L’APPARITION DE
TECHNOLOGIES DE PLUS
EN PLUS PERFORMANTES
ET SENSIBLES, ONT PERMIS
DE METTRE AU SERVICE DE
L’INDUSTRIE DES ÉQUIPEMENTS
EXTRÊMEMENT SOPHISTIQUÉS :
LES CAMÉRAS INDUSTRIELLES.
DÉSORMAIS, DES CAPTEURS
2D TRAQUENT LES DÉFAUTS
DE SURFACE ET LES CAPTEURS
3D VONT JUSQU’À DÉTECTER
DES ERREURS DE MONTAGE ET
LES DÉFAUTS D’ASPECT SUR
DES VOLUMES AUX COURBES
COMPLEXES.
Plus que toute autre méthode de
détection, la vision numérique est
emblématique de la quatrième révolution
qui bouleverse l’industrie de nos jours. Des
contrôles peuvent être réalisés à grande
vitesse, non plus sur un échantillon mais sur
chacun des objets produits afin de tendre
vers le « zéro défaut ». Mais une telle
montée en charge qualitative requiert la
mise en place de canaux de
communication à très haut débit.
En termes de volumes de données
transmises, les images numériques sont de
grandes consommatrices de bande
passante, spécialement lorsqu’il s’agit de
produire de la haute définition. Une image
en Full HD se compose de 1 080 lignes
comportant chacune 1 920 points
(1 920 x 1 080), soit plus de 2 millions de
pixels au total. A cela s’ajoute le codage
permettant de nuancer et de différencier
les couleurs, nécessitant 1, 2 ou le plus
souvent, 3 octets par pixel portant le poids
d’une image à l’état brut à quelque
6 millions d’octets.
SPÉCIFICITÉS DE LA VISION
INDUSTRIELLE
Différentes techniques de compression à la
volée permettent de réduire le volume
d’une image avant de l’enregistrer ou de la
déposer sur un canal de communication
numérique. Il faut cependant se rappeler
qu’une vidéo nécessite de produire entre
24 et 30 images par seconde, soit un flux
d’environ 150 à 180 Mo/s à la sortie d’une
seule caméra. Or, le contrôle industriel
nécessite parfois des débits beaucoup plus
importants. Par exemple, les cadences de
production peuvent imposer d’accroître la
densité jusqu’à 48, 60 ou même,
120 images par seconde et bien sûr,
fonction du nombre de lignes de
production et du nombre de contrôles
nécessitant de faire appel à la vision
industrielle, les débits peuvent
littéralement exploser une fois que tous les
flux ont été agrégés…
L’immense majorité des utilisations de
dispositifs de vision industrielle requiert le traitement immédiat et automatisé des
images. A cette fin, il faut transporter les
flux d’information vers une unité de
traitement (frame grabber) capable de
détecter des anomalies à une vitesse bien
plus élevée que ne le ferait un opérateur et
ce, même dans des conditions d’éclairage
dégradées.
Il faut donc s’appuyer sur un moyen de
communication unifié pour transporter les
images vers l’unité de traitement, l’offre
actuelle se limitant à trois standards
principaux : Camera Link, GigE Vision et
USB3 Vision.
CAMERA LINK
Créé en 2000, Camera Link est un standard
de communication basé sur l’interface de
liaison série Channel-Link de National
Semiconductor. Il a été conçu dans le but
de normaliser les équipements vidéo à
destinations scientifiques et industrielles
tels que des caméras, des cartes d’acquisition, des câbles, etc. Ce standard
est géré par l’AIA (Automated Imaging
Association), un consortium dont l’activité
consiste à promouvoir la vision industrielle
et ses solutions commerciales.
S’agissant d’une spécification matérielle
qui standardise la connexion entre les
caméras et les cartes d’acquisition, la
connexion repose sur un câble spécifique
et un protocole standardisé. Ce dernier
comprend des dispositions pour le
transfert des données, la synchronisation
de la caméra et la signalisation en temps
réel.
Conçu pour assurer une communication
déterministe (temps réel) avec une bande
passante qui peut atteindre 850 Mo/s, le
standard est bien établi puisqu’on trouve
un large éventail de caméras et de cartes
d’acquisition de ce type qui sont toutes
interopérables, la reconnaissance
automatique des équipements (plug and
play ) pouvant être assurée par l’interface
logicielle GenICam.
La dernière version du standard a fait
apparaître de nouveaux connecteurs plus
compacts appelés Mini Camera Link
tandis qu’une évolution des spécifications
techniques a permis d’intégrer
l’alimentation de la caméra dans le port
série classique via Power over Camera
Link (PoCL) ou via une interface compacte
dite, PoCL-Lite.
Parmi les avantages offerts par Camera
Link, on peut noter la communication en
temps réel avec une latence extrêmement réduite et une bande passante élevée
puisqu’elle peut atteindre 850 Mo/s, ainsi
que l’alimentation des périphériques via le
câble série, ce qui facilite le déploiement
des équipements.
L’AIA promeut désormais Camera Link HS
pour rattraper le retard accumulé par le
protocole standard sur son concurrent
direct à savoir, GigE Vision. Outre une
réduction de la latence, Camera Link HS
supporte aussi les fibres optiques, ce qui
permet d’étendre la liaison jusqu’à 300 m
contre seulement 10 à 15 m avec un câble
à conducteurs en cuivre. La bande
passante évolue elle aussi avec des débits
qui peuvent atteindre de 300 Mo/s à
16 Go/s.
GIGE VISION…
GigE Vision est une norme d’interface
introduite en 2006 pour les caméras
industrielles à hautes performances. Il
supporte la transmission de données
vidéo à haut débit ainsi que le contrôle
et le pilotage des équipement au travers
d’une liaison Ethernet. Ce standard
compte aujourd’hui plus d’une
cinquantaine de supporters parmi les
entreprises spécialisées dans la vision
industrielle à travers le monde et l’AIA
supervise son développement.
En s’appuyant sur Ethernet et sur le
protocole IP dont le succès planétaire
n’est plus à démontrer, GigE Vision vise à devenir l’équivalent d’une norme
internationale unifiant les systèmes
d’échange de données et de production
de flux à partir de caméras industrielles.
Reste que GigE Vision n’est pas un
protocole ouvert puisqu’il faut souscrire
une licence pour développer des
logiciels et des pilotes de caméra.
A l’heure actuelle, les liaisons de type
Gigabit Ethernet (parfois abrégé en
« GigE » ) est l’interface de réseau qui
connaît la plus forte croissance dans le
monde industriel. Dans sa déclinaison
spécialisée pour la vision numérique,
c’est une interface qui, pour la première
fois, offre la possibilité de produire des
caméras capables de remplacer les
appareils analogiques dans presque
toutes les applications.
La liaison Gigabit Ethernet apporte une
flexibilité appréciable pour ce qui touche
à l’utilisation optimale de la bande
passante, la longueur des câbles et la
possibilité d’exploiter simultanément
plusieurs caméras. Sans le moindre
artifice, les débits peuvent atteindre
100 Mo/s avec une portée sur des câbles
en cuivre de type Cat6 qui va jusqu’à 100
mètres, sans répéteur, ni concentrateur.
Autre avantage pour les sites industriels,
les caméras GigE Vision peuvent
directement tirer leur énergie du réseau
par la compatibilité avec le standard
Power over Ethernet (PoE) en ayant recours à un câble Gigabit Ethernet
approprié connecté à une carte, un
commutateur ou un concentrateur PoE.
Cette solution élimine la nécessité
d’installer une alimentation et un câblage
distincts, ce qui simplifie l’installation et
en réduit le coût, sans parler des
applications où l’espace est compté.
En plus de s’appuyer sur une interface
physique connue et maîtrisée dans le
monde industriel, l’implémentation
logique du standard GigE Vision facilite
son intégration dans les logiciels de
traitement d’image via l’utilisation de
bibliothèques logicielles (API). Parmi les
avantages de l’interface GigE Vision, on
peut évidemment mentionner les taux
de transfert de données élevés mais
aussi, l’intérêt que représente le recours
à une infrastructure Ethernet souvent
préexistante, la possibilité de déployer
les équipements sur des distances
importantes, de connecter
simultanément plusieurs caméras au
système et bien sûr, la compatibilité
avec la technologie Power over Ethernet
(PoE).
… TOUJOURS PLUS RAPIDE
Pour accompagner la croissance des
besoins des entreprises en matière de
vision industrielle, le standard GigE Vision
connaît une évolution significative avec
l’arrivée de la version 2.0. En dépit de
transformations substantielles, le nouveau
standard reste compatible avec la base
installée, ce qui signifie que les caméras
GigE Vision 2.0 fonctionneront avec les
logiciels et les équipements conçus pour
GigE Vision 1.2.
Première évolution notable, ce GigE Vision
nouvelle vague, supporte la norme
10 Gigabit Ethernet qui pousse le débit à
10 Gbits/s, soit un peu plus de 1 Go/s.
Surtout, il permet de synchroniser les
systèmes multi-caméras avec précision et
d’intégrer les exigences du temps réel.
A cette fin, le standard GigE Vision 2.0
supporte le protocole PTP (Precision Time
Protocol) de la norme IEEE 1588. Ce dernier
permet d’assurer une planification des
échanges avec une précision de l’ordre de
la microseconde dans la synchronisation
des différents équipements composant le
système. Chaque équipement intègre une
horloge synchronisée avec celle du serveur
assurant la maîtrise des échanges
déterministes sur le réseau.
En plus de ces considérations concernant
la circulation des flux, on peut ajouter que
le standard GigE Vision 2.0 apporte de
nouveaux modes de codage des images
monochromes ou en niveaux de gris sur 1,
2 ou 4 bits et adopte des principes
normalisés d’entrelacement des données
de chrominance et de luminance (YCbCr).
La flexibilité de la structure a également
permis la création de caméras
intelligentes, telles que celles utilisées
dans les systèmes d’inspection. Un tel
équipement va par exemple, effectuer
automatiquement des mesures
systématiques et envoyer les résultats
vers un système central mais, en cas de
non-conformité, il peut également
envoyer une image de la pièce
défectueuse à un opérateur.
USB3 VISION
Comme les deux précédents, le standard
USB3 Vision est développé par un
consortium d’entreprises spécialisées dans
la vision industrielle dont l’AIA
coordonnent les initiatives.
Il s’inspire pour le débit des données de
l’interface série grand public USB 3.0 avec
un régime de croisière qui atteint
350 Mo/s. Là encore, l’aspect populaire de
l’interface permet de faciliter son
acceptation puisque les interfaces série
USB 3.0 sont aujourd’hui communes sur la
plupart des PC. On peut encore signaler
que le support de la fonction plug & play
est de nature à faciliter le déploiement
des équipements. Reste qu’il s’agit d’une
interface relativement nouvelle et qui n’a
pas encore pénétré le marché de la vision
industrielle.
Outre ces aspects, USB3 Vision peut, sur le
plan technique, aller de pair
avec une
faible charge du processeur puisque le
prétraitement de l’image peut être réalisé
à l’intérieur même de la caméra par un
circuit FPGA. Reste que l’équipement doit
être placé à moins de 8 m de l’unité qui va
recevoir les images.
Thierry PIGOT
