Mengintegrasikan Modul Kamera dengan Papan FPGA: Kasus Penggunaan & Tutorial

Dalam lanskap sistem tertanam dan pemrosesan sinyal digital yang terus berkembang, integrasi modul kameradengan papan Field - Programmable Gate Array (FPGA) telah membuka banyak kemungkinan menarik. Kombinasi ini memungkinkan pembuatan sistem visi yang sangat disesuaikan dan berkinerja tinggi yang dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi.

Kasus Penggunaan

Robotika

• Deteksi Objek dan Navigasi: Dalam aplikasi robotik, kamera yang terintegrasi dengan FPGA memainkan peran penting dalam deteksi objek dan navigasi. Sebagai contoh, dalam robot mobile otonom (AMR) yang digunakan di gudang untuk manajemen inventaris, modul kamera menangkap gambar lingkungan sekitar. FPGA, dengan kemampuan pemrosesan paralelnya, dapat dengan cepat menganalisis gambar-gambar ini untuk mendeteksi rintangan, rak, dan produk. Ia dapat mengidentifikasi kode batang pada produk, memungkinkan robot untuk mengambil dan menempatkan barang dengan akurat. Daya pemrosesan waktu nyata FPGA memastikan bahwa robot dapat bereaksi dengan cepat terhadap perubahan di lingkungannya, menjadikan proses navigasi lancar dan efisien.

• Pengenalan Gerakan: Untuk interaksi manusia - robot, kamera dan FPGA dapat digunakan untuk pengenalan gerakan. Dalam robot layanan yang membantu orang tua, modul kamera menangkap gerakan pengguna. FPGA memproses gambar ini secara real - time, menerjemahkan gerakan menjadi perintah untuk robot. Misalnya, gelombang sederhana tangan dapat dikenali sebagai sinyal bagi robot untuk mendekati pengguna.

Pengawasan dan Keamanan

• Video Analytics: Dalam sistem pengawasan, modul kamera terintegrasi FPGA digunakan untuk analitik video yang canggih. Mereka dapat melakukan tugas seperti pengenalan wajah, pengenalan plat nomor, dan deteksi gerakan. Dalam jaringan pengawasan berskala besar yang mencakup pusat kota, modul kamera menangkap umpan video. FPGA di setiap papan menganalisis video secara real-time, mengidentifikasi aktivitas mencurigakan seperti berkeliaran atau akses tidak sah. Pengenalan wajah dapat digunakan untuk mencocokkan wajah individu dengan basis data penjahat yang dikenal atau orang hilang. Pemrosesan kecepatan tinggi FPGA memungkinkan analisis beberapa aliran video secara bersamaan, memastikan cakupan keamanan yang komprehensif.

• Deteksi Intrusi: Kamera yang terintegrasi dengan FPGA dapat diatur untuk mendeteksi intrusi di area terbatas. Di pangkalan militer, modul kamera memantau perimeter. FPGA memproses gambar untuk mendeteksi gerakan abnormal, seperti seseorang yang memanjat pagar. Ini dapat memicu alarm segera, memberikan lapisan keamanan tambahan.

Pencitraan Medis

• Pencitraan Endoskopik: Dalam endoskopi medis, modul kamera yang terpasang pada papan FPGA dapat meningkatkan kualitas gambar yang diambil di dalam tubuh. FPGA dapat melakukan tugas pemrosesan gambar secara waktu nyata seperti pengurangan kebisingan, peningkatan kontras, dan deteksi tepi. Sebagai contoh, dalam prosedur kolonoskopi, modul kamera menangkap gambar lapisan usus besar. FPGA memproses gambar-gambar ini untuk membuat detail jaringan lebih terlihat, membantu dokter mendeteksi polip atau kelainan lainnya dengan lebih akurat.

• Peningkatan Gambar X - Ray: Dalam pencitraan X - ray, modul kamera terintegrasi FPGA dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas gambar X - ray. FPGA dapat memproses data X - ray mentah yang ditangkap oleh modul kamera untuk meningkatkan kontras antara jaringan yang berbeda, sehingga memudahkan radiolog untuk mendiagnosis penyakit.

Tutorial: Mengintegrasikan Modul Kamera dengan Papan FPGA

Langkah 1: Memilih Komponen yang Tepat

• Modul Kamera: Terdapat berbagai modul kamera yang tersedia di pasaran, seperti yang berbasis pada antarmuka MIPI CSI - 2. Sebagai contoh, OmniVision OV5640 adalah modul kamera 5 - megapiksel yang populer. Saat memilih modul kamera, pertimbangkan faktor-faktor seperti resolusi, laju bingkai, dan konsumsi daya. Untuk aplikasi yang memerlukan gambar definisi tinggi dengan laju bingkai cepat, modul dengan sensor resolusi tinggi dan antarmuka transfer data cepat harus dipilih.

• Papan FPGA: Papan FPGA yang populer seperti Digilent Zybo Z7 atau Terasic DE1 - SoC dapat digunakan. Pilihan papan FPGA tergantung pada faktor-faktor seperti sumber daya I/O yang tersedia, daya pemrosesan, dan ekosistem pengembangan. Jika aplikasi memerlukan sejumlah besar tugas pemrosesan paralel, papan dengan chip FPGA yang lebih kuat harus dipilih.

Langkah 2: Koneksi Perangkat Keras

• Menghubungkan Modul Kamera ke Papan FPGA: Jika menggunakan modul kamera dengan antarmuka MIPI CSI - 2, papan adaptor yang sesuai mungkin diperlukan untuk menghubungkannya dengan papan FPGA. Misalnya, adaptor Digilent FMC - PCAM dapat digunakan untuk mengonversi dari FMC ke MIPI CSI - 2 dan menghubungkan modul kamera ke papan FPGA dengan konektor FMC. Hubungkan jalur daya, ground, dan data sesuai dengan lembar data modul kamera dan papan adaptor. Pastikan bahwa sambungan aman untuk menghindari kehilangan sinyal atau masalah listrik.

• Pertimbangan Pasokan Daya: Sediakan pasokan daya yang stabil untuk modul kamera dan papan FPGA. Modul kamera mungkin memerlukan tingkat tegangan tertentu, biasanya dalam kisaran 1.8V hingga 3.3V. Gunakan pengatur daya untuk memastikan bahwa tegangan yang disuplai berada dalam kisaran yang dapat diterima. Juga, pertimbangkan konsumsi daya dari modul kamera dan papan FPGA secara bersamaan untuk memilih sumber daya yang sesuai.

Langkah 3: Pengembangan Perangkat Lunak

• Menginstal Alat yang Diperlukan: Instal alat pengembangan untuk papan FPGA, seperti Xilinx Vivado untuk papan FPGA berbasis Xilinx atau Altera Quartus Prime untuk papan FPGA berbasis Altera. Alat ini digunakan untuk merancang, mensintesis, dan memprogram FPGA. Juga, instal driver atau pustaka yang diperlukan untuk modul kamera. Beberapa modul kamera mungkin memerlukan pustaka perangkat lunak tertentu untuk berinteraksi dengan FPGA.

• Menulis Kode FPGA: Tulis kode Verilog atau VHDL untuk berinteraksi dengan modul kamera. Kode tersebut harus menangani tugas-tugas seperti menginisialisasi modul kamera, menerima data gambar, dan memprosesnya sesuai kebutuhan. Misalnya, kode tersebut mungkin perlu mengonfigurasi register modul kamera untuk mengatur resolusi, laju bingkai, dan parameter lainnya. Kemudian, kode tersebut harus menerima data gambar melalui antarmuka MIPI CSI - 2 dan menyimpannya dalam buffer untuk pemrosesan lebih lanjut.

• Menguji Integrasi: Setelah memprogram papan FPGA, uji integrasi dengan menjalankan aplikasi sederhana. Misalnya, ambil beberapa bingkai dari modul kamera dan tampilkan di monitor yang terhubung atau simpan ke perangkat penyimpanan. Periksa apakah ada kesalahan atau masalah dalam pengambilan dan pemrosesan gambar. Jika ada masalah, tinjau koneksi perangkat keras dan kode perangkat lunak untuk mengidentifikasi dan memperbaiki masalah.

Mengintegrasikan modul kamera dengan papan FPGA menawarkan solusi yang kuat untuk berbagai aplikasi. Dengan mengikuti langkah-langkah yang dijelaskan dalam tutorial ini, pengembang dapat mulai membangun sistem visi kustom mereka sendiri yang disesuaikan dengan kebutuhan spesifik mereka.