L utilisation de l USB 3.0 et USB3 Vision pour le traitement d images dans l industrie

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1 Livre blanc L utilisation de l USB 3.0 et USB3 Vision pour le traitement d images dans l industrie Traduction du white paper «USB 3.0 and USB3 Vision for users in industrial image processing écrit par NET GmbH En suivant des normes, les utilisateurs sont capables d intégrer du traitement d images, ou leurs composantes, dans un système parfaitement adapté et fonctionnel. Ils gagnent du temps et des ressources pour le développement de solutions propriétaires, diminuant ainsi leur coût d investissement. L offre de normes disponibles et la variété des produits - spécialement pour l USB 3.0 présenté dans ce document donne à l utilisateur une considérable latitude pour choisir la solution la plus conforme. Dans ce livre blanc, les plus importantes caractéristiques de l interface USB 3.0 du point de vue utilisateur et ces avantages pour des applications industrielles de traitement d images sont illustrés. Les aspects essentiels qui sont significatifs quand il faut prendre une décision sont présentés le plus simplement possible. Depuis qu il a été introduit sur le marché il y a 20 ans, l interface Universal Serial Bus (USB) est devenu le standards le plus commun utilisé pour les transferts de données série entre les ordinateurs et les appareils périphériques. Dans la version USB 3.0, l interface peut également être utilisée sans restriction pour le traitement d images. Hormis la fonction standard «plug & play», les utilisateurs bénéficient d une meilleur stabilité et d une fiabilité de transmission entre la caméra et l unité centrale, de plus d efficacité dans l usage des ressources disponibles de l ordinateur et, en particulier, la capacité d optimiser leur application de façon différente. De plus, la norme USB3 Vision et les caractéristiques des caméras offrent aux utilisateurs plusieurs possibilités d optimiser leurs applications. Tâches d interface pour le traitement d images Les principaux avantages offerts par l USB 3.0 s illustrent par les fonctions basiques d interfaçage en traitement d images. Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 1/6

2 Figure 1 : Interface tasks in image processing La norme définit la mécanique de la connexion entre la camera et le PC et fixe le framework matériel et logiciel, ce qui fournit aux utilisateurs les bases pour une utilisation efficace en traitement d images. Les séquences inclus la reconnaissance de la camera, le contrôle/configuration de la caméra, la capture d image et le transfert de données depuis et vers la caméra. Cet ordonnancement est également appelé couche logicielle «software layer». La couche de transport «transport layer» spécifie la caméra, permet l accès au registre de la caméra, garantie le débit de données et transmet les évènements. Le «transport layer» est défini par l interface matérielle et demande une adaptation du bus pour l USB3 Vision une carte d acquisition n est pas nécessaire. Les fonctions de la caméra et d acquisition d images peuvent être accessibles pour le «transport layer». L utilisateur via le kit de développement logiciel (SDK) gère l acquisition d image grâce à l interface GenIcam. Les caractéristiques des performances pour l USB 3.0 et USB3 Vision Les caractéristiques des performances suivantes marquent l USB 3.0 comme étant une interface rapide, robuste et capable d effectuer du temps réel. Une large bande passante de 350 Mo/s permet un transfert d images hautes résolutions avec une large dynamique dans un temps très court, i.e avec une haute fréquence d images. Cela signifie que l USB 3.0 autorise une meilleure utilisation des capacités du capteur en ce qui concerne la vitesse de transfert. Les applications multi-camera bénéficient de cet avantage en particulier. La stabilité de l interface est une caractéristique critique pour le transfert de données. Les spécifications de l USB 3.0 et/ou l USB3 Vision garantissent une transmission fiable comme expliqué : - Due au fait que les données sont transférés via un câble blindé full-duplex, et aussi grâce aux propriétés améliorées du signal, l USB 3.0 respectent les exigences industrielles. - Selon les spécifications USB3 Vision, les connecteurs industriels USB 3.0 sont dotés de vis de blocage et des concentrateurs mécaniques sont disponibles pour des systèmes multi-caméras. Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 2/6

3 - Pour les applications multi-cameras, la voie de communications entre plusieurs caméras USB 3.0 et le bus USB est toujours ouverte. Cela signifie qu il n y a pas d interruption dans la communication bidirectionnelle entre le bus USB 3.0 et la caméra. Il n y a pas d interruption de transmission si la camera est déconnectée du concentrateur USB. - Les «CRC check sums» par paquets de données sont générés par la caméra et transmis au contrôleur réseau pour vérifier l exactitude des données et, quand cela est nécessaire, de corriger les données dans le contrôleur USB 3.0. En conséquence, les «resends» sont minimisés et le transfert des données images sont plus sûres. - Pour l USB3 Vision, le goulot d étranglement de la bande passante ne résulte pas d une perte de données images ou d une mauvaise image, mais simplement d un délai de transmission. Figure 2 : Exemple d'un système multi-camera Efficacité performance temps réel décrivent les compétences des systèmes de vision pour garantir une vitesse de transfert d image proches ou juste inférieur au préréglages du cycle machine. La norme USB 3.0 offre une large bande passante et un ensemble de caractéristiques qui offrent les capacités du temps réel : - Les données images sont envoyées par paquet de la caméra vers le contrôleur USB 3.0. La partie de l entête contenant les adresses des données par paquets est considérablement petit en mode «burst» comparé à la version USB 2.0. En conséquence, la bande passante disponible est utilisée plus efficacement pour avoir plus d information sur l image. - Le CPU n est pas utilisé pour le transfert de données car, grâce au transfert DMA (Direct Memory Access), le CPU a un accès direct à l image qui est déjà stockée dans la mémoire et n est pas impliqué dans la transmission. - La synchronisation de plusieurs cameras est faite plus efficacement avec l USB 3.0 grâce à la large bande passante. La synchronisation est réalisée avec la plus petite latence possible avec un signal de trigger qui est envoyé à la caméra maître, laquelle renvoie le signal aux autres caméras via les I/Os. Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 3/6

4 - Avec une mise à jour de l USB 2.0 vers l USB 3.0, les demandes continues pour les nouvelles données phénomène appelé «polling» - ne sont plus faites. Une réduction de la charge CPU est réalisée avec l aide du contrôleur USB, lequel signale un évènement Windows que si celui-ci est nécessaire. L amélioration de l utilisation de l alimentation signifie que seulement un tiers de l alimentation est requise pour le transfert de données. La consommation par caméra est de 4.5W (900 ma) à 5V, laquelle s est considérablement améliorée par rapport à l USB 2.0. La norme USB 3.0 précise la qualité du signal, et non la portée d émission ou la longueur de câble, des prolongateurs permettent d allonger la distance jusqu à 100 mètres en utilisant des câbles optiques. Aujourd hui, les câbles USB 3.0 du commerce ont approximativement une longueur de huit mètres. L USB3 Vision offre aux utilisateurs une liberté de choix par rapport au driver des caméras et leur SDK (voir chapitre Intégration camera et développement d applications ). Comme c est une interface de communication, l USB3 Vision définit comment la communication se fait entre la caméra et l ordinateur. Le protocole est basé sur le GenIcam. Chaque driver de camera supporte le standard GenIcam, les utilisateurs n ont plus besoin d installer un driver et un logiciel spécifique à chaque caméra. Exemple d application : Numérisation 3D avec 16 caméras Des solutions 3D rapides et à faible coût sont souvent demandées aux fabricants/ développeurs de produits. Cela implique le plus souvent des systèmes multi caméra à haute résolution. L application CultLab3D développée par Fraunhofer IGD qui contient au total 16 caméras USB 3.0, montre la possibilité d avoir des systèmes multi-caméras à faible coût. Le but est d acquérir rapidement des images détaillées de biens culturels pour pouvoir les étudier et les documenter. Pour cette application, il est décisif d avoir un traitement en temps réel, une capacité de pouvoir gérer d énorme quantité de données, et en particulier, de pouvoir précisément synchroniser les caméras. Pour cette raison, les cameras 3iCube ayant un excellent ratio coût/performance ont été utilisées pour cette application. Figure 3 : A gauche : Vue d'ensemble de l'application CultLab3D de Fraunhofer IGD. Au centre, la caméra 3iCube de NET GmbH. A droite, les résultats obtenus en temps réel. Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 4/6

5 L influence des caméras spécifiques sert à l application Suite à la standardisation des interfaces caméra et la définition des protocoles de communication (GenTL/GenIcam), les utilisateurs ont une grande latitude pour choisir leur matériel et leur logiciel sans avoir à utiliser leur propres ressources pour le développement de solution adaptée. Cette importante flexibilité signifie que la camera spécifique et le logiciel joue un rôle important dans la configuration de l application pour obtenir la meilleure image possible. Les fonctionnalités suivantes du driver des caméras 3iCube de NET contribue significativement à atteindre des résultats couleurs fiable, une qualité du signal et une reproduction des couleurs fidèle. Fidélité des couleurs Reproduire des couleurs en temps réel est cruciale pour un contrôle qualité fiable partout où les décisions doivent être prise dans un temps de production très court. Cependant, des facteurs perturbateurs tels que des conditions de lumière non homogènes ou une température de couleur incohérente rendent la reproduction plus difficile. La fonction «Correction Couleur» (CC), est un algorithme développé par NET GmbH pour fournir en temps réel les résultats couleur. La caméra doit être calibrée et synchronisée seulement une fois. Après que ces opérations soient effectuées, l utilisateur n a plus besoin d intervenir. Les caméras sont calibrées à l usine, mais l utilisateur peut calibrer lui-même la caméra pour son application. Figure 4 : tableau de référence dans la caméra pour la calibration couleur (correction en temps réel) Qualité du signal le ratio signal sur bruit reflète la qualité des informations visuels du capteur image. Pour obtenir un ratio idéal, NET GmbH a spécialement développé l algorithme temporal noise reduction (TNR), avec lequel les perturbations statistical noise sont significativement réduites. Reproduction couleur Les valeurs de luminosité ou de niveaux de gris sont généralement converties en valeur couleur en utilisant le filtre de Bayer. Ici, le choix de la mosaïque de Bayer a une influence majeure sur les informations couleurs réalisables. Un noyau 5x5 est utilisé dans les cameras 3iCube, permettant une reproduction couleur plus fidèle qu avec des noyaux de 2x2 ou 3x3 pixels. Intégration camera et développement d applications Une intégration rapide, une utilisation intuitive, une flexibilité d un logiciel déjà utilisé dans l entreprise et peu de maintenance - ces sont des points importants pour le succès d une solution de traitement d images du point de vue de l utilisateur. Les cameras USB 3.0/USB3 Vision et le logiciel SynView de NET GmbH rassemblent tous ces critères : Interface/driver Grâce aux standards GenTL/GenIcam, toutes les cameras qui sont compatibles avec ces standards sont intégrables. SynView, le logiciel d interface gratuit et développé par NET permet rapidement et facilement d utiliser les cameras USB3 Vision et Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 5/6

6 GigE Vision et contient tous les éléments nécessaires pour le développement et paramétrage des caméras. Figure 5 : Diagramme de fonctionnement SynView Développement d applications Une nouvelle application qui a été développé par le client sur la base de SynView fonctionne également avec les autres cameras compatibles avec ces standards mais aussi avec les caméras pour lesquelles une interface spécifique avec SynView a été développé. Cela fait une interface commune et standardisé pour ces catégories de caméra. Le générateur de code de SynView réduit les temps de développement et configure l intégration du code dans leur application logicielle : les propriétés de la camera sont paramétrable dans l Explorer de sorte que l image souhaitée apparait dans l aperçu et le code source est prêt à l utilisation ou un projet peut être directement utilisé dans MS Visual Studio grâce à un seul clic. L API SynView simplifie encore plus l utilisation du standard GenTL et crée une interface complètement orienté objet et très simple à mettre en œuvre. Une liste exhaustive de langage orienté objet tel que C++, C# et Visual Basic.NET est supportée. SynView avec les cameras USB 3.0 fonctionne sous des architectures Windows et Linux 32 et 64 bit et est capable d intégrer un large nombre de caméra dans l application. Encombrement Les applications industrielles ont d importantes exigences en terme de taille, robustesse et d adaptabilité en fonction du besoin client. La version industrielle de la camera 3iCube (boitier en aluminium) mesure 30 x 30 x 31.5 mm (WxHxD) et la version caméra-carte mesure 28 x 28 x 22 mm (WxHxD). Ces dimensions les rendent idéales pour les applications où peut d espace est disponible. Réf modèle : M-MKT_en_tete_V2 Page 6/6