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Carte d'acquisition vs boîtier d'acquisition

Depuis peu, des composants baptisés « boîtiers d'acquisition d'images » architecturés autour des nouvelles interfaces numériques USB, FireWire ou Gigabit Ethernet ont fait leur apparition dans le domaine du traitement d'images. Ces petites unités externes équivalent à une carte d'acquisition externe disposant d'une part d'une interface vers une ou plusieurs caméras et supportant de l'autre une des interfaces numériques modernes (USB, FireWire ou Gigabit Ethernet) pour le transfert de données vers le PC. Où serait-il judicieux d'utiliser ces nouveaux composants ? Quel est leur avantage comparées aux cartes d'acquisition classiques ? Ces dernières conservent-elles une raison d'être ? Quelle est l'utilité des boîtiers d'acquisition pour les caméras dans lesquelles les interfaces modernes sont déjà intégrées ? Cet article doit vous aider à répondre à ces questions.

On assiste cette année aussi à une nette croissance du chiffre d'affaires du traitement d'images. Selon les dernières informations chiffrées de la VDMA (Fédération des constructeurs de machines et d'équipements allemands), les entreprises allemandes de ce secteur ont enregistré une nouvelle augmentation de 10% en 2004. Pour 2005, la VDMA prévoit une croissance supplémentaire de 10% permettant « probablement à cette branche high tech de franchir pour la première fois la barre du milliard d'euros ».

Au cours des dernières années, cette tendance positive s'est imposée dans le secteur du traitement d'images à l'encontre d'une conjoncture généralement difficile. Une des raisons est que les appareils ont nettement gagné en convivialité. D'une part, les spécialistes peuvent ainsi implémenter les composants à moindre coût dans des solutions de traitement d'images, de l'autre, ces composants simplifiés attirent de tout nouveaux groupes d'utilisateurs.

Cette évolution explique également l'apparition des nouveaux boîtiers d'acquisition d'images sur le marché de la vision. Contrairement aux cartes d'acquisition classiques, ces unités sont connectées de manière externe à l'ordinateur sur lequel le traitement d'images est réalisé. Les PC modernes sont généralement équipés d'une interface externe, la plus répandue étant l'USB/USB 2, mais les interfaces FireWire et Gigabit Ethernet (« GigE ») se sont bien établies entre-temps. Il s'agit de nouveaux canaux permettant aux données-image de parvenir dans la mémoire centrale de l'ordinateur d'évaluation.

Différents modèles de boîtiers d'acquisition sont à présent disponibles pour supporter les technologies de caméra présentes sur le marché. Ils sont capables de saisir les données de caméras analogiques répondant à une norme vidéo courante et celles de caméras LVDS ou CameraLink.

D'une manière générale, ces boîtiers fonctionnent comme des cartes d'acquisition : ils captent le signal de la caméra, le bufférisent, le trient si nécessaire, puis le transmettent à la mémoire centrale du PC par le biais de l'interface. Certains boîtiers d'acquisition peuvent être lancés comme des cartes d'acquisition et déclenchent alors automatiquement la prise de vue au niveau de la caméra. Certains boîtiers prévoient également des possibilités de pré-traitement comme le tri, la conversion RVB Bayer et bien d'autres choses. Certains fabricants proposent aussi des boîtiers permettant de connecter plusieurs caméras à une unité. Dans ce cas, les données-image sont transmises soit parallèlement soit en multiplex.
Le choix va grandissant.

Avec son produit i-Port (disponible en Allemagne chez STEMMER IMAGING), la société canadienne Pleora propose par exemple une famille entière de boîtiers permettant de connecter tous les types de caméras cités à une unité. La série i-Port est même disponible sous la forme de platines OEM et réalise le transfert de données par Gigabit Ethernet.

CAM2NET du fabricant danois JAI se prête à la connexion de caméras matricielles et linéaires par le biais de l'interface CameraLink Base. Ici aussi, il est possible de connecter à un réseau plusieurs unités composées d'une caméra et d'un boîtier d'acquisition. Les données de la caméra peuvent être transmises par réseau à plusieurs PC simultanément, en toute flexibilité. Cette architecture multidiffusion permet de construire aisément un système d'ordinateurs distribué constitué de plusieurs ordinateurs.

Avec sa gamme de produits microUSB (disponible en Allemagne chez STEMMER IMAGING), le fabricant Silicon Software de Mannheim mise pour sa part sur l'interface USB2. Ces boîtiers d'acquisition permettent de saisir les données de caméras LVDS ou CameraLink. Grâce à son module FPGA on board intégré, le boîtier d'acquisition peut même pré-traiter les données-image avant de les transmettre à une vitesse de 48 Mo/s.

Avec sa boîte d'acquisition AVC1 (disponible chez STEMMER IMAGING), la société VRmagic, sise elle aussi à Mannheim, propose un petit boîtier bon marché qui transmet les normes vidéo courantes sur USB 2. L'entreprise The Imaging Source de Brême transmet les normes vidéo courantes via FireWire par le biais du convertisseur DFG/1394-1. D'autres boîtiers d'acquisition sont en préparation chez différents fabricants ; on peut donc s'attendre à une diversification accrue de ces produits sur le marché au cours des prochains mois.


Avantages des boîtiers d'acquisition

Le gros avantage de ces boîtiers d'acquisition est leur flexibilité. D'une part, à l'instar des cartes d'acquisition, ils permettent d'employer les multiples caméras LVDS, CameraLink et analogiques courantes et sophistiquées. De l'autre, ces dispositifs permettent une construction beaucoup plus souple des systèmes de traitement d'images : contrairement aux cartes d'acquisition, les boîtiers d'acquisition peuvent être montés dans un emplacement adéquat, une armoire de distribution par ex., situé jusqu'à 100 m de l'ordinateur. L'utilisateur bénéficie ainsi d'une marge de manoeuvre accrue pour l'intégration. En outre, les ordinateurs d'évaluation peuvent être de plus petites dimensions puisque l'utilisation d'un boîtier d'acquisition externe rend la carte enfichable PCI superflue. Les boîtiers en soi sont très petits, ils mesurent en moyenne 100 x 100 x 40 mm. De plus, la connexion externe au PC rend l'intégration plus aisée.

On ajoutera que les boîtiers d'acquisition permettent de construire des systèmes multicaméras en toute facilité. Le Gigabit Ethernet, en particulier, possède ici un atout ; comme cette technologie provient de la technologie de réseau, elle est équipée dès le départ pour la construction de réseaux à partir d'un nombre (presque) illimité de sources et d'ordinateurs. Les lignes utilisées pour le Gigabit Ethernet sont identiques à ceux déjà employés dans l'industrie actuellement pour la mise en réseau de systèmes ; ils sont par conséquent déjà disponibles sous la forme de composants adaptés aux applications industrielles.

La sécurité des données, par contre, constitue un gros inconvénient des boîtiers d'acquisition. Les cartes d'acquisition sont connectées physiquement via un ou plusieurs câbles directs. On peut donc toujours déterminer avec exactitude où et quand un signal passe, combien de temps il lui faut et quand il arrive. Avec GigE, USB et FireWire, par contre, les données sont réparties en paquets avant d'être transmises. Le cours de la transmission des données ne peut donc plus être prévu avec précision même dans le cas d'une topologie simple composée uniquement d'une caméra, d'un boîtier d'acquisition et d'un PC. Dans les systèmes de traitement d'images travaillant en réseau, une livraison sûre et ponctuelle du paquet de données n'est plus du tout garantie car d'autres appareils ont peut-être un degré de priorité plus élevé.

Autre inconvénient des boîtiers d'acquisition : contrairement aux cartes d'acquisition PCI, analogiques et CameraLink, avec GigE, USB et FireWire, on n'est pas forcément sûr de la bande passante effective : soit l'utilisateur utilise le taux de transfert maximum, auquel cas la transmission n'est pas entièrement sécurisée, soit il donne la priorité à la fiabilité du transfert, possible uniquement au détriment de la bande passante. Les sommes de contrôle permettent bien de détecter les pertes de données, mais cette technique n'est pas toujours implémentée dans les drivers. En outre, aucune technologie ne permet de prévoir avec quel retard les données de la caméra parviendront à la mémoire centrale. Bien sûr, ces inconvénients pèsent uniquement dans la balance en cas de quantités de données conséquentes.


Avantages des cartes d'acquisition

Pour les tâches sous contrainte temporelle à réaliser à l'aide du traitement d'images, pouvoir prévoir le minutage des données est très important. Et c'est là que réside la grande force de la carte d'acquisition classique. Aucune autre technologie n'offre une telle flexibilité et une telle sécurité des données. Les cartes d'acquisition d'images du fabricant canadien Coreco Imaging, par exemple, ne se contentent pas de détecter une perte de données, elles fournissent même des informations précises sur le moment et l'endroit du transfert o๠l'erreur s'est produite. L'utilisateur ou le système ont donc la possibilité de réagir.

Outre leur technologie mûre, éprouvée durant des années, la fonctionnalité et l'efficacité des drivers constituent un autre avantage des cartes d'acquisition comparé aux nouveaux boîtiers d'acquisition. Pour les interfaces FireWire, USB 2 et Gigabit Ethernet, on a généralement recours aux drivers existants, ceux de Microsoft par ex., mais ceux-ci ne se prêtent pas optimalement au traitement d'images. Quand le fabricant écrit le driver lui-même, celui-ci n'est pas toujours compatible avec les chipsets du matériel de l'interface dans l'ordinateur. L'utilisateur doit donc s'attendre à  ce que l'implémentation dure plus longtemps qu'il ne l'aurait cru s'agissant d'une interface « standardisée ». Actuellement tout comme à  l'avenir, les données des caméras à  taux de transfert élevé ou celles des systèmes multicaméras ayant un taux de transfert global dépassant 100 Mo/s peuvent/pourront uniquement être transmises à  l'ordinateur par le biais d'une carte d'acquisition. Avec les systèmes de bus émergents PCI-X ou PCI Express, des taux de transfert de 1 Go./s sont possibles aujourd'hui déjà .

Bien entendu, il faut aussi prendre en considération les inconvénients des cartes d'acquisition : fondamentalement, elles exigent un plus grand savoir-faire de l'utilisateur. Notamment parce qu'il est toujours nécessaire d'ouvrir le PC afin d'installer la carte, chose que les utilisateurs finaux hésitent souvent à  faire. En outre, l'ordinateur doit être un peu plus gros que pour les boîtiers d'acquisition, du moins en ce qui concerne les cartes pour bus PCI. Et comme les cartes d'acquisition disposent généralement de fonctionnalités plus étendues, leur utilisation est inévitablement plus complexe ; d'ordinaire, elles sont aussi un peu plus coûteuses que les boîtiers d'acquisition. De plus, les cartes d'acquisition étant toujours intégrées au PC, elles ne sont pas aussi souples au niveau de la topologie.

Les caméras intégrant ces technologies dès le départ ne nécessitent pas de boîtier d'acquisition. Toutefois, l'utilisateur dispose seulement d'un choix limité pour ces caméras car elles sont disponibles seulement en nombre très limité jusqu'à  présent. En outre, le choix en matière de résolution et de taux de rafraîchissement d'image est encore très restreint. Ce choix grandira sensiblement à  l'avenir. Mais il faudra sans doute encore attendre des années avant d'obtenir la même diversité que pour les caméras LVDS, CameraLink et analogiques disponibles aujourd'hui.

Selon toute probabilité, c'est le Gigabit Ethernet qui a le plus grand potentiel. Un consortium de plusieurs fabricants de logiciels, caméras et matériel d'acquisition travaille actuellement à  un standard de traitement d'images universel basé sur le Gigabit Ethernet. Grâce à  ce standard, cette interface compatible réseau au taux de transfert atteignant 100 Mo/s a les plus grandes chances d'être utilisée à  grande échelle en traitement d'images.

Les sociétés appartenant à  ce consortium sont Adimec, Atmel, Basler, Cyberoptics, DALSA, JAI, JAI PULNiX, Matrox, National Instruments, Photonfocus et STEMMER IMAGING. L'objectif du groupe est de présenter dès que possible un prototype en état de fonctionnement. (Pour plus d'informations sur le consortium GigE, veuillez consulter www.machinevisiononline.org).


Conclusion :

La diversification des technologies se poursuivra à  l'avenir. Chaque tâche nécessite une technologie particulière de sorte qu'une solution optimale existera pour chaque tâche. L'USB 2 et le FireWire sont des interfaces souples dans le domaine des bandes passantes faibles. Les cartes d'acquisition continueront d'exister pour les tâches exigeant des caméras rapides ou une sécurité des données élevée. Le Gigabit Ethernet s'imposera très vraisemblablement au niveau intermédiaire.

Même si l'utilisation des composants se simplifie dans l'ensemble, pour l'utilisateur, il est toujours important de se faire conseiller par un spécialiste compétent afin de déterminer la technologie représentant la solution idéale pour son application.