Retrovisione intelligente

Dal 2007 è noto al Congresso degli Stati Uniti che le videocamere di retrovisione riducono gli incidenti in misura significativa. Nel 2014 la National Highway Traffic Safety Administration ha definito delle regole precise che i produttori devono mettere in pratica entro il maggio 2018, le quali impongono che tutti i veicoli al di sotto delle 10.000 libbre (circa 4.500 Kg) devono includere una videocamera di retrovisione. Inoltre, la videocamera deve rendere visibile una zona da 3 x 6 metri dietro al veicolo. L’industria automotive è stata proattiva prima dell’introduzione di questa legislazione e un numero significativo di nuove autovetture oggi in commercio include videocamere di questo tipo. Si prevede che la disponibilità di videocamere per retrovisione a bordo dei nuovi autoveicoli aumenterà del 78% entro il 2018. La sfida principale consiste nell’individuare le ostruzioni e nell’avvisare il conducente della loro presenza. Queste ricadono in due categorie principali; la rilevazione di oggetti fisici/statici e la rilevazione di oggetti in movimento e la loro classificazione, ad esempio come pedoni o ciclisti. Entrambe richiedono l’elaborazione intelligente del segnale della videocamera in tempo reale, indipendentemente dal fatto che l’autovettura sia in sosta o si stia muovendo. Chiaramente, ciò avrà un impatto sul costo del veicolo. L’impatto sarà inferiore sulle vetture che sono dotate di un opportuno schermo per infotainment (da circa 40 dollari); per i modelli di base e per le automobili di piccole dimensioni saranno richiesti sia una videocamera, sia uno schermo, e ciò farà salire il costo a circa 140 dollari. Il raggiungimento di queste fasce di prezzo pone pressioni sui progettisti automotive e sui fornitori di videocamere per fornire una soluzione a basso costo e ad alte prestazioni. In futuro, i sistemi più basilari dovranno essere conformi alla legislazione, semplicemente inviando un segnale video dalla videocamera di retrovisione allo schermo dell’abitacolo nel giro di due secondi, quando viene inserita la retromarcia. Molte delle attuali implementazioni delle videocamere di retrovisione sono già più sofisticate, e incorporano un modulo di elaborazione che si sovrappone alle linee di traiettoria sullo schermo di manovra e di visualizzazione degli ostacoli, attraverso cui l’informazione per l’identificazione dell’ostacolo è fornita dai sensori a ultrasuoni disponibili. La sfida in questo caso consiste nel migliorare il riconoscimento degli oggetti attraverso l’elaborazione basata sulle immagini e nell’includere questi ultimi all’interno dei confini spaziali del modulo camera. Il nuovo modulo deve essere delle stesse dimensioni degli attuali moduli camera e deve essere sigillato ermeticamente contro l’ingresso di umidità. Questo aumenta i requisiti per i fornitori dei sistemi, poiché occorre raggiungere un equilibrio fra la potenza di elaborazione e le perdite per dissipazione. Occorre tenere conto che i sensori di immagine Cmos mostrano prestazioni di rumore peggiori a temperature superiori a 85 °C il che, oltre a ridurre la qualità delle immagini, limita anche l’identificazione degli oggetti.

Una soluzione per elaborare le immagini

Toshiba ha sviluppato una linea di prodotti dedicata, sin dal primo lancio del proprio processore originario per il riconoscimento delle immagini nel 2004. Quest’ultima include il componente TMPV7502, alloggiato in un package Lfbga24 da 11 x 11 mm, il quale è destinato principalmente alle applicazioni Ads in cui lo spazio disponibile è ristretto. Il TMPV7502 è un processore a tre core in architettura Risc con Ram interna e un totale di cinque acceleratori basati su hardware di elaborazione ad alte prestazioni per il riconoscimento degli oggetti con bassi consumi di corrente. Il dispositivo raggiunge alte prestazioni con una bassa dissipazione di potenza inferiore a 1 W attraverso un approccio altamente parallelizzato, piuttosto che un approccio basato sull’elaborazione seriale con una frequenza di clock elevata. Accanto alla presenza dell’interfaccia bus Can integrata, il TMPV7502 è utilizzato in sistemi a singolo controllore all’interno dei moduli camera di retrovisione.

Il progetto di riferimento di una videocamera

Allo scopo di dimostrare la capacità del processore e di semplificare gli oneri di progettazione per i clienti, Toshiba ha sviluppato un sistema completo con funzione di videocamera di retrovisione come progetto di riferimento. Il sistema consiste in due elementi principali, la videocamera di retrovisione che include l’hardware di elaborazione e un’unità display, la quale consente ai progettisti di valutare e di verificare il sistema. La parte del sistema di riferimento costituita dalla videocamera è basata su schede circuitali flessibili piegate in quattro, che occupano uno spazio ridotto. Il progetto di riferimento è compatibile con i sensori Cmos di un ampio insieme di produttori, lasciando aperte ai progettisti le opzioni di specificare un modulo sensore che risponda alle precise esigenze dell’applicazione. L’imager è montato sulla prima scheda assieme alla Eeprom ad esso associata. La seconda scheda contiene il processore principale e la memoria di lavoro necessaria. La terza scheda presenta una memoria Flash unitamente a interruttori Dip per definire le opzioni di avvio e un interruttore di ripristino manuale come ausilio durante il collaudo del sistema. La scheda finale assicura le comunicazioni con la scheda ricevitore attraverso un’interfaccia Fpd-Link III e un connettore Hsd. Questa scheda fornisce anche un’interfaccia micro Usb che consente la connessione diretta alla videocamera per lo sviluppo, il monitoraggio e la messa a punto del software. La seconda parte del progetto di riferimento è la scheda ricevitore a doppio lato. In un veicolo in produzione, questa funzionalità sarebbe incorporata all’interno del sistema di infotainment centrale ma nel progetto di riferimento essa fornisce un modo semplice per sviluppare e per valutare una videocamera di retrovisione. Nello specifico, la scheda ricevitore contiene un deserializzatore Fpd-Link III. È presente un’interfaccia Lvds e un’intestazione vuota, che forniscono la possibilità di connettere il progetto di riferimento ad altri sistemi per un’ulteriore elaborazione delle immagini e l’aggiunta di funzionalità. La scheda consente inoltre agli ingegneri di connettersi direttamente al monitor Dvi per accedere visivamente ai dati provenienti dal processore di immagini.

Elaborazione, software e calibrazione

Le videocamere di retrovisione utilizzano lenti a occhio di pesce per ottenere un campo visivo maggiore di 180 gradi allo scopo di catturare qualsiasi pedone od oggetto che potrebbe ostacolare il veicolo. Questo angolo ampio introduce in certa misura una distorsione dell’immagine, che deve essere quindi corretta per ricevere un’immagine gradevole e per assicurare l’efficacia di elaborazione dell’oggetto. La calibrazione software automatica garantisce che tutti gli oggetti verticali siano davvero verticali. Il processore TMPV7502 usa gli acceleratori hardware CoHOG (Co-occurrence Histograms of Oriented Gradients) di Toshiba per classificare ad esempio i pedoni. Altri acceleratori sul chip supportano gli algoritmi di visione artificiale con una funzione efficiente di rilevazione dei bordi e della formazione di cerchi, definendo così i margini esterni di qualsiasi ostacolo. Effettuando questa elaborazione localmente nella videocamera, la capacità del processore del sistema di infotainment centrale è preservata per altri compiti di elaborazione. All’interno del kit di strumenti relativi al progetto di riferimento, Toshiba fornisce ai progettisti sia il driver a basso livello, sia la sl-lib che si connette agli acceleratori all’interno del processore TMPV7502. Anche il middleware è incluso. I clienti possono quindi realizzare in modo semplice le proprie applicazioni specifiche a partire da questo stack.

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