QUELS STANDARDS POUR SUPPORTER LA VISION INDUSTRIELLE ?

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 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, 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.