La société chinoise Hikvision est l'un des principaux fournisseurs de caméras de surveillance sur le marché mondial, dont la capitalisation est passée à 20 milliards de dollars l'année dernière.
La demande de systèmes de vidéosurveillance a considérablement augmenté ces dernières années en Chine et dans le monde. Les dirigeants de nombreuses régions et entreprises estiment que les caméras sont indispensables dans la construction de soi-disant «villes intelligentes» avec une surveillance généralisée.
La caméra thermique de Hikvision sortie en 2016 a attiré l'attention de System Plus Consulting pour une raison simple: l'IA.
Hikvision a créé la première caméra avec un système d'IA intégré, combinant des solutions logicielles et matérielles dans son produit. Cela a incité System Plus Consulting, une division de Yole Développement, à regarder sous le capot de cette caméra pour comprendre «quelles sont les solutions technologiques derrière elle».
Plus particulièrement, cette caméra incarne le meilleur des mondes de l'Est et de l'Ouest - «microbolomètre et processeur chinois» ainsi que «composants et dispositifs analogiques non chinois pour l'IA».
Parmi les concurrents de Hikvision dans cette spécialité figurent Dahua et Uniview basés en Chine, Bosch (Allemagne) et Axis (Suède).
Hikvision diffère d'eux en ce que «cette entreprise peut concevoir et fabriquer ses propres produits». La société chinoise possède sa propre ligne de production de MEMS, son emballage et ses tests, son montage en surface et l'assemblage final des composants.
Intel, Hikvision et Movidius (désormais Intel) fournissent trois composants clés uniques à la caméra en question:
- Module accordable Intel Peltier pour le traitement du signal numérique post-microbolomètre et le contrôle de la température
- Hikvision lui-même a développé une puce pour le traitement du signal d'image, le codage et le cryptage vidéo, et la fonctionnalité réseau
- Le processeur Movidius alimente l'IA pour le traitement d'image
Plus loin dans le texte, des spécialistes de System Plus Consulting démonteront cette caméra et en parleront en détail.
Chambre thermique
Une caméra thermique est capable de détecter la chaleur générée par le corps humain et de la convertir en une image à l'aide d'un processus d'analyse de signal sophistiqué. Les images sont reproduites en détectant et en analysant les températures. Ces dernières années, l'imagerie thermique a trouvé sa place dans des applications à faible coût grâce aux microbolomètres.
Les microbolomètres sont des capteurs qui détectent le rayonnement infrarouge. Ils sont constitués d'un réseau de points de détection (appelés "pixels") constitués de différentes couches et de différents matériaux absorbants tels que l'oxyde de vanadium ou le silicium amorphe (α-Si).
Lors d'une conversation avec System Plus Consulting, nous avons discuté des aspects techniques et structurels de la caméra thermique réseau Hikvision DS-2TD2166-15 / V1. Les spécialistes techniques de System Plus Consulting ont parlé de la structure électronique et matérielle de l'équipement du système, en soulignant les différents éléments qui le composent.
La caméra réseau thermique Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 est équipée d'un capteur d'image basé sur des matrices plan focal en oxyde de vanadium non refroidies (Figure 1). Il prend en charge des algorithmes d'analyse intelligents pour plusieurs infrastructures critiques telles que les aéroports, les chemins de fer, etc. Cette caméra thermique est basée sur plusieurs chipsets, comme le microbolomètre RTD6171MR de 640 × 512 pixels (pas de 17 µm); FPGA Cyclone V 550 MHz 224 E / S (FBGA484); SDRAM 2 Go (128Mx16) 800 MHz 13,75 ns (TFBGA96); Régulateur de température pour module Peltier (TQFN48); Système sur puce pour caméras IP HD professionnelles; Processeur de vision industrielle 2x32Bit RISC Proc. 4 Go LPDDR3; et DDR4 DRAM 8 Go (512Mx16) 2400 Mbps.
Les caractéristiques techniques et de conception rendent cette caméra idéale pour prévenir les incendies et détecter rapidement la surchauffe et les changements de température dans les usines et les processus de fabrication.
Les techniques d'analyse d'image de cette caméra permettent la détection d'événements dans l'espace et dans le temps à partir d'un flux vidéo continu. La caméra dispose de 4 types de règles pour l'analyse du contenu vidéo (franchissement de ligne, intrusion, entrée et sortie d'une région) et 4 autres peuvent être implémentées.
La caméra capture des images thermiques qui permettent aux utilisateurs de détecter des personnes, des objets et des accidents dans l'obscurité totale et dans des conditions difficiles. Étant donné que la caméra n'est sensible qu'au rayonnement infrarouge émis par les corps, sa capacité à visualiser et à enregistrer des images n'est pas affectée par la lumière de la scène enregistrée.
La caméra peut également mesurer la température réelle du spot surveillé. L'appareil émet une alarme lorsque la température dépasse un seuil. Jetons un coup d'œil au matériel de cette caméra.
Figure 1: Hikvision DS-2TD2166-15 / V1.
Matériel Hikvision
La caméra thermique se compose de 6 cartes, dont chacune est conçue pour répondre à un objectif spécifique. Regardons quelques parties (figures 2 et 3). FPGA Cyclone V SoC basé sur la technologie de processus 28 nm basse consommation (28LP) de TSMC; Il se compose d'un processeur ARM Cortex-A9 MPCore double cœur, d'une variété de périphériques et d'un contrôleur SDRAM multiport. L'utilisation de ce schéma permet des économies d'énergie et prend en charge un débit de pointe supérieur à 100 Gbit / s et une négociation de transfert de données entre le processeur et le FPGA.
Figure 2: Certaines cartes Hikvision.
Figure 3: PCB Hikvision 2.
Le composant de mise en forme / amplification du signal est constitué de différents microcircuits, en particulier l'amplificateur universel AD8605ARTZ-REEL, le double amplificateur LT6203IMS8 100 MHz et l'amplificateur différentiel LT1994IMS8 70 MHz. L'AD8605ARTZ présente une tension de décalage très faible, une tension et un bruit d'entrée faibles et une bande passante élevée. Il utilise la technologie brevetée Analog Devices, Inc. une technique de trim DigiTrim qui ajuste les performances du circuit en programmant les sources de courant.
Le LT6202 a une tension de bruit de 1,9 nV / √Hz et ne consomme que 2,5 mA par amplificateur. Cet amplificateur combine faible bruit et consommation de courant avec une bande passante de gain de 100 MHz, une vitesse de balayage de 25 V / μs, et est optimisé pour les systèmes à faible mise en forme d'entrée. La distorsion harmonique est inférieure à -80 dBc à 1 MHz, ce qui rend ces amplificateurs adaptés à une utilisation dans des systèmes d'acquisition de faible puissance tels que cette chambre thermique.
Le LT1994 est idéal pour les signaux décalés de niveau afin de piloter des entrées différentielles et des ADC à alimentation simple. La tension de sortie en mode commun du LT1994 est indépendante de la tension et est régulée en appliquant une tension à la broche VOCM comme décrit dans sa fiche technique.
Les ADC 16 bits ADS1112IDGSR et LT3042IDD prennent en charge une communication cohérente avec les FPGA. Le DS1112 est conçu pour les applications nécessitant des mesures haute résolution où la mémoire et la consommation d'énergie doivent être prises en compte. Le LT3042IDD est un régulateur de tension linéaire à faible chute conçu pour alimenter les applications RF sensibles au bruit. Il existe d'autres circuits intégrés sur les cartes 3 et 1 pour prendre en charge l'alimentation de leurs sous-systèmes intégrés respectifs tels que les régulateurs linéaires et les convertisseurs abaisseur.
Le détail principal qui détermine 80% du coût est un microbolomètre (oxyde de vanadium). Il est soutenu par un composant Peltier avec un circuit de contrôle de température.
Lentilles
Le module principal supportant le microbolomètre est constitué de différentes lentilles pour optimiser les rayons infrarouges sur les capteurs. Sur les figures 4 et 5, on voit une lentille en germanium d'un diamètre de 19,6 mm et deux lentilles en triséléniure d'arsenic (As2Se3) de diamètres différents - 17,6 mm et 27,6 mm.
Figure 4: module de caméra.
Figure 5: Module d'objectif.
En optique, il existe un nombre d'ouverture (parfois appelé rapport focal ou ouverture relative), qui exprime la zone de perception de la lumière. Autrement dit, la distance focale divisée par le diamètre de l'ouverture.
Une lentille avec un diamètre d'ouverture plus grand laisse passer plus de lumière ou de rayonnement infrarouge. Par conséquent, plus de rayonnement infrarouge améliore les mesures en termes de rapport signal sur bruit. Le paramètre qui détermine la qualité de la mesure est appelé «NETD» ou «différence de température équivalente au bruit». Il est généralement exprimé en milli-Kelvin (mK) et exprime à quel point le détecteur d'image thermique peut distinguer de petites différences dans l'image thermique. Les valeurs typiques des caméras thermiques non refroidies avec microbolomètres sont de l'ordre de 45 mK.
Microbolomètre
Les grilles de résistances de pixels forment des capteurs non refroidis. Ces capteurs sont appelés microbolomètres. Tout rayonnement entrant dans l'absorbeur augmente sa température au-dessus de la température de la résistance. Plus la consommation électrique est élevée, plus l'élévation de température est élevée. La valeur de la résistance change en fonction du rayonnement incident (l'influence du rayonnement infrarouge, qui chauffe la surface, est particulièrement forte). Chaque pixel est représenté par une cellule CMOS d'entrée (circuit intégré de lecture -ROIC) et traité par le microcircuit pour créer une image sur un ordinateur ou un moniteur à l'aide d'un FPGA (figures 6 et 7). Habituellement, la structure des microbolomètres est optimisée pour une sensibilité plus élevée dans la gamme spectrale de 8 à 14 µm. Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 utilise le capteur IRAY RTD6171MR avec une résolution de 640 × 512 pixels (pas de 17 μm),60 Hz (sortie analogique) et SMD.
Figure 6: Microbolomètre - IRAY RTD6171MR.
Figure: 7. Microbolomètre RTD6171MR 17 microns - démontage.
Le getter réduit considérablement le dégagement de gaz et maintient une basse pression dans la cavité corporelle.
System Plus a mis en évidence les caractéristiques physiques du microbolomètre, résumées ci-dessous:
- Surface de la matrice: 175,2 mm² (13,6 x 12,8 mm)
- Zone de pixels: 96,4 mm² (10,9 x 8,85 mm)
- Matrice de pixels: 641 x 520
- Matrice de pixels active: 640 x 512
- Nombre de substrats: 107
- Connexion filaire: 32
En l'analysant de l'intérieur, on voit que le réflecteur est situé sous le matériau absorbant et est en contact avec le substrat, ce qui redirige la lumière pour optimiser le signal. Le matériau absorbant est «suspendu» au substrat pour fournir une isolation thermique, tandis que la grille de pixels est scellée sous vide pour améliorer la durabilité et la fiabilité. La plupart des microbolomètres utilisés dans les caméras thermiques utilisent l'oxyde de vanadium comme matériau absorbant en raison du meilleur contraste thermique, qui fournit des images plus précises et plus claires.
Les détecteurs d'oxyde de vanadium ont une impédance d'environ 100 kΩ pour la résistance médiane, par opposition aux détecteurs α-Si, qui ont généralement une impédance d'environ 30 MΩ. Dans ces conditions, l'oxyde de vanadium a une tension de bruit Johnson plus faible, et donc les mesures seront moins bruyantes. La tension de bruit Johnson dépend de trois conditions: la valeur nominale de la résistance, la bande passante du circuit et la température.
La chambre est équipée d'un système de température de référence et de stabilisation de température Peltier, équipé d'un DAC AD5645RBRUZ à quatre canaux 14 bits avec référence intégrée et d'un régulateur de température MAX1978ETM + T pour le composant Peltier.
Les éléments Peltier sont des dispositifs thermoélectriques peu coûteux utilisés pour les générateurs de puissance, le refroidissement et le contrôle précis de la température et, comme avec cette chambre, pour maintenir une température d'objet constante à un niveau donné. Les éléments Peltier sont basés sur des phénomènes thermoélectriques. Ces phénomènes sont basés sur la formation d'une différence de niveau de tension dans les jonctions PN de deux matériaux métalliques différents.
Le MAX1978 est doté de transistors à effet de champ de puissance intégrés et de circuits de gestion thermique qui minimisent les composants externes tout en maintenant un rendement élevé. Un amplificateur hacheur à dérive ultra-faible offre une stabilité de température de ± 0,001 ° C. Le capteur de température est situé sur le module d'objectif et est basé sur une thermistance NTC / PTC. Un capteur de température numérique en option, TMP75AIDRG4, surveille la température (ambiante) du système directement contrôlée par le FPGA.
Contrairement à d'autres types d'équipements de détection infrarouge, les microbolomètres à oxyde de vanadium ne nécessitent pas de réfrigération. L'oxyde de vanadium se comporte différemment selon la température. Le verre enduit bloque le rayonnement infrarouge (mais pas la lumière visible) à des températures spécifiques, ce qui permet à l'électronique de la caméra de traiter une image du spectre électromagnétique et de la reproduire en pseudo couleurs.
Autres modules
La caméra thermique prend en charge la transmission RS232 (via SP3232EEN-L) pour les interfaces industrielles et la transmission Ethernet avec prise en charge RTL8201FI-VC-CG. La carte 6, comme le montre la figure 2, comprend un système d'alimentation CA / CC avec des diodes de suppression de tension transitoire pour protéger l'électronique des transitoires et des décharges électrostatiques.
Figure 2: Certaines des cartes de Hikvision.
La caméra thermique dispose également d'une interface PoE intégrée, qui est prise en charge par l'interface PD haute puissance TPS2378DDDAR PoE et le contrôleur Texas Instruments TL2845BDR-8. Ce dernier fournit toutes les fonctions nécessaires à la mise en œuvre des circuits de commande CC à fréquence fixe en mode autonome ou CC avec un minimum de composants externes.
La faible résistance de commutation (0,5 ohm) du TPS2378DDAR, combinée à la dissipation thermique améliorée du châssis PowerPAD, permet au système PoE de gérer en continu jusqu'à 0,85 A. Power over Ethernet (PoE) est une technologie qui transfère l'alimentation via un câble Ethernet: un appareil qui fournit un appareil alimenté est appelé une unité d'alimentation (PSE) et un appareil alimenté est appelé un appareil alimenté (PD). Lorsqu'un appareil alimenté est connecté à une source d'alimentation, la norme PoE détermine un courant d'appel pour éviter de fortes surtensions. De plus, la norme PoE fournit une prise de contact analogique (classification) entre l'alimentation et l'appareil alimenté pour l'adaptation de l'alimentation.
Le travail avec la vidéo sur la caméra est assuré par un système basé sur le SoC HI3519 V111. Il utilise le codec de compression vidéo H.265 et présente une faible consommation d'énergie et une conception architecturale. Hi3519 V101 prend en charge la rotation de 90 ° ou 270 °, la correction de la distorsion de l'objectif assistée par matériel, des algorithmes pour différents modèles de caméras IP et des codecs audio. Ce SoC est équipé de deux paires de mémoire DDR4 4 Go chacune et GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND 2 Mo SPI.
Processeur Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC. LPDDR3 4 Go à 933 MHz est situé sur la carte 4 (Fig. 2) et permet au système de reconnaître rapidement des objets et des personnes, d'analyser le nombre de personnes, de vérifier les produits fabriqués et bien plus encore. Un système de vision par ordinateur utilise l'apprentissage en profondeur pour former des réseaux de neurones qui guident les systèmes dans le traitement et l'analyse d'images.
Une variété de chambres thermiques avec des capteurs refroidis et non refroidis se démarque sur le marché. Les imageurs thermiques avec capteurs refroidis sont plus chers. De nombreuses caméras thermiques modernes ont des capteurs intégrés avec des refroidisseurs cryogéniques.
Grâce au microbolomètre, la caméra thermique offre une bonne précision à faible coût. La caméra mesure la température de surface de la chaleur émise par l'objet et la projette sous forme d'image.
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