Kameraplatinen für Embedded Vision Mit MIPI-Standard

Die Markteinführung günstiger, leistungsfähiger Prozessoren und parallel dazu der MIDI-Standard erleben gerade einen Aufwind.
Kameraplatinen mit MIPI-Schnittstelle und kundenspezifischem Bildsensor vereinfachen die Entwicklung von Embedded Vision Systemen.

Embedded Vision erlebt aktuell einen Schub durch die Markteinführung zahlreicher günstiger, leistungsfähiger Prozessoren und die zunehmende Verbreitung des MIPI-Standards. Für eine schnelle Systementwicklung stehen vorgefertigte MIPI-Kameraplatinen mit verschiedenen Bildsensoren zur Verfügung.

Embedded-Vision-Systeme werden immer leistungsstärker und dringen damit in immer mehr Anwendungen vor. Zum einen können sie autonom komplette Applikationen wie eine Qualitätsprüfung oder Zugangskontrollen ausführen. Zum anderen reduzieren sie als Edge Devices den Datenstrom auf Cloud-Server durch die (Vor-)Verarbeitung von Bilddateien. So kann beispielsweise in Straßenverkehrsanwendungen das Datenvolumen auf einen Bruchteil reduziert werden, indem ein Embedded-Rechner die Fahrzeugzählung übernimmt oder zur Maut-Ermittlung nur die detektierten Kennzeichen an den Server sendet anstelle ganzer Video-Streams, oder indem das System bei der Überwachung von Verkehrsströmen Bilder von leeren Straßen und Stausituationen, die keine zusätzlichen Erkenntnisse liefern, direkt vor Ort aussortiert.

Zu den Standardaufgaben der industriellen Bildverarbeitung gehören Detektion, Vermessung, Code- und Schrifterkennung. Hier wird ein weiteres starkes quantitatives Wachstum erwartet. Aufgrund von sinkenden Preisen setzen sich dezentrale Sensorik und Vision-Technik in immer mehr – auch kostensensiblen – Segmenten durch. Genutzt werden sie unter anderem für die Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit. Zusätzlich zu solchen etablierten Anwendungen eröffnen Entwicklungen aus anderen Sparten, wie Multimedia und Computerspiele, gänzlich neue Anwendungen für Embedded Vision. Hersteller setzen Augmented Reality auf Smartglasses zur Visualisierung von Materialbedarf, als Arbeitsanleitung und zum Qualitätsabgleich ein. Und in der Medizintechnik lassen Wearables die Diagnosefähigkeiten näher an die Patienten heranrücken. All diese dezentralen und mobilen Technologien benötigen leichte, kompakte und stromsparende Komponenten.

Komplettpakete und modulare Ansätze

Intelligente Kameras mit integriertem Prozessor sind im Vergleich zu Designs mit einem konventionellen Bildverarbeitungsrechner kompakter, weniger wartungsintensiv und einfach zu replizieren. Diese Art von Embedded-Vision-System ist hoch integriert und in allen Komponenten genau aufeinander abgestimmt. Ein alternativer Ansatz dazu sind modulare Designs, bei denen, wie im herkömmlichen Bildverarbeitungssystem, Rechner und bildgebende Elemente getrennt sind. Sie basieren auf kompakten und marktgängigen CPU-Boards, die den Kostenrahmen extrem überschaubar halten. An kostengünstige Einplatinencomputer wie den Raspberry Pi lassen sich einfach Kameras, Monitore und Tastaturen anschließen, um so Programme zu testen. Für industrielle Anwendungen, speziell wenn diese über eine Konzeptstudie hinausgehen und in die Serienfertigung überführt werden sollen, besteht ein Bedarf an professionellen Kameraplatinen mit leistungsstarken Schnittstellen und Kabeln für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten.

Optimierte Machine-Vision-Sensoren

Vision Components bietet dafür Kameraplatinen an, bestehend aus dedizierten Bildsensoren für maschinelles Sehen (Machine Vision) und einer Trägerplatine mit MIPI-Schnittstelle (Mobile Industry Processor Interface), Bild 2. »Dadurch bieten wir unseren Kunden Kameraplatinen, die sie automatisiert und mit hoher Wiederholbarkeit verarbeiten können«, erklärt Jan-Erik Schmitt, Geschäftsführer Vertrieb.

Das MIPI-Sortiment umfasst mehrere Sony-Pregius-Sensoren mit Global-Shutter. Sie ermöglichen kurze Belichtungszeiten sowie hohe Geschwindigkeiten und werden häufig in industriellen Anwendungen genutzt. Der IMX273 erreicht Bildraten bis 225 fps bei Vollauflösung von 1,6 MP und der IMX250 130 fps bei 5,1 MP. Der sehr lichtempfindliche Sensor Sony Starvis IMX226 eignet sich für Aufnahmen unter schwierigen Lichtverhältnissen oder im Dunklen. Er bietet einen externen Trigger und lässt sich über einen Global-Reset-Shutter synchronisieren. Damit empfiehlt er sich für den Einsatz in Sicherheitskameras und Drohnen, um dort 360°-Ansichten oder Stereo-Anwendungen umzusetzen. Wegen der hohen Auflösung von 12,4 MP eignet er sich zudem für hochpräzise Vermessungsaufgaben, auch im 3D-Bereich, ebenso wie der Sony Exmor R IMX183 mit 20,2 MP.

MIPI: Handy-Schnittstelle mit Vorzügen

Der MIPI-Standard zeichnet sich durch eine große Bandbreite, hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, kurze Latenzzeiten, geringe Stromaufnahme, einfache Einbindung mehrerer Kameras und Displays sowie minimale Kosten je Schnittstelle aus. Er ist ideal für datenintensive Anwendungen. Ursprünglich wurden die MIPI-Schnittstellen zur Anbindung von Kameras und Displays in Mobilgeräten definiert. Ein hausgemachter Nachteil ist die Optimierung für kurze Distanzen. Für längere Übertragungswege drosseln einige Hersteller die Übertragungsrate und geben damit einen wesentlichen Vorteil von MIPI preis. Das Vorgehen ist aber nicht alternativlos: Mit angepassten Kabeln und Repeatern sind Übertragungswege über 1 m bei voller MIPI-Bandbreite möglich. Vision Components bietet MIPI-Kabel aus eigener Entwicklung an (Bild 3).

Es handelt sich dabei um flexible Leiterplatten mit 100-Ω-differenziellen Leiterbahnpaaren und einseitiger Referenz- und Schirmlage für eine störungsfreie Übertragung. Die meisten Prozessoren können 1,5 Gb/s pro Lane verarbeiten. Das bedeutet bei vier Lanes typische Übertragungsraten von 6 Gb/s bzw. bei 10 bit Pixelauflösung 600 MB/s, doppelt so viel wie bei einer USB3-Kamera. Ein weiterer Vorteil von Embedded Designs mit MIPI-Schnittstelle ist die steigende Anzahl an Komponenten, die Entwicklern zur Auswahl stehen. Sowohl Sensorhersteller als auch Hersteller von CPU-Boards integrieren immer häufiger MIPI-Schnittstellen