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Vision 3D intégrée

Données 3D haute résolution directement depuis la caméra

Onboard-Processing Ensenso XR

Si de gros volumes ou plusieurs vues d'objets doivent être contrôlées automatiquement par des cameras 3D, p. ex., sur des chaînes de production qui tournent en permanence dans le secteur automobile, les données de résultats 3D haute résolution doivent être générées et traitées rapidement, sur la base des temps de cycle prédéfinis. Des systèmes de caméras stéréo avec des capteurs 5 MP de grande taille et des lignes de base variables fournissent les données de sortie idéales, mais génèrent d'énormes quantités de données. Les interfaces et la puissance de l'UC peuvent rapidement former un goulet d'étranglement limitatif dans de telles applications 3D hautes performances.

Le défi : réduire les débits de données et les exigences de performance relatives aux composants du système, sans pour autant limiter la qualité des données. Les systèmes doivent économiser de l'espace tout en fonctionnant de manière efficace. Les caméras 3D intégrées de la gamme Ensenso XR avec traitement d'images intégré sont donc logiquement la prochaine étape.

Dans les applications de vision machine avec des caméras 3D qui fonctionnent selon le principe de la vision spatiale (vision stéréo), les images des caméras sont traitées avec une résolution et des débits de données élevés afin de rendre les données de résultats disponibles le plus rapidement possible pour les processus ultérieurs. Le calcul des données tridimensionnelles (les « nuages de points ») à partir des images des caméras stéréo exige plusieurs étapes de traitement complexes, autrefois prises en charge par de puissants PC industriels (IPC). Avec la demande croissante en matière de qualité et de vitesse de ces données de résultats, les caméras stéréo 3D, telles celles de la gamme Ensenso X, utilisent les caméras 2D haute résolution avec des interfaces Gigabit Ethernet. Cependant, la transmission des données de sortie 2D au PC industriel (IPC) de traitement exige une utilisation optimale de la bande passante du réseau pour éviter les temps de retard ou la perte de données. Par ailleurs, la puissance de traitement des équipements IPC doit continuellement augmenter pour ne pas limiter l'ensemble du système.

L'utilisation de composants de haute qualité permet d'améliorer encore les performances de ces systèmes de caméras 3D. Grâce aux caméras 2D échangeables, la conception flexible de la gamme Ensenso X n'est pas liée à des interfaces de données et à des résolutions de capteur spécifiques, et peut continuer d'évoluer avec les besoins en matière de vitesse, de tailles d'objets et de qualité. Mais des caméras GigE rapides haute résolution, des câbles avec un blindage spécial, une technologie réseau hautes performances et un équipement PC puissant sont simplement trop coûteux pour certaines applications. En outre, un espace suffisant doit être disponible pour ces périphériques.

Avec la nouvelle gamme de caméras XR, Ensenso suit une approche différente. Selon le principe de l'Internet des objets (IoT), chaque composant individuel dans un « système distribué » exécute une tâche spécifique et produit des résultats directement exploitables par les autres systèmes. Dans le cas d'une caméra 3D, il s'agit des coordonnées tridimensionnelles des pixels d'un objet réel.

Comparaison des processus 3D
Illustration 1 : Comparaison des processus 3D

Traitement 3D embarqué

Un « système sur une puce » ou SoC (System-on-Chip) intégré à l'unité de projecteur Ensenso XR permet à la caméra d'exécuter elle-même les processus 3D, y compris l'analyse stéréo. Après correction des distorsions produites par les lentilles, les images de sortie 2D sont transférées vers un système stéréo parallèle à l'axe par une rotation virtuelle des caméras (rectification), ce qui simplifie considérablement toutes les analyses ultérieures. Ensuite, des algorithmes de corrélation hautement optimisés pour les scènes statiques ou en mouvement recherchent les pixels correspondants dans les paires d'images enregistrées. Les points de vue des caméras n'étant pas les mêmes, ces pixels sont également sujets à différents décalages horizontaux dans le plan de l'image, désignés par le terme « disparité ». En raison des relations géométriques dans le système stéréo parallèle, cette disparité représente une mesure de la profondeur spatiale d'un point 3D en millimètres, après l'application d'ensembles de rayons et des connaissances sur des paramètres système connus tels que les distances focales, les tailles de pixel et la longueur de base du système stéréo.

Ces opérations sur les pixels qui exigent beaucoup de temps et de calculs sont exécutées en parallèle par un FPGA de support dans la caméra. Cela permet d'atteindre un débit de données 3D comparable à celui d'un système Ensenso X qui effectue l'analyse stéréo sur un PC de bureau avec une UC Intel Core i7 Quad.

« Grâce à la combinaison du traitement de données intégré avec la technologie FlexView2, précision et vitesse vont de pair pour l'enregistrement des détails des images »
Martin Hennemann, responsable produits spécialiste du traitement des images 3D chez IDS

Avantage du fonctionnement « intégré »

Combinés à la technologie FlexView2, les modèles de la gamme XR36 sont capables de traiter jusqu'à 16 images séquentielles rapides pour l'ensemble de données 3D d'une scène statique sans que cela n'entraîne un temps de retard supplémentaire suite au transfert des données brutes vers le PC hôte. Avec le déplacement du modèle de projecteur par FlexView2, différents points 3D sont générés avec chaque paire d'images, contribuant à une représentation 3D de très haute résolution.

Les processus nécessitant une grande puissance de calcul sont transférés vers la caméra et ne doivent plus être exécutés par de puissants ordinateurs industriels. Par ailleurs, le transfert des données de résultats 3D à la place des données brutes 2D haute résolution réduit la charge réseau. Avec un accès rapide et direct à la mémoire entre l'acquisition et le traitement des images, cette application pour données 3D haute résolution offre d'énormes avantages en termes de taux de résultats et de réduction de la bande passante par rapport au traitement externe sur un PC industriel.

Les systèmes à plusieurs caméras en particulier bénéficient des fonctions d'économie des ressources de la nouvelle gamme XR. Si les données brutes de plusieurs caméras 2D haute résolution doivent être transportées sur le réseau, des goulets d'étranglement de la bande passante peuvent se produire rapidement, provoquant des baisses de la fréquence de trame, avec un impact négatif sur les performances globales. L'évaluation précoce et la réduction simultanée des données de la gamme XR marquent des points à cet égard, avec des taux de résultats fiables, moins de puissance de calcul dans les composants périphériques et, donc, un moindre encombrement. Une application 3D avec des caméras Ensenso XR est beaucoup plus facile à mettre à l'échelle en fonction des exigences requises.

Pour réduire encore le débit de données, la caméra transmet uniquement la carte de disparité. L'image monocanal 16 bits est nettement plus petite qu'un « nuage de points » complet, qui correspond à une image RDB 32 bits avec une superposition de couleurs. La simple conversion peut être réalisée par le kit de développement logiciel (SDK) Ensenso sans une charge de calcul importante sur le PC industriel.

Comparaison des systèmes 3D multi-caméras
Illustration 2 : Comparaison des systèmes 3D multi-caméras

Nouvelle indépendance

L'autonomie supérieure de la caméra stéréo Ensenso XR par rapport aux autres caméras 3D devient un critère de sélection important pour les applications 3D, non seulement en termes de vitesse. Des exigences de performance réduites sur les périphériques réseau et l'équipement IPC simplifient toute la construction d'une application 3D et réduisent les coûts, notamment dans les systèmes à plusieurs caméras.

Outre la connexion Gigabit Ethernet câblée, une autre interface Wi-Fi permet d'accéder temporairement aux données et aux paramètres pendant l'installation et la maintenance, ce qui est très utile lorsque la câblage est difficile ou coûteux. De plus, la nouvelle unité de projecteur Ensenso XR est munie d'une lampe frontale intégrée. Lorsqu'elle est utilisée, elle prend en charge l’étalonnage de l’environnement de travail ou améliore la qualité des images de caméra 2D si la lumière ambiante est insuffisante ou qu'aucun éclairage externe n'est disponible.

Les nombreuses améliorations apportées à la gamme Ensenso XR ouvrent de nouveaux champs d'application pour la technologie des caméras 3D. Le traitement intégré des données est la prochaine étape logique pour l'optimisation de l'échange de données.

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