La empresa china Hikvision es uno de los principales proveedores de cámaras de vigilancia en el mercado global, cuya capitalización creció a 20 mil millones de dólares el año pasado.
La demanda de sistemas de CCTV se ha disparado en los últimos años tanto en China como en todo el mundo. Los líderes de muchas regiones y corporaciones creen que las cámaras son indispensables para la construcción de las llamadas "ciudades inteligentes" con una vigilancia generalizada.
La cámara térmica de Hikvision lanzada en 2016 llamó la atención de System Plus Consulting por una simple razón: IA.
Hikvision ha creado la primera cámara con un sistema de inteligencia artificial integrado, que combina soluciones de software y hardware en su producto. Esto llevó a System Plus Consulting, una división de Yole Développement, a mirar debajo del capó de esta cámara para comprender "qué soluciones tecnológicas hay detrás".
En particular, esta cámara incorpora lo mejor de los mundos de Oriente y Occidente: "microbolómetro y procesador chino" junto con "componentes y dispositivos analógicos no chinos para IA".
Entre los competidores de Hikvision en esta especialidad se encuentran Dahua y Uniview con sede en China, Bosch (Alemania) y Axis (Suecia).
Hikvision se diferencia de ellos en que "esta empresa puede diseñar y fabricar sus propios productos". La empresa china tiene su propia línea de producción de MEMS, empaquetando y probando, montaje en superficie y ensamblaje final de componentes.
Intel, Hikvision y Movidius (ahora Intel) proporcionan tres componentes clave exclusivos de la cámara en cuestión:
- El módulo sintonizable Intel Peltier es responsable del procesamiento de la señal digital después de la lectura del microbolómetro y el control de temperatura
- La propia Hikvision ha desarrollado un chip para el procesamiento de señales de imagen, codificación y cifrado de video y funcionalidad de red.
- El procesador Movidius impulsa la IA para el procesamiento de imágenes
Más adelante en el texto, los especialistas de System Plus Consulting desmontarán esta cámara y lo contarán en detalle.
Cámara térmica
Una cámara térmica es capaz de detectar el calor generado por el cuerpo humano y convertirlo en una imagen mediante un sofisticado proceso de análisis de señales. Las imágenes se reproducen detectando y analizando temperaturas. En los últimos años, la termografía se ha abierto camino en aplicaciones de bajo coste gracias a los microbolómetros.
Los microbolómetros son sensores que detectan la radiación infrarroja. Están formados por una red de puntos de detección (llamados "píxeles") formada por diferentes capas y diferentes materiales absorbentes como el óxido de vanadio o el silicio amorfo (α-Si).
En una conversación con System Plus Consulting, discutimos los aspectos técnicos y estructurales de la cámara de imagen térmica de red Hikvision DS-2TD2166-15 / V1. Los técnicos especialistas de System Plus Consulting hablaron sobre la estructura electrónica y hardware de los equipos del sistema, destacando los distintos elementos que lo componen.
La cámara de red térmica Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 está equipada con un sensor de imagen basado en matrices de plano focal de óxido de vanadio sin refrigerar (Figura 1). Proporciona soporte para algoritmos de análisis inteligente para varias infraestructuras críticas como aeropuertos, ferrocarriles, etc. Esta cámara termográfica se basa en varios conjuntos de chips, como el microbolómetro RTD6171MR con 640 × 512 píxeles (paso de 17 μm); FPGA Cyclone V 550MHz 224I / O (FBGA484); SDRAM 2 GB (128Mx16) 800 MHz 13,75 ns (TFBGA96); Controlador de temperatura para módulo Peltier (TQFN48); Sistema en chip para cámaras IP HD profesionales; Procesador de visión artificial 2x32Bit RISC Proc. LPDDR3 de 4Gb; y DRAM DDR4 de 8 GB (512Mx16) 2400 Mbps.
Las características técnicas y de diseño hacen que esta cámara sea ideal para prevenir incendios y detectar rápidamente el sobrecalentamiento y los cambios de temperatura en las fábricas y los procesos de fabricación.
Las técnicas de análisis de imágenes de esta cámara permiten la detección de eventos en el espacio y el tiempo a partir de un flujo de video continuo. La cámara tiene 4 tipos de reglas para el análisis de contenido de video (cruce de línea, intrusión, entrada y salida de una región) y se pueden implementar 4 más.
La cámara captura imágenes térmicas que permiten a los usuarios detectar personas, objetos y accidentes en completa oscuridad y condiciones difíciles. Dado que la cámara solo es sensible a la radiación infrarroja emitida por los cuerpos, su capacidad para ver y grabar imágenes no se ve afectada por la luz de la escena que se está grabando.
Además, la cámara puede medir la temperatura real del lugar monitoreado. El dispositivo emite una alarma cuando la temperatura supera un umbral. Echemos un vistazo al hardware de esta cámara.
Figura 1: Hikvision DS-2TD2166-15 / V1.
Hardware de Hikvision
La cámara termográfica consta de 6 placas, cada una de las cuales está diseñada para cumplir un propósito específico. Veamos algunas partes (Figuras 2 y 3). FPGA Cyclone V SoC construido sobre tecnología de proceso de baja potencia (28LP) de 28 nm de TSMC; Consiste en un procesador ARM Cortex-A9 MPCore de doble núcleo, una variedad de periféricos y un controlador SDRAM multipuerto. El uso de este circuito proporciona ahorros de energía y admite un rendimiento máximo de más de 100 Gbps y negociación de transferencia de datos entre el procesador y la FPGA.
Figura 2: Algunas placas de Hikvision.
Figura 3: PCB de Hikvision 2.
El componente de amplificación / conformación de la señal consta de varios microcircuitos, en particular el amplificador de propósito general AD8605ARTZ-REEL, el amplificador dual LT6203IMS8 de 100 MHz y el amplificador diferencial LT1994IMS8 de 70 MHz. El AD8605ARTZ presenta un voltaje de compensación muy bajo, un voltaje y ruido de entrada bajos y un ancho de banda alto. Utiliza los dispositivos patentados Analog Devices, Inc. una técnica de ajuste de DigiTrim que ajusta el rendimiento del circuito mediante la programación de fuentes de corriente.
El LT6202 tiene un voltaje de ruido de 1.9nV / √Hz y solo consume 2.5mA por amplificador. Este amplificador combina bajo ruido y consumo de corriente con un ancho de banda de ganancia de 100 MHz, velocidad de respuesta de 25 V / μs y está optimizado para sistemas con baja configuración de entrada. La distorsión armónica es inferior a -80 dBc a 1 MHz, lo que hace que estos amplificadores sean adecuados para su uso en sistemas de adquisición de baja potencia como esta cámara térmica.
El LT1994 es ideal para señales de cambio de nivel para impulsar la entrada diferencial y los ADC de suministro único. El voltaje de salida de modo común del LT1994 es independiente del voltaje y se regula aplicando voltaje al pin VOCM como se describe en su hoja de datos.
Los ADC de 16 bits ADS1112IDGSR y LT3042IDD admiten una comunicación coherente con FPGA. El DS1112 está diseñado para aplicaciones de medición de alta resolución en las que se deben considerar la memoria y el consumo de energía. El LT3042IDD es un regulador de voltaje lineal de baja caída diseñado para alimentar aplicaciones de RF sensibles al ruido. Hay otros circuitos integrados en las placas 3 y 1 para admitir el suministro de energía a sus respectivos subsistemas integrados, como reguladores lineales y convertidores reductores.
El detalle principal que determina el 80% del costo es un microbolómetro (óxido de vanadio). Está apoyado por un componente Peltier con un circuito de control de temperatura.
Lentes
El módulo principal que soporta el microbolómetro consta de varias lentes para optimizar los rayos infrarrojos en los sensores. En las Figuras 4 y 5, vemos una lente de germanio con un diámetro de 19,6 mm y dos lentes hechas de triselenuro de arsénico (As2Se3) de diferentes diámetros: 17,6 mm y 27,6 mm.
Figura 4: Módulo de cámara.
Figura 5: Módulo de lentes.
En óptica, existe el número f (a veces llamado relación focal o apertura relativa), que expresa el área de percepción de la luz. Es decir, la distancia focal dividida por el diámetro de la apertura.
Una lente con un diámetro de apertura mayor permite que pase más luz o radiación infrarroja. En consecuencia, una mayor radiación infrarroja mejora las mediciones en términos de relación señal / ruido. El parámetro que determina la calidad de la medición se llama "NETD" o "Diferencia de temperatura equivalente al ruido". Por lo general, se expresa en mili-Kelvin (mK) y expresa qué tan bien el detector de imágenes térmicas puede distinguir pequeñas diferencias en la imagen térmica. Los valores típicos de las cámaras termográficas no refrigeradas con microbolómetros son del orden de 45 mK.
Microbolómetro
Las rejillas de resistencias de píxeles forman sensores no refrigerados. Estos sensores se denominan microbolómetros. Cualquier radiación que ingrese al absorbedor eleva su temperatura por encima de la temperatura del resistor. Cuanto mayor sea el consumo de energía, mayor será el aumento de temperatura. El valor de la resistencia cambia según la radiación incidente (la influencia de la radiación infrarroja, que calienta la superficie, es especialmente fuerte). Cada píxel está representado por una celda CMOS de entrada (circuito integrado de lectura -ROIC) y procesado por el microcircuito para crear una imagen en una computadora o monitor usando un FPGA (Figuras 6 y 7). Normalmente, la estructura de los microbolómetros está optimizada para una mayor sensibilidad en el rango espectral de 8-14 µm. Hikvision DS-2TD2166-15 / V1 utiliza el sensor IRAY RTD6171MR con resolución de 640 × 512 píxeles (paso de 17 μm),60 Hz (salida analógica) y SMD.
Figura 6: Microbolómetro - IRAY RTD6171MR.
Figura: 7. Microbolómetro RTD6171MR 17 micrones - desmontaje.
El captador reduce significativamente el desprendimiento de gas y mantiene una presión baja en la cavidad corporal.
System Plus ha destacado las características físicas del microbolómetro, que se resumen a continuación:
- Área de matriz: 175,2 mm² (13,6 x 12,8 mm)
- Área de píxeles: 96,4 mm² (10,9 x 8,85 mm)
- Matriz de píxeles: 641 x 520
- Matriz de píxeles activa: 640 x 512
- Número de sustratos: 107
- Conexión de cables: 32
Al analizarlo desde el interior, podemos ver que el reflector se encuentra debajo del material absorbente y está en contacto con el sustrato, que redirige la luz para optimizar la señal. El material absorbente está "suspendido" del sustrato para proporcionar aislamiento térmico, mientras que la cuadrícula de píxeles está sellada al vacío para mejorar la durabilidad y confiabilidad. La mayoría de los microbolómetros utilizados en las cámaras térmicas utilizan óxido de vanadio como material absorbente debido al mejor contraste térmico, que proporciona imágenes más precisas y claras.
Los detectores de óxido de vanadio tienen una impedancia de aproximadamente 100 kΩ para la resistencia media, a diferencia de los detectores de α-Si, que generalmente tienen una impedancia de aproximadamente 30 MΩ. En estas condiciones, el óxido de vanadio tiene un voltaje de ruido de Johnson más bajo y, por lo tanto, las mediciones serán menos ruidosas. El voltaje de ruido de Johnson depende de tres condiciones: clasificación de la resistencia, ancho de banda del circuito y temperatura.
La cámara está equipada con una temperatura de referencia y un sistema de estabilización de temperatura Peltier, equipada con un DAC AD5645RBRUZ de cuatro canales y 14 bits con referencia integrada y controlador de temperatura MAX1978ETM + T para el componente Peltier.
Los elementos Peltier son dispositivos termoeléctricos económicos que se utilizan para generadores de energía, refrigeración y control preciso de la temperatura y, al igual que con esta cámara, para mantener una temperatura constante del objeto a un nivel determinado. Los elementos Peltier se basan en fenómenos termoeléctricos. Estos fenómenos se basan en la formación de una diferencia de nivel de voltaje en las uniones PN de dos materiales metálicos diferentes.
El MAX1978 tiene transistores de efecto de campo de potencia incorporados y circuitos de gestión térmica que minimizan los componentes externos mientras mantienen una alta eficiencia. Un amplificador chopper de deriva ultrabaja proporciona una estabilidad de temperatura de ± 0,001 ° C. El sensor de temperatura está ubicado en el módulo de la lente y se basa en un termistor NTC / PTC. Un sensor de temperatura digital opcional, TMP75AIDRG4, monitorea la temperatura del sistema (ambiente) controlado directamente por la FPGA.
A diferencia de otros tipos de equipos de detección por infrarrojos, los microbolómetros de óxido de vanadio no requieren refrigeración. El óxido de vanadio se comporta de manera diferente según la temperatura. El vidrio revestido bloquea la radiación infrarroja (pero no la luz visible) a ciertas temperaturas, lo que permite que la electrónica de la cámara procese una imagen del espectro electromagnético y la reproduzca en pseudo colores.
Otros módulos
La cámara térmica admite la transmisión RS232 (a través de SP3232EEN-L) para interfaces industriales y transmisión Ethernet con soporte RTL8201FI-VC-CG. La placa 6, como se muestra en la Figura 2, incluye un sistema de energía CA / CC con diodos de supresión de voltaje transitorio para proteger la electrónica de transitorios y ESD.
Figura 2: Algunas de las placas de Hikvision.
La cámara térmica también tiene una interfaz PoE incorporada, que es compatible con la interfaz PD de alta potencia TPS2378DDDAR PoE y el controlador TL2845BDR-8 de Texas Instruments. Este último proporciona todas las funciones necesarias para implementar circuitos de control de CC de frecuencia fija en modo autónomo o CC con un mínimo de componentes externos.
La baja resistencia de conmutación (0.5 ohmios) del TPS2378DDAR, combinada con la disipación de calor mejorada del chasis PowerPAD, permite que el sistema PoE maneje continuamente hasta 0.85 A. Power over Ethernet (PoE) es una tecnología que transfiere energía a través de un cable Ethernet: un dispositivo que proporciona un dispositivo con alimentación se denomina unidad de fuente de alimentación (PSE) y un dispositivo con alimentación se denomina dispositivo con alimentación (PD). Cuando un dispositivo alimentado se conecta a una fuente, el estándar PoE determina una corriente de entrada para evitar grandes sobretensiones. Además, el estándar PoE proporciona un protocolo de enlace analógico (clasificación) entre la fuente de alimentación y el dispositivo alimentado para igualar la alimentación.
Trabajar con video en la cámara es proporcionado por un sistema basado en el SoC HI3519 V111. Utiliza el códec de compresión de video H.265 y presenta un bajo consumo de energía y un diseño arquitectónico. Hi3519 V101 admite rotación de 90 ° o 270 °, corrección de distorsión de lentes asistida por hardware, algoritmos para varios modelos de cámaras IP y códecs de audio. Este SoC está equipado con dos pares de memoria DDR4 de 4GB cada uno y GD5F2GQ4UB9IGR Flash NAND 2MB SPI.
Intel Movidius MA2450 VPU 2x32Bit RISC Proc. LPDDR3 4Gb a 933 MHz se encuentra en la placa 4 (Fig. 2) y permite que el sistema reconozca rápidamente objetos y personas, analice la cantidad de personas, verifique los productos fabricados y mucho más. Un sistema de visión por computadora utiliza el aprendizaje profundo para formar redes neuronales que guían los sistemas en el procesamiento y análisis de imágenes.
Destacan en el mercado una variedad de cámaras térmicas con sensores refrigerados y no refrigerados. Las cámaras termográficas con sensores refrigerados son más caras. Muchas cámaras térmicas modernas tienen sensores integrados con enfriadores criogénicos.
Gracias al microbolómetro, la cámara termográfica proporciona una buena precisión a un bajo costo. La cámara mide la temperatura superficial del calor emitido por el objeto y lo proyecta como una imagen.
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