Das chinesische Unternehmen Hikvision ist einer der führenden Anbieter von Überwachungskameras auf dem Weltmarkt, der im vergangenen Jahr ein Kapital von 20 Milliarden US-Dollar erzielte.
Die Nachfrage nach CCTV-Systemen ist in den letzten Jahren sowohl in China als auch weltweit dramatisch gestiegen. Die Verantwortlichen vieler Regionen und Unternehmen sind der Ansicht, dass Kameras für den Bau sogenannter „Smart Cities“ mit umfassender Überwachung unverzichtbar sind.
Die 2016 veröffentlichte Wärmebildkamera von Hikvision erregte die Aufmerksamkeit von System Plus Consulting aus einem einfachen Grund: AI.
Hikvision hat die erste Kamera mit einem integrierten KI-System entwickelt, die sowohl Software- als auch Hardwarelösungen in seinem Produkt kombiniert. Dies veranlasste System Plus Consulting, eine Abteilung von Yole Développement, unter die Haube dieser Kamera zu schauen, um zu verstehen, "welche technologischen Lösungen dahinter stehen".
Vor allem verkörpert diese Kamera das Beste aus der Welt des Ostens und des Westens - "Chinesisches Mikrobolometer und Prozessor" sowie "nichtchinesische analoge Komponenten und Geräte für die KI".
Zu den Wettbewerbern von Hikvision in dieser Spezialität zählen Dahua und Uniview mit Sitz in China, Bosch (Deutschland) und Axis (Schweden).
Hikvision unterscheidet sich von ihnen darin, dass "dieses Unternehmen seine eigenen Produkte entwerfen und herstellen kann". Das chinesische Unternehmen verfügt über eine eigene MEMS-Produktionslinie, die diese verpackt und testet, oberflächenmontiert und fertig montiert.
Intel, Hikvision und Movidius (jetzt Intel) liefern drei Schlüsselkomponenten, die für die betreffende Kamera einzigartig sind:
- Das abstimmbare Intel Peltier-Modul ist für die digitale Signalverarbeitung nach dem Ablesen des Mikrobolometers und der Temperaturregelung verantwortlich
- Hikvision selbst hat einen Chip für die Bildsignalverarbeitung, Videokodierung und -verschlüsselung sowie für die Netzwerkfunktionalität entwickelt
- Der Movidius-Prozessor versorgt AI mit Bildverarbeitung
Weiter unten im Text werden Spezialisten von System Plus Consulting diese Kamera zerlegen und ausführlich darüber berichten.
Wärmekammer
Eine Wärmebildkamera kann die vom menschlichen Körper erzeugte Wärme erfassen und mithilfe eines ausgeklügelten Signalanalyseprozesses in ein Bild umwandeln. Bilder werden durch Erfassen und Analysieren von Temperaturen reproduziert. In den letzten Jahren hat die Wärmebildgebung dank Mikrobolometern Eingang in kostengünstige Anwendungen gefunden.
Mikrobolometer sind Sensoren, die Infrarotstrahlung erfassen. Sie bestehen aus einem Netzwerk von Erfassungspunkten (als „Pixel“ bezeichnet), die aus verschiedenen Schichten und verschiedenen absorbierenden Materialien wie Vanadiumoxid oder amorphem Silizium (α-Si) bestehen.
In einem Gespräch mit System Plus Consulting haben wir die technischen und strukturellen Aspekte der Hikvision DS-2TD2166-15 / V1-Netzwerk-Wärmebildkamera erörtert. Technische Spezialisten von System Plus Consulting sprachen über die Elektronik- und Hardwarestruktur der Systemausrüstung und hoben die verschiedenen Elemente hervor, aus denen sie besteht.
Die thermische Netzwerkkamera Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 ist mit einem Bildsensor ausgestattet, der auf ungekühlten Vanadiumoxid-Brennebenenarrays basiert (Abbildung 1). Es bietet Unterstützung für intelligente Analysealgorithmen für verschiedene kritische Infrastrukturen wie Flughäfen, Eisenbahnen usw. Diese Wärmebildkamera basiert auf mehreren Chipsätzen, wie dem RTD6171MR-Mikrobolometer mit 640 × 512 Pixel (17 μm Abstand); FPGA Cyclone V 550 MHz 224 I / O (FBGA484); SDRAM 2 GB (128 M × 16) 800 MHz 13,75 ns (TFBGA96); Temperaturregler für Peltier-Modul (TQFN48); System auf einem Chip für professionelle HD-IP-Kameras; Bildverarbeitungsprozessor 2x32Bit RISC Proc. 4 Gb LPDDR3; und DDR4-DRAM 8 GB (512 Mx16) 2400 Mbit / s.
Die technischen und konstruktiven Merkmale machen diese Kamera ideal, um Brände zu vermeiden und Überhitzung und Temperaturänderungen in Fabriken und Herstellungsprozessen schnell zu erkennen.
Die Bildanalysetechniken in dieser Kamera ermöglichen die Erfassung von Ereignissen in Raum und Zeit aus einem kontinuierlichen Videostream. Die Kamera verfügt über 4 Arten von Regeln für die Analyse von Videoinhalten (Überqueren von Linien, Eindringen, Betreten und Verlassen einer Region) und 4 weitere können implementiert werden.
Die Kamera erfasst Wärmebilder, mit denen Benutzer Personen, Objekte und Unfälle bei völliger Dunkelheit und schwierigen Bedingungen erkennen können Da die Kamera nur für Infrarotstrahlung von Körpern empfindlich ist, wird ihre Fähigkeit zum Anzeigen und Aufzeichnen von Bildern nicht durch das Licht in der aufgenommenen Szene beeinträchtigt.
Die Kamera kann auch die tatsächliche Temperatur des überwachten Punkts messen. Das Gerät gibt einen Alarm aus, wenn die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet. Werfen wir einen Blick auf die Hardware dieser Kamera.
Abbildung 1: Hikvision DS-2TD2166-15 / V1.
Hikvision Hardware
Die Wärmebildkamera besteht aus 6 Platinen, von denen jede für einen bestimmten Zweck ausgelegt ist. Schauen wir uns einige Teile an (Abbildungen 2 und 3). FPGA Cyclone V SoC basiert auf der 28-nm-Low-Power-Prozesstechnologie (28LP) von TSMC; Es besteht aus einem Dual-Core-ARM-Cortex-A9-MPCore-Prozessor, verschiedenen Peripheriegeräten und einem Multiport-SDRAM-Controller. Die Verwendung dieses Schemas bietet Energieeinsparungen und unterstützt einen Spitzendurchsatz von über 100 Gbit / s sowie die Datenübertragungsverhandlung zwischen Prozessor und FPGA.
Abbildung 2: Einige Boards von Hikvision.
Abbildung 3: Hikvision PCB 2.
Die Signalformungs- / Verstärkungskomponente besteht aus verschiedenen Mikroschaltungen, insbesondere dem Allzweckverstärker AD8605ARTZ-REEL, dem 100-MHz-Doppelverstärker LT6203IMS8 und dem 70-MHz-Differenzverstärker LT1994IMS8. Der AD8605ARTZ zeichnet sich durch eine sehr niedrige Offsetspannung, niedrige Eingangsspannung und Rauschen sowie eine hohe Bandbreite aus. Es verwendet die patentierten Analog Devices, Inc. Eine DigiTrim-Trimmtechnik, die die Schaltungsleistung durch Programmieren von Stromquellen anpasst.
Der LT6202 hat eine Rauschspannung von 1,9 nV / √Hz und verbraucht nur 2,5 mA pro Verstärker. Dieser Verstärker kombiniert geringes Rauschen und Stromaufnahme mit einer Verstärkungsbandbreite von 100 MHz und einer Anstiegsrate von 25 V / μs und ist für Systeme mit geringer Eingangsformung optimiert. Die harmonische Verzerrung beträgt weniger als -80 dBc bei 1 MHz, wodurch diese Verstärker für die Verwendung in Erfassungssystemen mit geringer Leistung wie dieser Wärmekammer geeignet sind.
Der LT1994 ist ideal für pegelverschobene Signale zur Ansteuerung von Differenzeingangs- und Einzelversorgungs-ADCs. Die Gleichtakt-Ausgangsspannung des LT1994 ist spannungsunabhängig und wird durch Anlegen einer Spannung an den VOCM-Pin reguliert, wie in seinem Datenblatt beschrieben.
Die 16-Bit-ADCs ADS1112IDGSR und LT3042IDD unterstützen eine konsistente Kommunikation mit FPGAs. Der DS1112 wurde für Anwendungen entwickelt, die hochauflösende Messungen erfordern, bei denen Speicher- und Stromverbrauch berücksichtigt werden müssen. Der LT3042IDD ist ein linearer Spannungsregler mit geringem Ausfall, der für die Stromversorgung von rauschempfindlichen HF-Anwendungen entwickelt wurde. Auf den Karten 3 und 1 befinden sich weitere ICs, die die Stromversorgung ihrer jeweiligen integrierten Subsysteme wie Linearregler und Tiefsetzsteller unterstützen.
Das Hauptdetail, das 80% der Kosten bestimmt, ist ein Mikrobolometer (Vanadiumoxid). Es wird von einer Peltier-Komponente mit einem Temperaturregelkreis unterstützt.
Linsen
Das Hauptmodul, das das Mikrobolometer trägt, besteht aus verschiedenen Linsen, um die Infrarotstrahlen auf den Sensoren zu optimieren. In den Abbildungen 4 und 5 sehen wir eine Germaniumlinse mit einem Durchmesser von 19,6 mm und zwei Linsen aus Arsentriselenid (As2Se3) mit unterschiedlichen Durchmessern - 17,6 mm und 27,6 mm.
Abbildung 4: Kameramodul
Abbildung 5: Objektivmodul.
In der Optik gibt es eine Aperturzahl (manchmal auch als Brennweitenverhältnis oder relative Apertur bezeichnet), die den Wahrnehmungsbereich des Lichts ausdrückt. Das heißt, die Brennweite geteilt durch den Durchmesser der Apertur.
Eine Linse mit einem größeren Aperturdurchmesser lässt mehr Licht oder Infrarotstrahlung durch. Folglich verbessert mehr Infrarotstrahlung die Messungen hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses. Der Parameter, der die Qualität der Messung bestimmt, heißt "NETD" oder "Noise Equivalent Temperature Difference". Sie wird normalerweise in Milli-Kelvin (mK) ausgedrückt und drückt aus, wie gut der Wärmebilddetektor kleine Unterschiede im Wärmebild unterscheiden kann. Typische Werte für ungekühlte Wärmebildkameras mit Mikrobolometern liegen in der Größenordnung von 45 mK.
Mikrobolometer
Die Pixelwiderstandsgitter bilden ungekühlte Sensoren. Solche Sensoren werden Mikrobolometer genannt. Jede Strahlung, die in den Absorber eintritt, erhöht ihre Temperatur über die Widerstandstemperatur. Je höher der Stromverbrauch ist, desto höher ist der Temperaturanstieg. Der Widerstandswert ändert sich in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung (der Einfluss der Infrarotstrahlung, die die Oberfläche erwärmt, ist besonders stark). Jedes Pixel wird durch eine Eingangs-CMOS-Zelle (ausgelesene integrierte Schaltung -ROIC) dargestellt und von der Mikroschaltung verarbeitet, um unter Verwendung eines FPGA ein Bild auf einem Computer oder Monitor zu erzeugen (6 und 7). Typischerweise ist die Struktur von Mikrobolometern für eine höhere Empfindlichkeit im Spektralbereich von 8 bis 14 um optimiert. Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 verwendet einen IRAY RTD6171MR-Sensor mit einer Auflösung von 640 × 512 Pixel (17 μm-Schritt).60 Hz (Analogausgang) und SMD.
Abbildung 6: Mikrobolometer - IRAY RTD6171MR.
Zahl: 7. Mikrobolometer RTD6171MR 17 Mikron - Demontage.
Der Getter reduziert die Gasentwicklung erheblich und hält einen niedrigen Druck in der Körperhöhle aufrecht.
System Plus hat die physikalischen Eigenschaften des Mikrobolometers hervorgehoben, die nachstehend zusammengefasst sind:
- Düsenfläche: 175,2 mm² (13,6 x 12,8 mm)
- Pixelfläche: 96,4 mm² (10,9 x 8,85 mm)
- Pixelmatrix: 641 x 520
- Aktive Pixelmatrix: 640 x 512
- Anzahl der Substrate: 107
- Kabelverbindung: 32
Wenn wir es von innen analysieren, können wir sehen, dass sich der Reflektor unter dem absorbierenden Material befindet und mit dem Substrat in Kontakt steht, das das Licht umlenkt, um das Signal zu optimieren. Das absorbierende Material wird an dem Substrat "aufgehängt", um eine Wärmeisolierung bereitzustellen, während das Pixelgitter vakuumversiegelt ist, um die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Die meisten in Wärmebildkameras verwendeten Mikrobolometer verwenden Vanadiumoxid als absorbierendes Material, da der Wärmekontrast besser ist und genauere und klarere Bilder liefert.
Vanadiumoxiddetektoren haben eine Impedanz von ungefähr 100 kΩ für den mittleren Widerstand im Gegensatz zu α-Si-Detektoren, die üblicherweise eine Impedanz von ungefähr 30 MΩ haben. Unter diesen Bedingungen hat Vanadiumoxid eine niedrigere Johnson-Rauschspannung, und daher sind die Messungen weniger verrauscht. Die Johnson-Rauschspannung hängt von drei Bedingungen ab: Widerstandsbewertung, Schaltungsbandbreite und Temperatur.
Die Kammer ist mit einem Referenztemperatur- und Peltier-Temperaturstabilisierungssystem ausgestattet, das mit einem vierkanaligen 14-Bit-AD5645RBRUZ-DAC mit integriertem Referenz- und MAX1978ETM + T-Temperaturregler für die Peltier-Komponente ausgestattet ist.
Peltier-Elemente sind kostengünstige thermoelektrische Geräte, die zur Stromerzeugung, Kühlung und präzisen Temperaturregelung verwendet werden und wie bei dieser Kammer die Temperatur eines Objekts auf einem bestimmten Niveau konstant halten. Peltier-Elemente basieren auf thermoelektrischen Phänomenen. Diese Phänomene beruhen auf der Bildung einer Spannungspegeldifferenz in den PN-Übergängen zweier verschiedener metallischer Materialien.
Der MAX1978 verfügt über integrierte Leistungsfeldeffekttransistoren und Wärmemanagementschaltungen, die externe Komponenten minimieren und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten. Ein Chopper-Verstärker mit extrem niedriger Drift bietet eine Temperaturstabilität von ± 0,001 ° C. Der Temperatursensor befindet sich am Linsenmodul und basiert auf einem NTC / PTC-Thermistor. Ein optionaler digitaler Temperatursensor, TMP75AIDRG4, überwacht die Systemtemperatur (Umgebung), die direkt vom FPGA gesteuert wird.
Im Gegensatz zu anderen Arten von Infrarotdetektionsgeräten benötigen Vanadiumoxid-Mikrobolometer keine Kühlung. Vanadiumoxid verhält sich je nach Temperatur unterschiedlich. Beschichtetes Glas blockiert Infrarotstrahlung (aber kein sichtbares Licht) bei bestimmten Temperaturen, sodass die Kameraelektronik ein Bild aus dem elektromagnetischen Spektrum verarbeiten und in Pseudofarben reproduzieren kann.
Andere Module
Die Wärmebildkamera unterstützt die RS232-Übertragung (über SP3232EEN-L) für industrielle Schnittstellen und die Ethernet-Übertragung mit RTL8201FI-VC-CG-Unterstützung. Die in Abbildung 2 gezeigte Platine 6 enthält ein AC / DC-Stromversorgungssystem mit Dioden zur Unterdrückung transienter Spannungen, um die Elektronik vor Transienten und ESD zu schützen.
Abbildung 2: Einige der Boards von Hikvision.
Die Wärmebildkamera verfügt außerdem über eine integrierte PoE-Schnittstelle, die von der PoE-Hochleistungs-PD-Schnittstelle TPS2378DDDAR und dem TL2845BDR-8-Controller von Texas Instruments unterstützt wird. Letzteres bietet alle Funktionen, die zur Implementierung von DC-Steuerschaltungen mit fester Frequenz im Standalone- oder DC-Modus mit einem Minimum an externen Komponenten erforderlich sind.
Der niedrige Schaltwiderstand (0,5 Ohm) des TPS2378DDAR in Kombination mit der verbesserten Wärmeableitung des PowerPAD-Gehäuses ermöglicht es dem PoE-System, kontinuierlich bis zu 0,85 A zu verarbeiten. Power over Ethernet (PoE) ist eine Technologie, die Strom über ein Ethernet-Kabel überträgt: ein Gerät, das bereitstellt Ein angetriebenes Gerät wird als Netzteil (PSE) und ein angetriebenes Gerät als angetriebenes Gerät (PD) bezeichnet. Wenn ein mit Strom versorgtes Gerät an eine Quelle angeschlossen ist, bestimmt der PoE-Standard einen Einschaltstrom, um große Spannungsspitzen zu vermeiden. Darüber hinaus bietet der PoE-Standard einen analogen Handshake (Klassifizierung) zwischen dem Netzteil und dem angetriebenen Gerät zur Leistungsanpassung.
Die Arbeit mit Video an der Kamera wird von einem System bereitgestellt, das auf dem HI3519 V111 SoC basiert. Es verwendet den H.265-Videokomprimierungscodec und zeichnet sich durch geringen Stromverbrauch und architektonisches Design aus. Hi3519 V101 unterstützt eine Drehung um 90 ° oder 270 °, eine hardwareunterstützte Korrektur der Objektivverzerrung, Algorithmen für verschiedene IP-Kameramodelle und Audio-Codecs. Dieser SoC ist mit zwei Paaren DDR4 4 GB Speicher und GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND 2 MB SPI ausgestattet.
Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc. LPDDR3 4Gb mit 933 MHz befindet sich auf Karte 4 (Abb. 2) und ermöglicht es dem System, Objekte und Personen schnell zu erkennen, die Anzahl der Personen zu analysieren, hergestellte Produkte zu überprüfen und vieles mehr. Ein Computer-Vision-System verwendet Deep Learning, um neuronale Netze zu bilden, die Systeme bei der Bildverarbeitung und -analyse leiten.
Eine Vielzahl von Wärmekammern mit gekühlten und ungekühlten Sensoren zeichnen sich auf dem Markt aus. Wärmebildkameras mit gekühlten Sensoren sind teurer. Viele moderne Wärmebildkameras verfügen über eingebaute Sensoren mit Kryokühlern.
Dank des Mikrobolometers bietet die Wärmebildkamera eine gute Genauigkeit bei geringen Kosten. Die Kamera misst die Oberflächentemperatur der vom Objekt abgegebenen Wärme und projiziert sie als Bild.
- Russlands erstes serielles Steuerungssystem für einen Zweistoffmotor mit funktionaler Trennung der Steuerungen
- In einem modernen Auto gibt es mehr Codezeilen als ...
- Kostenlose Online-Kurse in Automobil, Luft- und Raumfahrt, Robotik und Ingenieurwesen (50+)
- McKinsey: Elektroniksoftware und Architektur in der Automobilindustrie überdenken
Über ITELMA
Liste nützlicher Veröffentlichungen zu Habré