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    機器視覺

    技術干貨 | 在基于機器視覺的應用中,如何單線傳輸高分辨率視頻數據?

      2021年07月23日  

      人工智能 (AI) 正在從根本上改變機器視覺和成像應用的功能。邊緣 AI 是人工智能的一個分支,能在邊緣位置實現本地化決策,在新基建的 5G 網絡和物聯網等應用中扮演關鍵角色。通過在設備中部署與實現邊緣 AI,TI 幫助中國和全球客戶不斷加速這一關鍵技術在各行各業的落地,推動人工智能的實用化,為中國新基建發展添磚加瓦。邊緣 AI 使高分辨率成像數據實時分析的精度和靈敏度變得更高,并且能夠快速檢測模式或異常。這些功能正在為機器人輔助外科手術、基于 3D 成像的安全和監控平臺以及工廠自動化環境中基于視覺的工業機器人提供幫助。

      隨著傳感器技術的進步以及采用微型模塊化封裝的超高清或 4K 視頻圖像傳感器的實現,這種向基于邊緣 AI 處理的轉變成為可能。

      機器人輔助內窺鏡平臺和機器視覺攝像機等應用需要傳輸來自安裝在極小的探針尖端上的傳感器的高分辨率圖像數據,而該探針尖端通過極細的電纜與視頻采集和分析系統相連。來自視頻采集系統的控制信息同時流回到探針尖端,從而提供了一種通過傾斜和縮放等控制手段來控制探針尖端位置的方法。

      圖 1 展示了工業移動機器人這類基于視覺的控制系統,它們需要極低的延遲,以實現對高精度視頻數據的實時采集和分析。通過反向路徑傳輸控制信號以調整攝像機位置的過程也同樣需要低延遲。電纜和導體的數量、導體的尺寸以及傳感器端的功率耗散可能是空間受限應用(如內窺鏡和機器視覺)的重要限制因素。

      許多現有的高速接口技術可以幫助實現高分辨率視頻數據的可靠傳輸,但基于視覺的控制系統也存在缺點。例如,由于與協議相關的開銷,以太網等標準技術會產生額外的延遲。由于以太網物理層設備無法直接連接到傳感器的本地視頻接口,因此這些設備還需要額外的導線和元件(如晶體振蕩器)。例如,一個 4MP、30fps 的高分辨率成像儀可以生成大約 3.2Gbps 的視頻數據。單個基于千兆位的以太網鏈路(例如 1000-BaseT)無法提供足夠的吞吐量來承載這種未經壓縮的高分辨率數據,這會在圖像流中引入偽影,進而可能在基于機器視覺的視頻處理中導致錯誤。

      專用串行器/解串器 (SerDes) 技術(如 V3Link TSER953 串行器以及 TDES954 和 TDES960 解串器)協同工作,通過單根超細導線同時傳輸高分辨率視頻、控制信號和電力。這些器件有助于在傳感器和處理器之間建立鏈路,以聚合時鐘、未壓縮的視頻、控制、電力和通用輸入/輸出信號,如圖 2 所示。

      在該配置中,信號和電力通過正向通道傳輸,該通道從位于傳感器模塊中的串行器通往位于傳感器融合分析系統中的解串器或解串器集線器,同時,該通道還能傳輸控制信號和電力。

      V3Link 解串器還為所有連接的串行器提供嵌入式時鐘,從而實現跨多個傳感器的視頻同步,支持視頻拼接、圖像混合、立體視覺的 3D 重建和深度感應。使用 TDES960 內部生成的幀同步信號,您可以同步多個攝像機并實現 600ns 的精度,進而實現多個需要時間觸發的機器視覺應用。通過從反向通道中提取參考時鐘實現主時鐘同步,還能消除由為多個成像儀充當時鐘的不同振蕩器的相對漂移引起的同步誤差。

      用于減少信號損失和降低功耗的自適應均衡器技術

      除了支持視頻數據、控制信號和電力的單線傳輸之外,V3Link 器件還包含自適應均衡器技術,在 2.1GHz 頻率下可補償高達 21dB 的損耗,從而支持使用極細的 28 至 32 美國線規 (AWG) 電纜。AWG 編號數字越大,電纜越細,信號損耗也越高。

      較細的電纜更加靈活,可以支持傳感器在狹窄、空間受限的環境(如內窺鏡)中定位的應用。在同一根細電纜上傳輸電力和控制信號的功能也可以最大限度地減少導體的數量。

      在傳感器端 250mW 的典型功耗下,V3Link 串行器消耗的功率非常低,能夠將傳感器和串行器集成到非常緊湊的區域中,沒有功耗且不會發熱,從而不需要額外的空間。借助 V3Link 產品的專有主時鐘同步技術,傳感器端無需使用晶振或任何振蕩器,這進一步降低了成本和總體空間要求。

      結語

      從醫學成像應用到機器視覺攝像機,邊緣 AI 正在推動對實時視頻采集、傳輸和分析的需求。V3Link SerDes IC 可幫助工程師滿足這些需求,同時減少電纜數量并降低功耗和整體系統成本。V3Link 器件提供通用鏈路技術,非常適合大多數需要實時采集、傳輸和分析高分辨率視頻數據的應用。這些器件支持各種布線配置(如同軸電纜、非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線)以及多種時鐘模式(如同步和異步)。

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