Sette modi per scegliere con successo le telecamere per sistemi di trasporto intelligenti

Trovare la telecamera giusta per un ITS può essere scoraggiante, ma integratori e OEM possono avere successo seguendo queste linee guida.

Gli ITS (Intelligent Transportation Systems, sistemi di trasporto intelligente) migliorano la sicurezza e la mobilità dei trasporti, aumentano la produttività, applicano le leggi e, in ultima analisi, contribuiscono a generare utili. Tuttavia, la mancata considerazione di ambienti difficili ed esigenze applicative specifiche nella scelta delle telecamere per un ITS impediranno la buona riuscita del sistema. Inoltre, un numero abnorme di opzioni rende difficile capire da dove iniziare.

Le telecamere sono utilizzate prevalentemente nella tecnologia ITS in applicazioni come il monitoraggio del traffico, il riconoscimento automatico delle targhe (ALPR negli USA o ANPR, nel Regno Unito), il controllo degli accessi, il monitoraggio delle corsie preferenziali riservate a veicoli con almeno due persone a bordo (HOV), il rispetto dei parcheggi assegnati, il rispetto dei limiti di velocità e la protezione dei beni. A seconda dell'applicazione, potrebbero essere necessari diversi tipi di telecamere e sistemi. Tutte le implementazioni rappresentano una sfida, sia che le configurazioni delle telecamere richiedano lunghi percorsi di cavi e la capacità di resistere ad ambienti difficili sia che necessitino di sistemi integrati con capacità di elaborazione edge per un rapido feedback. Un'attenta considerazione di questi fattori può garantire il successo del sistema, ridurre il costo di proprietà e assicurare operazioni a prova di futuro. Questo articolo illustra le sfide e i metodi più comuni per vincerle e posizionare gli ITS per avere la garanzia del successo.

Iniziare con la qualità dell'immagine

Quando si desidera utilizzare telecamere per applicazioni ITS, tutta la pianificazione deve partire dalla qualità dell'immagine. In caso di applicazioni ANPR/ALPR, il sistema ha due compiti principali: riconoscere che una targa si trova nel campo visivo della telecamera e decodificarla. Entrambe le attività sono soggette a errori. I sistemi ANPR/ALPR di successo richiedono immagini di alta qualità, affinché il software possa eseguire il riconoscimento ottico dei caratteri (OCR) e la verifica ottica dei caratteri (OCV). I progettisti e gli integratori di sistemi hanno bisogno di telecamere potenti.

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Le telecamere con sensori di immagine di bassa qualità non generano immagini di alta qualità, quindi il sensore d’immagine è necessariamente un fattore fondamentale. Le scene ITS possono variare notevolmente in termini di luminosità a causa delle mutevoli condizioni di illuminazione esterne e una telecamera deve essere in grado di acquisire e fornire dati e dettagli alle parti più luminose e scure di un'immagine e le variazioni intermedie, a prescindere dalle condizioni di illuminazione. La misurazione della capacità di una telecamera di rilevare intensità di luce superiori, massime e minime è chiamata “gamma dinamica”; tanto maggiore è il valore di decibel (dB), quanto migliore è il valore. I sensori di immagine di alta qualità, come la linea Sony Pregius e Pregius S di sensori di immagine CMOS con otturatore globale, offrono un'elevata sensibilità della gamma dinamica, il che li rende ideali per numerose applicazioni ITS.

La serie di telecamere Blackfly S di Teledyne FLIR offre una gamma impressionante di modelli basati sui sensori di immagine Sony Pregius e Pregius S, da 1,6 MPixel a 26 MPixel, il che li rende adatti a un'ampia gamma di attività ITS. Le telecamere BFS-PGE-161S7C-C (a colori) e BFS-PGE-161S7M-C (monocromatiche), ad esempio, sono dotate del sensore da 16,1 MPixel Sony IMX542 Pregius S, che offre una gamma dinamica di 70,46 dB, una capacità di saturazione di 9609 e misure di efficienza quantica del 45,76% a 470 nm (blu), 52,26% a 525 nm (verde) e 33,49% a 630 nm (rosso). L'acquisto di una telecamera ad alta risoluzione quando l'applicazione non lo richiede fa aumentare il costo totale del progetto, ma ha senso se si considerano gli scenari futuri. Gli integratori e gli OEM, ad esempio, possono eseguire operazioni a prova di futuro per consentire l’ampliamento stradale ed evitare di dover cambiare le telecamere a bassa risoluzione in un secondo momento.

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Catturare il colore, evitare il riverbero

Il colore è un altro importante parametro di qualità. In caso di ANPR/ALPR: mentre le immagini in bianco e nero mostrano la targa, le immagini a colori forniscono il contesto su ciò che sta accadendo in una determinata situazione (semafori, segnali stradali codificati a colori e così via). Il colore è importante anche nelle situazioni in cui le telecamere montate sui veicoli controllano la presenza di auto parcheggiate in modo improprio. In Spagna, ad esempio, le linee blu sulla strada indicano che il parcheggio è a pagamento, mentre le linee verdi indicano che il posto è riservato a un residente del quartiere. I sistemi di visione integrati possono controllare automaticamente le infrazioni, ma necessitano di una riproduzione dei colori di alta qualità.

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I sensori di immagine hanno una particolare risposta all'illuminazione (efficienza quantica) e ciascuna condizione di illuminazione, come la luce solare, ha il proprio spettro di emissione, con ripercussioni sul modo in cui un'immagine apparirà al momento dell'acquisizione. L'efficienza quantica determina la capacità di un sensore di immagine di convertire i fotoni in elettroni e varia a seconda della lunghezza d'onda. Gli strumenti di raccolta dei colori determinano il modo in cui ciascun canale di colore interagisce con gli altri e scalano in modo indipendente ogni canale di colore. Una matrice correttiva del colore misura e compensa queste interazioni per riprodurre in modo più accurato i colori reali di un determinato soggetto. Questo risulta particolarmente importante nelle applicazioni in cui differenze minime di colore possono influire negativamente sulla precisione e sull'affidabilità dei risultati.

Le telecamere e i sistemi di visione a volte possono andare in difficoltà in presenza di riflessi e riverberi su superfici riflettenti come il vetro. Ad esempio, se un ITS vuole guardare in un’auto per eseguire il monitoraggio delle corsie HOV, i riflessi e il riverbero del sole possono impedire alla telecamera di acquisire immagini dell’interno dell’auto. Teledyne FLIR offre due telecamere (una GigE e una USB) basate sul sensore di polarizzazione monocromatico da 5 MPixel Sony IMX250MZR e una telecamera (USB3) basata sul sensore di polarizzazione RGB da 5 MPixel Sony IMX250MYR.

Figura 2: Le telecamere di polarizzazione possono catturare immagini dell'interno dell'auto anche in situazioni difficili in cui potrebbero essere presenti bagliori o riflessi.

Trova un esperto di hardware

Alcuni integratori e OEM del settore ITS possono essere più esperti di software che di hardware. La scelta, i test e l'ottimizzazione dell'hardware rappresentano una sfida, ma un fornitore esperto di telecamere può fornire consulenza tecnica sul progetto e fornire assistenza nella selezione e configurazione delle telecamere. Il fornitore deve inoltre fornire riferimenti a partner fidati quando ha a che fare con accessori e servizi non offerti dall'azienda, tra cui lenti, cablaggio, alloggiamenti e sviluppo di software.

Anche gli OEM e gli integratori hanno bisogno di supporto durante la fase di progettazione e sviluppo, nonché di assistenza per la configurazione del sistema e la consulenza software. Gli utenti dovrebbero cercare aziende produttrici di telecamere che forniscono questi servizi attraverso una combinazione di tecnici di sistema e team di supporto con frequenti chiamate di check-in. Prima di scegliere un fornitore di hardware, gli utenti finali devono anche chiedere informazioni sul supporto di sistema e su come il fornitore gestisce le relazioni con i clienti.

Trovare un equilibrio: SWaP-C e prestazioni

SWaP-C è un’espressione molto diffusa nel campo della ricerca e dello sviluppo e delle applicazioni militari e indica “dimensioni, peso, potenza e costi.” Le applicazioni di tutti i tipi richiedono dispositivi, sistemi e programmi con SWaP-C ottimale. Le applicazioni ITS non sono diverse. Negli ultimi anni, le telecamere ITS a basso costo e a livello di scheda si sono diffuse sempre di più. Tuttavia, le telecamere fornite in pacchetti più piccoli non sono sufficienti. Tali telecamere devono trovare un equilibrio tra SWaP-C e prestazioni. Un modo in cui Teledyne FLIR bilancia questo aspetto è garantendo che tutte le sue telecamere a livello di scheda siano identiche in termini di funzionalità rispetto alle versioni con custodia.

Figura 3: Nonostante il design compatto, le telecamere a livello di scheda Teledyne FLIR offrono le stesse funzionalità delle alternative con custodia.

Una tendenza ITS prevede l'implementazione di telecamere a risoluzione più elevata per coprire più corsie su un'autostrada. Gli integratori che in precedenza utilizzavano telecamere a livello di scheda con sensori di immagine a bassa risoluzione potrebbero cercare di aggiornare una telecamera da 1,3 MPixel con una telecamera da 8,9 MPixel o 12 MPixel, ad esempio. Se la nuova telecamera non ha lo stesso fattore di forma del modello precedente, tuttavia, l'integratore dovrà riprogettarla e ricertificarla. Teledyne FLIR offre telecamere a livello di scheda con lo stesso fattore di forma — in diverse risoluzioni, — in modo che gli integratori possano aggiornare i sistemi molto più facilmente.

Un passaggio verso l'integrazione

Come per il mercato della visione artificiale, l’ITS ha assistito al passaggio a sistemi integrati con capacità di edge computing in un design a basso consumo e fattore di forma ridotto. L'applicazione che potrebbe venire subito in mente quando si considerano i sistemi integrati nell'ITS è l'implementazione nel veicolo, ma i sistemi integrati possono adattarsi a praticamente tutte le applicazioni ITS o città intelligenti.

Gli integratori dovrebbero valutare alcune delle opzioni hardware integrate più diffuse, per un potenziale adattamento. Ad esempio, le telecamere possono funzionare con i moduli integrati NVIDIA Jetson TX2 o Xavier? Molte applicazioni ITS prevedono algoritmi sofisticati e richiedono un sistema in grado di elaborarli.

A tal fine, Teledyne FLIR ha lanciato la scheda Quartet™ Carrier per TX2. Appositamente personalizzata per le applicazioni ITS, essa consente ai clienti di collegare direttamente quattro telecamere USB3 a livello di scheda all’applicazione TX2 senza bisogno di hub o convertitori. Ciascun connettore della scheda di alimentazione su cavo ha il proprio bus, quindi non deve condividere la larghezza di banda con altre connessioni. Ad esempio, con Quartet gli integratori possono implementare simultaneamente una telecamera a colori ad alta risoluzione per il contesto generale, una telecamera monocromatica per ANPR/ALPR e una telecamera polarizzata per vedere attraverso i parabrezza — in un unico sistema collegato.

Figura 4: Progettata per Jetson TX2, la scheda Quartet Carrier può essere collegata a quattro telecamere nelle applicazioni con spazio limitato.

Design robusto e affidabile

Le telecamere distribuite nelle applicazioni ITS devono poter gestire l'attività da un punto di vista fisico. In caso di applicazioni su veicoli, gli integratori devono considerare la capacità della telecamera di funzionare a temperature estreme, ad esempio. Anche se molte telecamere sono integrate in un alloggiamento protettivo per resistere alle intemperie, devono comunque funzionare a temperature elevate (superiori a 50° C). Teledyne FLIR si assicura che tutti i suoi modelli di telecamere siano stati sottoposti ai test HALT (Highly Accelerated Life Testing) e li abbiano superati, facendo in modo che le telecamere non si guastino da -30 a 80° C.

Al momento della scelta di una telecamera, gli integratori devono anche tenere conto di urti e vibrazioni. Le telecamere devono essere conformi alle specifiche del settore in materia di urti e vibrazioni per garantire la qualità dell'immagine e l'affidabilità a lungo termine del sistema. Quando acquistano una telecamera, gli integratori dovrebbero verificare il tipo di test a cui essa è stata sottoposta. I test di vibrazione eseguiti sulle telecamere Teledyne FLIR sono documentati pubblicamente.

In generale, le telecamere ITS devono essere estremamente affidabili. Prendendo in prestito un luogo comune dal mondo dello sport si può dire che “la migliore abilità è la disponibilità.” Le telecamere devono essere in grado di eseguire le operazioni richieste per un lungo periodo di tempo senza malfunzionamenti o interruzioni e senza doverle sostituire. Tutti gli integratori ITS conoscono i costi e i problemi legati alla sostituzione delle telecamere in un sistema già implementato. Gli integratori possono evitare gli inconvenienti e l'imbarazzo scegliendo le telecamere di alta qualità che si dimostrano efficaci in un ambiente ITS da molti anni.

Sfruttamento di timestamp e dati GPS

Le telecamere GigE Vision sono molto diffuse nelle applicazioni ITS, per diversi motivi, tra cui la capacità di supportare cavi estremamente lunghi. Un altro motivo, forse meno noto, è la loro capacità di supportare il protocollo di precisione IEEE 1588 (PTP). Telecamere che supportano immagini PTP IEEE 1588 con timestamp accurato nel punto di esposizione. Inoltre, lo standard fornisce funzionalità avanzate, come consentire a più telecamere di eseguire l'acquisizione di immagini sincronizzate in base a un comando interno basato sul tempo, senza ricorrere a trigger esterni.

Figura 5: Il ritardo del percorso viene calcolato e scomposto in fattori sincronizzando i clock dei diversi dispositivi. Il dispositivo primario invia due segnali a quello secondario a (1) e (2). Dopodiché, il dispositivo secondario rinvia un segnale (3) e il ritardo viene calcolato e applicato per sincronizzare i clock (4).

Questo standard è importante in quanto offre la possibilità di sincronizzarsi con hardware esterno e incorporare dati GPS nei flussi di immagini. Un esempio di ciò è il rilevamento accurato di veicoli che violano il limite di velocità (senza radar). I timestamp di due punti diversi possono contribuire a determinare se un veicolo ha superato il limite di velocità e tempi di immagine precisi da entrambi i punti semplificano anche l'analisi della velocità ad alta precisione.

I timestamp sono importanti anche per l'applicazione automatica dei pedaggi basata su gantry. Un timestamp impreciso non produrrà un'immagine dell'intera auto, in quanto esso deve essere sincronizzato per l'applicazione del pedaggio. Per quanto riguarda la progettazione di sistemi, è necessario considerare la necessità di applicare un timestamp prima dell'acquisto.

Ottenere un successo del sistema

Inevitabilmente, alcune telecamere oggi disponibili sul mercato finiranno per guastarsi e causeranno dei grattacapi — per non parlare della perdita di tempo, denaro, reputazione e fiducia. Nel valutare le telecamere, ricordarsi di considerare la qualità dell'immagine, la flessibilità hardware, le capacità integrate, il design fisico e l'affidabilità, nonché l'importanza dei timestamp e dei dati GPS. Considerando questi fattori, gli integratori si sono preparati al successo complessivo del sistema.

Teledyne FLIR offre una gamma di telecamere industriali robuste e compatte che possono essere implementate in modo affidabile in vari progetti ITS e che coprono le esigenze a bassa risoluzione (1,3 MPixel) fino alle esigenze ad alta risoluzione (20 MPixel-plus) per la copertura di più corsie. Contattateci oggi stesso per scoprire come la vostra applicazione ITS può essere trasformata dalle nostre telecamere, sia quelle pronte all'uso che quelle personalizzate in base a esigenze specifiche.

Figura 6: Telecamere come la Blackfly S di Teledyne FLIR sfruttano la più recente tecnologia di sensori di immagine CMOS della linea Pregius e Pregius S di Sony.