Integracja modułów kamer z płytami FPGA: przypadki użycia i samouczki

W ciągle ewoluującym krajobrazie systemów wbudowanych i przetwarzania sygnałów cyfrowych, integracja moduły kameryz płytami Field - Programmable Gate Array (FPGA) otworzyło to wiele ekscytujących możliwości. Ta kombinacja pozwala na tworzenie wysoko dostosowanych, wysokowydajnych systemów wizyjnych, które można dostosować do szerokiego zakresu zastosowań.

Use Cases

Robótica

• Wykrywanie obiektów i nawigacja: W zastosowaniach robotycznych kamery zintegrowane z FPGA odgrywają kluczową rolę w wykrywaniu obiektów i nawigacji. Na przykład w autonomicznych robotach mobilnych (AMR) używanych w magazynach do zarządzania zapasami moduł kamery rejestruje obrazy otoczenia. FPGA, dzięki swoim możliwościom przetwarzania równoległego, może szybko analizować te obrazy w celu wykrywania przeszkód, półek i produktów. Może zidentyfikować kod kreskowy na produktach, umożliwiając robotowi dokładne podnoszenie i umieszczanie przedmiotów. Moc przetwarzania w czasie rzeczywistym FPGA zapewnia, że robot może szybko reagować na zmiany w swoim otoczeniu, co sprawia, że proces nawigacji jest płynny i wydajny.

• Rozpoznawanie gestów: W interakcji człowiek - robot, kamery i FPGA mogą być używane do rozpoznawania gestów. W robocie serwisowym wspierającym osoby starsze, moduł kamery rejestruje gesty użytkownika. FPGA przetwarza te obrazy w czasie rzeczywistym, tłumacząc gesty na polecenia dla robota. Na przykład, prosty machnięcie ręką może być rozpoznane jako sygnał dla robota, aby zbliżyć się do użytkownika.

Nadzór i bezpieczeństwo

• Analiza wideo: W systemach monitoringu moduły kamer zintegrowane z FPGA są używane do zaawansowanej analizy wideo. Mogą wykonywać zadania takie jak rozpoznawanie twarzy, rozpoznawanie tablic rejestracyjnych i wykrywanie ruchu. W dużej sieci monitoringu obejmującej centrum miasta moduły kamer rejestrują transmisje wideo. FPGA na każdej płycie analizuje wideo w czasie rzeczywistym, identyfikując podejrzane działania, takie jak włóczęgostwo czy nieautoryzowany dostęp. Rozpoznawanie twarzy może być używane do porównywania twarzy osób z bazą danych znanych przestępców lub zaginionych osób. Wysoka prędkość przetwarzania FPGA pozwala na analizę wielu strumieni wideo jednocześnie, zapewniając kompleksowe pokrycie bezpieczeństwa.

• Wykrywanie intruzji: Kamery zintegrowane z FPGA mogą być skonfigurowane do wykrywania intruzji w obszarach ograniczonych. Na bazie wojskowej moduł kamery monitoruje obwód. FPGA przetwarza obrazy, aby wykryć wszelkie nienormalne ruchy, takie jak osoba wspinająca się przez ogrodzenie. Może natychmiast uruchomić alarm, zapewniając dodatkową warstwę bezpieczeństwa.

Medicina Obrazowa

• Endoskopowa obrazowanie: W endoskopii medycznej moduły kamer podłączone do płyt FPGA mogą poprawić jakość obrazów rejestrowanych wewnątrz ciała. FPGA może wykonywać zadania przetwarzania obrazów w czasie rzeczywistym, takie jak redukcja szumów, poprawa kontrastu i wykrywanie krawędzi. Na przykład, w procedurze kolonoskopia, moduł kamery rejestruje obrazy błony śluzowej jelita grubego. FPGA przetwarza te obrazy, aby uczynić szczegóły tkanki bardziej widocznymi, co pomaga lekarzom w dokładniejszym wykrywaniu polipów lub innych nieprawidłowości.

• Wzmocnienie obrazu rentgenowskiego: W obrazowaniu rentgenowskim moduły kamer zintegrowane z FPGA mogą być używane do poprawy jakości obrazów rentgenowskich. FPGA może przetwarzać surowe dane rentgenowskie uchwycone przez moduł kamery, aby zwiększyć kontrast między różnymi tkankami, co ułatwia radiologom diagnozowanie chorób.

Tutorial: Integracja modułu kamery z płytą FPGA

Step 1: Wybór odpowiednich komponentów

• Moduł kamery: Na rynku dostępne są różne moduły kamer, takie jak te oparte na interfejsie MIPI CSI - 2. Na przykład, OmniVision OV5640 to popularny moduł kamery o rozdzielczości 5 megapikseli. Wybierając moduł kamery, należy wziąć pod uwagę takie czynniki jak rozdzielczość, liczba klatek na sekundę i zużycie energii. W przypadku aplikacji, które wymagają obrazów w wysokiej rozdzielczości przy szybkim tempie klatek, należy wybrać moduł z czujnikiem o wysokiej rozdzielczości i szybkim interfejsem transferu danych.

• FPGA Board: Popular FPGA boards like the Digilent Zybo Z7 or the Terasic DE1 - SoC can be used. The choice of the FPGA board depends on factors such as the available I/O resources, processing power, and development ecosystem. If the application requires a large number of parallel processing tasks, a board with a more powerful FPGA chip should be chosen.

Step 2: Połączenie sprzętowe

• Podłączenie modułu kamery do płyty FPGA: Jeśli używasz modułu kamery z interfejsem MIPI CSI - 2, może być wymagany odpowiedni adapter, aby połączyć go z płytą FPGA. Na przykład, adapter Digilent FMC - PCAM może być użyty do konwersji z FMC na MIPI CSI - 2 i połączenia modułu kamery z płytą FPGA z złączem FMC. Podłącz zasilanie, masę i linie danych zgodnie z kartami katalogowymi modułu kamery i płyty adaptera. Upewnij się, że połączenia są pewne, aby uniknąć utraty sygnału lub problemów elektrycznych.

• Rozważania dotyczące zasilania: Zapewnij stabilne zasilanie zarówno dla modułu kamery, jak i dla płyty FPGA. Moduł kamery może wymagać określonego poziomu napięcia, zazwyczaj w zakresie od 1,8V do 3,3V. Użyj regulatora napięcia, aby upewnić się, że dostarczane napięcie mieści się w dopuszczalnym zakresie. Ponadto, weź pod uwagę zużycie energii przez moduł kamery i płytę FPGA razem, aby wybrać odpowiednie źródło zasilania.

Step 3: Rozwój oprogramowania

• Instalacja niezbędnych narzędzi: Zainstaluj narzędzia deweloperskie dla płyty FPGA, takie jak Xilinx Vivado dla płyt FPGA opartych na Xilinx lub Altera Quartus Prime dla płyt FPGA opartych na Altera. Narzędzia te służą do projektowania, syntezowania i programowania FPGA. Zainstaluj również wszelkie sterowniki lub biblioteki wymagane dla modułu kamery. Niektóre moduły kamer mogą wymagać specyficznych bibliotek oprogramowania do interfejsu z FPGA.

• Pisanie kodu FPGA: Napisz kod Verilog lub VHDL do interfejsu z modułem kamery. Kod powinien obsługiwać zadania takie jak inicjalizacja modułu kamery, odbieranie danych obrazu i przetwarzanie ich zgodnie z wymaganiami. Na przykład kod może potrzebować skonfigurować rejestry modułu kamery, aby ustawić rozdzielczość, częstotliwość klatek i inne parametry. Następnie powinien odbierać dane obrazu przez interfejs MIPI CSI - 2 i przechowywać je w buforze do dalszego przetwarzania.

• Testowanie integracji: Po zaprogramowaniu płyty FPGA przetestuj integrację, uruchamiając prostą aplikację. Na przykład, uchwyć kilka klatek z modułu kamery i wyświetl je na podłączonym monitorze lub zapisz je na urządzeniu pamięci. Sprawdź, czy występują jakiekolwiek błędy lub problemy z przechwytywaniem i przetwarzaniem obrazu. Jeśli wystąpią problemy, sprawdź połączenia sprzętowe i kod oprogramowania, aby zidentyfikować i naprawić problemy.

Integracja modułów kamer z płytami FPGA oferuje potężne rozwiązanie dla szerokiego zakresu zastosowań. Postępując zgodnie z krokami opisanymi w tym samouczku, deweloperzy mogą zacząć budować własne niestandardowe systemy wizyjne dostosowane do ich specyficznych potrzeb.