Makine Görüşü Üzerine Bölüm 6

2.2. USB 3.0 Arayüzü ve USB3 Vision Standardı 

Son yıllarda USB 3.0 endüstriyel, tıbbi ve kitlesel pazar uygulamaları için önemli bir arayüz teknolojisi haline geldi. Teknik bir bakış açısından, USB 3.0, 350 MB/sn ‘ye varan aktarım bant genişlikleri için dikkate değerdir. USB 3.0 ayrıca tamamen tak ve çalıştır özelliğine sahiptir. Gerçek zamanlı uyumluluğu ve yüksek bant genişliği sayesinde USB 3.0; FireWire ve USB 2.0’ın yerini almaya başlamıştır. Piyasadaki her arayüzün kendine özgü güçlü yönleri vardır ve uygulamaya uygun şekilde seçilmelidir. USB 3.0, bant genişliği ve tak ve çalıştır uyumluluğu söz konusu olduğunda gerçekten etkileyiciyken, GigE kablo uzunluğu (100 metreye kadar) ve çoklu kamera kurulumlarıyla uyumluluk açısından daha iyi performans sunar. 

USB 3.0 arayüzü endüstriyel makine görüşü için USB3 Vision standardına tabidir. AIA (Automated Imaging Association) tarafından barındırılır ve görüntü işleme endüstrisinde kullanıldığında USB 3.0 arayüzü için resmi standart olarak hizmet eder. 

USB3 Vision standardının tasarımı, tüm modern endüstriyel kamera arayüzleri için ortak programlama arayüzü olan GenICam standardına dayanmaktadır. USB3 Vision ve GenIcam, görüntü aktarımı ve kameraların kontrolü sırasında kullanıcılara kararlılık ve düşük gecikme değerleri sunar. USB3 Vision sertifikalı kameraların, yazılımların ve aksesuarların kullanımı kullanıcılara birçok avantaj sunar. Çeşitli farklı kameralar kullanılabilir ve parçaları değiştirmek kolaydır; sistem kurulumundaki farklı donanım ve yazılım bileşenleri için yerleşik iletişim protokolleri de vardır. 

USB3 Vision standardı ayrıca, kablo konektörlerinin vidalamak için nasıl tasarlanması gerektiği gibi mekanik tasarımları da uyumlu hale getirir. Bu, arayüzün sağlamlığını artırır ve bileşenlerin birbiriyle değiştirilebilirliğini sağlar.

USB 3.0 arayüzünün avantajları: 

• 350 MB/sn’ye varan bant genişliklerini aktarın 
• Gerçek zamanlı uyumluluk 
• Yüksek kararlılık ve çok iyi hata işleme 
• Tüm görüntü işleme uygulamalarına basit entegrasyon 
• USB3 Vision aracılığıyla standardizasyon

2.3. GenICam (Generic Interface for Cameras) – Kameralar İçin Genel Bir Yazılım Arayüzü 

Şu anda makine görüşünde kullanılan kameraların tümü, kayıtlardaki parametreleri okuyup yazarak aşağı yukarı aynı şekilde yapılandırmaktadır. Bununla birlikte; protokoller, formatlar ve kayıt konumları, üreticiden üreticiye farklılık gösterme eğilimindedir. 

GenICam, evrensel olarak geçerli bir yazılım arayüzü sunar. Geniş bir standart arayüz yelpazesi için uçtan uca bir konfigürasyon arayüzü sağlar. GigE Vision, USB3 Vision, Camera Link ® ve IEEE 1394, tüm kamera türlerini ve görüntü formatlarını kapsar. Bu yaklaşım, kameraya özel konfigürasyona ihtiyaç duymadan GenICam standardıyla uyumlu kameraları bağlamayı kolaylaştırır. 

GenICam’in çalışması için, kameranın özelliklerinin bir XML Tanımlayıcı Dosyasında içermesi gerekmektedir. Bu dosyayı kullanarak, XML’den C++’a bir çeviri yaparak, doğrudan GenAPI adında bir uygulama programlama arabirimi veya bir Grafik Kullanıcı Arabirimini (GUI) oluşturur. Bu, kullanıcının kamera üzerinde bulunan kazanç, pozlama süresi gibi özelliklerine erişmesini sağlamaktadır. GigE Vision ve USB3 Vision standartları, bir GigE veya USB 3.0 arayüzüne sahip kameraların XML Tanımlayıcı Dosyası sağlamasını gerektirir. 

2.4. Gigabit Ethernet ve GigE Vision 

Gigabit Ethernet(GigE), endüstriyel görüntü işleme alanında dijital kameralar için en hızlı büyüyen arayüzdür. Hemen hemen her uygulamada analog cihazların yerini alabilecek kameralar üretme potansiyeli ilk kez sağlayan evrensel olarak uygulanabilir bir dijital arayüzdür. Gigabit Ethernet bant genişliği, kablo uzunluğu ve çoklu kamera işlevselliği açısından en geniş teknolojik esnekliği sunar. 100 MB/sn’ ye kadar veri hızları ve maksimum 100 metre kablo uzunluğu için doğru seçimdir. Birkaç kamerayla karmaşık durumları çok basit hale getirir.

  GigE Vision Standardı, yazılım kütüphaneleri aracılığıyla tüm görüntü işleme programlarına kolay entegrasyonu destekler. 

GigE arayüzünün avantajları: 

• Yüksek veri aktarım hızına sahiptir. 
• Mevcut Ethernet altyapısını kullanır. 
• Uzun kablolama imkanı vardır. 
• Tüm görüntü işleme uygulamalarına veya kütüphanelerine kolay entegre edilebilir. 
• Gigabit Ethernet ve GigE Vision standartları tarafından sağlanan yüksek derecede standardizasyon mevcuttur. 
• Veri kablosu aracılığı ile kamera için enerjinin sağlanması. (PoE) 

GigE Vision 2.0 Standart Sürümü: 

GigE Vision2.0, çoklu kamera sistemlerinin daha hassas bir şekilde senkronize edilmesine ve gerçek zamanlı olarak çalışmasına izin verir. Precision Time Protocol (PTP), GigE Vision 2.0 sürümünün önemli bir bileşenidir. PTP, sistem içindeki bileşenlerin zaman ayarlarını senkronize etmek için kullanılan yolu standartlaştırır (nanosaniyeye kadar). 

GigE Vision 2.0’ın Temel Bileşenleri: 

• Tüm ağ bileşenleri için paylaşılan, yüksek hassasiyetli bir zaman kaynağı PTP (Hassas Zaman Protokolü = IEEE 1588) 
• Kameralar için senkronize serbest çalışma 
• Eylem Komutu veya zamanlanmış eylem komutu ile ethernet üzerinden tetikleme, ek I / O kablosu gerekmez.

2.5. Camera Link 

Camera Link performans kategorilerindeki endüstriyel kameralar için tasarlanmış son derece sağlam ve güçlü bir arayüzdür. Camera Link ile birlikte kullanılabilen bant genişliği, küp şeker büyüklüğündeki çok küçük kameraların yanı sıra birkaç megapiksel çözünürlüklü ve genellikle saniyede birkaç yüz kare hıza sahip kameraları barındırabilir. Camera Link şu anda 100 MB / sn’ den yaklaşık 800 MB / sn’ ye kadar veri hızları için önerilen standart arabirimdir. Çünkü Camera Link endüstriyel kameralarda kullanılmak üzere özel olarak tasarlanmıştır, büyük miktarda veriyi kolay ve güvenli bir şekilde işleyebilir. 

Camera Link arayüzünün avantajları: 

• Yüksek veri hızı özelliği sayesinde mevcut tüm görüntü veri aktarım gereksinimlerinin kolay işlenmesi sağlanmaktadır. 
• Tanımlanmış konnektörler, kablolar, veri formatı ve kontrol sinyalleriyle standartlaştırılmış kamera / frame yakalayıcı entegrasyonu bulunmaktadır. 

2.6. Çoklu Kamera Sistemleri GigE Vision 2.0 

GigE (Gigabit Ethernet) en yaygın kamera arayüzlerinden biridir. GigE Vision 2.0, çoklu kamera sistemlerinin daha hassas bir şekilde senkronize edilmesini ve gerçek zamanlı olarak çalışmasını sağlar. GigE Vision 2.0; Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588 standardına uymaktadır. 

PTP birden fazla kamera arasında hassas zaman senkronizasyonu sağlamak için bir ağ protokolüdür. PTP’ nin bir ağ içerisinde çalışması için PTP’ ye uyumlu kameraların kullanılması gerekmektedir. PTP sayesinde tüm kameralar aynı sistem saatinde çalışmaktadır. Bu, tüm kameraların her bir görüntüyü aynı anda yakaladığı anlamına gelmektedir. GigE Vision 2.0 sayesinde Action Command’a bir PTP zaman damgası ekleyebiliriz. Bu sayede fiziksel tetikleme sinyalı için ayrıca I/O’ lar kullanmamıza gerek kalmamaktadır. Tetik sinyali Action Command ile Ethernet üzerinden yapılabilmektedir.

2.7. Embedded Vision Uygulamaları İçin Arayüz Seçimi 

Yapılacak sistemde büyük bir bilgisayarın kullanılmasını istemediğimiz durumlarda gömülü bir Sytem on Chip (SoC) sistemi kullanabiliriz. SoC, birbilgisayarın temel unsurlarını içeren elektronik bir bileşendir. Yerleşik grafik işleme birimi (GPU), özellikle görsel denetim görevleri için çok uygundur. Ayrıca tek bir çip üzerinde bir CPU, dahili veriyolları, arayüzler vb. vardır. SoC, PC işlemcisi kadar güçlü olmasa da birçok uygulama için yeterince iyidir. 

Küçük sistemlerde kutulu kamera çok büyük, çok pahalı ve çok güç tüketir. Bu yüzden bir kamera modülü kullanmak daha mantıklıdır. 

Kamera modülleri çeşitli arabirimler ile gelmektedir. En yaygın olanları USB 2.0 ve USB 3.0’dır. 

USB 2.0 çoğu SoC’de zaten mevcuttur. Bu arayüzün dezavantajı sadece 40 MB/s’ ye varan düşük bant genişliğidir. Bu durum yüksek çözünürlüklü sensörleri daha yüksek hızda çalıştırmayı imkansız kılar. 

USB 3.0, 360 MB/s’ye varan bant genişliği sağlar. Modüler USB3 Vision standardını sağlıyorsa entegrasyonları kolaydır. USB’nin Plug&Play özelliği sayesinde modüllerin gömülü uygulamaya entegre edilmesini çok kolaylaştırır. Yalnızca birkaç üst düzey SoC’de USB 3.0 arabirimi mevcuttur. 

Bazı kamera modülleri, arabirimleri ile birlikte gelir. Genel olarak düz esnek kablolarla sisteme bağlanırlar. Field Programmable Gate Array (FPGA)’ lere bağlanmak üzere tasarlanmıştır. Gömülü sistemin ana çekirdeği bir FPGA’ dan oluşuyor ise bu arayüzler iyi bir seçim olabilir. 

MIPU CSI-2 Mobile Industry Processor Interface Alliance tarafından standartlaştırılmış bir arayüzdür. Mobil uygulamalar için veya bir akıllı telefonun kamera modülünü bir SoC’ ye bağlamak için en yaygın arayüzdür. Yüksek çözünürlüklü kamera modülleri yüksek hızda çalıştırılabilir.