« Normes de trans­mis­sion de don­nées : une af­faire de com­pro­mis »

La vi­sion in­dus­trielle joue un rôle im­por­tant dans l’amé­lio­ra­tion des pro­ces­sus de fa­bri­ca­tion, grâce no­tam­ment à une ap­proche «ho­lis­tique» des sys­tèmes de vi­sion et à l’évo­lu­tion des normes de trans­mis­sion des don­nées dé­diées, comme nous l’ex­plique Ar­nau

Mesures - - Front Page - Propos recueillis par Pas­cal Coutance

Mesures. En quoi la vi­sion in­dus­trielle a-t-elle amé­lio­ré les pro­ces­sus de pro­duc­tion? Ar­naud Des­truels. Les sys­tèmes de vi­sion in­dus­trielle ont consi­dé­ra­ble­ment amé­lio­ré la vi­tesse, la qua­li­té et le coût de fa­bri­ca­tion et de pro­duc­tion de biens de consom­ma­tions dans d’in­nom­brables sec­teurs d’ac­ti­vi­té. La tech­no­lo­gie a per­mis une dé­tec­tion qua­si par­faite d’er­reurs et la pos­si­bi­li­té de suivre les pro­duits dans tout le sys­tème de pro­duc­tion, per­met­tant ain­si la sé­lec- tion/le pla­ce­ment avec une pré­ci­sion ex­cep­tion­nelle. La vi­sion in­dus­trielle a beau­coup oeu­vré pour la qua­li­té et l’op­ti­mi­sa­tion de la pro­duc­tion avec un bond en avant énorme dans des dé­bou­chés aus­si di­vers que la pro­duc­tion ma­nu­fac­tu­rière, l’in­dus­trie phar­ma­ceu­tique, l’agri­cul­ture, les tech­no­lo­gies et les sys­tèmes d’in­for­ma­tion ou l’as­sem­blage de cartes élec­tro­niques, pour ne ci­ter que ces quelques exemples. En outre, la vi­sion in­dus­trielle, ce n’est pas seule­ment pour un sous-en­semble de pro­cé­dés, mais pour un en­semble presque illi­mi­té de pro­cess : des sys­tèmes d’ins­pec­tion des voi­tures (qui ré­duisent les rap­pels construc­teurs) à la fa­bri­ca­tion des montres de luxe (un sec­teur où, au­pa­ra­vant, seule la fia­bi­li­té des maîtres ar­ti­sans était digne de confiance), en pas­sant par le tri de la nour­ri­ture dans l’in­dus­trie agroa­li­men­taire. Grâce aux pro­grès tech­no­lo­giques de la vi­sion, les dis­po­si­tifs de pro­duc­tion ont pu se sur­pas­ser en termes de pré­ci­sion et de qua­li­té afin de mieux gé­rer les pro­blèmes de coût et de vi­tesse de fa­bri­ca­tion, en évi­tant les faux po­si­tifs ou les faux né­ga­tifs et ce­la, de ma­nière plus éco­no­mique qu’au­pa­ra­vant et sans ra­len­tir la chaîne de pro­duc­tion.

Mesures. Quelle est la part du cap­teur – dont les pro­grès ont été im­por­tants ces der­nières an­nées – dans le dé­ve­lop­pe­ment et les ca­pa­ci­tés des sys­tèmes de vi­sion? Ar­naud Des­truels. La concep­tion du sys­tème ou du mo­dule de vi­sion ar­ti­fi­cielle le mieux adap­té à une ap­pli­ca­tion don­née, va bien au-de­là du simple choix du cap­teur. Ce­la passe bien évi­dem­ment par le choix du cap­teur lui­même, jus­qu’à la ma­nière dont le mo­dule ca­mé­ra est op­ti­mi­sé pour ti­rer le meilleur par­ti des per­for­mances de ce cap­teur, des fonc­tions de pré et de post­trai­te­ment, du contrôle de l’éclai­rage et du nombre de ca­mé­ras né­ces­saires pour cap­tu­rer plu­sieurs angles de vue et fré­quences lu­mi­neuses adé­quates. En ré­su­mé, il est es­sen­tiel d’avoir une ap­proche de concep­tion ho­lis­tique qui tire le meilleur par­ti du cap­teur. Ce­la a tra­di­tion­nel­le­ment été un fac­teur de dif­fé­ren­cia­tion pour les mo­dules de ca­mé­ra de So­ny. Qui plus est, un élé­ment clé de cette concep­tion ré­side dans la fa­çon dont les don­nées sont trans­mises à par­tir de la ca­mé­ra, de sorte que les don­nées ne soient ni per­dues ni ra­len­ties.

Mesures. Quel est l’état des lieux des normes de com­mu­ni­ca­tion clés en vi­gueur dans le do­maine de la vi­sion in­dus­trielle? Ar­naud Des­truels. Comme le montre la fi­gure 1, en zone EMEA (Eu­rope,

Moyen-orient, Afrique), mal­gré le dé­ve­lop­pe­ment de nou­velles tech­no­lo­gies de connec­ti­vi­té et de trans­mis­sion des don­nées is­sues des ca­mé­ras de vi­sion, les pré­vi­sions pour 2021 sug­gèrent que les trois normes do­mi­nantes ac­tuelles –à sa­voir Gige Vi­sion, Ca­me­ra Link et USB Vi­sion (com­bi­nant le 2.X et le 3.X)– conti­nue­ront à do­mi­ner le mar­ché à cette échéance. Ces trois seules normes équipent des sys­tèmes de vi­sion qui re­pré­sentent 83% du mar­ché glo­bal des équi­pe­ments de vi­sion in­dus­trielle en termes de re­ve­nus. La fi­gure2 dé­taille la ré­par­ti­tion pré­vue pour 2021 en zone EMEA des normes les plus cou­ram­ment uti­li­sées, y com­pris une ré­par­ti­tion entre USB 2.X/3.X. Mesures. Com­ment faire le bon choix par­mi ces normes? Ar­naud Des­truels. C’est une af­faire de com­pro­mis. On peut dire que l’un des com­pro­mis les plus im­por­tants –si­non le plus im­por­tant– à faire dans un pro­jet de vi­sion in­dus­trielle est ce­lui de la bande pas­sante par rap­port à la dis­tance de trans­mis­sion des don­nées is­sues du sys­tème de vi­sion. L’autre com­pro­mis à prendre en compte, im­mé­dia­te­ment après, est ce­lui entre bande pas­sante et coût/com­plexi­té du sys­tème. Les fi­gures 3a et 3b montrent com­ment les trois prin­ci­pales normes de trans­mis­sion en vi­sion in­dus­trielle réa­lisent ces dé­li­cats équi­libres. Une bande pas­sante plus large per­met d’in­clure un plus grand nombre de fonc­tion­na­li­tés sur la ca­mé­ra. Si nous re­gar­dons le mo­dèle So­ny XCL-SG510, par exemple, il uti­lise la bande pas­sante de la norme Ca­me­ra Link pour en­voyer des images de 5,1 mé­ga­pixels à 54 trames/se­conde (fps), mais il l’ex­ploite éga­le­ment pour ac­ti­ver des fonc­tion­na­li­tés plus avan­cées qui, elles aus­si, sont consom­ma­trices de bande pas­sante –telles qu’une large plage dy­na­mique– dans les­quelles de mul­tiples images sont cap­tu­rées sui­vant dif­fé­rents ni­veaux d’ex­po­si­tion et per­mettent de re­créer une image com­po­sée pour faire res­sor­tir des dé­tails sup­plé­men­taires. Comme le montrent les fi­gures 3a et 3b, le pas­sage à L’USB (par exemple, avec le mo­dèle XCU-CG160 de So­ny) aug­mente consi­dé­ra­ble­ment la bande pas­sante dis­po­nible.

Mesures. Cer­taines de ces normes pos­sèdent-elles des spé­ci­fi­ci­tés par­ti­cu­lières? Ar­naud Des­truels. Comme men­tion­né au­pa­ra­vant, un autre com­pro­mis im­por­tant à prendre en compte dans la concep­tion d’un sys­tème de vi­sion concerne la bande pas­sante par rap­port au coût et à la com­plexi­té du sys­tème, no­tam­ment le nombre de ca­mé­ras qui doivent être pla­cées sur un ré­seau. À ce titre, cer­taines normes per­mettent d’amé­lio­rer les vi­tesses de trans­mis­sion par des câbles sup­plé­men­taires. C’est par exemple le cas de la norme Coax­press CXP-6 Quad qui uti­lise 4 câbles pour sup­por­ter des dé­bits de don­nées de 25Gbit/s (4x6,25 Gbit/s). Cette ca­pa­ci­té à aug­men­ter la vi­tesse avec plu­sieurs câbles est éga­le­ment vraie pour Ca­me­ra Link, mais la vi­tesse to­tale

dé­pend de la confi­gu­ra­tion choi­sie (ba­sique, moyenne, com­plète, com­plète éten­due) et ne consiste pas en un simple dou­blage. En plus de ce­la, il faut men­tion­ner la ca­pa­ci­té de la norme Gige à uti­li­ser L’IEEE 1588 pour ré­duire le coût glo­bal du sys­tème dans les sys­tèmes mul­ti­ca­mé­ras syn­chrones en évi­tant de faire ap­pel à du ma­té­riel sup­plé­men­taire comme une puce de syn­chro­ni­sa­tion GPS, comme nous ver­rons plus loin.

Mesures. L’adop­tion de ces normes dif­fère se­lon les ré­gions du monde. Cette ré­par­ti­tion géo­gra­phique peu­telle évo­luer ? Et qu’ap­por­te­ront les normes de pro­chaine gé­né­ra­tion? Ar­naud Des­truels. La norme de trans­mis­sion choi­sie doit éga­le­ment fonc- tion­ner avec l’infrastructure exis­tante, ce qui va­rie consi­dé­ra­ble­ment, en ef­fet, d’une ré­gion du monde à l’autre. En Ex­trême-orient, par exemple, Ca­me­ra Link est très uti­li­sé, alors qu’en Eu­rope, Gige dé­tient plus de 50% des parts de mar­ché. Mais ce­la peut évo­luer. Les conver­sa­tions que nous avons avec nos clients sug­gèrent une ap­proche prag­ma­tique de la concep­tion de ces sys­tèmes et, si l’ap­pli­ca­tion le per­met, les clients ac­cep­te­raient, par exemple, un bas­cu­le­ment de Gige vers Ca­me­ra Link en rai­son de la fré­quence d’images su­pé­rieure que ce der­nier prend en charge. Sans ou­blier que des normes de trans­mis­sion de pro­chaine gé­né­ra­tion ar­rivent sur le mar­ché. Je parle des normes telles que 10 Gige et Ca­me­ra Link HS. Elles au­to­risent toutes deux des vi­tesses de trans­mis­sion al­lant jus­qu’à 10 Gbit/s (se­lon la confi­gu­ra­tion) sur de plus longues dis­tances que les normes usuelles: jus­qu’à 100m dans le cas de 10 Gige. Il convient tou­te­fois de noter que toutes ces nou­velles normes ne sont pas ré­tro­com­pa­tibles. Si 10 Gige peut être in­té­gré de ma­nière trans­pa­rente avec l’infrastructure exis­tante, Ca­me­ra Link HS, en re­vanche, n’est pas sim­ple­ment une évo­lu­tion de la norme 2.0 et nous de­vrons voir si ce­la af­fecte ou non son adop­tion.

Mesures. De nom­breuses ap­pli­ca­tions font de plus en plus ap­pel à des sys­tèmes de vi­sion mul­ti­ca­mé­ras. Pou­vez-vous nous in­di­quer un cas d’usage de tels sys­tèmes com­plexes? Ar­naud Des­truels. Dans un nombre im­por­tant (et tou­jours crois­sant) d’ap­pli­ca­tions, plu­sieurs ca­mé­ras doivent ef­fec­ti­ve­ment tra­vailler en­semble pour col­lec­ter en­core plus d’in­for­ma­tions. Un bon exemple vient de l’agri­cul­ture, où l’ins­pec­tion par vi­sion a lieu lorsque les fruits ou les lé­gumes des­cendent sur un convoyeur, sou­vent re­cou­verts de sa­le­té. Un tel cas d’usage né­ces­site l’em­ploi de plu­sieurs ca­mé­ras dont les images sont uti­li­sées pour dé­tec­ter exac­te­ment l’état des den­rées ali­men­taires et ain­si ré­pondre aux normes des su­per­mar­chés en fai­sant le tri entre les pro­duits ac­cep­tables quoi­qu’im­par­faits, ceux qui de­vront être pres­sés, et ceux qui sont abî­més, in­fec­tés ou moi­sis. Pour gé­rer ce­la et évi­ter les faux po­si­tifs, et en­core moins les faux né­ga­tifs, plu­sieurs ca­mé­ras – avec des cap­teurs cou­leur, proche in­fra­rouge et même po­la­ri­sés et/ou hy­per-spec­traux – per­mettent

de faire la dis­tinc­tion entre un état nor­mal, une ec­chy­mose, une in­fec­tion et même un élé­ment ca­ché sous la peau du fruit ou du lé­gume. La pos­si­bi­li­té pour ces ca­mé­ras de dé­clen­cher exac­te­ment au même mo­ment et de cap­tu­rer exac­te­ment la même image est donc vi­tale. Or, dans une ca­mé­ra stan­dard, les vi­tesses d’hor­loge sont ar­bi­traires et uniques, et il n’y a pas de lien entre les élé­ments. Ce­la si­gni­fie que vous ne pou­vez pas sim­ple­ment pro­gram­mer un mo­dule dif­fé­rent pour dé­clen­cher à un même mo­ment pré­cis.

Mesures. Com­ment faire pour que ces sys­tèmes com­plexes fonc­tionnent de ma­nière co­hé­rente? Ar­naud Des­truels. La so­lu­tion pour gé­rer ce­la consiste tra­di­tion­nel­le­ment à uti­li­ser le dé­clen­che­ment ma­té­riel, via une puce GPS. Il s’agit d’une mé­thode certes pré­cise – le GPS étant pré­cis à la na­no­se­conde– mais qui im­plique un sur­coût im­por­tant et crée un point spé­ci­fique de dé­faillance po­ten­tielle dans le sys­tème. Une so­lu­tion al­ter­na­tive consiste à im­plé­men­ter le pro­to­cole de syn­chro­ni­sa­tion de pré­ci­sion IEEE 1588 avec la norme de com­mu­ni­ca­tion Gige v2.0. Ce­ci per­met d’as­si­gner dy­na­mi­que­ment une hor­loge-maître (tout en au­to­ri­sant une dé­faillance de com­po­sant) et, à in­ter­valles ré­gu­liers, de syn­chro­ni­ser tous les com­po­sants du sys­tème avec la même hor­loge. En uti­li­sant ce pro­to­cole, il est pos­sible d’ob­te­nir une pré­ci­sion de l’ordre de la mi­cro­se­conde, certes moins bonne que la so­lu­tion pré­cé­dem­ment évo­quée, mais suf­fi­sante pour pra­ti­que­ment toutes les ap­pli­ca­tions de vi­sion in­dus­trielle. En outre, le pro­to­cole peut être uti­li­sé pour re­lier non seule­ment les ca­mé­ras, mais aus­si le reste du sys­tème: du ro­bot à l’ob­jec­tif en pas­sant par l’éclai­rage. Les com­po­sants in­di­vi­duels peuvent échan­ger des pa­ra­mètres et être dé­clen­chés via Ether­net, ce qui si­gni­fie qu’il est pos­sible de syn­chro­ni­ser avec pré­ci­sion, par exemple, les im­pul­sions lu­mi­neuses et le champ de la ca­mé­ra, et de les ajus­ter ra­pi­de­ment et à la vo­lée. Mesures. Quel a été le rôle de So­ny dans cette évo­lu­tion? Ar­naud Des­truels. Dans les sys­tèmes de vi­sion ar­ti­fi­cielle, les ca­mé­ras étaient tra­di­tion­nel­le­ment ca­pables d’agir uni­que­ment en tant qu’ap­pa­reil es­clave IEEE 1588, avec la né­ces­si­té d’avoir une cir­cui­te­rie dé­diée en tant que maître. Il en ré­sul­tait une aug­men­ta­tion du coût, sur­tout lorsque l’on ajoute une sau­ve­garde en cas d’échec. Ce­la a chan­gé fin 2016, lorsque So­ny a lan­cé la pre­mière ca­mé­ra de vi­sion ar­ti­fi­cielle ca­pable de jouer le rôle de maître. En­suite, les mo­dèles So­ny XCG-CG510 et XCG-CG240, com­mer­cia­li­sés en 2017, ont éten­du ce concept, en com­bi­nant un pla­ni­fi­ca­teur d’ac­qui­si­tion, un dé­clen­cheur lo­gi­ciel, un contrôle GPO et des types de com­mandes d’ac­tion de char­ge­ment dé­fi­nies par l’uti­li­sa­teur. Ain­si les ca­mé­ras de vi­sion in­dus­trielle GS Cmos de So­ny peuvent-elles réa­li­ser la syn­chro­ni­sa­tion pré­pro­gram­mée d’ac­qui­si­tion d’images la plus pré­cise du sec­teur dans des en­vi­ron­ne­ments réels.

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