Интеграция камерных модулей с FPGA-платами: примеры использования и учебные пособия

В постоянно развивающемся ландшафте встроенных систем и цифровой обработки сигналов интеграция модули камерыс использованием программируемых вентильных матриц (FPGA) открывает множество захватывающих возможностей. Эта комбинация позволяет создавать высоко настроенные, высокопроизводительные системы визуализации, которые могут быть адаптированы к широкому спектру приложений.

Сценарии использования

Робототехника

• Обнаружение объектов и навигация: В робототехнических приложениях камеры, интегрированные с FPGA, играют ключевую роль в обнаружении объектов и навигации. Например, в автономных мобильных роботах (AMR), используемых на складах для управления запасами, модуль камеры захватывает изображения окружающей среды. FPGA с его параллельными вычислительными возможностями может быстро анализировать эти изображения для обнаружения препятствий, полок и продуктов. Он может идентифицировать штрих-код на продуктах, позволяя роботу точно подбирать и размещать предметы. Мощность обработки в реальном времени FPGA обеспечивает быструю реакцию робота на изменения в его окружении, что делает процесс навигации плавным и эффективным.

• Распознавание жестов: Для взаимодействия человека и робота можно использовать камеры и FPGA для распознавания жестов. В сервисном роботе, помогающем пожилым людям, модуль камеры захватывает жесты пользователя. FPGA обрабатывает эти изображения в реальном времени, переводя жесты в команды для робота. Например, простое махание рукой может быть распознано как сигнал для робота подойти к пользователю.

Наблюдение и безопасность

• Видеоаналитика: В системах видеонаблюдения используются интегрированные модули камер на базе FPGA для продвинутой видеоаналитики. Они могут выполнять такие задачи, как распознавание лиц, распознавание номерных знаков и обнаружение движения. В крупномасштабной сети видеонаблюдения, охватывающей центр города, модули камер захватывают видеопотоки. FPGA на каждой плате анализирует видео в реальном времени, выявляя подозрительные действия, такие как слонение или несанкционированный доступ. Распознавание лиц может использоваться для сопоставления лиц с базой данных известных преступников или пропавших без вести. Высокоскоростная обработка FPGA позволяет одновременно анализировать несколько видеопотоков, обеспечивая комплексное покрытие безопасности.

• Обнаружение вторжений: Камеры, интегрированные с FPGA, могут быть настроены для обнаружения вторжений в ограниченных зонах. На военной базе модуль камеры контролирует периметр. FPGA обрабатывает изображения для выявления любых аномальных движений, таких как человек, перелезающий через забор. Он может немедленно сработать сигнализацию, обеспечивая дополнительный уровень безопасности.

Медицинская визуализация

• Эндоскопическая визуализация: В медицинской эндоскопии модули камер, прикрепленные к платам FPGA, могут улучшать качество изображений, захватываемых внутри тела. FPGA может выполнять задачи обработки изображений в реальном времени, такие как снижение шума, улучшение контраста и обнаружение краев. Например, в процессе колоноскопии модуль камеры захватывает изображения слизистой оболочки толстой кишки. FPGA обрабатывает эти изображения, чтобы сделать детали ткани более видимыми, помогая врачам более точно обнаруживать полипы или другие аномалии.

• Улучшение изображений рентгеновского излучения: В рентгеновской визуализации можно использовать интегрированные в FPGA модули камер для улучшения качества рентгеновских изображений. FPGA может обрабатывать сырые данные рентгеновского излучения, захваченные модулем камеры, чтобы улучшить контраст между различными тканями, что облегчает радиологам диагностику заболеваний.

Учебник: Интеграция модуля камеры с платой FPGA

Шаг 1: Выбор правильных компонентов

• Модуль камеры: На рынке доступно множество модулей камер, таких как те, которые основаны на интерфейсе MIPI CSI - 2. Например, OmniVision OV5640 является популярным 5 - мегапиксельным модулем камеры. При выборе модуля камеры учитывайте такие факторы, как разрешение, частота кадров и потребление энергии. Для приложений, которые требуют изображений высокой четкости с высокой частотой кадров, следует выбрать модуль с датчиком высокого разрешения и быстрым интерфейсом передачи данных.

• FPGA плата: Популярные FPGA платы, такие как Digilent Zybo Z7 или Terasic DE1 - SoC, могут быть использованы. Выбор FPGA платы зависит от таких факторов, как доступные ресурсы ввода/вывода, вычислительная мощность и экосистема разработки. Если приложение требует большого количества параллельных задач обработки, следует выбрать плату с более мощным FPGA чипом.

Шаг 2: Подключение оборудования

• Подключение модуля камеры к плате FPGA: Если используется модуль камеры с интерфейсом MIPI CSI - 2, может потребоваться подходящая адаптерная плата для подключения его к плате FPGA. Например, адаптер Digilent FMC - PCAM можно использовать для преобразования с FMC на MIPI CSI - 2 и подключения модуля камеры к плате FPGA с разъемом FMC. Подключите питание, землю и линии данных в соответствии с техническими характеристиками модуля камеры и адаптерной платы. Убедитесь, что соединения надежные, чтобы избежать потери сигнала или электрических проблем.

• Учет источника питания: Обеспечьте стабильный источник питания как для модуля камеры, так и для платы FPGA. Модуль камеры может требовать определенного уровня напряжения, обычно в диапазоне от 1.8V до 3.3V. Используйте регулятор напряжения, чтобы гарантировать, что подаваемое напряжение находится в допустимом диапазоне. Также учитывайте потребление энергии модуля камеры и платы FPGA вместе, чтобы выбрать подходящий источник питания.

Шаг 3: Разработка программного обеспечения

• Установка необходимых инструментов: Установите инструменты разработки для платы FPGA, такие как Xilinx Vivado для FPGA-плат на базе Xilinx или Altera Quartus Prime для FPGA-плат на базе Altera. Эти инструменты используются для проектирования, синтеза и программирования FPGA. Также установите любые драйверы или библиотеки, необходимые для модуля камеры. Некоторые модули камер могут требовать специфические программные библиотеки для взаимодействия с FPGA.

• Написание кода FPGA: Напишите код Verilog или VHDL для взаимодействия с модулем камеры. Код должен обрабатывать такие задачи, как инициализация модуля камеры, получение данных изображения и их обработка по мере необходимости. Например, код может потребоваться для настройки регистров модуля камеры для установки разрешения, частоты кадров и других параметров. Затем он должен получать данные изображения через интерфейс MIPI CSI - 2 и сохранять их в буфере для дальнейшей обработки.

• Тестирование интеграции: После программирования платы FPGA протестируйте интеграцию, запустив простое приложение. Например, захватите несколько кадров с модуля камеры и отобразите их на подключенном мониторе или сохраните на накопителе. Проверьте наличие ошибок или проблем в захвате и обработке изображения. Если есть проблемы, проверьте аппаратные соединения и программный код, чтобы выявить и исправить проблемы.

Интеграция камерных модулей с FPGA-платами предлагает мощное решение для широкого спектра приложений. Следуя шагам, изложенным в этом руководстве, разработчики могут начать создавать свои собственные пользовательские системы визуализации, адаптированные к их конкретным потребностям.