Flexibel, individuell und leistungsstark

»Embedded Vision setzt den Standard«

11. März 2022, 10:18 Uhr | Andreas Knoll
Vision Components
Embedded-Vision-Systeme von VC sind kompakt, verzichten auf alle nicht benötigten Komponenten und kommen dank Onboard-Datenverarbeitung ohne externe Recheneinheit aus. Sie sind in zahlreichen Varianten erhältlich – vom Elektronik-Kit bis zum einsatzbereiten Komplettsystem für zahlreiche industrielle Anwendungen.
© Vision Components

Embedded-Vision-Systeme sind mittlerweile so leistungsfähig, dass sie Bildverarbeitungssysteme auf PC-Basis in vielen Fällen ersetzen können. Zudem lassen sie sich leichter in Geräte und Maschinen integrieren. Jan-Erik Schmitt, Geschäftsführer von Vision Components, gibt nähere Informationen.

Markt&Technik: Was bedeutet aus Sicht von Vision Components der Begriff »Embedded Vision«?

Jan-Erik Schmitt: Vision-Lösungen für Bilderfassung und Bildverarbeitung werden immer kleiner und leistungsstärker, und in immer mehr Anwendungen werden Kameras als Sensoren »eingebettet«. Entsprechend oft wird das Label »Embedded Vision« verwendet. Für uns geht der Anspruch aber noch weiter: Embedded Vision heißt, dass die Komponenten auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind und dass sie auf nicht benötigten Overhead an Bauteilen und Funktionalität verzichten.

Solche Lösungen sind so klein wie möglich und optimal für Edge Devices und mobile Anwendungen geeignet. Ein Beispiel dafür sind unsere MIPI-Kameramodule und die VC-Embedded-Vision-Systeme. Das neue VC picoSmart zeigt, was wir unter Embedded verstehen: Es ist das weltweit wohl kleinste komplette Embedded-Vision-System und enthält auf der winzigen Platine alle Komponenten, die für Bildeinzug und -verarbeitung notwendig sind. Außerdem sind Industrietauglichkeit und Langzeitverfügbarkeit für uns fest mit dem Begriff Embedded verbunden.

Wie sind heutige Embedded-Vision-Systeme aufgebaut? Aus welchen Komponenten bestehen sie, welche Aufgaben erfüllen die Komponenten jeweils und wie wirken die Komponenten zusammen?

Bleiben wir einmal beim Embedded-Vision-System VC picoSmart: Es wurde speziell für die Entwicklung von Vision-Sensoren konzipiert. Auf der Platine sind der Bildsensor, die CPU zur Verarbeitung der Bilddaten und der Speicher bereits komplett integriert. OEM-Hersteller fügen einfach ihre gewünschte Optik, Beleuchtung, Interface Boards oder ein HMI hinzu und verpacken das Gesamtsystem in einem Gehäuse. So gelangen sie schnell und kostengünstig zu individuellen Sensoren, die kompakt und auf die Applikation zugeschnitten sind – also ganz im Sinne unserer Definition von Embedded.

Für mehr Flexibilität und die gesamte Bandbreite von Vision-Anwendungen bestehen Embedded-Vision-Systeme meist aus einem Kameramodul mit Bildsensor und einem Prozessor-Board. Es verarbeitet einerseits die Bilddaten, übernimmt aber gleichzeitig auch die Funktionen der Kundenanwendung – also auch hier wieder an die Applikation angepasst. Je nach Anwendung lässt sich der Bildsensor beispielsweise per MIPI-CSI-2-Schnittstelle anbinden. Dafür gibt es von VC ein breites Sortiment von MIPI-Modulen. Alternativ kann der Bildsensor auch direkt auf dem Prozessor-Board bestückt sein.

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Jan-Erik Schmitt, Vision Components: »Embedded Vision heißt, dass die Komponenten auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten sind und dass sie auf nicht benötigten Overhead an Bauteilen und Funktionalität verzichten.«
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Welche Rolle spielt das Hardware-Beschleuniger-Board VC Power SoM auf FPGA-Basis für Embedded-Vision-Systeme? Welche Aufgaben erfüllt das Board in diesen Systemen?

Wie beschrieben sollten die Komponenten für Embedded-Vision-Systeme so ausgewählt werden, dass sie optimal zu ihrer Endanwendung passen. Gleichzeitig stellt die Bildverarbeitung hohe Anforderungen an die Rechenleistung und Verarbeitungsgeschwindigkeit der Systeme, besonders für komplexe Anwendungen. Hier kommt der VC Power SoM ins Spiel: Das kompakte Board übernimmt rechenintensive Embedded-Vision-Aufgaben und übergibt das Ergebnis der Rechenoperationen an die Hauptelektronik. Dabei lässt sich das nur 2,8 × 2,4 cm kleine Modul einfach in Elektroniken integrieren – entweder als Baustein direkt im Design des Mainboards oder auf einer Interface-Platine. Zum Serienstart ist eine erste Interface-Platine mit jeweils zwei MIPI-Ein- und -Ausgängen erhältlich. Der VC Power SoM ist also ein dedizierter FPGA-Hardwarebeschleuniger speziell für Embedded-Vision-Anwendungen, der zwischen den Kamerasensoren und dem Embedded-Prozessor-Board für die Endanwendung installiert wird.

Welche Funktionen übt der FPGA-Baustein auf dem Hardware-Beschleuniger-Board aus, gegebenenfalls in Zusammenhang mit einem Prozessor auf dem oder außerhalb des Boards?

Der Vorteil eines FPGA ist die parallele Verarbeitung großer Datenströme in Echtzeit. Farbraumkonvertierungen, Datenfusionen für Multikamera-Anwendungen, Barcode-Identifikation und rechenintensive KI-Modelle lassen sich damit schnell und effizient bearbeiten. Gleichzeitig ist der VC Power SoM als fertiger Baustein leicht in das Elektronikdesign zu integrieren – das war bislang immer sehr aufwendig.

Im Ergebnis profitieren Entwickler also von der FPGA-Technologie zur Vorverarbeitung oder Analyse ihrer Bilddaten und haben dennoch eine große Freiheit bei der Auswahl ihres Prozessor-Boards. Zudem können sie dessen komplette Rechenleistung für ihre Hauptanwendung nutzen und sparen Zeit und Kosten bei der Entwicklung.

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Der VC Power SoM ist ein nur 2,8 x 2,4 cm großer, FPGA-basierter Hardware-Beschleuniger für komplexe Bildverarbeitungen. Er lässt sich einfach, schnell und kostengünstig in Embedded-Vision-Elektroniken integrieren – als Baustein direkt im Design des Mainboards oder wie im Bild mit einer Interface-Platine.
© Vision Components

Welche technischen und Markt-Entwicklungen zeigen sich im Bereich Embedded Vision derzeit?

Immer kleinere und leistungsfähigere Embedded-Vision-Systeme kommen in immer mehr Anwendungen zum Einsatz – von Haushaltsgeräten bis zu Industrie und Medizintechnik. Entsprechend steigt das Angebot von Komponenten, die auf ihre jeweiligen Einsatzbereiche und Applikationen zugeschnitten sind. Eine weitere Entwicklung geht hin zu mobilen Anwendungen, die ohne Anbindung an eine externe Recheneinheit auskommen und damit flexibel einsetzbar sind.

Was können heutige Embedded-Vision-Systeme in der industriellen Bildverarbeitung leisten? Inwieweit können sie Systeme auf PC-Basis oder intelligente Gehäusekameras ersetzen?

Diese Frage begleitet uns schon fast seit der Gründung von Vision Components vor 25 Jahren. Mit der hohen Rechenleistung moderner Embedded-Prozessoren eignen sich Embedded-Vision-Systeme heutzutage für alle Anwendungen, die in der Vergangenheit mit Systemen auf PC-Basis ausgestattet waren. Darüber hinaus bieten sie entscheidende Vorteile: Embedded-Vision-Systeme sind besonders kompakt und lassen sich gut in Geräte integrieren. Sie sind autark, benötigen wenig Energie und verzichten auf alle nicht benötigten Komponenten. Gut geeignet sind sie also für den Einsatz in Edge Devices, Handhelds und mobilen Geräten.

Welche Schnittstellen-Standards werden innerhalb von Embedded-Vision-Systemen und zwischen den Embedded-Vision-Systemen und ihrer Umgebung angewandt? Welche Rolle spielt hier MIPI-CSI-2?

Die MIPI-CSI-2-Schnittstelle wurde speziell für mobile, besonders kompakte Anwendungen entwickelt, vor allem in Smartphones, Unterhaltungselektronik und Automobilindustrie. Sie ermöglicht eine ausreichende Bandbreite für die schnelle Datenübertragung und wird als De-facto-Standard von den meisten Prozessorplattformen unterstützt. Deshalb setzt auch VC auf MIPI. Wir bieten ein breites Sortiment von MIPI-Kameramodulen an, ob für preissensitive Anwendungen oder mit High-End-Sensoren. Dafür haben wir eine Technologie entwickelt, mit der wir auch solche Sensoren für die Verwendung mit MIPI anpassen können, die nativ keine MIPI-Schnittstelle unterstützen. Sensoren, beispielsweise aus der Starvis- und Pregius-Serie von Sony, lassen sich so ebenfalls mit den marktüblichen Prozessor-Boards verwenden. Gegenüber anderen Schnittstellen bietet MIPI eher kurze Kabellängen. Um das zu kompensieren, haben wir spezielle Kabel und Zubehör entwickelt. Damit sind auch über 10 m lange Kabel und die Integration externer Trigger oder Beleuchtungssysteme möglich.

Welche Systemkomponenten und Dienstleistungen für Embedded Vision bietet Vision Components derzeit an?

Neben unseren zahlreichen MIPI-Kameramodulen bieten wir komplette Embedded-Vision-Systeme, die Bilderfassung und Bilddatenverarbeitung integrieren. Sie ermöglichen Herstellern und OEMs die schnelle und kostengünstige Entwicklung ihrer Geräte mit Embedded Vision oder ihrer individuellen und anwendungsspezifischen Vision-Sensoren. Darüber hinaus haben wir Komplettlösungen für vielfältige industrielle Anwendungsfälle im Angebot, etwa unsere Lasertriangulationssensoren der Serie VC nano 3D-Z. Sie sind entweder als komplett einsatzfertige Sensoren erhältlich oder als Elektronik-Bausatz für individuelle Lösungen. Notwendige Treiber und Support rund um die Integration unserer Komponenten bieten wir ebenso und unterstützen Kunden beim Design-in und ihren Entwicklungen.

Welche Roadmap verfolgt Vision Components derzeit in puncto Embedded Vision?

Wir werden unserer Definition von Embedded auch in Zukunft treu bleiben und gut angepasste Komponenten und Lösungen entwickeln, mit denen unsere Kunden Embedded Vision schneller und kostengünstiger in ihre Systeme integrieren können. Um sie dabei noch besser zu unterstützen, entwickeln wir weitere modulare Lösungen wie den Hardware-Beschleuniger VC Power SoM. Außerdem werden wir künftig eigene FPGA-Designs für typische Embedded-Vision-Anwendungen wie Farbraumkonvertierung, 1D-Barcode-Identifikation und Epipolarkorrektur entwickeln. Die Nutzung des VC Power SoM für AI-Beschleunigungen ist ebenfalls in Arbeit.


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