Concepts de plateforme de traitement dans la vision embarquée

La combinaison de petites cartes de traitement et de modules de caméra miniaturisés est connue sous le nom de 'Embedded Vision'. La vision embarquée offre des avantages dans de nombreux domaines d'application - des appareils de diagnostic médical à l'automatisation industrielle.

Contrairement au monde classique des PC, le paysage des processeurs dans le domaine de la vision embarquée est hétérogène. L'article suivant explore les différentes architectures des platesformes de traitement et donne un aperçu des concepts actuels.

Système sur puce (SoC)

Le système sur puce (SoC) est le cœur de toute architecture embarquée. C'est là que s'effectue le traitement d'image proprement dit. Dans de nombreux cas, le terme 'SoC' est utilisé comme un équivalent de 'processeur.' En réalité, le SoC contient beaucoup plus. Outre le CPU (unité centrale de traitement) à un ou plusieurs cœurs, il y a le GPU (unité de traitement graphique), le contrôleur d'interface (USB, Ethernet, I²C), le système de bus interne, le matériel multimédia (encodage et décodage vidéo), la gestion interne de l'alimentation, etc. qui sont tous contenus dans une seule et même puce. En bref : un SoC combine de nombreux composants de base d'un PC dans un seul boîtier bien rangé.

Parmi les représentants les plus connus des SoC, on peut citer les séries NVIDIA® Jetson™, Qualcomm® Snapdragon™ et NXP® i.MX.

Système sur module (SoM)

Un système sur module (SoM, ou parfois Computer on Module [CoM]) contient un SoC, complété par des composants importants tels que la mémoire vive, la gestion de l'alimentation et d'autres systèmes de bus pour contrôler les composants - et pour rendre le SoC utile à un niveau pratique. Au sens figuré : alors que le SoC est une usine sans connexion avec le monde extérieur, le SoM y ajoute un entrepôt, une alimentation électrique et une bonne connexion de transport. Il permet de communiquer avec le directeur de l'usine.

Un SoM possède un ou plusieurs connecteurs - souvent normalisés - qui peuvent être utilisés par le SoM (et donc par tous les composants du SoM, y compris le SoC) pour communiquer avec le monde extérieur. Pour être honnête, il n'est pas possible de connecter des dispositifs externes (tels que des réseaux, des alimentations ou des caméras) directement via ces connecteurs. Une carte porteuse est nécessaire pour cela.

Néanmoins, chaque fois que la SoM est impliquée, la SoC est déjà incluse dans ces composants.

Système sur module (SoM) + carte porteuse

Comme nous l'avons déjà décrit, le SoC ne contient que les contrôleurs d'interface. Ce qui manque, c'est le connecteur physique (comme la prise Ethernet). La carte porteuse remplit ce rôle. Comme décrit ci-dessus, les SoM ont un connecteur standardisé sur leur face inférieure, ce qui leur permet d'être connectés à une carte porteuse. Les cartes porteuses offrent alors les connecteurs physiques nécessaires pour se connecter aux périphériques tels que les écrans, les unités de contrôle et les caméras. Contrairement au SoC ou au SoM, les cartes porteuses sont relativement faciles à développer. L'approche modulaire de la technologie embarquée prévoit que les développeurs achèteront des SoM sur étagère et développeront ensuite eux-mêmes la carte porteuse. Cette solution est moins coûteuse qu'une conception entièrement personnalisée (voir ci-dessous), mais elle offre une très grande souplesse, car le développeur peut décider des connecteurs à inclure sur la carte porteuse. Cela permet d'intégrer des interfaces USB, GigE et même des interfaces de caméra propriétaires telles que MIPI CSI-2 pour connecter une ou plusieurs caméras dart.

Remarque : dans certains cas particuliers, les SoM peuvent déjà posséder des connecteurs physiques individuels. Il s'agit toutefois d'une exception rare.

Ordinateur à carte unique (SBC)

Outre le concept modulaire SoM + carte porteuse, il est également possible d'utiliser un ordinateur à carte unique, ou SBC. Un ordinateur monocarte est en principe un peu plus qu'une carte SoM + une carte porteuse intégrées sur un seul circuit imprimé (d'où le nom d'ordinateur monocarte). Le modèle le plus connu est le Raspberry Pi. Ce SBC dispose d'une série de connecteurs (4x USB2, 1x MIPI CSI-2, ...) pré-intégrés sur la carte, permettant de connecter des périphériques sans nécessiter le développement d'une carte porteuse supplémentaire. Avantage : un SBC est très facile à mettre en œuvre. L'inconvénient : si, par exemple, le besoin d'un cinquième connecteur USB 2.0 se fait sentir, le concept SBC inflexible utilisé dans un Raspberry Pi ne sera pas en mesure de le fournir. Ainsi, alors qu'un SBC représente le niveau le plus bas de temps de développement et de coût, il est aussi le moins flexible.

Si les entreprises prévoient de vendre en grand nombre des unités centrales spécifiques à une application, le SBC n'est pas un bon choix, car il comporte presque toujours déjà des connecteurs ou des composants qui ne sont pas nécessaires à l'application. Cette constatation nous amène au dernier concept d'architecture embarquée, la conception entièrement personnalisée.

Conception entièrement personnalisée

Pour décrire la diversité de l'architecture embarquée dans son intégralité, il faut également mentionner la catégorie des "Full Custom Design" (FCD). Un FCD est un ordinateur à carte unique développé par une entreprise pour être utilisé dans une application sans avoir l'intention d'essayer de vendre ces FCD individuellement. Il est plutôt destiné à être utilisé dans un système plus large. Un FCD est donc un SoM + une carte porteuse dans une configuration très spécifique au client sur une carte.

Exemple : Une société d'ingénierie médicale envisage de mettre au point un dispositif portable permettant de capturer des images de grains de beauté suspects sur la peau et de les suivre. L'approche SoM + carte porteuse serait une option, mais elle n'est pas réalisable parce qu'il faudrait trop d'espace pour placer le SoM sur la carte porteuse. L'entreprise prévoit également de vendre plusieurs milliers de produits. Dans ce cas, elle décide plutôt qu'il est économiquement faisable de développer son propre SBC personnalisé (SoM + carte porteuse sur une seule carte de circuit imprimé). Il s'agit d'une application très spécifique, mais aussi d'un coût extrêmement optimisé, puisqu'elle ne contient que les composants réellement nécessaires à l'application.

L'entreprise prévoit également de vendre plusieurs milliers de produits. Dans ce cas, l'entreprise décide plutôt qu'il est économiquement faisable de développer son propre SBC personnalisé (SoM + carte porteuse sur une seule carte de circuit imprimé). Il s'agit d'une application très spécifique, mais aussi d'un coût extrêmement optimisé, puisqu'elle ne contient que les composants réellement nécessaires à l'application.

Sommaire

Les plates-formes de traitement jouent un rôle majeur dans la vision intégrée. Elles peuvent être conçues de différentes manières. En fonction du nombre d'unités, du savoir-faire, du type de systèmes subordonnés et des besoins en matière de traitement de l'image, il existe toute une série de concepts différents. Plus la plate-forme de traitement choisie s'éloigne des composants disponibles sur le marché, plus l'effort de développement et d'intégration est important, mais plus le prix unitaire est bas pour des quantités significatives.