Dans l’industrie – tout spécialement dans le monde des process
– les capteurs sont bien plus anciens que l’automatisation.
Nous avons tous vu au moins une fois, ces jauges circulaires
surmontant un équipement pour indiquer sa température ou sa
pression interne.
Avec la digitalisation qui est le
fondement de l’industrie du Futur, les
capteurs vont jouer un rôle encore plus
stratégique que précédemment. Par exemple,
ils seront sous peu, directement intégrés dans
les produits eux-mêmes, afin de permettre aux
entreprises industrielles de mieux connaître la
manière dont ils sont utilisés pour optimiser
encore les méthodes de production et
améliorer la qualité.
Mais le numérique ne permet pas seulement
de multiplier les capteurs à vil coût et d’en
étendre l’usage à tous les échelons de
l’entreprise. L’apparition de technologies de
plus en plus performantes et sensibles, ont
permis de mettre au service de l’industrie des
équipements bien plus sophistiqués comme
les caméras industrielles. Il ne s’agit plus ici,
d’utiliser la rupture d’un faisceau lumineux pour
déclencher une cascade d’opérations mais bien
d’exploiter des images en haute définition à la
volée dans le flux de production.
Dans l’industrie textile par exemple, la vision
industrielle est exploitée pour détecter les
défauts dans une trame de tissage ou les
erreurs d’impression. Dans les industries
mécaniques, les caméras à haute résolution
permettent de détecter les défauts de surface,
des images en 3D garantissent la conformité
des montages et des scanners assurent le
contrôle des formes, notamment dans les
industries aéronautique et automobile.
Plus que toute autre méthode de détection,
la vision numérique est donc emblématique
de la quatrième révolution qui bouleverse
aujourd’hui l’industrie.
LA VISION INDUSTRIELLE,
C’EST PAS DU CINÉMA !
En termes de volumes de données transmises,
les images numériques sont comme chacun
sait, de grandes consommatrices de bande
passante, spécialement lorsqu’il s’agit de
produire de la haute définition.
Rappelons qu’une seule 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 (raw ) à quelque
6 millions d’octets. 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 mais il faut
encore se souvenir qu’une vidéo nécessite de
produire entre 24 et 30 images par seconde,
soit un flux d’environ 150 à 180 Mo/s à l’état
brut à la sortie d’une seule caméra.
Reste que les exigences de l’industrie
manufacturière se sont guère comparables
à celle de l’industrie du divertissement. Si ce
qui précède colle assez bien au standard de
la production d’images pour la télévision, le
contrôle industriel nécessite parfois des débits
beaucoup plus importants. Par exemple, les
cadences de production peuvent imposer
d’accroître la densité d’images 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…
TROIS APPROCHES
POUR L’IMAGERIE
À HAUT DÉBIT
Dans le cas d’une application industrielle, il
n’est pas envisageable de stocker les images
prises localement à la volée pour les dépouiller
ultérieurement. L’immense majorité des
utilisations de dispositifs de vision industrielle
requiert le traitement immédiat et automatisé
des images.
A cette fin, il faut impérativement transporter
les flux d’information vers un système ad
hoc qui pourra détecter par exemple, des
anomalies à une vitesse bien plus élevée que
ne le ferait un opérateur, y compris dans des
conditions d’éclairage défavorables.
Il faut donc s’appuyer sur un moyen de
communication standardisé pour transporter
les images vers l’unité de traitement (frame
grabber ). Pour l’heure, trois standards
principaux s’offrent aux automaticiens :
Camera Link, GigE Vision et USB3 Vision.
CAMERA LINK,
LE PREMIER PROTOCOLE
TEMS RÉEL
Créé en 2000, Camera Link est un standard
de communication basé sur l’interface de
liaison série Channel-Link de 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 tous
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, l’alimentation des
périphériques via le câble série 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,
LA PUISSANCE ET LA
SOUPLESSE D’ETHERNET
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, créé sous l’égide d’une
douzaine d’entreprises 1 , 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’un 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.
Force est de reconnaître que 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 presque inégalée en ce qui concerne
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
– Gigabit Ethernet – 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).
GigE Vision apporte d’autres avantages
au développement de systèmes de vision
industrielle. Les ordinateurs personnels
ont généralement des interfaces Ethernet
intégrées, de sorte que ce standard permet aux
développeurs de créer un système de vision
industrielle complet en utilisant uniquement
une caméra et un PC.
GIGE VISION PASSE
EN VERSION… 2.0
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 porte le débit à 10
Gbits/s, soit un peu plus de 1 Go/s. Surtout, il
permet de synchroniser les systèmes multicaméras
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
orloge 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,
LA CONNECTIVITÉ LARGE
BANDE SIMPLISSIME
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 au 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.
