Flexible Integration und Plug-and-Play
Embedded-MIPI-Vision im Baukasten-Prinzip
Kompakt, preisgünstig und robust: MIPI-Kameramodule bieten für Embedded-Vision-Anwendungen viele Vorteile. Ein Baukasten aufeinander abgestimmter MIPI-Vision-Komponenten ermöglicht flexible Integration und Plug-and-Play-Inbetriebnahme, auch bei größeren Entfernungen zwischen Sensor und Prozessor.
Humanoide Roboter, fahrerlose Transportsysteme sowie Smart Devices für die Landwirtschaft, für mehr Arbeitssicherheit oder für die autarke Diagnose in der Medizin- und Labortechnik: Die Entwicklung solcher Geräte boomt, befeuert durch die Möglichkeiten von KI-Algorithmen und immer größerer Rechenleistung direkt in den Edge-Geräten. So unterschiedlich die Branchen und Anwendungen auch sind: Kameras kommen in fast all diesen Geräten zum Einsatz, weil sie vollständige Umgebungsdaten liefern und detaillierte Analysen ermöglichen. Dabei sind die Kameras meist nahtlos in das Design integriert, während die Geräte selbst ebenfalls immer kleiner werden – und oft auch schicker, in eleganten Gehäusen und mit reduzierten Formen. Das stellt hohe Anforderungen an die Integration, zusätzlich zu Leistungsdaten wie geringer Stromaufnahme und hoher Bildqualität auch bei schwierigen Lichtverhältnissen.
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MIPI-Kameras: Standard für Embedded Vision
Kameramodule mit MIPI-CSI-2-Interface eignen sich für solche Projekte besonders: Sie sind kaum größer als die Bildsensoren selbst, haben eine geringe Leistungsaufnahme und lassen sich auch in sehr engen Einbausituationen integrieren. Ihren Ursprung haben sie in der Entwicklung von Kameras für Smartphones, Tablets und andere mobile Anwendungen. MIPI-Kameras sind von Vision Components in über 50 Varianten erhältlich, mit Auflösungen von 0,5 bis über 20 Megapixel, mit verschiedenen Verschlussarten und besonderen Eigenschaften wie etwa hohem Dynamikumfang oder Empfindlichkeit für Licht im Near-Infrared- oder Short-Wave-Infrared-Bereich. Seitdem Vision Components die Kameras vor über fünf Jahren in industrietauglichen und langzeitverfügbaren Varianten auf den Markt gebracht hat, haben sie sich in zahlreichen Anwendungen bewährt, von Smart Farming und mobilen Robotern bis zum Einsatz in Satelliten.
Kabeloptionen bis 10 m Länge
Eine Herausforderung für die Integration der Kameras in das Gerätedesign ist die Verbindung zwischen Kamera und Prozessorboard: FPC-Kabel ermöglichen die elektronische Verbindung auf engem Raum, sind in Varianten für alle gängigen Prozessorplattformen erhältlich und ermöglichen eine Übertragungsgeschwindigkeit von 6 Gbit/s bei vier Lanes. Allerdings sind die flexiblen Leiterplatten-Kabel auf eine Länge von 200 mm beschränkt. Das reicht oft nicht aus, etwa bei humanoiden Robotern, bei denen die Kamerasensoren im Kopf integriert sind, die Recheneinheiten jedoch mechanisch geschützt im Torso; oder bei Anwendungen mit mehreren Kameras, die an einem Ausleger in größerem Abstand verteilt sind. Um auch für solche Anforderungen Lösungen anzubieten, hat Vision Components eine Reihe von Kabeloptionen getestet und in sein VC-MIPI-Bricks-System aufgenommen. Dieser modulare Baukasten gewährleistet die Plug-and-Play-Kompatibilität aller Komponenten. Mit Micro-Coax- und GMSL2-Kabeloptionen ist damit die zuverlässige und sichere Datenübertragung bis zu einer Entfernung von rund 10 m zwischen Kameramodul und Prozessorplattform möglich.
Micro-Coax für bis zu 100 cm Kabellänge
Für die Anbindung von MIPI-Kameras mit einer Kabellänge von bis zu 100 cm eignen sich die VC-Micro-Coax-Kabel. Dabei kommen verdrillte und geschirmte Kabel mit bis zu 30 Litzen zum Einsatz, wie sie zum Anschluss von Displays über das MIPI-DSI-Interface gängig sind. VC setzt für die Kabel auf einen Hersteller aus dem DACH-Raum, dessen Kabel auch bei hohen Übertragungsfrequenzen und mit vier Lanes eine sichere Kameraanbindung ermöglichen. Dabei sind keine aktiven Bauteile notwendig, sodass sich die Micro-Coax-Option mit geringem Hardware-Aufwand realisieren lässt. Standardmäßig verwendet VC Kabel mit I-PEX-Steckverbinder. Für sie hat VC auch Adapter entwickelt, die beim Prototyping den Anschluss einer VC-MIPI-Kamera sowie am anderen Ende den Anschluss an eine gängige Flex-Kabel-Buchse für 22-polige Flachbandkabel ermöglichen.
GMSL2: Der Standard für extralange Kabel
Sind noch längere Kabelverbindungen zwischen Kamera und Prozessorboard notwendig, eignet sich die Datenübertragung als serielles Signal. GMSL2 hat sich dabei als Standard für die Hochgeschwindigkeits-Übertragung mit einer Kabellänge bis zu 10 m etabliert. Das Serializer/Deserializer-Protokoll wurde von Analog Devices und speziell für Embedded- und Automotive-Anwendungen konzipiert. Es ermöglicht die zuverlässige und EMI-resistente Übertragung von bis zu 6 Gbit/s pro Leitung und eignet sich damit für MIPI-Datenströme. Alle VC-MIPI-Kameras sind als Option mit einem fest in das Design integrierten Serializer erhältlich, an den sich Kabel mit MMCX-Stecker direkt anschließen lassen. Auch für GMSL2 hat Vision Components für das Prototyping einen Adapter entwickelt, der das Signal zurück in ein digitales MIPI-Datensignal wandelt und den Anschluss an gängige Prozessorboards mit MIPI-CSI-2-Schnittstelle ermöglicht. Für Serienlösungen mit GMSL2 empfiehlt sich das Design-In eines Deserializers in das Basisboard der Embedded-Vision-Lösung, mit MIPI-CSI-2-Ausgang zum Prozessor.
VC MIPI Bricks: Plug-and-Play für Embedded Vision
Die Kabeloptionen sind Teil des VC-MIPI-Bricks-Systems. Dazu gehören außerdem weitere Optionen wie individuelle FPC-Kabel und Repeater-Boards, die auch beim Einsatz von Standardkabeln längere Kabellängen ermöglichen und über zusätzliche Schnittstellen für externe Trigger bzw. einen Blitztrigger-Ausgang verfügen. Objektivhalter und weiteres Zubehör bis hin zu Polarisationsfiltern und LED-Beleuchtungen sind ebenfalls in dem modularen Baukasten und damit aus einer Hand von VC erhältlich. Auf Wunsch konfiguriert Vision Components mit den Komponenten Ready-to-Use-Kameras, die komplett montiert und kalibriert geliefert werden.
Noch einfachere Integration mit FPGA-Vorverarbeitung
Neben dem Systemdesign aus Kamera und Prozessorboard und der Integration in das Gesamtprojekt ist das Image Processing ein weiterer großer Aufwand in der Entwicklung. Um Unternehmen auch dabei entgegenzukommen, hat VC verschiedene FPGA-Beschleuniger für Bildvorverarbeitungen entwickelt, die entweder als VC Power SoC direkt in die Kamera integriert oder als VC Power SoM im Design der Basisplatinen vorgesehen werden können. In beiden Fällen übernehmen die Bausteine komplexe Bildvorverarbeitungen wie Farbraumkonvertierungen, Objekt- oder Code-Identifikation sowie die Datenfusion direkt im MIPI-Datenstrom. Das reduziert den Aufwand für die Entwicklung und trennt Bildvorverarbeitung und Endapplikation, sodass die Ressourcen des Hauptprozessors komplett für die spezifische Anwendung zur Verfügung stehen. Die Vorverarbeitung mittels FPGA-Beschleuniger ist zudem effizient und schnell. Je nach gewünschter Vorverarbeitung stehen unterschiedliche Ausführungen des VC-Power-SoMs zur Auswahl.
Treiber, Development Kits und komplette Embedded-Vision-Systeme
Für die schnelle und einfache Integration der MIPI-CSI-2-Kameras stellt Vision Components Treiber im Source Code zur Verfügung. Für zahlreiche gängige Prozessorplattformen von Nvidia, NXP oder aus der Raspberry-Pi-Serie inklusive dem neuen RPi 5 sind bereits angepasste Standardtreiber vorhanden, mit Unterstützung sämtlicher Funktionalitäten wie etwa ISPs. Zudem werden alle VC-MIPI-Kameras seit Neuestem von der Open-Source-Bibliothek LibCamera unterstützt. All diese Komponenten stellen hohe Kompatibilität und Anwenderfreundlichkeit bei der Integration von Embedded-Vision-Systemen sicher: Kameras und Zubehör sind aufeinander abgestimmt, im Zusammenspiel getestet und ermöglichen die echte Plug-and-Play-Inbetriebnahme sowie die einfache Konfiguration passender Gesamtsysteme. Der Aufbau von Prototypen mit Development Kits sämtlicher Hersteller und Prozessorplattformen ist damit ebenso einfach wie die Überführung zu einer Serienlösung.
Ein Beispiel, das den besonders schnellen Aufbau seriennaher Funktionsmuster ermöglicht, ist das Entwicklungskit phyBOARD for VC MIPI von Phytec, das mit i.MX-8M-Plus- oder i.MX-8M-Mini-Prozessormodul und einem VC-MIPI-Kameramodul nach Wahl erhältlich ist. Die Treiber sind dabei direkt im Linux-BSP des Prozessorboards integriert.
Baukasten-Prinzip spart Zeit und Kosten
Der Anspruch von Vision Components ist es, die Integration von Embedded Vision einfacher, schneller und kostengünstiger zu machen – und damit die Entwicklung smarter Geräte zu unterstützen. Auf Basis des MIPI-Kameraportfolios mit über 50 Kameramodulen hat VC dazu das VC-MIPI-Bricks-System konzipiert, in dem alle Zubehörteile wie Kabel, Optikhalter und Zusatzboards aufeinander abgestimmt sind, bis hin zu direkt installierbaren Komplettsystemen. Es richtet sich damit an alle Entwickler von Geräten und Anwendungen, die sich auf ihre Endapplikation und das Gesamtsystem konzentrieren wollen – und damit Zeit und Kosten bei der Entwicklung des Embedded-Vision-Systems einsparen wollen. Für Unternehmen, die sich über den Baukasten hinaus eine noch tiefergehende Unterstützung wünschen, arbeitet VC mit Notavis, einem Unternehmen der VC Group, zusammen. Notavis entwickelt komplett maßgeschneiderte Lösungen von der Produktidee über Konzept und Design bis zur Serienfertigung und inklusive umfassender Projektbetreuung im Lebenszyklus. Damit können auch solche Unternehmen vom VC-MIPI-Bricks-System profitieren, die ihre Entwicklung komplett an ein Partnerunternehmen vergeben wollen.
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