます。 多くの場合、これらのシステムのプロセッサは、画像データに基づいて顧客固有のアプリケーションを実行するためにも使用できます。 大量生産または産業用途の場合は、個別に適応させることができます。 ハウジングやソフトウェアなど、特別な要件に合わせたカスタム開発も可能です。 ボードカメラの利点は、実証済みの設計であるため、開発サイクルが短縮され、予算の維持に役立ちます。

すぐに使用できる組み込みビジョン システム: 標準アプリケーションに最適な選択肢

多くの標準アプリケーションに利用できるターンキー OEM ソリューションにも同じことが当てはまります。 完璧な例は、レーザー三角測量モジュールとスマート組み込みビジョン システムを組み合わせたプロファイル センサーで、3D スキャンや体積測定、光学品質検査、自動誘導ロボットの高精度位置決めなどのタスクを引き継ぐことができます。

組み込みビジョン システムは超小型で、不要なコンポーネントをすべて省くことができ、オンボード データ処理のおかげで外部コンピューティング ユニットを必要としません。 これらは、エレクトロニクス キットから、多数の産業用途向けにすぐに使用できる完全なシステムに至るまで、多数のバリエーションで入手できます。 （画像：ビジョンコンポーネント）

これらのシステムは、多くの場合、ハウジングとラベルの点でカスタマイズ可能であり、顧客のソフトウェアを使用して特定のプロジェクト要件に適合させることができます。 高度なプレハブ加工を考慮すると、これらのシステムは市場投入までの時間を最短にすることができます。

MIPI カメラであれターンキー ソリューションであれ、民生用製品と産業用アプリケーションの両方のあらゆる市場で組み込みビジョン ソリューションの需要が高まっています。 より小型で強力な組み込みビジョン システムは、スマート農業やインテリジェント交通システムから、消費者向けデバイス、ファクトリー オートメーション、物流用のスマート アプライアンスに至るまで、ますます多くのアプリケーションで使用されています。 健康、医療、ライフサイエンスでも、高度な組み込みビジョン システムによって提供されるデータ深度が利用されています。 それに応じて、それぞれの使用分野や用途に合わせて完全にカスタマイズされたコンポーネントの範囲も増加しています。 もう 1 つの開発は、外部コンピューティング ユニットへの接続を必要としないため、非常に柔軟に使用できるモバイル アプリケーションに向けて進んでいます。

最新の組み込みプロセッサの高い計算能力により、組み込みビジョン システムは、これまで PC ベースのシステムを備えていたすべてのアプリケーションに適しています。 さらに、組み込みビジョン システムは超小型で、デバイスに完全に統合できるという決定的な利点もあります。 それらは自給自足しており、ほとんどエネルギーを必要とせず、不必要なコンポーネントはすべて不要です。 そのため、エッジ、ハンドヘルド、モバイル デバイスでの使用に最適です。

ヤン＝エリック・シュミット Vision Components の営業担当副社長です。 彼は 2008 年にこの役職に昇進し、世界中の会社の戦略的開発を担当しています。 シュミットは、世界的な販売ネットワークを継続的に拡大し、主要なアカウント マネージャーとして数多くの組み込みビジョン プロジェクトを成功に導きました。