Intégration des modules caméra avec des cartes FPGA : cas d'utilisation et tutoriels

Dans le paysage en constante évolution des systèmes embarqués et du traitement du signal numérique, l'intégration de modules de caméraavec des cartes Field - Programmable Gate Array (FPGA) a ouvert une pléthore de possibilités passionnantes. Cette combinaison permet la création de systèmes de vision hautement personnalisés et performants qui peuvent être adaptés à un large éventail d'applications.

Cas d'utilisation

Robotique

• Détection d'objets et navigation : Dans les applications robotiques, les caméras intégrées aux FPGA jouent un rôle crucial dans la détection d'objets et la navigation. Par exemple, dans les robots mobiles autonomes (AMR) utilisés dans les entrepôts pour la gestion des stocks, le module de caméra capture des images de l'environnement environnant. Le FPGA, avec ses capacités de traitement parallèle, peut rapidement analyser ces images pour détecter des obstacles, des étagères et des produits. Il peut identifier le code-barres sur les produits, permettant au robot de saisir et de placer des articles avec précision. La puissance de traitement en temps réel du FPGA garantit que le robot peut réagir rapidement aux changements de son environnement, rendant le processus de navigation fluide et efficace.

• Reconnaissance des gestes : Pour l'interaction homme - robot, des caméras et des FPGA peuvent être utilisés pour la reconnaissance des gestes. Dans un robot de service assistant les personnes âgées, le module de caméra capture les gestes de l'utilisateur. Le FPGA traite ces images en temps réel, traduisant les gestes en commandes pour le robot. Par exemple, un simple mouvement de la main peut être reconnu comme un signal pour que le robot s'approche de l'utilisateur.

Surveillance et Sécurité

• Analyse vidéo : Dans les systèmes de surveillance, des modules de caméra intégrés FPGA sont utilisés pour une analyse vidéo avancée. Ils peuvent effectuer des tâches telles que la reconnaissance faciale, la reconnaissance de plaques d'immatriculation et la détection de mouvement. Dans un réseau de surveillance à grande échelle couvrant un centre-ville, les modules de caméra capturent des flux vidéo. Le FPGA sur chaque carte analyse la vidéo en temps réel, identifiant des activités suspectes telles que le flâneur ou l'accès non autorisé. La reconnaissance faciale peut être utilisée pour faire correspondre les visages des individus avec une base de données de criminels connus ou de personnes disparues. Le traitement à grande vitesse du FPGA permet l'analyse de plusieurs flux vidéo simultanément, garantissant une couverture de sécurité complète.

• Détection d'intrusion : Les caméras intégrées avec des FPGA peuvent être configurées pour détecter des intrusions dans des zones restreintes. Dans une base militaire, le module de caméra surveille le périmètre. Le FPGA traite les images pour détecter tout mouvement anormal, comme une personne grimpant par-dessus une clôture. Il peut déclencher une alarme immédiatement, offrant une couche de sécurité supplémentaire.

Imagerie Médicale

• Imagerie endoscopique : Dans l'endoscopie médicale, des modules de caméra attachés à des cartes FPGA peuvent améliorer la qualité des images capturées à l'intérieur du corps. Le FPGA peut effectuer des tâches de traitement d'image en temps réel telles que la réduction du bruit, l'amélioration du contraste et la détection des contours. Par exemple, lors d'une procédure de coloscopie, le module de caméra capture des images de la muqueuse du côlon. Le FPGA traite ces images pour rendre les détails des tissus plus visibles, aidant ainsi les médecins à détecter les polypes ou d'autres anomalies plus précisément.

• Amélioration des images radiographiques : Dans l'imagerie par rayons X, des modules de caméra intégrés FPGA peuvent être utilisés pour améliorer la qualité des images radiographiques. Le FPGA peut traiter les données brutes des rayons X capturées par le module de caméra pour améliorer le contraste entre les différents tissus, facilitant ainsi le diagnostic des maladies par les radiologues.

Tutoriel : Intégration d'un module caméra avec une carte FPGA

Étape 1 : Sélection des bons composants

• Module de caméra : Il existe divers modules de caméra disponibles sur le marché, tels que ceux basés sur l'interface MIPI CSI - 2. Par exemple, l'OmniVision OV5640 est un module de caméra populaire de 5 mégapixels. Lors du choix d'un module de caméra, tenez compte de facteurs tels que la résolution, le taux de rafraîchissement et la consommation d'énergie. Pour les applications nécessitant des images haute définition à un taux de rafraîchissement rapide, un module avec un capteur haute résolution et une interface de transfert de données rapide doit être sélectionné.

• Carte FPGA : Des cartes FPGA populaires comme la Digilent Zybo Z7 ou la Terasic DE1 - SoC peuvent être utilisées. Le choix de la carte FPGA dépend de facteurs tels que les ressources I/O disponibles, la puissance de traitement et l'écosystème de développement. Si l'application nécessite un grand nombre de tâches de traitement parallèle, une carte avec une puce FPGA plus puissante devrait être choisie.

Étape 2 : Connexion matérielle

• Connexion du module caméra à la carte FPGA : Si vous utilisez un module caméra avec une interface MIPI CSI - 2, un adaptateur approprié peut être nécessaire pour l'interfacer avec la carte FPGA. Par exemple, l'adaptateur Digilent FMC - PCAM peut être utilisé pour convertir de FMC à MIPI CSI - 2 et connecter le module caméra à une carte FPGA avec un connecteur FMC. Connectez les lignes d'alimentation, de masse et de données selon les fiches techniques du module caméra et de la carte d'adaptateur. Assurez-vous que les connexions sont sécurisées pour éviter toute perte de signal ou problème électrique.

• Considérations sur l'alimentation : Fournir une alimentation stable à la fois pour le module caméra et la carte FPGA. Le module caméra peut nécessiter un niveau de tension spécifique, généralement dans la plage de 1,8 V à 3,3 V. Utilisez un régulateur de tension pour garantir que la tension fournie est dans la plage acceptable. De plus, tenez compte de la consommation d'énergie du module caméra et de la carte FPGA ensemble pour sélectionner une source d'alimentation appropriée.

Étape 3 : Développement de logiciels

• Installation des outils nécessaires : Installez les outils de développement pour la carte FPGA, tels que Xilinx Vivado pour les cartes FPGA basées sur Xilinx ou Altera Quartus Prime pour les cartes FPGA basées sur Altera. Ces outils sont utilisés pour concevoir, synthétiser et programmer le FPGA. De plus, installez tous les pilotes ou bibliothèques nécessaires pour le module de caméra. Certains modules de caméra peuvent nécessiter des bibliothèques logicielles spécifiques pour interagir avec le FPGA.

• Écriture du code FPGA : Écrivez le code Verilog ou VHDL pour interfacer avec le module de caméra. Le code doit gérer des tâches telles que l'initialisation du module de caméra, la réception des données d'image et leur traitement selon les besoins. Par exemple, le code peut avoir besoin de configurer les registres du module de caméra pour définir la résolution, le taux de rafraîchissement et d'autres paramètres. Il doit ensuite recevoir les données d'image via l'interface MIPI CSI - 2 et les stocker dans un tampon pour un traitement ultérieur.

• Tester l'intégration : Après avoir programmé la carte FPGA, testez l'intégration en exécutant une application simple. Par exemple, capturez quelques images du module caméra et affichez-les sur un moniteur connecté ou enregistrez-les sur un dispositif de stockage. Vérifiez s'il y a des erreurs ou des problèmes dans la capture et le traitement des images. S'il y a des problèmes, examinez les connexions matérielles et le code logiciel pour identifier et résoudre les problèmes.

L'intégration de modules de caméra avec des cartes FPGA offre une solution puissante pour un large éventail d'applications. En suivant les étapes décrites dans ce tutoriel, les développeurs peuvent commencer à créer leurs propres systèmes de vision personnalisés adaptés à leurs besoins spécifiques.